Природа і різноманіття біотехнологічних процесів

У середині 1960-х рр. багато хто пророкував виникнення “нової біології”, розвиток прикладних областей якої істотно змінило б процедури отримання цілого ряду хімічних і фармацевтичних засобів. Ця “революція” стала реальністю завдяки численним відкриттям наступного десятиліття в біохімії, в біології клітини мікробіології, вірусології та молекулярної біології. Настільки сміливі надії грунтувалися в першу чергу на встановлення структури і функції певних ферментів, їх використанні в иммобилизованной формі – насамперед микробиологами і ензимологія – в різноманітних виробничих процесах, а також на тому, що фахівці в галузі молекулярної генетики відкрили спосіб модифікації ДНК і перенесення її з одних організмів в інші. Завдяки стрімкому прогресу вірусології (у дослідженнях бактеріофагів), мікробіології (в поглибленому вивченні фізіології, генетики та молекулярної біології кишкової палички (Escherichia coli), а також у вивченні плазмид), молекулярної генетики (у встановленні генетичного коду) і ензимології (у відкритті ферментів рестрикції ) були накопичені знання і розроблені методи генної інженерії. Одночасно були гідно оцінені і потенційні можливості цих методів.

Термін “біотехнологія” був придуманий в 1917 р угорським інженером Карлом Ерек для опису процесу великомасштабного вирощування свиней з використанням як корм цукрових буряків. За визначенням Ерек, біотехнологія – це “всі види робіт, при яких із сировинних матеріалів за допомогою живих організмів виробляються ті чи інші продукти”. Проте це абсолютно точне визначення не отримало широкого розповсюдження. Довгий час термін “біотехнологія” ставився до двох дуже різних дисциплін. З одного боку, його вживали, говорячи про промислової ферментації, з іншого – стосовно тієї області, яка зараз називається ергономікою. Такий подвійності прийшов кінець 1961 р, коли шведський мікробіолог Карл Герен Хеден порекомендував змінити назву наукового журналу “Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology” (“Журнал мікробіологічної та біохімічної інженерії та технології”), що спеціалізується на публікації робіт з прикладної мікробіології та промислової ферментації, на “Biotechnology and Bioengineering” (“Біотехнологія і біоінженерія”). З цього моменту біотехнологія виявилася чітко і необоротно пов’язана з дослідженнями в області “промислового виробництва товарів і послуг за участю живих організмів, біологічних систем і процесів” і стала на міцний фундамент мікробіології, біохімії та хімічної інженерії.

За класичним визначенням – біотехнологія, це по суті, не що інше, як використання культур клітин бактерій, дріжджів, тварин або рослин, метаболізм і біосинтетичні можливості яких забезпечують вироблення специфічних речовин. Згідно з визначенням Європейської біотехнологічної федерації, створеної в 1978 р, біотехнологія на основі застосування знань і методів біохімії, молекулярної біології, мікробіології, генетики та хімічної техніки дозволяє отримувати вигоду в технологічних процесах із властивостей мікроорганізмів, макроорганизмов і клітинних культур. Вона створює можливість отримання за допомогою легко доступних і поновлюваних ресурсів тих речовин і сполук, які важливі для життя та добробуту людей. Новітнє визначення біотехнології, пропоноване академіком ВАСГНІЛ В. С. Шевелуха, це наука про генно-інженерних та клітинних методах і технологіях створення та використання генетично трансформованих біологічних об’єктів для інтенсифікації виробництва або отримання нових видів продуктів різного призначення.

У промисловому масштабі біотехнологія являє собою вже біоіндустрію. Остання включає в себе, з одного боку, галузі, в яких біотехнологічні методи можуть з успіхом замінити широко використовуються в даний час традиційні методи, а з іншого – галузі, в яких біотехнологія відіграє провідну роль. Серед перших в області хімічної промисловості синтез штучних приправ, полімерів, сировини для текстильної промисловості, в галузі енергетики – отримання метанолу, етанолу, біогазу та водню, в області біометаллургіі – витяг деяких металів. У другій групі галузей біотехнологія охоплює: виробництво продовольства (широкомасштабне вирощування дріжджів, водоростей і бактерій для отримання білків, амінокислот, вітамінів, ферментів, продукти гібридомної технології); збільшення продуктивності сільського господарства (клонування і селекція сортів рослин, виходячи з тканинних і клітинних культур, виробництво Біоінсектициди); мікробіологічну промисловість (розробка та виробництво вакцин, діагностичних препаратів, синтез гормонів, інтерферонів та антибіотиків); захист навколишнього середовища та зменшення її забруднення (очищення стічних вод, переробка господарських відходів, виготовлення компосту, а також виробництво з’єднань, що піддаються розщепленню мікроорганізмами).

