Лекция написана на основе материала учебника Альберта Сассона «Биотехнология: свершения и надежды» (1987 г.).

ВВЕДЕНИЕ

Наука биотехнология возникла на стыке нескольких биологических дисциплин: генетики, вирусологии, микробиологии, растениеводства. Она описывает уникальные возможности практического использования возможностей живой природы.

В традиционном, классическом, понимании биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов. Биотехнология, в сущности, не что иное, как использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ.

Понятие биотехнологии.

Собственно сам термин "биотехнология" появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова "промышленная микробиология", "техническая биохимия" и др.

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.

● Биотехнология- производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные клетки, животные клетки, части клеток: клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений.

История.Люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании.

Вероятно, древнейшимбиотехнологическим процессом было брожение (молочно-кислое, уксусное, спиртовое, дрожжевое). В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона (древняя Месопотамия) на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. (сам Вавилоне основан не позднее 3-го тысячелетия до н.э. шумерами). В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива.

Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов.

С тех пор и до конца 60-х гг. термин «биотехнология» использовался, большей частью, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве.

В середине 60-х многие времена изменились: многие прочили возникновение «новой биологии», развитие её прикладных направлений. Это произошло благодаря стремительному прогрессу вирусологии (в исследованиях бактериофагов), бактериологии (в углубленном изучении физиологии, генетики и молекулярной биологии кишечной палочки, а также плазмид), молекулярной генетики (в установлении генетического кода в 1953 году Уотсон и Крик опубликовали две работы: в первой говорилось о вторичной структуре ДНК, а во второй — о возможном механизме копирования ДНК путём матричного синтеза^; первым кто предложил абстрактную гипотезу кодирования, а также способ её проверки, был советский и американский физик-теоретик Георгий (Джордж) Гамов. В 1954 году; к 1965 году был установлен смысл всех 64 триплетов /) и энзимологии (в открытии ферментов рестрикции / рестрикцияв медицинском понимании — это разрезание или разрушение молекулы ДНК специфическими ферментами, которые называются эндонуклеазами рестрикции/) были накоплены знания и методы генной инженерии. Сегодня учёные используют термин «биотехнология» в применении к лабораторным методам, таким, как использование рекомбинантной ДНК и культур клеток, выращиваемых in vitro.

Современные подходы. Итак, термин "новая" биотехнология в противоположность "старой" биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии и новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы.

Однако и старая и новая биотехнология в биотехнологических процессах использует такие биологические макромолекулы как рибонуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) и белки - чаще всего ферменты. ДНК или РНК необходима для переноса чужеродных генов в клетки.

Основные разделы биотехнологии.

Раздел 1 "Промышленная биотехнология":

основные направления - биоэнергетика, контроль загрязнения окружающей среды, биогеотехнология, сельскохозяйственная биотехнология, биоэлектроника, биотехнологии в нефтяной промышленности, медицине, пищевой промышленности.

Раздел 2 "Культивирование животных клеток и тканей"

основные направления - получение и использование культур клеток человека.

Раздел 3 "Культуры растительных клеток"

основные направления – работа

а) с культурами клеток высших растений с целью изменения их свойств и использования в генетике и селекции;

б) по созданию искусственных ассоциаций культивируемых клеток высших растений с микроорганизмами(например, с цианобактериями). Одна из целей: созданиебесклеточных белоксинтезирующих систем;

в) получение безвирусных растений - хемотерапия, термотерапия;

г) криоконсервация культивируемых клеток растений и животных как метод сохранения генофонда;

Д) другие направления.

Раздел 4 "Генная инженерия" (Биоинженерия):

основные направления -

а) конструирование рекомбинантных ДНК и их клонирование;

б) генетическая инженерия микроорганизмов;

в) генетические манипуляции с клетками млекопитающих;

г) создание трансгенных животных;

д) генотерапия;

е) генная инженерия растений;

ж) достижения генной инженерии и проблемы биобезопасности трансгенных организмов;

з) другие направления.

РАЗДЕЛЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Раздел 2 "Культивирование животных клеток и тканей"

Цели и задачи, введение в культуру, особенности питательных сред и режима выращивания. Получение и использование культур клеток человека. Основные способы культивирования животных клеток. Культуры животных тканей и особенности культивирования органов. Гибридизация животных клеток. Методы получения моноклональных антител. Иммуноферментный анализ (ИФА). Получение химер. Клонирование животных. Культивирование органов.

Существенную роль играет использование клеток животных, например, для культивирования вирусов, при производстве вакцин, для получения интерферона, а также при синтезе моноклональных антител клетками гибридом.

С начала 1950-х гг. вирус полиомиелита для производства вакцины выращивается в культурах клеток млекопитающих. С тех пор линии культур клеток человека стали незаменимыми для выделения и выращивания ряда других вирусов, при производстве высокоспецифичных белков (таких, как антитела и интерфероны), в исследованиях рака и в противовирусной химиотерапии.

Суспензию отдельных клеток получают обработкой размельченной ткани эмбриона пищеварительным ферментом, трипсином. Если клеткам в такой суспензии дать осесть на плоскую поверхность в сосуде с культуральной средой, то клетки становятся плоскими и делятся, образуя монослой. Рост клеток и выход биомассы можно увеличить, добавив к суспензии носитель— микроскопические гранулы из инертного синтетического полимера, на которых клетки закрепляются и пролиферирируют. Деление клеток млекопитающих происходит примерно раз в сутки, тогда как клетки дрожжей делятся каждые 1,5—2 ч, а бактериальные клетки — каждые 20— 60 мин.

Клетки нуждаются в многочисленных питательных веществах, поэтому в культуральную среду необходимо добавлять смесь аминокислот, пуринов и пиримидинов для синтеза белков и нуклеиновых кислот, глюкозу в качестве источника углерода и энергии, витамины и минеральные соли для поддержания необходимого осмотического давления и значения рН, близкого к 7,2. Среда содержит небольшие концентрации антибиотиков для подавления роста бактерий и 5-20% сыворотки крови. Для оптимального роста температура культуры необходимо поддерживать около 37 оС; ниже 36 клетки делятся кране медленно, либо не делятся вовсе, а при температуре выше 38 погибают. Большинство культур клеток млекопитающих, в том числе и клеток человека, удается сохранять неопределенно долгое время замороженными в специальной среде при -180° С.