Микробиология и биотехнологии. История становления

24 Декабря в 14:05 3833 0


Биотехнология - это наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве.

Название ее происходит от греческих слов bios - жизнь, teken - искусство, logos - слово, учение, наука.

В соответствии с определением Европейской федерации биотехнологов (ЕФБ, 1984) биотехнология базируется на интегральном использовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Уже в самом определении предмета отражено его местоположение как пограничного, благодаря чему результаты фундаментальных исследований в области биологических, химических и технических дисциплин приобретают выраженное прикладное значение.

Биотехнология непосредственно связана с общей биологией, микробиологией, ботаникой, зоологией, анатомией и физиологией, биологической, органической, физической и коллоидной химией, иммунологией, биоинженерией, электроникой, технологией лекарств, генетикой и другими научными дисциплинами.

Возникновение, становление и развитие биотехнологии можно условно разделить на четыре периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический. Эмпирический (от греч. empirikos - опытный) период - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет - до нашей эры и около 2000 лет -нашей эры.

Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. Так, египтяне выпекали хлеб из кислого теста с 4000 годов до н. э., на востоке вино было известно с 2000 годов до н. э. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях, хотя о микробах-индукторах этого процесса мир узнал в 1868 г. благодаря работам Луи Пастера, несмотря на существование с XIV в. «орлеанского способа» приготовления уксуса; первая дистилляция вина осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII века, но получение абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду Луллию благодаря перегонке вина с негашеной известью.

К тому же эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов и сыра, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, восточных продуктов (соевого соуса и темпеха), силосование кормов; мочка лубоволокнистых растений; культивирование грибов.

Таким образом, народы исстари пользовались на практике микробиологическими процессами, ничего не зная о микробах; эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных.

Второй, этиологический (от греч. aitia - причина), период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 - 1895) - основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин. Пастер вскрыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии; предложил метод стерилизации, называемый по его имени пастеризацией и т. д.

Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). Например: масляно-кислые бактерии и вызываемое ими масляно-кислое брожение, лактобактерии и молочнокислое брожение, дрожжи - сахаромицеты и спиртовое брожение, уксуснокислые бактерии и окисление этанола до уксусной кислоты и т. д. В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также некоторых продуктов обмена (метаболизма) - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот; во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Знание причин биологических процессов еще не исключало нестерильные операции, хотя и стремились к использованию чистых культур микроорганизмов.

Для всестороннего изучения морфолого-физиологических свойств и продуктов обмена микробов все ранее предложенные способы их выращивания оказались малопригодными. Более того, накопление однородной по возрасту большой массы клеток оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.

В 1933 г. А. Клюйвер и Л. Х. Ц. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. С этого времени начинается третий период в развитии биологической технологии - биотехнический. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего проведение процессов в стерильных условиях.



Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков -время Второй мировой войны (1939-1945 гг.), когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами. Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии.

Следует отметить, что уже в 1969 г. Ф. Мишер получил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов; В. Оствальд в 1893 г. установил каталитическую функцию ферментов; Г. Хаберланд в 1902 г. показал возможность культивирования клеток различных тканей растений в простых питательных растворах; Ц. Нейберг в 1912 г. раскрыл механизм процессов брожения; Л. Михаэлис и М. Л. Ментен в 1913 г. разработали кинетику ферментативных реакций; Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов в 1925 г. доказали мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи и т. д.

Следовательно, накопленные научные факты стали побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения. Это необходимо было для получения различных клеточных продуктов и самих клеток для нужд человека, и прежде всего в качестве (или в составе) лечебных и профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрациклинов, декстрана, ряда аминокислот и многих других веществ. К 1950 г. Ж. Моно (Франция) разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов.

Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореакторов. Это оборудование используют и в настоящее время.

Четвертый период в биотехнологии - генотехнический (от греч. genesis - происхождение, возникновение, рождение) - начался с 1972 г. В этом году П. Берг со своими сотрудниками в США создали первую рекомбинантную молекулу ДНК.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфических ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом суть генотехнического периода.

Для генотехнического периода характерны: разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов); получение суперпродуцентов; создание продуцентов, несущих в себе бессмысленную генетическую информацию (например, генов интерферона человека в клетках Pseudomonas aeruginosa); создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе (например, создание неклубеньковых организмов, несущих гены азотобактерий, ответственных за способность фиксировать молекулярный азот из воздуха); разработка и внедрение экологически чистых и по возможности безотходных технологий; разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры блочного (сменного) типа для различных биотехнологических схем; автоматизация и компьютеризация биотехнологических процессов; создание экономически оптимальных производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

В настоящее время биотехнология представляет собой биоиндустрию, которая включает в себя, с одной стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успехом заменить широко используемые традиционные методы, а с другой - отрасли, в которых биотехнология играет ведущую роль. Среди первых в области химической промышленности относятся синтез искусственных приправ, полимеров и сырья для текстильной промышленности, в области энергетики - получение метанола, биогаза и водорода, в области биометаллургии - извлечение некоторых металлов из бедных руд.

Во второй группе отраслей биотехнология охватывает производство продовольствия (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов и ферментов); увеличение продуктивности сельского хозяйства (клонирование и селекцию сортов растений, исходя из тканевых и клеточных культур, производство биопестицидов и биоинсектицидов); фармацевтическую промышленность (разработку вакцин, синтез гормонов, интерферонов и антибиотиков); защиту окружающей среды и уменьшение ее загрязнения (очистку сточных вод, переработку хозяйственных отходов, изготовление компоста, производство соединений, поддающихся расщеплению микроорганизмами).

В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения, можно выделить следующие разделы:
1. Промышленная микробиология.
2. Инженерная энзимология.
3. Сельскохозяйственная биотехнология.
4. Технологическая биоэнергетика.
5. Биогеотехнология металлов.
6. Клеточная и генная инженерия.
7. Экологическая биотехнология.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы