Курс лекций по биотехнологии - часть 1

 

  Главная      Учебники - Разные     

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

 

содержание   ..    1  2   ..

 

 

Курс лекций по биотехнологии - часть 1

 

 

 

1

Введение 

   Биотехнология - одна  из  важнейших  современных  научных  дисциплин. 

Знание её основ необходимо фармацевту, работающему как в лабораториях и 

цехах предприятий, выпускающих лекарственные средства, так и в аптеках и 

контрольных  учреждениях.  В  каждом  случае  помимо  знания  общих  основ 

этой  науки  (и  добавим  сразу – сферы  производства),  обязательно  также 

глубокое знакомство с теми  ее разделами,  которые будут наиболее близки 

профилю  работы  специалиста.  Знакомство  с  биотехнологией  необходимо 

сейчас  всем  выпускникам  медицинского  вуза  независимо  от  их 

специализации.  Это  связано  как  с  расширяющимся  проникновением 

биотехнологических  методов  в  практику  диагностики,  профилактики  и 

лечения  различных  заболеваний,  так  и  с  тем,  что  биотехнология  (ее 

современные  концепции)  способствует  формированию  мировоззрения 

человека,  адекватного  стремительному  течению  научно-технического 

прогресса в современном мире. 

   Прежде  чем  рассматривать  подробные  (достаточно  развернутые) 

определения  понятия  биотехнологии,  можно  сразу  же  отметить,  что 

биотехнология  отражает  использование  ферментов  (биокатализаторов – 

бесклеточных  ферментных  комплексов),  одноклеточных  и  многоклеточных 

организмов  в  создаваемых  человеком  технологических  процессах,  которые 

воспроизводят, как природные процессы, так (последнее время все чаще) и не 

наблюдающиеся пока в природе. 

   В общем смысле технология, как правило, связана с производством,  целью 

которого  является удовлетворение потребностей человеческого общества. 

Иногда  высказывается  мнение,  что  биотехнология - это  осуществление 

природного  процесса  в  искусственных,  созданных  человеком  условиях. 

Однако,  в  последнее  десятилетие  на  основе  биотехнологических  методов  в 

биореакторах  (техногенных  нишах)  воспроизводятся  не  только  природные, 

но и не протекающие в природе процессы.  

 

2

   В  настоящее  время  биотехнология  решает  проблемы  не  только  медицины 

или  создания  пищевых  продуктов  путем  ферментации, (традиционной 

области  ее  применения);  с  ее  помощью  ведется,  например,  разработка 

полезных ископаемых, решается проблема энергоресурсов, ведется борьба с 

нарушениями  экологического  равновесия  и  т.д.  В  некоторых  странах 

(например,  в 

Японии)  биотехнология  объявлена  «стратегической 

индустрией»,  а  в  других  странах  (например,  в  Израиле)  включена  в  число 

научных    направлений  с  указанием – «национальный  приоритет».  В  США 

количество  биотехнологических  фирм  за  два  десятилетия  (с 1985 по 2005 

год)  достигло  полутора  тысяч.  В  Европе  их  число  составляет  несколько 

сотен. 

   Характерным  является  рост  числа  специализированных  периодических 

изданий  по  биотехнологии,  выпускаемых  в  разных  странах;  рост  числа 

международных  и  региональных  биотехнологических  конгрессов  и 

конференций. 

   Биотехнология вошла в учебные программы не только медицинских вузов, 

но и многих факультетов  университетов и технических вузов. 

     Общепризнано,  что  содержанием  биотехнологии  является  использование 

достижений  фундаментальных  биологических  наук  в  практических  целях. 

