Методологические принципы биотехнологии. Монография

Следует иметь в виду, что любой исторический процесс может быть представлен множеством версий периодизации и все они будут иметь право на существование, если соответствуют историческим фактам. На основании изучения биотехнологии и ее пограничных областей я предлагаю свою версию с пятью периодами без наименования каждого из них, но с краткой содержательной характеристикой каждого.

Первый период – биотехнология как чисто промышленное ремесло, или протобиотехнология, зародившаяся в древности: виноделие (спиртовое брожение), приготовление кисломолочных продуктов (молочнокислое брожение), приготовление хлебопекарских дрожжей, выщелачивание металлов из руд. Эта многовековая промышленная деятельность вплоть до конца XIX в. основывалась на чистой эмпирии без знания «живой» микробиологической природы процессов.

Второй период связан с развитием исследований ферментативного катализа и зарождением микробиологии во второй половине XIX в., когда Луи Пастер провел первое исследование спиртового и молочнокислого брожения и доказал, что главными агентами этих процессов являются микроорганизмы (1857 г.).

На протяжении XVIII–XIX вв. биология еще не дошла до рассмотрения живых организмов на молекулярном уровне, уровне химических процессов, поэтому химические исследования живых объектов проводились только химиками и на основании традиционных подходов химии. Здесь можно назвать такие работы, как «Химия в приложении к земледелию и физиологии» Ю. Либиха (1840 г.), «Очерк химической статики организованных веществ» Ж. Дюма (1841 г.), учебник «Курс физиологической химии» А. И. Ходнева (1847 г.), «Иммунохимия» (1907 г.) и «Количественные законы биологической химии» (1915 г.) С. Аррениуса и многие другие.

Названная односторонняя тенденция обусловливала редукцию биологического знания к химическому и чисто аналитическому химическому исследованию сложнейших по природе биологических процессов. В то же время такая ориентация была неизбежна в силу различия предметов химического и биологического знаний в названный период.

С конца XIX в. (Э. Фишер и др.) была установлена пептидная природа белков и белковая природа ферментов. В свою очередь, Л. Михаэлис и М. Ментен разработали первую кинетическую теорию действия ферментов, что обусловило развитие взаимодействия биохимии, химической физики и физической химии. В этот же период была обнаружена живая природа ферментов, функционирующих как организованно

11

(в клетке), так и неорганизованно (в изолированном виде). Все это послужило первоосновой для биотехнологических научных исследований и промышленных производств, основанных на двух уровнях применения активных биоагентов: клеточном и молекулярном.

Третий период знаменует собой дальнейшее развитие в ХХ в. базисных знаний биотехнологии (обнаружение нуклеиновых кислот как составляющих ядерного вещества клетки И. Ф. Мишером в 1869 г. и др.). Особенно интенсивно шло развитие биохимии с последующим расширением ее предметной области с образованием биоорганической химии и молекулярной биологии. В результате были получены знания о природе, структуре и функциях биомолекул, особенно специфических биомакромолекул и молекулярных комплексов. В этапных работах Д. Уотсона, Ф. Крика, М. Уилкинсона и Р. Франклин по открытию ДНК (середина ХХ в.) и, наконец, в современных генно-инженерных исследованиях сформировалась основная научная база биотехнологии. В это же время традиционные производства этилового спирта, уксусной кислоты, пекарских дрожжей обрели статус «технической микробиологии», поскольку микробиологическая природа этих процессов стала известной. Оставался один шаг до биотехнологии в современном смысле этого понятия.

Четвертый период связан с активным становлением промышленной биотехнологии. Этап окончательной конкретизации основного предмета и метода биотехнологии (с середины ХХ в.) и обособление ее в со- циально-организационной сфере: познание структуры и функций биополимеров, зарождение молекулярной биологии и генной инженерии, а также клеточной инженерии (когда были разработаны методы гибридизации соматических клеток и технологии их культивирования). В это же время (во второй половине ХХ в.) были созданы промышленные производства разнообразных органических веществ, ферментов, белковых препаратов, антибиотиков и многих других лекарственных средств. Таким образом, в 1960–1970-е гг. произошло окончательное оформление биотехнологии в самостоятельную обособленную научно-техническую область знания и отрасль промышленности. Именно этот период характеризуется формированием биотехнологии на социально-организационном уровне: создание госструктур с биотехнологическим функционалом, возникновение системы подготовки специалистов, научных журналов и обществ и канонизация самого понятия «биотехнология».

