Развитие биотехнологии

Биотехнология сегодня развивается бурными темпами. Как наука, она изучает внедрение производственных процессов, в основе которых лежит практическое использование микроорганизмов, всевозможных биологических систем. Это не только растительные или животные ткани, но и протопласты, рекомбинантные ДНК, а также полностью генетически модифицированные организмы.

История развития биотехнологии

Глубоко в древности биотехнология развивалась эмпирическим путем: выпечка хлеба, изготовление вина, сыроварение, силосование кормов для скота – все это различные микробиологические процессы, за которыми веками велись многовековые наблюдения.

Настоящая же генная инженерия, биотехнология, как современный вид науки, начала развиваться только лишь в середине прошлого столетия.

Основные этапы и периоды развития биотехнологии

История развития биотехнологии условно делится на три последовательных этапа. Первый – это развитие биотехнологии в разрезе исторического аспекта. При раскопках древних поселений в Месопотамии, в Египте, а также Греции были обнаружены остатки больших и малых пекарен и пивоварен. Известно, что уже шумеры умели делать пиво, причем ассортимент его был довольно широк (около двадцати различных сортов). На территории Древней Греции и Римской империи было активно развито виноделие и производство сыра. Изготовляли и льняное волокно, этот процесс происходит с участием микроскопических грибов и бактерий.

В конце девятнадцатого века развитие биотехнологии вступило во второй этап, она начала развиваться, как наука. Появились первые ученые генетики, микробиологи и вирусологи. В начале прошлого века были созданы первичные установки по производству метана. Отходы сельскохозяйственного производства превращались в биологический газ и органическое удобрение. В середине двадцатого века начали производить антибиотики, как следствие, появились предприятия, которые с помощью микроорганизмов не только аминокислоты и витамины, но и органические кислоты, а также ферменты.

В конце двадцатого века развилась генная и клеточная инженерия, что ознаменовало третий этап развития биотехнологии. Фактическим «днем рождения» этого вида современной науки считают 1972-ой год, время создания первой гибридной ДНК, в которую встроили чужеродные гены.

Итак, биотехнология, как постоянно и динамично развивающаяся наука, охватывает несколько больших периодов. Первый их них – конец 19-го и начало двадцатого века. Это было время первых великих свершений, таких, как открытие структуры белков или применение вирусов при изучении генетики клеточных организмов. Во втором периоде биотехнология сформировалась, как научно-техническая отрасль, уже производящая препараты. Наконец, в третьем периоде начала развиваться генная и клеточная инженерия.

Основные направления развития биотехнологии

Основа биотехнологии – это генетическая (клеточная) инженерия и биохимия. Развитие клеточной инженерии считается на данный момент одним из самых перспективных направлений.

Ученые проводят культивирование клеток микроорганизмов, растений и животных, осуществляются такие манипуляции, как слияние клеток либо пересадка органоидов.

Основными направлениями развития биотехнологии считаются:

  • создание новых видов продуктов питания и животных кормов, производство их;
  • выведение новых штаммов полезных микроорганизмов;
  • создание новых пород животных;
  • выведение новых сортов растений;
  • создание и применение препаратов по защите растений от болезней и вредителей;
  • применение новых биотехнологических методов по защите окружающей среды.

Кроме этого, активно развивается направление биологически активных соединений с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток. Сюда входят ферменты, витамины, а также гормоны и антибиотики.

Значение биохимии для биотехнологии

Биотехнология как наука на современном этапе является синтезом разделов биохимии в соединении с генной инженерией. Например, на данный момент ведутся активные исследования в области экологической биотехнологии, но самая большая роль биохимии в развитии биотехнологий – создание новых методов производства продуктов питания. Дело в том, что почти любая технология по производству пищевых продуктов основана на биохимических процессах.

Поэтому изучение процесса обмена веществ в живой клетке – актуальный вопрос для развития биотехнологии. Это имеет большое значение не только для животноводства и растениеводства или переработки промышленным способом сельскохозяйственного сырья, но и для медицины, а также экологии.

Состояние и перспективы развития биотехнологии в современном мире

Современная биотехнология привлекает внимание инвесторов не только в нашей стране, но и во всем мире. Эксперты и аналитики прогнозируют, что биотехнологии станут самым динамично развивающимся и самым прибыльным бизнесом нынешнего, XXI века.