Четверть  века  назад  Европейская  федерация  по  биотехнологии  выдвинула 

следующий тезис: «Биотехнология - это применение биологических систем и 

процессов  в  промышленности  и  сфере  услуг».  Здесь  остается  не 

подчеркнутым  научное  содержание  биотехнологии.  Слишком  широким 

представляется  понятие - сфера  услуг.  Более  подробное  определение 

биотехнологии было дано на одном из  конгрессов десять лет спустя: 

«Биотехнология - это  наука  об  основах  реализации  процессов  получения  с 

помощью биокатализаторов различных продуктов и об использовании таких 

процессов  при  защите  окружающей  среды».  Конец  тезиса  хотя  и  касается 

 

3

важнейшего вопроса экологии, но все же неоправданно сужает возможности 

биотехнологии. 

    В  некоторых  учебных  пособиях  биотехнология  трактуется  как 

«направление научно-технического прогресса, использующее биологические 

процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также в 

интересах  промышленного  получения  полезных  для  человека  продуктов,  в 

частности, лекарственных средств» 

      Из этого и предыдущих определений биотехнологии отчетливо видно, что 

биотехнология – это  и  наука  и  сфера  производства.  Из  сказанного  выше 

следует,  что  биотехнология  включает  в  себя  ряд  разделов  энзимологии, 

промышленной  микробиологии,  прикладной  биохимии,  медицинской 

микробиологии  и  биохимии.  Биотехнология  содержит  также  разделы 

связанные с конструированием некоторых видов заводского оборудования и 

созданием специализированных поточных линий. 

   В  современных  условиях  нередко  наблюдается  тесное  переплетение 

биотехнологии  и  биоорганической  химии.  Так  при  получении  многих 

лекарственных  веществ  используются  перемежающиеся  этапы  биосинтеза  и 

органического  синтеза  с  последующей  трансформацией  целевых  продуктов, 

осуществляемой  биологическим  или  химическим  методом.  С  другой 

стороны,  при  обсуждении  перспектив  биотехнологии  и  ее  стратегических 

целей  сейчас  все  чаще  подчеркивается  ее  связь  именно  с  молекулярной 

биологией  и  молекулярной  генетикой.  Широкое  распространение  получило 

понятие  молекулярной  биотехнологии  как  научной  дисциплины,  уже  в 

основном  сформировавшейся  на  стыке  технологии  рекомбинантной  ДНК 

(генетическая  или  генная  инженерия)  и  традиционных  биологических 

дисциплин,  в  первую  очередь,  микробиологии,  что  объясняется 

техническими  причинами  более  легкого  оперирования  микробными 

клетками.  Ведется  конструирование  новых  продуцентов  биологически 

активных  веществ  с  помощью  технологии  рекомбинантной  ДНК.  В 

 

4

настоящее время бурно развивается и такая область молекулярной генетики 

как  геномика,  основная  цель  которой – полное  познание  генома,  то  есть 

совокупности  всех  генов  любой  клетки,  включая  клетки  человека.  Путем 

секвенирования,  то  есть,  установления  полной  последовательности 

нуклеотидов в каждом без исключения гене, создается своеобразное «досье», 

отражающее  не  только  видовые,  но  и  индивидуальные  особенности 

организма. 

      В  связи  с  этим,  в  публикуемых  в  печати  проблемных  научных  статьях 

можно  встретить  рассчитанные  на  эффект  и  свободные  от  каких-либо  догм  

высказывания  о  биотехнологии  некоторых  крупных  экспериментаторов, 

носящие 

своего 

рода 

мировоззренческий 

характер, 

например, 

«Биотехнология – это  приближение  к  Богу».  Здесь  подразумевается,  что 

такая кардинальная  цель молекулярной биологии и молекулярной генетики 

как  познание  генома  человека – это  заигрывание  с  Богом,  а  последующее 

оперирование  геномом,  его  совершенствование  (область  биотехнологии) – 

приближает человека по его могуществу к Богу.  

    Развитие  биотехнологии  принято  дифференцировать  на  следующие 

периоды: эмпирическая биотехнология, научная биотехнология, современная 

биотехнология 

(молекулярная 

биотехнология). 

Последний 

период 

специально отделяется от предыдущего, так как сейчас биотехнолог получил 

возможность  создавать  и  использовать  в  производстве  неприродные 

организмы, полученные генно-инженерными методами. 

