Использование достижений биотехнологии в различных областях деятельности человека

Плакат 1

БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЕЁ РОЛЬ В ПРОИЗВОДСТВЕ

СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ (СПП)

План лекции

1. Общая характеристика и история развития биотехнологии

1.1 Научное понятие – "Биотехнология"

1.2 Характеристика основных периодов развития биотехнологии

2. Использование достижений биотехнологии в различных областях деятельности человека

3. Основные направления современного развития пищевой биотехнологии

3.1 Учёные – биотехнологи

3.2 Биотехнология разных стран

4. Роль биотехнологии в производстве специальных продуктов питания

Общая характеристика и история развития биотехнологии

1.1 Научное понятие – "Биотехнология"

1.2 Характеристика основных периодов развития биотехнологии

Биотехнология – уникальная наука, ибо она использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека. Имея грандиозные перспективы, она в большей степени зависит от развития фундаментальных наук: микробиологии, биохимии, генетики молекулярной биологии, а также от таких наук, как физика, математика и экономика. Термин "биотехнология" возник в начале 70-х годов XX в. И до сих пор единого определения как среди учёных, так и среди специалистов не имеет.

В сущности, биотехнология – это не что иное как использование культур клеток микроорганизмов (бактерий, дрожжей, грибов), растений или животных метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ.

Существует несколько следующих определений биотехнологии, как науки, рассмотрим их.

Плакат 2

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. К числу биологических процессов относят те из них, в которых применяют биологические объекты различной природы (микробной, растительной или животной), например, производство ряда продуктов медицинского, пищевого и другого назначения – антибиотики, вакцины, ферменты, кор­мовой и пищевой белки, полисахариды, гормоны, гликозиды, ами­нокислоты, алкалоиды, биогаз, удобрения и пр.

Это определение отражает широкие возможности использования биотехнологии. Следующее определение звучит так.

Плакат 3

Биотехнология – новая отрасль науки и производства, основанная на использовании биологических процессов и объектов для производства экономически важных веществ и создания высокопродуктивных сортов растений пород животных и штаммов микроорганизмов. В буквальном смысле биотехнология – это "биология + технология" то есть примене­ние фундаментальных биологических знаний в практической деятельнос­ти направленной на производство лекарственных препаратов, ферментов белков красителей ароматических веществ, витаминов и целого ряда биологически активных соединений. Кроме того, речь идет об использовании биотехнологических методов в селекции и конструировании прин­ципиально новых организмов, ранее не существовавших в природе.

Автор данного определения считает биотехнологию новой наукой и в дальнейшем раскрывает содержание и значение биотехнологии растений, как части общей биотехнологии.

В.С. Шевелуха с соавторами считает, что биотехнология (биоинженерия) – это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и ис­пользования генетически трансформированных (модифицирован­ных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсифика­ции производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

В традиционном, классическом смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и дру­гой продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природ­ных и селекционных) растений, животных и микроорганизмов, в ес­тественных и искусственных условиях.

Плакат 4

А.Н. Богатырев, А.А. Панфилов и другие известные российские учёные изучили современные возможности биотехнологии для создания продуктов питания. Они считают, что биотехнология – это управляемое получение целевых продук­тов с помощью биологических агентов: микроорганизмов, виру­сов, клеток животных и растений, а также с помощью внеклеточ­ных веществ и компонентов клеток. Хотя термин "биотехноло­гия" достаточно молодой, сами биотехнологические процессы имеют многовековое применение при изготовлении пива, алко­гольных напитков, сыра, хлеба и других пищевых продуктов.

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 науки отражено её местоположение как пограничное, 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.

Человек, рождающийся для познания мира (в том числе – и самого себя), давным-давно освоил на практике различные процес­сы биотехнологии, не зная по существу, что они относились к такому разряду. В самом деле, с библейских времен известно виноделие, тысячелетия насчитывает хлебопечение и т.д.

Познавательная деятельность людей непосредственно сказыва­лась на уровне социального развития общества. Недаром вторую половину XX столетия мы называем периодом научно-технической революции. Наука сегодня имеет огромное значение в жизни людей, и научный подход к решению любой задачи – веление и требование времени.

Плакат 6

Наука формировалась и эволюционировала по мере формиро­вания и развития человеческого общества. Это, в частности, не­посредственно относится и к биотехнологии. Её возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический.