Пятый период – это уже наше время полного самосознания биотехнологии и начала разработки ее методологических проблем (конец XX в.). Сейчас можно говорить о явной постановке и разработке общих

12

методологических проблем научной и промышленной биотехнологии, то есть о полном и окончательном формировании биотехнологии как самостоятельной научно-технической отрасли знания. Это нашло, например, отражение в изданиях конца прошлого века [13, 63, 111]. Пятый период – время окончательного формирования биотехнологии как специфической научно-прикладной области знания с собственными методологическими проблемами. Среди них наиболее значимые:

–специфика предмета, методов и целевых установок биотехнологии, особенности ее координационных и субординационных взаимосвязей с микробиологией, биохимией, молекулярной биологией, физической и органической химией, химической технологией и другими смежными областями научно-технического знания;

–систематизация и унификация профессионального языка биотехнологии в связи с появлением новых терминов и изменением содержания уже известных, начиная с понятия биотехнологии и далее: биотехнология, биоинженерия, биореактор, ферментация, ферментер, ферментатор, инженерная энзимология, генная инженерия, искусственный геном, белковая инженерия, нанобиотехнология, сельскохозяйственная биотехнология, медицинская биотехнология, экологическая биотехнология и многие другие;

–нанотехнологии в медицине – здесь ограничусь одним современным примером применения наноносителей в медицине [38];

–методологические проблемы фармацевтической биотехнологии, сформировавшейся в связи с открытием антибиотиков;

–оценка современной и перспективной значимости биотехнологии для решения актуальных глобальных проблем экологии.

Следует отметить, что многие методологические проблемы биотехнологии не только недостаточно разработаны, но еще и не поставлены.

В заключение проведем анализ современной ситуации эффективности функционирования химической идеологии в биологии и биологической идеологии в химии.

В наше время химический идеал в биологии в абсолютной форме, т. е. как высшая цель, практически достигнут. Другая тенденция активного влияния характерна для биологической идеологии в химии. Биологический идеал, определивший начальные этапы становления органической химии, сейчас функционирует в рамках относительно новой дисциплины – биоорганической химии, так как именно в этой области исследовательской деятельности ставятся задачи исследования струк-

13

туры, свойств и поиска путей синтеза органических соединений – аналогов природных соединений. Исследования структуры ферментов, нуклеиновых кислот, липидов, надмолекулярных образований, систем биосинтеза с механизмами регуляции объективно обусловили становление в современной химии нового биологического идеала. В данном случае целевую установку исследовательской деятельности химиков задает не какая-либо молекулярно-химическая структура, выделенная из живых организмов, а ферментативная система биосинтеза с регуляторными механизмами.

Объектом для подражания по организации является процесс, который происходит в энергетически выгодных условиях и с внутренней регуляцией, а не сложное по строению вещественное образование. В отношении к органической химии установление такого идеала выразил А. Е. Арбузов: «Органическая химия заключается в настоящее время не только в том, чтобы синтезировать различные вещества, например белковые, алкалоиды и т. п., но и научиться проводить эти синтезы при помощи различных катализаторов, изгнав из лабораторной техники такие, в сущности, грубые приемы, как нагревание в запаянных трубках, действие крепкими щелочами и кислотами и т. д. Лаборатория живой клетки – вот идеал органической химии» [3].

В настоящее время данный идеал реализуется в лабораторных условиях и промышленных технологиях. В промышленной биотехнологии, как правило, эксплуатируется «фабрика» живой клетки целиком, т. е. получение полезных биопродуктов осуществляется путем культивирования целых клеток микроорганизмов или тканевых культур. Преимущество этого подхода в том, что для реализации технологического процесса не обязательно знать все детали биохимии и физиологии клетки. Сейчас промышленное применение нашли отдельные ферменты или их комплексы, чаще всего иммобилизованные или инкапсулированные.

