Российский  государственный  университет нефти  и газа

имени И.М. Губкина

Кафедра Политической истории  Отечества

История науки

РЕФЕРАТ

биотехнология и Становление ее теоретических основ  
 
 
 
 
 

                            Аспирантки  кафедры

физической  и коллоидной химии  

                                  Научный руководитель

                                  Научный консультант   
 
 
 
 

Москва - 2011

 

Содержание

 
 

 

Введение

 

    Биотехнология - одна из важнейших современных  научных дисциплин. Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы, при этом даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение, и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов. Помимо знания общих основ этой науки (и сферы производства) обязательно также глубокое знакомство с теми ее разделами, которые будут наиболее близки профилю работы специалиста. Современные концепции биотехнологии способствуют формированию мировоззрения человека, адекватного стремительному течению научно-технического прогресса в современном мире.

    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 с использованием ферментов (биокатализаторов - бесклеточных ферментных комплексов), одноклеточных и многоклеточных организмов. О становлении и развитии биотехнологии, ее роли в современной жизни человека и пойдет речь в данной работе.

    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. Актуальность исследования становления теоретических основ биотехнологии определяется, прежде всего, необходимостью правильного понимания роли,  задачей и направлений развития современной биотехнологии.

    В ходе изучения нами этапов становления  биотехнологии были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать возникновение и развитие биотехнологии как самостоятельной науки;
2. Показать основные этапы и их роль в становлении современной биотехнологии;
3. Изучить наиболее весомые исследования в области биотехнологии, ставшие в сердце ее теоретических основ.

 

Глава 1. Общие понятия биотехнологии

§ 1.1. Определение биотехнологии

    Общепризнано, что содержанием биотехнологии  является использование достижений фундаментальных биологических  наук в практических целях. Четверть века назад Европейская федерация по биотехнологии выдвинула следующий тезис: «Биотехнология - применение биологических систем и процессов в промышленности и сфере услуг», не подчеркнув научное содержание биотехнологии; кроме того, слишком широким представляется понятие «сфера услуг». На одном из конгрессов 10 лет спустя было дано более подробное определение: «Биотехнология - это наука об основах реализации процессов получения с помощью биокатализаторов разных продуктов и об использовании таких процессов при защите окружающей среды», все же неоправданно сужающее ее возможности.

    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». ¹

    Из  этого и предыдущих определений следует, что биотехнология - и наука, и сфера производства. Она включает разделы энзимологии, промышленной микробиологии, прикладной биохимии, медицинской микробиологии и биохимии, а также разделы, связанные с конструированием 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 био- и органического синтеза с последующей трансформацией целевых продуктов, осуществляемой биологическим или химическим методом. При обсуждении перспектив биотехнологии и ее стратегических целей все чаще подчеркивается ее связь 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 настоящее время бурно развивается и такая область молекулярной генетики как геномика, основная цель которой - полное познание генома, т.е. совокупности всех генов любой клетки, включая клетки человека. Путем секвенирования - установления полной последовательности нуклеотидов в каждом без исключения гене создается своеобразное «досье», отражающее не только видовые, но и индивидуальные особенности организма.²

    В 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) - попытка человека приблизиться по могуществу к Богу.

§ 1.2. Основные направления современной биотехнологии

    Биотехнология - это приложение биологических процессов и систем в производстве. Она включает в себя:

• микробиологический синтез
• клеточную и белковую инженерию
• инженерную энзимологию
• культивирование клеток растений, животных и бактерий
• методы слияния (фузии) клеток

    В биотехнологических процессах широко применяют микроорганизмы (бактерии, плесневые грибы, актиномицеты, дрожжи). В ней комплексно используют высшие достижения микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, генной инженерии, инженерных наук.

    Микробиологический  синтез. В настоящее время с помощью микробиологического синтеза производят антибиотики, ферменты, аминокислоты, полупродукты для дальнейшего синтеза разнообразных веществ, феромоны (вещества, с помощью которых можно управлять поведением насекомых), органические кислоты, кормовые белки и другие.