Ця еволюція біотехнології невіддільна від розвитку знань про основоположні механізмах життєдіяльності. У 1953 р Сенгер встановив повну структуру білка інсуліну, а Уотсон і Крик довели, що дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) побудована з двох ниток. У 1963 р Ниренберг розшифрував генетичний код, який виявився універсальним як для бактерій, так і для вищих організмів аж до людини. Тим самим генетична інформація і її сенс, т. Е. Взаємозв’язок між генетичним кодом і структурою білків, стали доступні для вивчення. Найважливіший етап був пройдений в 60-х рр., Коли з’явилася можливість автоматично визначати структуру білків. Стали проводитися прилади, встановлені послідовності (первинні структури) білків, які склали “атлас білків”, що зберігається в комп’ютерних системах. Слідом за вивченням білків були досягнуті і в дослідженнях нуклеїнових кислот. У 1976 р Гілберт і Максам в Гарвардському університеті розробили швидкий метод хімічного аналізу ДНК; з’явилася реальна можливість визначати послідовність нуклеотидів. У 1982-1985гг. стало можливо створити прилад для автоматичного аналізу нуклеїнових кислот. Аналіз ДНК дозволяє дедуціровать, грунтуючись на генетичному коді, амінокислотні послідовності білків, синтез яких знаходиться під контролем відповідних генів. Наступний найважливіший етап – це синтез біополімерів за встановленою структурі. Перші комерційні прилади, що виробляють автоматизований синтез поліпептидів, були розроблені на основі досліджень Мерріфілд в 1963 р Після визначення структури фенілаланіновой транспортної РНК (тРНК) Корану (спочатку в університеті Вісконсіна, а потім в Массачусетському технологічному інституті в 1970-1972 рр.) Справив синтез ДНК (інакше кажучи, гена), що відповідає цій тРНК. Згодом Корану і його співр. синтезували ген попередника тирозинових тРНК Escherichia coli. Ітакура з співр. в Національному медичному центрі “Хоуп” (Дуарте, Каліфорнія) в 1977 р з успіхом синтезували ген соматостатину, а в 1979 г.- ген інсуліну людини. Ці гени були введені в клітини бактерії Е. coli з використанням методів генної інженерії. Так вперше була продемонстрована експресія гена людини в бактеріальних клітинах. Створені автоматичні “синтезатори”, що дозволяють проводити більш-менш автоматичне нарощування нуклеотидной ланцюга, пов’язаної з носієм, а вся процедура в цілому може контролюватися комп’ютером (т. Е. Програмою, яка передбачає зберігання, дозування, перекачування, упорскування в реакційну камеру, відмивання розчинників і реагентів, а також контроль запрограмованої послідовності операцій). У 1980 р Ітакура створив перший синтезатор генів. Синтез фрагментів нуклеїнових кислот, який в 1981 р проводили нарощуванням нуклеотидів один до одного, був швидко вдосконалений за рахунок з’єднання заздалегідь отриманих довших послідовностей згідно заданою програмою. Повний синтез ДНК, що містить специфічну послідовність нуклеотидів, відрізняється від реплікації ДНК in vivo або in vitro, катализируемой ДНК-полімеразою. Остання потребує матриці, яка представляє собою двунітевой молекулу ДНК і містить точно відтворює інформацію, але не служить джерелом нової інформації. При хімічному синтезі є можливість вносити зміни в послідовність нуклеотидів і вивчати їх вплив на біологічну функцію синтезованої таким способом молекули ДНК (або РНК). Хімічний синтез дає можливість вивчення регуляції синтезу нуклеїнових кислот, а також регуляції транскрипції РНК на матриці ДНК. У процесі транскрипції вирішальна роль належить певним нуклеотидним послідовностям, які називаються промоторами. Вводячи різні нуклеотиди в послідовність при хімічному її синтезі, т е, фактично отримуючи точкове мутації, можна простежити за змінами функції такій послідовності в клітці. Саме таким способом в лабораторії Університет Луї Пастера в Страсбурзі, в промоторних ділянці гена, що кодує один з поліпептидів білка курячого яйця, був замінений одиничний нуклеотид. Ця мутація дозволила встановити роль специфічної нуклеотидної послідовності в регуляції синтезу інформаційної РНК. Отримані в результаті хімічного синтезу полінуклеотіди можуть бути використані для виділення за допомогою гібридизації відповідної інформаційної РНК, що кодує структуру білка.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 5.00 out of 5)

Природа і різноманіття біотехнологічних процесів