Названные процессы находят место во многих областях промышленности: фармацевтической, пищевой, текстильной, в очистных сооружениях, органическом синтезе (в комбинированных процессах химической и биологической трансформации веществ в процессах получения полезных органических продуктов), а также в научной лабораторной практике. Реализуемые в современной науке и технологии подходы открывают путь к осуществлению высшей цели – созданию внеклеточной искусственной системы синтеза сложных соединений с механизмами регуляции, подобными клеточным, с их информационными и регуляционными компонентами. Предпосылки для этого наметились

14

уже в XX в. Развитие названного направления в XXI в. позволяет осуществлять синтезы сложных соединений без многостадийности традиционной химической технологии, причем с минимумом энергетических затрат и отходов, что важно с экологической точки зрения.

Если выделить ключевой этап становления биологии и всех взаимосвязанных с ней наук и технологий, то это будет, конечно, открытие структур ДНК и РНК и последующее развитие молекулярной биологии и генной инженерии. Здесь также можно назвать: реализацию программы «Геном человека»; технологии клонирования животных; диагностику генетических заболеваний; методы выявления особенностей развития эмбриона во внутриутробном состоянии; разнообразные направления фармакологии.

Успехи генетики в союзе с молекулярной биологией затмили то,

что генетика вновь находится на начальном этапе развития, который называют постгеномным, т. е. следующим этапом после завершения программы «Геном человека»: «Эпоха была наполнена технологическими революциями, особенно в области секвенирования геномов, траскриптомов и отчасти протеомов. Она характеризуется также серьезными разочарованиями относительно достижимости тех целей, которые в конечном счете ставит перед собой секвенирование, – понимание функций, характеризующих жизнедеятельность, и их нарушений при различных патологиях. Существует громадный разрыв между структурными успехами и функциональными результатами, и это сказывается, в частности, на практических применениях результатов структурных исследований» [112].

Суть современной центральной проблемы генетики можно выразить следующим иносказанием: геном живого организма – это громадная книга, написанная на неизвестном древнем языке, которую заполучили ученые. Теперь стоит неизмеримо более сложная задача – перевод этой книги на понятный нам современный язык.

Итак, эпохальные прорывы в пограничной области химии и медицины произошли в XX в.: открытие антибиотиков (химических объектов с биологической природой и функциями); развитие генетики и молекулярной биологии (с успешным завершением программы «Геном человека»); успехи биоорганической химии, союз химической технологии и биотехнологии в фармацевтической промышленности. Биотехнология и генная инженерия развивались в процессе активного взаимодействия и представляют собой область органичного синтеза технологии и естествознания.

15

2 . 2 . М е т о д о л о г и ч е с к и е п р и н ц и п ы и и х ф у н к ц и о н и р о в а н и е в б и о т е х н о л о г и и

Слово «метод» в переводе с древнегреческого означает «путь» (от μέθοδος – путь исследования или познания). Исходя из этого методология науки – это учение о методах познавательной деятельности и принципах формирования знаний.

Для понятия «методология технологии» можно дать, в свою очередь, следующее определение: методология технологии – это учение о методах получения продуктов с заданными свойствами и принципах инженерной организации операций в технологических процессах.

Добавим к этому, что характерной чертой методологии является ее иерархичность: знания более общие выполняют методологическую функцию по отношению к более конкретному, специальному знанию. Общенаучное знание (например, системный подход, термодинамика и пр.) выполняют методологическую функцию в отношении к специальным наукам: физике, химии, технологии.

В субординации разделов методологического знания можно выделить три основных уровня: философский, философско-методологиче- ский, или общенаучный, и специально-научный. В структуре научного знания это выглядит так: философия как общая методология – общенаучная методология – специально-научная методология – специальнонаучные теории – модели – систематизированный эмпирический материал – экспериментальные факты.

Важно иметь в виду, что если мы поставим проблему выявления значимости влияния каждого уровня на становление нового научного знания, то войдем в область сложного взаимодействия познавательных подходов как по направлению снизу вверх, так и сверху вниз. Исто- рико-методологическая структура таких взаимосвязей специфична для каждого эпизода развития науки.

