И ФОРМИРОВАНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИВопрос о формировании биотехнологии трактуется неоднозначно: по мнению одних (Овчинников, Баев, Скрябин), считается правомерным от- нести к сфере биотехнологии древние процессы брожения, включая полу- чение спирта, силосование; по мнению других (Аиба, Хемфри, Миллис), условной датой появления биотехнологии можно считать присуждение компании «Мерк Кемикал Компани» за достижения в области биохимиче- ской технологии в 1947 г. премии Мак-Гро – Хилла и, наконец, есть мне- ние, что начало биотехнологии следует отнести к 70-м годам ХХ столетия к моменту зарождения генетической инженерии. Видимо, правомерно отнести возникновение современной биотехнологии, начавшей свое фор- мирование на базе существующих отраслей микробиологической про- мышленности, к началу 50-х годов нынешнего века, а весь предшествую- щий данному периоду этап называть предысторией формирования био- технологии, ведущей корни из древнейших цивилизаций. Предысторию формирования биотехнологии можно подразделить на ряд этапов: – появление эмпирической технологии в 6-м тысячелетии до н.э., – зарождение естественных наук в XV–XVII веках; – формирование микробиологических производств и начало взаимо- действия науки и микробиологических производств в конце XIX – 10-х годах XX века, вызвавшее революционное преобразование мик- робиологических производств; – создание научно-технических предпосылок для возникновения со- временной биотехнологии (10-е – конец 40-х годов XX века). Человек с древнейших времен начал использовать в своей хозяйствен- ной деятельности биологические организмы, в частности микроорганиз- мы, не зная об их существовании. Первым микробиологическим процес- сом, использованным на практике, было брожение – процесс обмена ве- ществ, при котором в органическом субстрате происходят изменения под воздействием микробных ферментов. Возбудителями бродильных процес- сов являются грибы, бактерии, дрожжи. Данные организмы легко культи- вируются, быстро размножаются в сравнительно простых условиях и син- тезируют ферменты, вызывающие разложение органических веществ. С древнейших времен брожение применяли при хлебопечении, пивоварении и виноделии. Так, при раскопках Вавилона обнаружены дощечки, насчи- тывающие 6000 лет, с описанием процесса приготовления пива, а в пира- мидах Египта, построенных в этот же период, – караваи хлеба. Есть све- дения об очистных сооружениях, которые функционировали в древнем Риме. С 3–4-го тысячелетий известны человеку процессы пектинового брожения, лежащие в основе мочки прядильных растений, льна, конопли и др. С древнейших времен человечество сталкивалось и с отрицательны- ми последствиями деятельности микроорганизмов (порча продуктов, ин- фекционные болезни людей и домашнего скота). Следствием этого на пер- вых этапах были неосознанные, эмпирические попытки разработки методов и средств борьбы с этими явлениями. Так стали возникать методы консер- вирования продуктов. Во второй половине XV века начитается развитие современного есте- ствознания. На становление и развитие биологии существенное влияние оказали успехи химии, которая из описательной в этот период превраща- ется в аналитическую. Произошли сдвиги в изучении сущности процессов брожения; появился термин «ферментация», а процесс брожения стали связывать с наличием в среде дрожжей или ферментов. В XVI–XVII веках сначала во Франции, а затем повсеместно для разрыхления теста стали использовать пивные дрожжи; позднее с изменением и совершенствова- нием технологии пивоварения для этих целей стали применять дрожжи спиртовых производств. В Европе стали добывать медь в процессах бак- териального выщелачивания. Во второй половине XVIII века была доказана способность одного ве- щества разлагать другое. Это послужило началом экспериментального изучения уникальной способности ферментов к катализу специфических химических реакций. Таким образом, развитие описательной микробиоло- гии и изучение химических превращений стали важной предпосылкой для становления микробиологии и биохимии. В XIX веке с развитием химических наук были заложены основы орга- нической химии. В этот период были открыты многие органические ки- слоты, глицерин, холестерин, глюкоза, первые аминокислоты, осуществ- лен синтез мочевины. Для зарождения энзимологии большое значение имело изучение процесса гидролиза полисахаридов. Огромное влияние на создание научных основ микробиологических производств имели работы Луи Пастера, который по просьбе правительства Франции исследовал причины нарушения технологических процессов в ряде производств. Ра- ботая в области прикладной микробиологии, Пастер сделал ряд крупней- ших фундаментальных открытий, которые заложили основы современной технической микробиологии. Пастер неоспоримо доказал, что болезни, порча продуктов, брожение и гниение вызываются микроорганизмами, и создал теорию об экзогенности попадания этих организмов в среду. Этим была доказана несостоятельность бытующей в то время теории самозаро- ждения микроорганизмов. Работы Пастера заложили научные основы ви- ноделия, пивоварения, производства спирта и уксуса, борьбы с инфекци- онными болезнями. Современник Пастера Гексли, оценивая работы Пас- тера, говорил, что «... он своими открытиями возместил Франции боль- шую часть контрибуции, уплаченной Германии». Крупным достижением данного периода была разработка метода чистых культур, а также усо- вершенствование сред для выделения и выращивания микроорганизмов. Чистые культуры стали применять в сложившихся микробиологических производствах. Большое значение имели работы по изучению микробного антагонизма и применению его в медицине. Мечниковым было создано учение об антагонизме микробов и научно обоснованы рекомендации для практических применений этого учения. В этот период активно изучалась азотфиксация. Немецкие исследователи Гельригель и Вильфарт установи- ли биологическую природу процесса фиксации азота бобовыми растения- ми, а Бейеринк выделил чистую культуру клубеньковых бактерий и дока- зал их присутствие в ризосфере растений. Тогда же блестящими работами Виноградского, Омельянского, Надсона, Исаченко были заложены основы