    Эмпирическая 

биотехнология 

неотъемлема 

от 

цивилизации, 

преимущественно,  как  сфера  производства.  С  древнейших  времен 

человеческой  цивилизации  сопутствуют:  приготовление  теста  при 

хлебопечении, получение молочно-кислых продуктов, сыроделие, виноделие, 

пивоварение,  ферментация  табака  и  чая,  а    также  выделка  кож  и  обработка 

растительных  волокон.  В  течение  тысячелетий  человек  применял  в  своих 

целях ферментативные процессы, при этом, не имея понятия ни о ферментах, 

 

5

ни  о  клетках  и  их  видовой  специфичности,  ни  тем  более  о  генетическом 

аппарате  клеток.  Этот,  уходящий  к  началу  цивилизации  период  получения 

полезных  продуктов,  является  периодом  эмпирической  биотехнологии – 

применения  знаний  накопленных  опытным  путем  (без  какой-либо 

действительно научной основы). Причем, прогресс точных наук долгое время 

не  оказывал  влияния  на  технологические  приемы,  используемые  в 

биотехнологии. 

    Быстрое  развитие  биотехнологии,  как  научной  дисциплины,  началось  с 

середины Х1Х века и было инициировано работами Л. Пастера (1822-1895). 

    Именно  он  ввел  в  науку  фактическое  понятие  биообъекта,  не  прибегая, 

впрочем,  к  такому  термину.  Пастер  также  доказал  «живую  природу» 

брожений - каждое  осуществлявшееся  в  производственных  условиях 

брожение  (спиртовое,  уксуснокислое,  молочнокислое  и  т.д.)  вызывается 

своим  микроорганизмом,  и,  что  срыв  производственного  процесса 

обусловлен 

несоблюдением 

чистоты 

культуры 

микроорганизма, 

являющегося в данном случае биообъектом. 

     Практическое  значение  этих    исследований  Пастера  сводится  к 

требованию  поддержания  чистоты  культуры,  то  есть  к  проведению 

производственного  процесса  с  индивидуальным,  имеющим  точные 

характеристики биообъектом. 

    Позднее,  приступив  к  работам  в  области  медицины,  Пастер  исходил  из 

своей  концепции  о  причине  заразных болезней,  сводя  ее  в каждом  случае  к 

конкретному, определенному микроорганизму. Хотя техника того времени не 

позволяла  увидеть    возбудителя  инфекции,  как  например,  в  случае  вируса 

бешенства,  однако,  Пастер  считал,  что  «мы  его  не  видим,  но  мы  им 

управляем». Это означало, что целенаправленное воздействие на возбудителя 

инфекции (ослабление  его патогенности) позволяло с его помощью получать 

вакцины. Ослабленный патоген и животное, в организм которого он введен, 

могут  рассматриваться  как  своеобразный  биообъект,  а  получаемая  вакцина 

 

6

как  биотехнологический  препарат.  Пастер  создал  строго  научные  основы 

получения вакцин, в то время как замечательные достижения Э. Дженнера в 

борьбе  с  оспой,  обусловлены  освоением  всего  лишь  эмпирического  опыта 

индийской медицины. 

    Современная  биотехнология,  основанная  на  достижениях  молекулярной 

биологии,  молекулярной  генетики  и  биоорганической  химии  (на 

практическом  воплощении  этих  достижений),  выросла  из  биотехнологии 

Пастера и, являясь, конечно, также строго научной, отличается от последней 

прежде  всего  тем,  что  способна  создавать  и  использовать  в  производстве 

неприродные биообъекты, что отражается как на производственном процессе 

в  целом,  так  и  на  свойствах  новых  биотехнологических  продуктов. 

Поскольку  целью  современной  биотехнологии  является  внедрение  в 

практику 

достижений 

современных 

фундаментальных 

дисциплин 

(молекулярной генетики и молекулярной биологии), не всегда легко провести 

границу  между  ключевыми  датами  ее  развития  и  развития  этих  дисциплин. 