Эмпирический (от греч. empeirikos – опытный) или доисто­рический 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. Кризис охотничьего промысла (хозяй­ства) стал побудительным мотивом революции в изготовлении продуктов питания. Эта революция началась около 8000 лет назад и привела к изобретению техники земледелия – началу произво­дительного ведения хозяйства (неолит и бронзовый век). Стали формироваться так называемые приречные цивилизации Месопо­тамии, Египта, Индии и Китая. Шумеры – первые жители Месо­потамии (на территории современного Ирака) создали цветущую в те времена цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. В этом следовали им ассирийцы и вавилоняне, жившие также в Месопотамии, египтяне и древние индусы. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издрев­ле приготавливавшийся в домашних условиях, хотя о микробах – индукторах этого процесса мир узнал в 1868 г. благодаря работам Пастера, и это несмотря на существование с XIV в. так называемого "Орлеанского способа" приготовления уксуса; первая дистилляция вина осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в., но получение почти абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду Луллию (ок. 1235 – 1315 гг.) благодаря перегонке вина с негашеной известью.

В те древние времена продукты питания растительного и животного происхождения использовались не только в пищу, но и для лечебных целей. Например, в ассирийской столице Ниневии (8-7 века до н.э.) была царская библиотека, насчитывавшая более 30 000 клинописных табличек, из которых в 33 имелись сведения о лекарственных средствах и их рецептуре, и в самом городе размещался сад лекарственных растений.

К тому же эмпирическому периоду относятся: получение кис­ломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов, мочка лубоволокнистых растений.

Длительное накопление фактов происходило и в области ми­кологии (от греч. mykes – гриб). Сведения о грибах можно найти в писаных источниках древности, а Луций Лициний Лукулл (106-56 гг. до н.э.), славившийся богатством, роскошью и пирами ("лукуллов пир"), предпочитал всем съедобным грибам кесарев гриб (Amanita cesarea). Древние евреи хорошо знали ржавчину хлебных злаков и головню. В IV-I веках до н.э. были собраны интересные материалы о грибах, нашедшие отражение в работах Аристотеля, Диоскорида, Плиния Младшего, Теофраста. В последующие века нашей эры микология стала самостоятельной наукой – велика роль в этом Д. Персоона и Э.М. Фриза, по праву считающихся отцами систематической микологии.

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 века и первую треть XX века (1856-1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского учёного Луи Пастера (1822-1895 гг.) – основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин (промышленной, медицинской, химической, санитарной). С аналитической микробиологией непосредственно связано открытие Пастером молекулярной ассиметрии (стереоизомерии). Это, по существу, бриллиантовый век мик­робиологии. Пастер вскрыл микробную природу брожений, дока­зал возможность жизни в бескислородных условиях, эксперимен­тально опроверг ходячее тогда представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии; предложил метод стерилизации, называемый по его имени пастеризацией и т.д.

Немеркнущая слава Пастера не затмила имен его выдающихся учеников и сотрудников: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлана, Ж.А. Вильемена, И.И. Мечникова. В этот же период творили Р. Кох, Д. Листер, Ш. Китазато, Г.Т. Риккетс, Д.И. Ивановский, А. Лаверан и др.

Параллельно с Пастером трудился в Германии, а позднее – во Франции, выдающийся миколог А. де Бари (1831-1888 гг.) – основоположник физиологической микологии. Изучив стадии раз­множения и историю индивидуального развития грибов (онтоге­нетический метод), с учетом их взаимоотношений с другими видами, а также цитологических и биологических особенностей, де Бари создал классификацию, которая и сегодня лежит в основе современных классификационных схем микро- и макромицетов.

Де Бари – основоположник микофитопатологии – науки о грибных болезнях растений (от греч. fiton – растение, pathos – болезнь), под его руководством сформировалась плеяда выдающих­ся учёных (в том числе из России): Ф.М Бальфур, И.В. Баранецкий, М. Бейеринк, О. Брефельд, М.С. Воронин, А. Кох, А.С. Фаминицин и др.

В биотехнологии важными являются питательные среды для культивирования ряда биообъектов. Уже Л. Пастер приготовил первую жидкую питательную среду в 1859 г., метод выращива­ния грибов на желатине предложил О. Брефельд в 1864 г., Ж. Ролен сообщил о жидких средах для выращивания нитчатых грибов в 1870 г., Р. Коху в 1876 г. удалось вырастить бациллы сибирской язвы в капле водянистой влаги, извлеченной из глаза погибшей коровы. В 80-е годы XIX столетия Р. Кох предложил метод культи­вирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и затем – на агаризованных питательных средах.

В настоящее время, предлагая самые сложные и необычные в каком-либо отношении среды для выращивания биообъектов, мы опираемся на основополагающие результаты этих выдающихся учёных. Аналогичным образом можно сказать и о вариантах способов стерилизации питательных сред, имея в виду тиндализацию, кипячение, дробную стерилизацию и др. Все они основыва­лись на необходимости уничтожения посторонней микрофлоры, которая попадала в среды в процессе их изготовления.

В ряду открытий всемирного значения стоит обнаружение в 1892 г. вируса мозаичной болезни табака Д.И. Ивановским (1864-1920 гг.). Последовавшие за этим обнаружения других вирусов обеспечили становление новой научной дисциплины – вирусоло­гии: Ф. Леффлер и П. Фрош в 1898 г. открыли вирус ящура, Д. Кэррол в 1901 г. – вирус желтой лихорадки, Ф. Туорт в 1915 г. и Ф. д'Эрелль в 1917 г. – вирусы бактерий (бактериофаги). Большой вклад в вирусологию был внесен отечественными и зарубежными учёными – Л.А. Зильбером, А.А. Смородинцевым, М.П. Чума­ковым, А. Борелем, К. Левадити, К. Ландштейнером, В. Стэнли, П. Лейдлоу, П. Руа, П.Ф. Эндерсом и многими другими.

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, маслянокислые бактерии и вызываемое ими маслянокислое 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 не стерильные операции, хотя и стремились к использованию чистых культур микроорганизмов.

Для всестороннего изучения морфолого-физиологических свойств и продуктов обмена, прежде всего, 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.X. 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 1869 г. Ф. Мишер получил "нуклеин" (ДНК) из гнойных телец (лейкоци­тов); В. Оствальд в 1893 г. установил каталитическую функцию ферментов; Т. Леб в 1897 г. установил способность к выживанию вне организма (в пробирках с плазмой или сывороткой крови) клеток крови и соединительной ткани; 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, а А. Каррел усовершенствовал способ выращивания клеток тканей животных и человека и впервые применил экстракт эмбрионов для ускорения их роста; Г.А. Надсон и Г.С. Филлипов в 1925 г. доказали мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи, а в 1937 г. Г. Кребс открыл цикл трикарбоновых кислот (ЦТК); в 1960 г. Ж. Барски и др. впервые обнаружили соматические гибриды опухолевых клеток мыши. 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; в 50-е годы вопросам практической реализации непрерывного культивирования микроорганизмов по­святили свои исследования М. Стефенсон, И. Малек, Н.Д. Иеру­салимский и др.

Примерно за 40 лет третьего периода развития биотехнологии 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. 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 г.) по установлению структуры ДНК было невозмож­ным достигнуть современных результатов в области биотехноло­гии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело 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. На таком же уровне или с близким к тому заделом находятся следующие генно-инженерные препараты: интерфероны, фактор некротизации опухоли (TNF), интерлейкин-2, соматотропный гор­мон человека и аналог его соматомедин Ц и др.

Подразделение научных исследований (равно как и наук) на фундаментальные и прикладные в какой-то мере условно, хотя фактически эти термины в достаточно широком ходу. Более того, фундаментальные и прикладные исследования включают в перс­пективные планы научных разработок в соответствующих акаде­мических и отраслевых учреждениях.

Принято считать, что фундаментальные (от лат. fundamentum – основа, опора, основание) исследования изначально нацелены на решение основополагающих проблем, а конкретные результаты, вытекающие из них, составляют суть прикладные исследований.

Подобного рода примеры весьма многочисленны и множество их убедительно доказывает скорость и глубину социального про­гресса человечества на долгом пути его эволюции. И наука здесь выступает решающим фактором, так как наука – это отрасль человеческой деятельности, направленная на познание мира (ми­роздания).