Быстрыми темпами развиваются такие отрасли, как современные биологические методы защиты культурных растений, биоэнергетика и биодеградируемые полимеры, а также природоохранные биотехнологии. Ведутся научные работы по созданию новых биополимеров, в будущем они могут заменить ныне популярные ныне пластмассы. Биополимеры имеют большое преимущество в сравнении с пластмассами, так как они нетоксичны и могут разлагаться после их применения, не загрязняя при этом окружающее пространство. Конструирование необходимых генов даст возможность управлять жизнедеятельностью не только растений, но и животных, создавать новые организмы с иными свойствами.

Чем объясняется бурное развитие биотехнологии

Современные биотехнологии сыграют большую роль в качественном улучшении жизни человека, развитию экономического роста стран. Посредством биотехнологий получают новые средства для диагностики, вакцины, продукты питания, лекарства. Биотехнология помогает в увеличении урожайности всех злаковых культур, что более чем актуально, принимая во внимание рост численности населения нашей планеты.

В некоторых странах, где значительные объемы биомассы не используются полностью, биотехнология в обозримом будущем превратит их в ценные продукты или в биологические виды топлива. Биотехнология все больше перестает быть прикладной наукой, она активно входит в обычную жизнь людей, помогая решать насущные проблемы современного человечества.

Развитие биотехнологий в России

Когда говорят о развитии биотехнологий в России, приходится учитывать длительный период упадка и деградации научных учреждений. Сейчас, после нескольких лет интенсивного роста, российские биотехнологии представлены на мировом рынке в количестве 0,1%, а в 1885 году СССР имел долю 5% на рынке продукции, относимой к биотехнологиям. Это медицинские препараты, ферменты, гормональные препараты, чистые линии микроорганизмов, используемых в научных исследованиях, сельскохозяйственном производстве и очистке окружающей среды от вредных отходов.

Интересна судьба самого громкого и скандального проекта, ставшего достоянием гласности в конце восьмидесятых. Это БВК, белково-витаминные концентраты, получаемые из парафинов нефти при использовании специально выведенных бактериальных культур. В прессе был поднят шум, тему обсуждали эмоционально, общественность требовала закрытия «вредного проекта». Однако работа была уже сделана – бактерии, питающиеся нефтепродуктами, существовали.

Для них нашлась полезная функция: очистка воды и земли от разлившейся нефти. Сейчас вода в морских и речных портах содержит значительно меньше нефтепродуктов, чем в 70-80 годы, благодаря их биологическому разложению. При помощи прожорливых бактерий очищают территорию на предприятиях от мазута и других нефтепродуктов. Трудно переоценить пользу от этих микроорганизмов – ведь нефтяная пленка в двадцатом веке грозила погубить моря и океаны!

Производство белковой продукции из нефти не было поставлено на поток, но польза от данной биотехнологии несомненна!

В 2012 году российское правительство значительно увеличило государственное финансирование научных исследований в этой отрасли. Интересно, что ряд проектов осуществляется на общественные пожертвования. К таким проектам относится исследование микрофлоры кишечника и на основе результатов - научно разработанные рекомендации по питанию, физическим нагрузкам, образу жизни. Эта тема популярна в России и в мире.

Этические аспекты развития биотехнологии

Перспективы развития биотехнологий поражают воображение, а в ряде случаев вызывают страх и у людей. По поводу тех или иных исследований периодически разгораются дискуссии, и противники генной инженерии, клонирования организмов или исследования человеческого генома неоднократно требовали запретить все работы в этом направлении. Примером общественных протестов служит упоминавшаяся технология БВК.

Много страстей кипело вокруг генной инженерии. Люди опасались появления уродливых, непредсказуемых, всемогущих существ, созданных путем комбинации генов от несовместимых в природе видов. Фантастические произведения и фильмы способствовали распространению страхов. Были и научно обоснованные возражения: генетически модифицированные организмы не изучены, употребление кукурузы и сои с модифицированными генами может вызвать болезни. В результате в Европе и России запрещено выращивание и использование ГМО.