На уровне функционирования философско-методологического знания можно выделить следующие познавательные принципы:

–принцип соответствия – учение о преемственности теорий, согласно которому новая теория при некоторых условиях или в некоторых частных случаях должна соответствовать сменяемой теории;

–принцип дополнительности – учение о возможности наиболее полного познания объекта исследования не по пути создания единой теории, а во взаимодействии нескольких подходов, теорий, дисциплин;

16

–принцип редукции – возможность познания какого-либо объекта, системы, целостности через познание свойств составляющих его частей;

–принцип целостности – наличие свойств целостности, познаваемых в результате взаимодействия данной целостности с другими целостностями и несводимых к свойствам составляющих эту целостность частей;

–принцип контрредукции (сформулирован автором) – возможность наличия в какой-либо целостности высших (метацелостных) свойств, проявляющихся и познаваемых только при исследовании данной целостности в составе более высокоорганизованной целостности, системе;

–принцип верификации – всякая теория, претендующая на научность, должна быть подтверждаемой;

–принцип фальсификации – всякая теория, претендующая на научность, должна быть представлена в такой форме, чтобы имелась потенциальная возможность ее опровержения;

–принцип эпистемологического анархизма – учение о возможно-

сти приближения к наиболее полному решению проблемы в результате привлечения самых разнообразных подходов без каких-либо критериев их предварительного отбора;

–принцип моделирования – познание через изучение идеальных

иматериальных конструкций, подобных в определенной степени познаваемому объекту;

–системный подход – выделение в исследуемом объекте многообразных типов связей, частей и элементов.

В дополнение к этому автором был проведен анализ развития естествознания в XVII–XXI вв. и комплексное философско-методологиче- ское исследование познания природы во взаимодействии научных знаний, особенно в пограничных областях химии. В результате этого была сформулирована концепция новой общенаучной дисциплины «Гносеодинамика», предметом изучения которой являются проблемы междисциплинарной трансляции и трансформации научных знаний. Сущность

иструктура этой дисциплины были обстоятельно рассмотрены в монографии, написанной в 1995 г. [64], и последующих публикациях автора

[67, 72, 73].

Важно учитывать, что методология вырабатывает принципы, концептуальные основы, способы рассмотрения, критические подходы, оптимизирующие познавательную деятельность. В этом практическая значимость методологии, но на большее она и не может претендовать, то

17

есть не может служить методикой (или алгоритмом) получения нового знания по какому-то безошибочному и единственно правильному пути.

В большей части случаев полезное функционирование методологии в конкретной области научно-технической деятельности заключается в критическом анализе возможных вариантов решения проблемы и дискредитации заведомо тупиковых. Данная важная функция методологии образно и ясно выражена у Г. Лейбница, который в своем трактате «Об искусстве открытия» писал, что людские умы «подобны решету, которое в процессе мышления трясут до тех пор, пока через него не пройдут самые маленькие частицы. А пока они проходят через него, спекулятивный разум охватывает то, что ему представляется нужным. Это можно сравнить с тем, как некто, желающий поймать вора, прикажет всем гражданам пройти через некие ворота, а потерпевшему – стоять у ворот и смотреть. Но, чтобы ускорить дело, можно применить метод исключения… Ведь если ограбленный будет утверждать, что вор был мужчина, а не женщина среднего возраста и не юноша или ребенок, все они (то есть не являющиеся объектом поиска, его целью) смогут пройти безнаказанно» [76]. В нашем случае «дать пройти безнаказанно» – значит при помощи методологического анализа проблемы не тратить силы на поиски в заведомо непродуктивных направлениях.

Методологические проблемы биотехнологии можно разделить на три составляющие:

1.Основные этапы становления биотехнологических научно-тех- нических решений:

– формирование базы научных данных в фундаментальных науках;

– уточнение этих данных, создание биологически активной системы на уровне лабораторной технологии и ее доводка на пилотных установках;

– биоинженерные решения по аппаратурному оформлению биотехнологического процесса, создание и организация производственного процесса с учетом ограничений по оборудованию, сырью, ресурсам в целом, экономическим показателям и финансированию.