геологической микробиологии; начато изучение роли микроорганизмов в превращениях серы, железа, кальция, грязеобразовании. Стали заклады- ваться научные основы биологической обработки и обезвреживания сто- ков. Очистные сооружения, известные со времен Древней Индии и Рим- ской империи и пришедшие в упадок в средние века, с бурным развитием промышленности на рубеже XIX–XX веков вновь стали предметом при- стальных исследований. В этот период начала складываться энзимология. Для изучения и применения ферментов потребовалась разработка и под- бор специальных «мягких» методов выделения и очистки. Началось прак- тическое применение ферментных препаратов для подслащивания ряда веществ, появились препараты для дубления кож и применения в анали- тике. В 70–80-е годы XIX столетия были заложены основы культивирования растительных клеток и животных тканей. После работ Шванна и Вирхова, назвавших клетку элементарным организмом, возник интерес к изучению живых клеток, и начались эксперименты по сохранению жизнеспособно- сти клеток и кусочков тканей в специфических условиях и средах. В 1865 г. Мендель доложил Обществу испытателей природы свои наблюдения о закономерностях передачи наследственных признаков. В начале XX века были введены термины «мутации», «ген», возникла гипотеза Сэттона-Бовери о том, что хромосомы являются материальными носителями наследственных признаков. Русский цитолог Навашин рас- крыл особенности структуры хромосом и заложил основы хромосомной теории наследственности. Таким образом, в данный период внедрение научных знаний дало воз- можность приступить к разработке научно-обоснованных биотехнологий многих производственных процессов. Последний период эры предыстории современных биотехнологий (10- е – 40-е годы XX века) условно можно подразделить на два этапа. На пер- вом этапе, в начале его, в основном, происходило усовершенствование технологии существующих производств, а затем, благодаря успехам мик- робиологии, биохимии и других наук того периода, в результате принци- пиальных усовершенствований аппаратуры и технологий возникла основа для организации новых производств. В этот период стали выпускать но- вые экологически чистые биоудобрения и биологические препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений, воз- никли производства ряда целевых продуктов (органических растворите- лей, спиртов), начались промышленные испытания биотехнологических процессов переработки и использования растительных отходов. Второй этап данного периода тесно связан с биотехнологическими методами по- лучения ряда сложных веществ – антибиотиков, ферментов, витаминов______. Революционным моментом данного периода была промышленная реали- зация технологии производства антибиотиков. Отправной точкой при этом послужило открытие Флемингом, Флори и Чейном химиотерапевти- ческого действия пенициллина. Практически одновременно в СССР Ер- мольева, изучая действие лизоцима, показала, что он является фактором естественного иммунитета, а Гаузе и Бражникова получили новый актив- ный препарат – антибиотик грамицидин. После второй мировой войны в ходе интенсивного развития промыш- ленных биотехнологий были организованы производства аминокислот, белка одноклеточных, превращение стероидов, освоено культивирование клеток животных и растений. Интактные клетки микроорганизмов широко стали использовать для получения лекарственных веществ стероидной природы, были организованы крупные производства вакцин. Эра новейших биотехнологических процессов, возникшая в течение последних 25–30 лет, связана с использованием иммобилизованных фер- ментов и клеточных органелл, а также основана на методах рекомбинант- ных ДНК. Бурно развивающиеся в настоящее время генетическая и кле- точная инженерия способствуют тому, что биотехнологии постепенно завоевывают все новые и новые области производства и решительно вне- дряются во многие сферы деятельности человека. В 50-е годы после ус- пешного использования для получения вакцины вируса полиомиелита, выращиваемого в культуре клеток млекопитающих, линии культур клеток человека стали незаменимыми для выделения и культивирования ряда других вирусов, производства антител, интерферона, противоопухолевых химиопрепаратов. В конце 60-х годов иммобилизованные ферменты и клетки стали успешно применяться не только для производства полусинте- тических препаратов, но и для проведения несложных биохимических ана- лизов. Возникновение генетической инженерии условно относят к 1972 году, когда в США Бергом была создана первая рекомбинантная молекула ДНК. С середины 70-х годов данной проблемой интенсивно занимаются тысячи научных коллективов и промышленных компаний во всех странах мира. Сочетание слов «генетика» и «инженерия» свидетельствуют о том, что наступило время, когда стало возможным конструирование рекомбинант- ных ДНК и целенаправленно создавать искусственные генетические про- граммы. Это дало возможность организовать получение многих важных препаратов, а также начать работу по получению новых суперштаммов- деградаторов промышленных токсикантов. Внедрение новейших методов биотехнологии в настоящее время производит переворот в различных об- ластях биотехнологии, включая биотехнологические процессы. Эти мето- ды позволяют интенсифицировать экологически чистые биотехнологии воспроизводства пищи и кормовых препаратов, решать методами задачи обеспечения человечества материальными и энергетическими ресурсами и также природоохранные проблемы. к 16 к 16 к 16 к 16 Передавливание В П В рН рН Ср Ср Ср Пос Пос Пос Вакуум ПАВ 8 9 4 5 6 7 8 3 13 11 18 20 15 17 Тензодатчик Отходы на био- деградацию Информация Управление 21 22 САР (ЭВМ) АСУТП Установка параметров, в т.ч. по мат. моделям Продукты различной степени концентри- рования и очистки 23 16 Концен- траты Биомассы (кормовые и живые), вакцины Газообразные продукты Таким образом, корни биотехнологических процессов уходят в далекое прошлое, а их будущее необычайно широко и перспективно. Современном биологическим технологиям под силу создать отрасли, основанные на функ- ционировании биологических систем, метаболические системы которых об- ладают уникальными достоинствами и подчинены интересам человечества.
|
