1.1. ПРЕДМЕТ, ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ БИОТЕХНОЛОГИИ

Биотехнология – это управляемое получение целевых продуктов с использованием биологических агентов: микроорганизмов, вирусов, клеток животных и растений, а также с помощью внеклеточных веществ и компонентов клеток.

В своем развитии биотехнология прошла несколько этапов.

Первый этап – это революционное изменение существа биотехнологических процессов. Начало ему было положено в 1883 г., когда на основании работ Пастера в хлебопечении была впервые использована чистая дрожжевая культура.

Второй этап в развитии биотехнологии связан с совершенствованием в Великобритании Вейзманом ацетонобутилового брожения, что явилось исходным пунктом замены химических продуктов продуктами микробного синтеза. Изучение микробного метаболизма в 20–30-е годы прошлого столетия привело к возникновению новых технологий органических кислот, растворителей, ферментов и витаминов, а также к производству в промышленных объемах микробных масс в нестерильных условиях.

Третий этап развития биотехнологии связан с открытием пенициллина и наступлением эры антибиотиков.

Четвертый, современный этап развития биотехнологии характеризуется тем, что наряду с информатикой и микроэлектроникой биотехнология является основной движущей силой технического прогресса и социально-экономического развития любой страны, основой для создания в XXI в. принципиально новой медицины, пищевой промышленности и сельского хозяйства.

Это связано с открытием в конце 50-х годов XX в. основных молекулярных механизмов функционирования живых организмов. В результате этих открытий родилась генная инженерия, которая потенциально позволяет переносить любые гены от одного организма к другому и целенаправленно создавать, «конструировать» живые системы с нужными для человека свойствами. Появление генной инженер™ кардинально расширило возможности биотехнологии.

Первым практическим результатом генной инженерии явилось создание штаммов микроорганизмов, способных в промышленных масштабах производить лекарственные препараты. Сейчас в мире производится более 300 наименований генно-инженерных лекарств и вакцин и продолжается разработка технологий новых препаратов.

Еще более впечатляющие результаты достигнуты генной инженерией в растениеводстве. Уже сейчас около 40 млн га в мире засеяно сортами кукурузы, картофеля, подсолнечника, томата, хлопчатника, устойчивыми к вредителям и болезням. Эти посевы не нуждаются в обработке пестицидами, поэтому они более экономичны и снижают антропогенную нагрузку на окружающую среду. Ожидается, что в дальнейшем генная инженерия позволит создать растения повышенной питательной ценности, засухо- и морозоустойчивые. Только такие сорта позволят избавить от голода быстро растущее население Земли.

Генная и клеточная инженерия животных, пока не вышедшие из стен научно-исследовательских лабораторий, позволяют не только клонировать, т. е. воспроизводить в любом количестве копий, самые высокопродуктивные экземпляры домашних животных, но и создавать животных, которые будут производить различные ценные белки и секретировать их вместе с молоком.

Человечество еще не успело реализовать все возможности генной и клеточной инженерии, а новый крупнейший биологический проект – расшифровка генома человека – несет новые возможности для развития биотехнологии. Геномные исследования составляют основу двух перспективных направлений медицины XXI в. – генотерапии, призванной исправлять наследственные дефекты человека, и прогностической медицины, позволяющей диагностировать предрасположенность к той или иной болезни и предупреждать развитие таких недугов человека, как онкологические и сердечно-сосудистые заболевания.

Кроме того, биотехнологию начинают использовать в самых различных отраслях промышленности – горнодобывающей, химической, пищевой, а также для очистки воды, воздуха, ремедиации почв. По оценкам экспертов, в XXI в. в связи с сокращением запасов полезных ископаемых до 40 % сырья для химического синтеза будут получать не из нефти, а из растительного сырья путем его переработки, будет создана новая «биотехнологическая химия», основанная на использовании возобновляемых природных ресурсов.

Поэтому биотехнология является единственной естественной научно-технической дисциплиной, объявленной ООН технологией XXI в. На биотехнологию возложены основные надежды в решении таких проблем, как профилактика и лечение от наследственных болезней, рака, СПИДа; увеличение средней продолжительности жизни; обеспечение растущего населения планеты продовольствием. Именно уровень развития биотехнологии будет определять уровень экономического развития государства и качество жизни его населения.

Осознание перспектив биотехнологии привело к изменению приоритетов государственной научно-технической политики всех развитых стран в пользу биологии и биотехнологии. 