Кроме того, для всех этапов актуальны вопросы организации научных исследований и промышленных разработок, образования и подготовки кадров, а также формирования научно-технических программ.

2.Проблемы функционирования методологических принципов, норм, подходов: системного подхода, методов моделирования, прин-

18

ципа дополнительности, дескриптивной методологии на материале истории науки, анализа взаимодействия наук, значения идеалов и норм научных исследований.

3. Актуальные проблемы биотехнологии: экологические проблемы биотехнологии; методология генной и клеточной инженерии; организация научных исследований и технических разработок и др.

Все перечисленные выше составляющие общеметодологического знания, конечно, находят применение и в области биотехнологии. Приведем следующие примеры:

Принцип соответствия: включение предшествующего знания органической химии и биохимии в более общие научно-теоретические построения в генной инженерии.

Принцип дополнительности:

–рассмотрение ДНК как химической молекулы, или матрицы со специальным кодом, или объекта с физическими параметрами;

–совместное рассмотрение морфологии, физиологии и биохимии микроорганизмов;

–рассмотрение процесса ферментации с позиций механики жидкости и газа, тепломассопереноса на микробиологическом и биохимическом уровнях.

Принцип редукции: познание микроорганизмов через их отдельные молекулярные составляющие, органоидов – через биомолекулы и т. п.

Принцип целостности: изучение определенных видов микроорганизмов (штаммов, клонов) как целостностей во взаимодействии с другими видами микроорганизмов.

Принцип контрредукции: исследование высших информационнорегуляционных свойств ДНК при ее функционировании в составе живой клетки; познание высших свойств клеток какого-либо вида микроорганизмов при их функционировании в составе популяции.

Принцип моделирования:

–ауксотрофные мутанты как модель автотрофных мутантов, полезная для изучения и идентификации промежуточных продуктов биосинтеза, метаболизма полноценных микроорганизмов (по установлению необходимого дополнительного фактора роста);

–пилотный биореактор (ферментер) как модель промышленного биореактора.

Принципы системного подхода: множество вариантов во всех сферах биотехнологии – от научных исследований до систем инженерно-

19

технологических решений, в том числе в области комплексной экологической проблемы.

Здесь уместно дать характеристику специально-научной методологии, которая в иерархии методов находится в прослойке между общенаучной методологией (сверху) и специальными методиками (снизу).

От специальных методик методология специального уровня отличается значимостью для всей области данной науки или технологии, но в отличие от методик не содержит подробного описания материалов и операций с ними. Например, к специально-научной методологии биотехнологии можно отнести метод использования ауксотрофных мутантов для установления промежуточных продуктов биохимических превращений в клетке. Обращаю внимание, что если принципы этого метода адаптировать к каким-то конкретным микроорганизмам и условиям эксперимента, то мы перейдем уже на уровень ниже – уровень методики.

Приведем обширную цитату с описанием этого специально-ме- тодологического подхода, имеющего отношение к биохимии, микробиологии и, соответственно, к связанной с ними биотехнологии: «Этот метод был разработан для микроорганизмов и плесеней (Neurospora crassa). Он опирается на теорию Бидла и Татума, согласно которой каждый ген управляет синтезом одного фермента. Случайная мутация может вызвать прекращение синтеза одного из ферментов, что, в свою очередь, может блокировать целую цепь реакций. В частности, может оказаться заблокированным синтез какого-либо вещества. Организмы, нуждающиеся в поступлении из питательной среды определенного вещества, которое в норме они должны были синтезировать сами, называют ауксотрофными мутантами. Например, имеются 4 типа мутантов, которые способны расти только на среде, в которую добавлено вещество Х. Пусть далее мутант 1 способен расти также и на среде, в которую вместо Х внесено вещество L. Мутант 2 не допускает никакой замены Х. Мутант 3 растет при добавлении в питательную среду Х, L, A или R. Мутант 4 растет при внесении в среду R, L или Х.

Из этих данных можно определить цепь метаболизма:

В этой цепи «работают» четыре фермента. В каждом из мутантов неактивен только один из них. Соответствующий мутант может расти

20