Фундаментальные исследования завершаются, как правило, установлением или доказательством новых фактов, закономерно­стей в соответствующей отрасли знаний. Рано или поздно эти факты (закономерности) находят практическое воплощение. Тем не менее, нельзя противопоставлять фундаментальные и приклад­ные исследования, так как на определенном этапе нередко можно видеть трансформацию их в противоположном направлении. На­пример, на основании обобщения полученных сведений о нукле­иновых кислотах Дж. Уотсон и Ф. Крик смогли предложить природную модель двойной спирали ДНК и, тем самым, подвели материальный фундамент под ранее известный якобы "мифиче­ский" ген. На этой основе возникли многочисленные практические разработки по молекулярной биологии гена и, в том числе, напри­мер, по мутагенезу. С другой стороны, практические разработки по выделению и манипулированию с ДНК различного происхож­дения стали основой для постулирования общегенетических зако­нов, присущих всему живому. Вот почему и сегодня справедливы слова великого Л. Пастера, сказанные по этому поводу: "Нет, тысячу раз нет, не существует ни одной категории наук, которой можно было бы дать название прикладных наук. Существуют науки и приложение наук, связанные между собой как плод и породившее его дерево".

Биологическая технология – как наука является воплощением симбиоза теоретических исследований и практической реализации, предварительно полученных фактов в работах с организованными частицами (вирусами), клетками и тканями, с первичными и вто­ричными метаболитами, с генетическим материалом.

Таким образом, приведенные выше данные свидетельствуют о том, что существующая многие годы наука "Биотехнология" получила в последние годы большое развитие.

Использование достижений биотехнологии в различных областях деятельности человека

Понятие биотехнология трактуется по-разному, но сущность одна – это использование биологических объектов различной природы (микробной, растительной или животной) в различных областях деятельности человека.

Плакат 6

БИОТЕХНОЛОГИЯ В СЕЛЕКЦИИ И РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

Важнейшее место биотехнологии и биоинженерии принадлежит в со­временной селекции растений на устойчивость и качество продукции, создание нового поколения сортовых ресурсов страны и мира. Основные исследования биотехнологов направлены на создание улучшенных и принципиально новых генотипов сельскохозяйственных растений, обла­дающих единичной, групповой или комплексной устойчивостью к биоти­ческим или абиотическим стрессовым факторам среды при сохранении и повышении их продуктивности и качества.

Плакат 7

БИОТЕХНОЛОГИЯ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ

Ученые-биотехнологи России совестно с се­лекционерами, ветврачами и другими специалистами решают приоритетные проблемы животноводства. Важнейшими из них являются получе­ние трансгенных животных: крупного рогатого скота, овец, свиней, кро­ликов и птицы, отличающихся устойчивостью к опасным вирусным и другим инфекциям. На очереди получение трансгенных животных, ус­тойчивых к лейкозу, туберкулезу, бруцеллезу и другим болезням.

Плакат 8

БИОТЕХНОЛОГИЯ И ВЕТЕРИНАРНАЯ МЕДИЦИНА

Наибольших результатов в ветеринарной биотехнологии и медицине добились в микробиологии при решении профилактических и терапевти­ческих задач по защите различных видов скота и птицы от болезней, обес­печении условий для ветеринарной безопасности животноводства. Со­вместно с ветеринарными специалистами разработаны методы получе­ния и организовано промышленное производство одновалентных и поли­валентных сывороток профилактического и препаратов терапевтичес­кого действия, полученных генно-инженерными методами.

Разработаны также способы массового культивирования клеток и ви­русов на биофабриках, что позволяет выпускать более 40 вирус-вакцин против наиболее опасных вирусных инфекций — бешенства, инфекци­онного ринотрахеита, чумы и других заболеваний, в том числе вызывае­мых бактериальными и грибковыми возбудителями.

Плакат 9

БИОТЕХНОЛОГИЯ В ПЕРЕРАБОТКЕ И ХРАНЕНИИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ

Биотехнологические методы и приемы направлены на сохранение и улучшение вкусовых и других качеств продукции, основанных на приме­нении биологических компонентов-добавок – консервантов и пищевку­совых соединений растительного и синтетического происхождения; мем­бранной технологии, трансгенных микроорганизмов, обеспечивающих надежную и длительную сохранность продукции. Современная промыш­ленность, производящая витамины, аминокислоты, кормовые и пищевые добавки, почти полностью основана на современных методах биотехно­логии.

Поиск по сайту: