Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива.
Совершенствование процессов сбраживания, увеличение их эффективности, а также изучение многочисленных биохимических реакций, присущих микроорганизмам, шли параллельно с выделением из клеток бактерий и грибов веществ, которые все в большей степени вытесняли синтетические продукты, такие, как гипотензивные и противовоспалительные препараты и противопаразитарные средства. В результате среди коммерческих противококкцидиозных препаратов все более преобладают монензин и ласалоцид, а авермектины (группа веществ, продуцируемых стрептомицетами) весьма эффективны при заболеваниях, вызываемых гельминтами и членистоногими. Клинические испытания акарбозы (BAYg5421), естественного ингибитора глюкозидазы кишечника, синтезируемого актиномицетами рода Actinoplanes, были направлены на изучение эффективности этого соединения при лечении диабета, ожирения и гиперлипидемии (IV типа). Мевинолин-другое природное соединение (е образует А spergillus terreus) способен снижать у животных уровень холестерина в крови. Его оксикислота (мевинолиновая кислота) мощный конкурентный ингибитор 3-окси-3-метилглутарил-коэнзим А-редуктазы печени.
Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл.
При их рассмотрении предпочтительнее пользоваться терминами «генетическая рекомбинация iп vitro» или «использование рекомбинантных ДНК», а не «манипулирование генами» или «генная инженерия». Согласно определению Национальных институтов здоровья США, рекомбинантными ДНК называются молекулы ДНК, полученные вне живой клетки, в пробирке, путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться в клетке. Основу эксперимента составляет встраивание природной или чужеродной ДНК в вектор, который представляет собой бактериальную плазмиду или геном вируса; затем рекомбинантную молекулу ДНК вводят в клетку, где она реплицируется. Клетка, содержащая такую ДНК, размножается, образуя клон трансформированных клеток. Одна из целей биотехнологии заключается в т ,м, чтобы получить клоны трансформированных клеток, способных к экспрессии чужеродной генетической информации и образованию специфических белков в больших количествах.
Предпосылкой прогресса в этой области послужило открытие в 1972 г. Арбером (Базель) и Смитом и Натансом (Университет Джона Гопкинса) - лауреатами Нобелевской премии 1978 г. - ферментов рестрикции, которые расщепляют ДНК в специфических участках. Не менее важным оказалось открытие лигаз ферментов, способных «сшивать» фрагменты ДНК, и обратной транскриптазы, синтезирующей ДНК на матрице РНК. Для встраивания одного или нескольких генов в ДНК с последующим введением в клетки микроорганизма необходимы как рестрикционные эндонуклеазы, так и лигазы.
Следует подчеркнуть, что генная инженерия чрезвычайно важна не только для биотехнологических разработок, но в не меньшей степени и для фундаментальных исследований, связанных с изучением структуры генов высших организмов, регуляции экспрессии генов, структуры белков, которую определяют по структуре кодирующей их ДНК, а также перетасовки генов в эволюции.
Технология иммобилизованных ферментов получила свое развитие в конце 60-х гг. (по этому методу ферменты связывают с пористым гелем или фиксируют на поверхности твердой подложки) и с успехом применялась не только в промышленном производстве полусинтетических пенициллинов, получении концентрата фруктозы из крахмала зерновых культур, но и при проведении несложных биохимических анализов. Еще эффективнее оказываются иммобилизованные клетки или клеточные органеллы, поскольку они содержат все необходимые гены для синтеза сложных соединений.
Таким образом, развитие биотехнологии в огромной степени определяется исследованиями в области микробиологии, биохимии, энзимологии и генетики микроорганизмов, а также наличием коллекций культур, надлежащим образом учтенных и постоянно изучаемых. Необходимо уделять внимание и таксономии микроорганизмов, так как биотехнологические разработки базируются на глубоком знании характеристик штаммов микробов. Более того, поскольку эти штаммы могут быть защищены патентами, они будут играть ключевую роль в развитии многих отраслей фундаментальных исследований, а также в прикладных исследованиях и в биотехнологии.
История промышленной микробиологии и ее современное состояние позволяют проследить тесную связь фундаментальных и прикладных исследований. Столетие назад исследования Пастера, направленные на решение сугубо практических задач, привели к становлению микробиологии, иммунологии и биохимии, а открытие в 1940-х гг. микробиологами-практиками антибиотиков обусловило создание методических приемов, сыгравших решающую роль в развитии молекулярной биологии, и одновременно дало толчок важнейшим изменениям в фармацевтической промышленности. Наконец, за последние 30 лет фундаментальные исследования в области генетики микроорганизмов позволили разработать целый ряд новых методов для промышленного применения. Такая взаимосвязь науки и технологии является решающим условием дальнейшего прогресса промышленной микробиологии.