Во  всяком  случае,  говоря  о  биотехнологии,  нельзя  не  упомянуть 1953 год, 

когда  было  опубликовано  первое  сообщение  о  двуспиральной  структуре 

ДНК, 

ставшее 

основополагающим 

для 

возникновения 

указанных 

фундаментальных  дисциплин,  достижения  которых  реализуются  в 

современной    биотехнологии.  В  результате  серий  публикаций,  в 

шестидесятых  годах  в  литературу  были  внедрены  принципиально  важные 

для  биотехнолога  понятия  «оперона»  и  «структурного  гена».  Далее,  должен 

быть упомянут 1973 год, когда было опубликовано сообщение об успешном 

переносе  генов  из  одного  организма  в  другой.  В  сущности  это  уже 

технология 

рекомбинантной 

ДНК, 

определяющей 

возникновение 

генетической  инженерии.  Затем  должен  быть  упомянут 1980 год,  когда 

Верховный суд США признал, что генно-инженерные микроорганизмы могут 

быть  запатентованы,  а  развитие  биотехнологических  методов  получило 

юридический  статус.  В 1990 году  произошли  два  принципиально  важных 

 

7

события:  была  разрешена  генотерапия  (хотя  и  с  оговоркой,  только  в  случае 

соматических клеток человека, то есть без передачи чужого гена потомству) 

и утвержден международный проект «Геном человека». 

    Образно  говоря,  человеку  было  разрешено  юридически  познавать  свою 

сущность. 

   Эти  события,  перечень  которых  можно  продолжить,  происходят  на  фоне 

бурно  растущего  количества  таких  успешно  применяемых  в  медицине 

биотехнологических  продуктов,  как  рекомбинантные  белки,  вторичные 

метаболиты  микроорганизмов  и  растений  и  т.д.  Интенсивно  растет  также  и 

количество  полусинтетических  лекарственных  агентов,  являющихся 

продуктами одновременно биосинтеза и оргсинтеза. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

Раздел I.   Общая биотехнология 

Глава 1.   Биообъекты: способы их создания и совершенствования 

1.1.   Понятие «биообъект» 

     Центральным 

и 

обязательным 

элементом 

биотехнологического 

производства, создающим его специфику, является биообъект. 

Биообъектом  может  быть  целостный  сохранивший  жизнеспособность 

многоклеточный  или  одноклеточный  организм.  Им  могут  являться 

изолированные  клетки  многоклеточного  организма,  а  также  вирусы  и 

выделенные  из  клеток  мультиферментные  комплексы,  включенные  в 

определенный  метаболический  процесс.  Наконец,  биообъектом  может  быть 

индивидуальный изолированный фермент. 

Функция  биообъекта – полный  биосинтез  целевого  продукта,  включающий 

обычно  ряд  последовательных  ферментативных  реакций  или    катализ  лишь 

одной    ферментативной  реакции,  которая    имеет  ключевое  значение  для 

получения целевого продукта. 

Биообъект,  осуществляющий  полный  биосинтез  целевого  продукта 

называется  продуцентом.  Биообъект,  являющийся  индивидуальным 

ферментом  или  выполняющий  функцию    одной  ферментативной  реакции 

используемой 

биотехнологом  –  именуют 

промышленным 

биокатализатором. 

    Таким образом, к биообъектам относятся как макромолекулы, так микро- и 

макроорганизмы.  В  качестве    макромолекул  в  промышленном  производстве 

используются  все  известные  классы  ферментов,  но  наиболее  часто - 

гидролазы  и  трансферазы.  Доказано,  что  использование  ферментов  в 

производстве в иммобилизованном виде, то есть связанных с нерастворимым 

носителем,  является  наиболее  рациональным,  так  как  в  этом  случае 

обеспечивается 

многократность 

их 

применения 

и 

стандартность 

повторяющихся производственных циклов. 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..    1  2   ..