1.2. ВОЗМОЖНОСТИ БИОТЕХНОЛОГИИ

Во всем мире основные направления развития биотехнологии обусловлены потребностью в определенных продуктах и энергии при одновременно имеющейся необходимости использовать отходы различных производств.

Для удовлетворения потребностей в пищевых продуктах непрерывно растущего населения планеты, численность которого к началу XXI в. составила 6 млрд человек, необходимо увеличивать эффективность растениеводства и животноводства. На решение этой проблемы в первую очередь направлены усилия биотехнологов.

Современные ресурсы растительного и животного белка не могут удовлетворить возрастающие потребности в нем. Запасы белка ограничены урожайностью сельскохозяйственных культур, размерами посевных площадей, продуктивностью животных, возможностями добычи продуктов Мирового океана и многими другими факторами.

Одно из перспективных направлений в пищевой биотехнологии – обогащение хорошо известных пищевых продуктов белком и создание новых видов пищи, в которых важная роль отводится белковым добавкам, полученным на основе белка одноклеточных, прежде всего дрожжей, бактерий, грибов и водорослей.

По сравнению с получением сельскохозяйственной продукции промышленное производство обогащенных белками микробных масс значительно менее трудоемко; не зависит от климатических условий, плодородия почв, времени года; характеризуется высокой продуктивностью и использованием ранее не применявшегося в производстве кормов и пищевых продуктов сырья. Микроорганизмы способны накапливать до 60–70 % белка (в расчете на сухую биомассу), синтезировать также углеводы, липиды, витамины, минеральные вещества. Их продуктивность во много раз превышает продуктивность растений и сельскохозяйственных животных. Получаемую биомассу можно непосредственно применять в качестве обогатителя кормов или направлять на получение очищенных белковых препаратов для пищевых целей.

Ценный источник пищевого белка – съедобные шляпочные грибы. Их используют непосредственно как пищевой продукт или как вкусовую приправу к различным блюдам. Мировое производство съедобных грибов в промышленных условиях составляет сейчас 1,2–1,3 млн т в год, при этом примерно 70–75 % приходится на долю шампиньонов.

Полноценность пищевых продуктов и кормов определяется содержанием в них не только белков, но и незаменимых аминокислот, поэтому весьма перспективно использовать для обогащения пищи отдельные аминокислоты или их сбалансированную смесь.

Аминокислоты можно получать путем трансформации их предшественников с помощью микроорганизмов или вырабатываемых ими ферментов, гидролиза природных белков и микробного синтеза.

В наибольшем количестве выпускают L-глутаминовую кислоту, применяемую в качестве вкусового и консервирующего агента в пищевой промышленности. Натриевая соль глутаминовой кислоты – эффективный усилитель вкуса, поэтому ее используют при изготовлении мясных и овощных блюд, добавляют во все продукты при консервировании, замораживании и длительном хранении. Многие аминокислоты обладают оригинальным вкусом и наряду с другими веществами обусловливают вкусовые особенности тех или иных продуктов.

Синтезируемые микроорганизмами биологически активные вещества могут быть обогатителями пищи человека и кормов сельскохозяйственных животных.

Все более пристальное внимание исследователей привлекают термофильные и термотолерантные процессы, характеризующиеся высокой биоэнергетикой и позволяющие эффективнее решать проблемы теплоотвода, проводить биокаталитические реакции с высокой скоростью, снижать опасность загрязнения среды культивирования или биокатализа посторонней микрофлорой.

Эффективность любой промышленной биотехнологии определяется себестоимостью целевого продукта, которая зависит от его выхода, конверсии субстрата и удельного расхода энергии. Применяя энергосберегающие технологии, можно выявить резервы снижения себестоимости продуктов микробного синтеза.

Одна из важнейших задач биотехнологии – организация переработки возобновляемых нерастворимых видов растительного сырья: крахмала и целлолигнинового комплекса с выбором наиболее эффективного способа его конверсии (гидролиз, прямое культивирование микроорганизмов, ферментолиз, газификация и др.).

При микробной деградации и конверсии целлюлоз и гемицеллюлоз можно получать этанол и сырье для химической промышленности. Методами генной инженерии можно создавать штаммы, которые будут лучше адаптироваться к этим типам биоконверсии, и получать больший выход продукции.

Переработка побочных продуктов сельского хозяйства и отходов пищевой промышленности микроорганизмами зависит от того, насколько рентабелен этот процесс по сравнению с использованием других субстратов. Необходимо также учитывать возможные последствия для окружающей среды. Биотехнологические процессы тоже вызывают химическое и биологическое загрязнение окружающей среды, но с помощью микроорганизмов можно удалять существенную часть органических загрязнений, содержащихся в сточных водах различных производств, уменьшать количество остаточного шлама, удалять неприятные запахи.

