Место в науке и междисциплинарный статус
Биотехнология признана ведущей дисциплиной, которая задает вектор развития медицины на ближайшие десятилетия. Исторически она сформировалась в недрах микробиологии и является прямым эволюционным продолжением «технической микробиологии». Именно поэтому основы биотехнологии традиционно изучаются на кафедрах микробиологии и иммунологии.
Основоположником направления по праву считается Луи Пастер, чье открытие ферментативной природы брожения заложило фундамент для управления жизнедеятельностью микроорганизмов.
Современная биотехнология — это строго интегральная область знаний. Она возникла и успешно развивается на пересечении сразу нескольких крупных дисциплин:
- Микробиологии;
- Молекулярной биологии и генетической инженерии;
- Иммунологии;
- Химической технологии.
Сущность, предпосылки и цели
Согласно определению академика А.А. Воробьева, фундаментальной основой биотехнологии является изучение процессов жизнедеятельности организмов. Главной предпосылкой к стремительному развитию этой науки стала острая потребность общества в принципиально новых технологиях, а также необходимость удешевления продукции для народного хозяйства, медицины и ветеринарии.
Глобальные цели биотехнологии:
- Промышленное получение целевых продуктов из биологических объектов или с их непосредственным применением.
- Воспроизведение специфических биологических эффектов, в том числе тех, которые не встречаются в естественной природной среде.
Биологические объекты производства
Для реализации поставленных задач биотехнологи используют различные формы жизни. Чаще всего в качестве основного объекта выступают одноклеточные микроорганизмы. Также активно применяются изолированные клетки животных и растений. Значительно реже в производственный процесс вовлекаются целые органы животных или неповрежденные растения.
Выбор именно клеточных структур в качестве производственной базы не случаен. Клетки функционируют как миниатюрные «биофабрики». Они способны синтезировать колоссальный спектр ценных веществ, получение которых иными (небиотехнологическими) путями пока невозможно. К таким веществам относятся:
- Белки, жиры и углеводы;
- Аминокислоты и витамины;
- Антибиотики;
- Гормоны и ферменты;
- Антитела.
Преимущества и экономическая эффективность
Помимо уникальных синтетических способностей, выбор микроорганизмов и клеток обусловлен высокой скоростью их воспроизводства. Это позволяет невероятно быстро наращивать биомассу в огромных промышленных масштабах.
| Тип клетки | Темпы деления (удвоения) |
|---|---|
| Бактериальная клетка | 20–60 минут |
| Дрожжевая клетка | 1,5–2 часа |
| Животная клетка | 24 часа |
Третьим ключевым фактором является экономическая эффективность. Биологический синтез сложных структур (таких как антигены, антибиотики, белки) обходится значительно дешевле и технологически доступнее, чем их искусственный химический синтез.
Огромным плюсом является используемая сырьевая база. В биотехнологии применяется дешевое, легкодоступное и недефицитное сырье. Зачастую это отходы пищевой, рыбной промышленности и сельского хозяйства: меласса, древесина, дрожжи и рыбная мука. Это делает биотехнологическое производство не только экономически выгодным, но и экологически целесообразным.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какие виды микроорганизмов являются основными промышленными продуцентами антибиотиков?
Основными промышленными продуцентами антибиотиков являются актиномицеты, плесневые грибы и типичные бактерии.
- Актиномицеты (род Streptomyces) — ветвящиеся бактерии, являющиеся источником около 80% природных антибиотиков.
- Плесневые грибы (роды Cephalosporium, Penicillium) — синтезируют природные бета-лактамы и фузидиевую кислоту.
- Типичные бактерии (эубактерии, бациллы, псевдомонады) — продуцируют полипептидные антибиотики, такие как бацитрацин и полимиксины.
Какие рекомбинантные гормоны человека получают методами генной инженерии?
Методами генной инженерии получают рекомбинантные гормоны: инсулин и гормон роста (соматотропин).
- Инсулин человека — первый белок, полученный по технологии рекомбинантной ДНК для лечения сахарного диабета; дает значительно меньше побочных эффектов по сравнению с экстрактами поджелудочной железы животных.
- Гормон роста — синтезируется аналогичным методом.
Основным промышленным продуцентом для получения этих гормонов выступает кишечная палочка (E. coli).
Какие методы применяются для создания высокопродуктивных штаммов-продуцентов?
Для создания рекомбинантных штаммов-продуцентов применяется технология рекомбинантных ДНК: выделение вектора и целевой ДНК, их разрезание рестриктазами, сшивание фрагментов лигазой и введение рекомбинантной ДНК в клетку-хозяина (трансформация). В источниках также описаны индуцированные мутации, возникающие под действием физических и химических мутагенов, например УФ-излучения.
Какие этапы включает гибридомная технология получения моноклональных антител?
Гибридомная технология получения моноклональных антител включает этапы слияния клеток и их последующего культивирования.
- Слияние клеток — объединение иммунных В-лимфоцитов (доноров синтеза специфических антител) и миеломных опухолевых клеток (доноров свойства бесконечного деления) в присутствии полиэтиленгликоля.
- Образование гибридомы — получение гибридной клетки, которая наследует специфичность от лимфоцита и способность к бесконечному делению от миеломы.
- Культивирование — размножение гибридом in vitro (в культуре клеток) или in vivo (в брюшной полости мыши с накоплением в асцитической жидкости).
Какие медицинские ферментные препараты производятся биотехнологическим путем?
Биотехнологическим путем производятся фибринолитические ферментные препараты на основе урокиназы.
- Урокиназа (Urokinase) — фермент, который получают из культуры эмбриональных клеток почек человека; применяется для прямой активации плазминогена при инфаркте миокарда и тромбозах.
- Саруплаза (Saruplase) — рекомбинантный препарат одноцепочечной урокиназы (проурокиназы), отличающийся более высокой специфичностью к фибрину тромба.
В источниках не описаны биотехнологические методы производства других медицинских ферментов (трипсина, нуклеаз, гиалуронидазы и аспарагиназы).
Чтобы запомнить скорость роста биомассы, используйте правило «от минут к суткам»: бактерии делятся в минутах (20-60), дрожжи — в часах (1,5-2), а животные клетки требуют целые сутки (24 ч).
Вопросы с занятий и экзамена
Почему Луи Пастер считается основоположником биотехнологии?
Пастер открыл ферментативную природу брожения, что впервые доказало возможность практического использования процессов жизнедеятельности микроорганизмов для получения целевых продуктов.
Какие организмы являются основным объектом биотехнологии?
Главным объектом выступают одноклеточные микроорганизмы, так как они обладают самой высокой скоростью воспроизводства и способны синтезировать множество сложных веществ.
В чем заключается экономическая выгода биосинтеза?
Биосинтез технологически проще химического синтеза и позволяет использовать крайне дешевое сырье — промышленные и сельскохозяйственные отходы, такие как меласса, рыбная мука и древесина.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы клеточного синтеза антибиотиков и ферментов
- Применение генетической инженерии для модификации штаммов
- Аппаратура и технологии промышленного культивирования биомассы
- Специфика использования клеток животных и растений в биопроизводстве
Разберите тему целиком в курсе «Микробиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Биотехнология» и ещё 4 383 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 141 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Биотехнология. Генетическая инженерия»
Весь раздел «Биотехнология. Генетическая инженерия»Бесплатные видеоуроки: микробиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.