Вместе с тем, хотя биотехнологические процессы прежде всего связаны с микробиологией и энзимологией, не менее существенную роль играет и 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 выщеления 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. В обычной методике культивирования пользуются цилиндрическими бутылями, которые медленно вращаются вдоль своей длинной оси. Рост клеток и выход биомассы можно увеличить, добавив к суспензии носитель микроскопические гранулы из инертного синтетического полимера, на которых клетки закрепляются и пролиферируют. Суспензионные культуры клеток удается также получать в сосудах объемом до 1000 л при перемешивании. Деление клеток млекопитающих происходит примерно раз в сутки, тогда как клетки дрожжей делятся каждые 1,5-2 ч, а бактериальные клетки-каждые 2060 мин. При выращивании в культуре клетки млекопитающего могут свободно плавать в среде или образовывать монослой на поверхности сосуда. Они 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 также небольшие концентрации антибиотиков для подавления роста бактерий и 5-20% сыворотки (из крови человека или из плода крупного рогатого скота). В некоторых случаях цельную сыворотку можно заменить специфическими сывороточными белками. Для оптимального роста температуру культуры необходимо поддерживать около 37° С; ниже 36° С клетки либо делятся крайне медленно, либо не делятся вовсе, а при температуре выше 38° С погибают. Большинство культур клеток млекопитающих, в том числе и клеток человека, удается сохранять неопределенно долгое время замороженными в специальной среде при –180° с.
Развитие биотехнологии коснулось и растений, хотя и позднее: для широкомасштабного производства клонов растений используются меристемы, а культуры растительных клеток применяют для синтеза различных веществ, как самых обычных (алкалоиды и другие вторичные метаболиты), так и экзотических (идиолиты).
В 1937 г. Готере с успехом культивировал недифференцированную ткань моркови. Полученный при этом каллюс, отделенный от родительского растения, удавалось фрагментировать и культивировать в новой культуральной среде, содержащей растительный гормон, ауксин. Такие культуры можно было поддерживать неопределенно долго. Некоторые линии, полученные Готере, поддерживаются в культуре до сих пор.
В 1954 г. Мюир, Хильдебрандт и Рикер получили культуру из отдельных растительных клеток; этот метод затем усовершенствовал во Франции Лутс, а Бергманн для выращивания суспензионных культур растительных клеток воспользовался методами, разработанными для бактериальных культур. Позже подобные методы получили развитие в ряде стран, особенно в Великобритании в работах Стрита. Еще в 1892 г. Клеркер выделил протопласты, однако лишь в 1960 г. Кокинг создал достаточно простой метод ферментативного получения протопластов в больших количествах. Слияние протопластов позволяет увеличивать число и разнообразие гибридов без применения полового размножения.
В 1957 г. Скоог и Миллер, обработав каллюс растительными гормонами (ауксином и кинетином), добились образования корней и стеблей. Затем Морель показал, ·что другой растительный гормон гиббереллин индуцирует пролиферацию меристем и их дифференцировку с образованием в конечном счете целого растения. Этот процесс регенерации нашел важное применение в сельскохозяйственной практике на нем основано получение безвирусных растений, а также размножение новых культурных разновидностей или видов, которые обычно не размножаются вегетативно).
Биологическое многообразие культур растительных клеток и тканей открывает интересные перспективы изучения новых полезных соединений. Освоение методов массового культивирования позволит синтезировать такие молекулы. Начиная с 1970 г. исследователи нередко наблюдали, что клетки, растущие в культуре, синтезируют вещества, которые не обнаруживаются в целом растении. Так, клеточные культуры Catharanthus roseus синтезируют несколько десятков различных алкалоидов; из них идентифицированы лишь восемь, четыре не найдены в целом растении, а два оказались неизвестными дотоле веществами.
Решение таких проблем, как нехватка продуктов питания и дефицит белка, вероятно, будет найдено с помощью биотехнологии за счет снижения стоимости производства аминокислот необходимого компонента корма домашних животных, благодаря разработке методов получения белка одноклеточных (кормового белка) переработкой парафинов или другого доступного сырья (целлюлозы, агропромышленных или сельскохозяйственных отходов, сточных вод), а также путем клонирования растений и отбора высокоэффективных разновидностей. В перспективе на основе методов рекомбинантных ДНК биотехнология позволит освоить синтез растительных белков и добиться искусственного фотосинтеза и фиксации азота.
