Предмет биотехнологии. Что же включает в себя понятие биотехнологии? Этот термин происходит от греческих слов bios — жизнь, techne — искусство, logos — слово, учение, наука. В литературе есть множество его определений.
- Биотехнология — объединение биохимии и микробиологии, инженерных дисциплин для технологического использования микроорганизмов, культуры клеток, тканей и отдельных структур клетки.
- Биотехнология — наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве.
- Биотехнология — промышленное использование биологических процессов на основе микроорганизмов, культуры клеток и тканей, а также отдельных структур и компонентов клеток животных и растений с заданными свойствами.
Из приведенных определений ясно, что как бы ни стремились точнее передать значение термина «биотехнология», остается ясным одно — эта наука рождена усилиями многих дисциплин, изучающих живую материю, и соответствует социальному заказу современного человека.
История развития биотехнологии. Биотехнология формировалась и эволюционировала с развитием человеческого общества. Ее становление ряд ученых условно подразделяют на 4 периода (Блинов Н. П., 1995):
- эмпирический,
- этиологический,
- биотехнический,
- генотехнический.
Эмпирический (от греч. empeirios — опытный), или доисторический, период — самый длительный, охватывающий примерно 8 ООО лет, из которых более 6 ООО лет — до нашей эры и около 2 ООО лет — нашей эры. Древние народы интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. В те древние времена продукты растительного и животного происхождения использовались не только в пищу, но и для лечебных целей. К этому же периоду относятся:
- получение кисломолочных продуктов,
- квашеной капусты,
- медовых алкогольных напитков,
- силосование кормов,
- мочка лубоволокнистых растений.
Таким образом, исстари народы пользовались результатами микробиологических процессов, ничего не зная о микробах. Эмпиризм также был характерен и для практики применения полезных растений и животных.
Второй, этиологический (от греч. aitia — причина) период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 — 1933 гг.). Этот этап связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 — 1895) — основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин (промышленной, медицинской, химической, санитарной). Он:
- раскрыл 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 теперь пастеризацией, и т. д.
В биотехнологии важными являются питательные среды для культивирования ряда биообъектов. Уже в 1859 г. Л. Пастер приготовил первую жидкую питательную среду, метод выращивания грибов на желатине предложил О. Брефельд в 1864 г.
Третий период в развитии биологической технологии — биотехнический, обусловленный внедрением в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего протекание различных процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в разработке промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (во время Второй мировой войны, 1939 — 1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами). 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, которые используют и в настоящее время.
Четвертый период в биотехнологии — генотехнический (от лат. genos — род) — начался в 1972 г., когда П. Берг со своими сотрудниками в США создал первую рекомбинантную молекулу ДНК. Однако следует отметить, что в 1969 г. Дж. Бекуит с коллегами выделила в химически чистом виде лактозный ген из кишечной палочки, показав тем самым возможность направленных манипуляций с генетическим материалом бактерий. Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было бы невозможным достижение современных результатов в области биотехнологии.
Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привели к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом — суть генотехнического периода.
Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне Зная строение аппарата наследственности у разных организмов, удается манипулировать не только нуклеиновыми кислотами, но и целыми хромосомами (хромосомная инженерия) и клетками (клеточная инженерия).