Биотехнология рассматривается как приоритетное направление в большинстве высокоразвитых стран. Более высокими темпами развития выделяются среди других стран США и Япония, где программам по производству продуктов микробного синтеза уделяется большое внимание как весьма перспективным сферам национального бизнеса. В этих странах биотехнология ориентирована на создание технологий, основанных на рекомбинации ДНК или связанных с использованием белковых молекул; на получение специальных штаммов микроорганизмов для синтеза новых биополимеров и разложения токсичных соединений различной природы; на широкое развитие генно-инженерных работ по азотофиксации, что позволит сократить внесение в почвы химических азотсодержащих удобрений. В области разработки новых источников сырья и энергии процессы биотехнологии используются для утилизации целлюлозосодержащих отходов, создания систем оборотного водоснабжения, глубокой очистки сточных вод, извлечения из них полезных веществ. Биотехнологические пищевые продукты составляют 10 % всей рыночной продукции США.

В Германии основной продукцией, частично или полностью производимой с помощью биотехнологических методов, являются фармацевтические препараты для человека и животных, витамины, гормоны, жиры и жирные кислоты, сыворотки и вакцины, антибиотики, клеящие вещества, желатин и т.д. В будущем предполагается уделить внимание специальным направлениям, способным дать долгосрочные импульсы в развитии биотехнологии: нейробиологии, биологической сигнальной и информационной обработке, ферментативному дизайну. По этим направлениям уже успешно проведены базисные исследования.

Во Франции развитие биотехнологии определяется тремя направлениями исследований:

• фундаментальное исследование микроорганизмов, растительных и животных клеток и ферментов;
• изучение и разработка биотехнологических процессов (кинетики, ферментативной инженерии, контрольных приборов и т.д.);
• исследования, связанные с фармацевтической, пищевой промышленностью и сельским хозяйством, защитой окружающей среды и получением возобновляемых источников энергии.

В пищевой промышленности все активнее применяют микробные ферментные препараты вместо растительных и животных ферментов. Так, микробные амилазы заменили аналогичные ферменты из пшеничного и ячменного солода в спиртовом и пивоваренном производстве, хлебопечении и производстве сухого печенья; микробные протеазы – животные и растительные протеазы, употребляемые для размягчения мяса; микробный реннин заменил сычужный фермент из желудков телят и ягнят в сыроделии. В консервной промышленности с использованием микробных ферментных препаратов увеличивается выход сока, особенно из ягод с большим содержанием пектина, повышается стойкость против инфицирования и удлиняется срок хранения готовой продукции. В виноградном и плодово-ягодном виноделии благодаря ферментным препаратам можно повысить качество традиционных марок вин и получать новые. С помощью ферментных препаратов возможно также увеличить стойкость пива и вин к белковым помутнениям.

Все большее значение в мире приобретают низкокалорийные, неопасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза – продукт превращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкозоизомеразы. Зерновой крахмал превращают в смесь глюкозы и фруктозы или в высокофруктозную зерновую патоку, которая заменяет сахарозу при подслащивании безалкогольных напитков и других пищевых продуктов, с помощью трех ферментов: α-амилазы, глюкоамилазы и глюкозоизомеразы. Мировое производство фрукгозной зерновой патоки достигает более 2 млн т, причем более половины этого количества вырабатывают в США.

Около 20 % населения нашей страны страдает неусваиваемостью лактозы, поэтому актуальным является получение молочных продуктов, в которых лактоза ферментативно гидролизована в глюкозу и галактозу. Перспективно и производство различных пищевых продуктов из компонентов молочной сыворотки, которую во всем мире в основном (48–88 %) направляют на корм скоту. Путем фракционирования молочной сыворотки и непрерывного гидролиза лактозы ее можно эффективно использовать в пищевой промышленности.

Перспективно также направление разработки технологий продуктов функционального питания, которое можно выделить в самостоятельную отрасль пищевой биотехнологии.

Поскольку слияние принципов пищевой биотехнологии и фармакологии можно считать на сегодняшний день свершившимся фактом, во всем мире большое внимание уделяется проблеме изучения лечебно-профилактических свойств пищевых ингредиентов и отдаленных последствий их воздействия на организм человека. Уже сегодня с определенной степенью достоверности посредством рационального использования пищевых ингредиентов, в том числе растительного происхождения, можно улучшить обменные процессы и нормализовать метаболизм тканей.