    Клеточная инженерия. Сейчас созданы и создаются ещё более остроумные методы введения генов в клетку прокариотов (организмов, не имеющих оформленного ядра и хромосомного аппарата). На очереди разработка методов введения новых генов в клетки эукариотов, прежде всего высших растений и животных организмов. Возможности микробиологического производства значительно расширились. Благодаря генетической инженерии область микробиологического синтеза различных биологически активных соединений, полупродуктов для синтеза, кормовых белков и добавок и других веществ стала одной из наиболее окупаемых наук: вложение средств в перспективные биотехнологические исследования обещает получение высокого экономического эффекта. ³

    Биогидрометаллургия. Данное направление было ранее известно как Микробное выщелачивание металлов из руд. Изучает добычу металлов из их руд при помощи микроорганизмов.

    Биотехнологическая  промышленность. Биотехнологическую промышленность иногда разделяют на четыре направления:

• «Красная» биотехнология - производство биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител) для человека, а также коррекция генетического кода.
• «Зелёная» биотехнология - разработка и внедрение в культуру генетически модифицированных растений.
• «Белая» биотехнология - производство биотоплив, ферментов и биоматериалов для различных отраслей промышленности.
• Академические и правительственные исследования - например, расшифровка генома риса.

    Трансгенные растения. Трансгенные растения - это те растения, которым пересажены гены.

• Картофель устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена выделенный из ДНК клетки почвенной тюрингской бациллы, вырабатывающий белок, ядовитый для колорадского жука (в желудке жука вырабатывается яд, а в человеке нет). Использовали посредника - клетки кишечной палочки. Листья картофеля стали вырабатывать белок, ядовитый для жуков.
• Использует продукты из трансгенной сои, кукурузы, картофеля и подсолнечника.
• В Америке решили вырастить помидор устойчивый к заморозкам. Взяли ген камбалы, отвечающий за терморегуляцию, и пересадили в клетки томата. Но помидор эту информацию понял по-своему, он не перестал бояться заморозков, а перестал портиться при хранении. Он может полгода лежать в комнате и не гнить. ⁴

    Трансгенные животные. Трансгенные животные, экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами и экспрессирующуюся чужеродную ДНК (трансген), которая передаётся по наследству по законам Менделя. На модели трансгенных лабораторных животных проводятся широкие исследования по изучению функции различных генов, регуляции их экспрессии, фенотипическому проявлению генов, инсерционному мутагенезу и др.

    Трансгенные животные важны для различных  биомедицинских исследований. Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания  человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.). В настоящее время человечество уже использует множество продуктов, получаемых с помощью трансгенных животных: медицинские препараты, органы, пища. ⁵

 

Глава 2. Значительные события и история  биотехнологии

§ 2.1. От древних времен до конца XX века

    Биотехнология возникла на стыке микробиологии, биохимии и биофизики, генетики и цитологии, биоорганической химии и молекулярной биологии, иммунологии и молекулярной генетики. Методы биотехнологии могут  применяться на следующих уровнях: молекулярном (манипуляция с отдельными частями гена), генном, хромосомном, уровне плазмид, клеточном, тканевом, организменном и популяционном. ⁶

    Выдающиеся  достижения биотехнологии в конце  ХХ в. привлекли к ней внимание не только широкого круга ученых, но и всей мировой общественности. Не случайно ХХI в. предложено считать веком биотехнологии. ⁷

    Отдельные биотехнологические процессы, используемые в повседневной жизнедеятельности человека, известны с древних времён. К ним, например, относится хлебопечение, виноделие, приготовление кисломолочных продуктов. Тем не менее, биологическая сущность этих процессов была выяснена лишь в XIX веке. В 1814 году академиком К.С. Киргоф было открыто явление биологического катализа, и им была предпринята попытка биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). А в 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях. Учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.⁸