Развитие биотехнологии и генной инженерии в современной науке

Биотехнологии и генная инженерия, более чем все остальные, связана с фундаментальными научными исследованиями. Создание организмов с «заданными параметрами», лечение генетически обусловленных болезней, производство белковой массы вне организма, внедрение в организм «биологических чипов», влияющих на жизнедеятельность – все эти направления нуждаются в дорогостоящих исследованиях, сложном оборудовании и высококвалифицированных специалистов.

На стыке двадцатого и двадцать первого века был задуман и осуществлен грандиозный проект – прочитан геном человека. Это был большой труд, в котором участвовало много лабораторий в разных странах мира. Одним из продуктов этих исследований стало появление технологии идентификации личности по ДНК, получение информации о родстве (установление отцовства). Но от прочтения генома ученые ожидали большего. Информация, зашифрованная в ДНК, огромна и ее изучение, расшифровка еще сложнее, чем процедура исследований.

Вклад биотехнологии в развитие медицины

Одним из «подарков дьявола» считалась возможность определения по ДНК генетически запрограммированных болезней. С одной стороны, это возможность предупредить человека об опасностях, но такая информация сама по себе травматична, и способна провоцировать болезни. Однако «предопределенность» болезней оказалась отнюдь не абсолютной. У вполне здоровых пожилых людей при исследовании обнаруживаются гены болезней, от которых они должны давно умереть. Хотя наследственность никто не отменял, как и генетическую предрасположенность к тем или иным заболеваниям.

Сейчас идет речь не о том, чтобы просто получать информацию о будущих болезнях, но о том, что есть возможность исправлять дефектные участки ДНК. И это было бы прекрасно – ведь накопление генетических ошибок в человеческом сообществе способствует деградации вида гомо сапиенс.

Проблемы биотехнологии

Сейчас возникают споры о генной медицине, о клонировании организмов, об этических вопросах исследования стволовых клеток. На повестке дня – «биопринтер», при помощи которого признается возможным выращивание органов для трансплантации. На исследования в этом направлении направляются огромные средства, прежде всего в США. Одновременно возникают опасения: вдруг возникнет тенденция выращивания клонов в качестве «идеальных доноров»?

Впрочем, на пути многих амбициозных и не слишком щепетильных в нравственном отношении проектов возникают препятствия, положенные самой природой. Фантастические успехи от применения стволовых клеток для лечения и омоложения – и их перерождение в злокачественные опухоли; рождение клонированных животных – и их ранняя смерть, слабое здоровье. Живая материя по-прежнему непостижима, несмотря на успехи в ее познании, и пределы человеческого вмешательства в ее основы - ограничены.

Развитие биотехнологии до 2020

Перспективы биотехнологии на ближайшее будущее можно разделить на рекламные и научно обоснованные. К широко разрекламированным проектам относятся, например, «таблетки молодости» - их обещают выпустить на рынок как раз к 2020 году. Однако скептики говорят, что таких сенсаций было много, начиная со времен алхимии…

Более реалистично выглядит 3D принтер, наносящий клеточные культуры на матрицу с питательным раствором, и формирующий искусственные органы. Еще один медицинский проект – лечение тяжелых ожогов путем нанесения на пораженный участок стволовых клеток, которые в считанные дни образуют новую кожу.

Генетический ремонт – направление, которое развивается и будет развиваться, и в него инвестируются большие деньги.

Компании, занимающиеся биотехнологиями

Лидерами в области биотехнологий являются фармацевтические фирмы США, Китая, Индии, Европы.

Биотехнологии условно подразделяют на группы:

  • красная биотехнология – связанная с медициной и «лечением» генетического кода, на рынке биотехнологий ей принадлежит доля более 70%;
  • зеленая – генная инженерия, работающая для сельского хозяйства;
  • белая – производство биотооплива;
  • серая – защита экологии, борьба с отходами;
  • синяя – использование биологических ресурсов океана.

Лидеры «красной биотехнологии» - американские фирмы Genentech, Novartis, Merck&Co, Pfizer, Johnson & Johnson, Sanofi.

В области разработки и производства ГМО лидирует транснациональная компания Monsanto Company.

Белая, серая, синяя биотехнологии существенно отстают от лидеров. Их полезная деятельность дает не слишком быстрый экономический эффект, поэтому в списках лидеров они не значатся.