Важнейшие исследования, проводимые в высокоразвитых странах в области биотехнологии для повышения качества продуктов питания, посвящены:

• разработке акустических биосенсоров для обнаружения некачественных пищевых продуктов;
• идентификации и оценке противомикробных систем как нового средства повышения степени безопасности и улучшения качества пищи;
• разработке сенсоров для улучшения контроля чистоты процессов приготовления пищевых продуктов в герметично закрытом оборудовании.

Удовлетворить пищевые потребности человечества возможно путем увеличения сырьевых источников, что связано с повышением эффективности растениеводства и животноводства. Поэтому биотехнологи работают над повышением продуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой и кормовой ценности, созданием новых культур, способных расти на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах.

Создание новых сортов растений традиционно осуществляют путем селекции на основе гибридизации, спонтанных и индуцированных мутаций. В последние годы исследования в этой области базируются на новых разработках, в которых используют культуры клеток, протопластов и тканей, а также методы генной инженерии, направленные на создание новых сортов целевым воздействием на молекулярные и клеточные механизмы, которые обеспечивают биологическое разнообразие и высокую продуктивность. Эти новые методы значительно сокращают затраты времени и труда селекционеров.

Клонированием нуклеиновых кислот можно также выявлять вирусы в растительной ткани при выбраковке зараженных растений.

В некоторых странах интенсивно исследуют биологическую фиксацию атмосферного азота. Изучают возможности повышения эффективности этого процесса, играющего важную роль в круто- вороте азота в биосфере, повышении плодородия почв и продуктивности растений, а также выявляют возможность создания новых азотфиксирующих симбиотических ассоциаций между бобовыми растениями и бактериями рода Rhizobium. В будущем не меньшую роль сыграет введение в растения бактериальных генов, обеспечивающих фиксацию атмосферного азота.

Клонирование клеток – перспективный метод получения не только новых сортов растений, но и промышленно важных продуктов.

Ученые считают иммобилизацию растительных клеток внутри пористых полимеров наиболее практичным решением для осуществления биосинтеза необходимых соединений. К тому же знания и практический опыт, накопленные относительно иммобилизации микробных клеток и ферментов, а также функционирования таких биореакторов, несомненно, внесут весомый вклад в развитие технологии культур растительных клеток. Их широкое биологическое разнообразие обеспечит доступность для использования в сельском хозяйстве и пищевой промышленности следующих соединений: аминокислот, ароматических добавок и специй, красителей, ферментов, гормонов и регуляторов роста растений, белков и пигментов.

Наиболее перспективной в области биологической защиты растений исследователи считают разработку средств борьбы с насекомыми-вредителями и патогенными микроорганизмами. Богатый опыт накоплен в создании и использовании микробных пестицидов на основе бактериальных, грибных и вирусных культур. Микробиологические препараты можно использовать в сочетании со многими другими, в том числе с бактериальными удобрениями и препаратами эпифитных бактерий – стимуляторов роста растений.

При правильном применении микробиологические средства защиты растений безвредны для самих растений, людей, полезных животных и насекомых, так как действуют узконаправленно на определенные виды и быстро разлагаются в почве.

В настоящее время эксперты оценивают стоимость биотехнологической продукции на мировом рынке в 163 млрд долл. в год.

Основными секторами рынка являются:

• продукты для пищевой промышленности и сельского хозяйства (пищевые и кормовые добавки, биологические средства защиты растений) – около 45 млрд долл.;
• фармацевтическая продукция (антибиотики, вакцины, генно- инженерные лекарства и новейшие средства диагностики) – 26,8 млрд долл.;
• ферменты и препараты для производства моющих средств и другой химической продукции – 21,7 млрд долл.

Кроме того, к биотехнологии относят производство посадочного материала генно-инженерно-модифицированных растений (объем продаж – до 30 млрд долл. в год) и частично фармацевтические и косметические средства, получаемые из натурального растительного или животного сырья (объем этого рынка – 40 млрд долл. в год).

В 2001 г. выпуск российской биотехнологической продукции оценивали в 360–400 млн долл., при этом ежегодный импорт товаров, в производстве которых используются биотехнологии, выражается суммой в 650 млн долл. Таким образом, объем российского рынка биотехнологических товаров превышает 1 млрд долл., причем пищевая промышленность и сельское хозяйство потребляют 40 % всей биотехнологической продукции.