2 ИСТОРИЯ И ФОРМИРОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ

ющем в медицине (производство пенициллина и т. д.), пищевой промышленности (получение фруктозы из крахмала и т. д.).

Развитие биотехнологии тесно связано с эволюцией биологии, главным этапом которой стали следующие знания об основополагающих механизмах жизнедеятельности.

1В 1953 г. Сэнгер установил полную структуру белка инсулина, а Уотсон

иКрик доказали, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) построена из двух нитей. В 1963 г. Ниренберг расшифровал генетический код, который оказался универсальным как для бактерий, так и для высших организмов, вплоть до человека. Тем самым, генетическая информация и ее смысл, т. е. взаимосвязь между генетическим кодом и структурой белков, стали доступными для изучения.

2В 60-х годах в результате усовершенствования аналитических методов, предложенных Сэнгером, и развития деградации белков по Эдману и Бэггу (1967) появилась возможность автоматически определять структуру белков. Стали производиться приборы, позволяющие определять количество и последовательность аминокислот в белках. К 1978 г. были установлены первичные структуры 500 с лишним белков, которые составили первый «атлас» белков. Сейчас такой «атлас» хранится в компьютерных системах и насчитывает несколько тысяч белков.

3 Следующий этап связан с исследованиями нуклеиновых кислот. В 1976 г. Гилберт и Максам в Гарвардском университете, а также Сэнгер разработали быстрый метод химического анализа ДНК; появилась реальная возможность определять последовательность до 1000 нуклеотидов в неделю силами одного исследователя. В 1982-1985 гг. стало возможным создать прибор для автоматического анализа нуклеиновых кислот, а значит, генов.

4Четвертый важнейший этап – это синтез биополимеров по установленной структуре. Первые приборы, производящие автоматический синтез полипептидов, были разработаны на основе исследований Меррифилда в 1963 г. В 1970-1972 гг. в Массачусетском технологическом институте проведен синтез ДНК (гена) и соответствующей тРНК.

5Рождение нового направления в биологии – генетической инженерии – условно можно отнести к 1972 г., когда в лаборатории Берга впервые была синтезирована рекомбинантная молекула ДНК. Дополнили ряд важнейших открытий в биотехнологии (идентификация генов, выделение молекул ДНК, расшифровка генетического кода и т. д.) работы А.А. Баева, А.Н. Белозерского, Эйвери, Гамова, К. Кораны, Ф. Жакоба, Ж. Моно, Бесквита, Ю.А. Овчинникова, А.С. Сприна, Р.В. Петрова и др.

6Предпосылкой бурного развития генетической инженерии послужило открытие в 1972 г. Арбером (Базель) и Ситом Натансом (Университет Джона Гопкинса) – лауреатами Нобелевской премии в 1978 г. – ферментов рестрикции, которые расщепляют ДНК в специфических участках. Не менее важным оказалось открытие лигаз – ферментов, способных «сшивать» фрагменты ДНК.

7В1980 г. Итакура создал первый синтезатор генов. С этого момента интенсивно развивается приборостроение в области синтеза олигонуклеидов с за-

14

данной последовательностью нуклеиновых кислот. Если в 1979 г. для синтеза гена длиной в 120 нуклеотидов требовалось два года, то уже в 1981 г. эту задачу можно было решить всего за три дня с помощью современных для того времени приборов.

8 В 80-х годах наступает бурное развитие генной инженерии, тесно связанное с необычайным усовершенствованием аналитических методов, таких как ультрацентрифугирование, введение в молекулы радиоактивных изотопов, электрофорез, аффинная хроматография, двумерное электрофокусирование и методы микроанализа (например, определение первичной структуры белка, исходя всего из 10 нг).

9 Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах XX столетия, когда новые подходы обеспечили переход к эффективному использованию продуктов биотехнологии в обществе с получением экономического эффекта (получение инсулина из генетически модифицированной E.Coli, разработка новых вакцин, получение устойчивых видов растений и т.д.).

Рассмотрим этапы становления основных разделов биотехнологии. Генная инженерия. Несмотря на то, что первые успешные опыты по

трансформации клеток экзогенной ДНК были поставлены ещё в 1940-е года Эйвери, Маклеодом и Маккарти, первый коммерческий препарат человеческого рекомбинантного инсулина был получен только в 1970-е года. Введение чуждых для генома бактериальных клеток генов производят с использованием т. н. векторных ДНК, например плазмиды, присутствующие в бактериальных клетках, а также бактериофаги и другие мобильные генетические элементы могут быть использованы в качестве векторов для переноса экзогенной ДНК в клетку реципиента.

Трансгенные растения – растения, которым «пересажены» гены других организмов. Наиболее характерным примером является картофель, устойчивый к колорадскому жуку. Он был создан путём введения гена, выделенного из генома почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, вырабатывающей белок Cry, представляющий собой протоксин, в кишечнике насекомых. Этот белок растворяется и активируется до истинного токсина, губительно действующего на личинок и имаго насекомых, у человека и других теплокровных животных подобная трансформация протоксина невозможна и соответственно этот белок для человека не токсичен и безопасен. Опрыскивание спорами Bacillus thuringiensis использовалось для защиты растений и до получения первого трансгенного растения, но с низкой эффективностью. Продукция эндотоксина внутри тканей растения существенно повысило эффективность защиты, выросла экономическая эффективность ввиду того, что растение само начало продуцировать защитный белок. Путём трансформации растения картофеля при помощи Agrobacterium tumefaciens были получены растения, синтезирующие этот белок в мезофилле листа и других тканях растения и соответственно непоражаемые колорадским жуком. Данный подход используется и для создания других сельскохозяйственных растений, резистентных к различным видам насекомых.

15

Трансгенные животные. В качестве трансгенных животных чаще всего используются свиньи. Например, есть свиньи с человеческими генами – их вывели в качестве доноров человеческих органов.

Японские генные инженеры ввели в геном свиней ген шпината, который производит фермент FAD2, способный преобразовывать жирные насыщенные кислоты в линолевую – ненасыщенную жирную кислоту. У модифицированных свиней на 1/5 больше ненасыщенных жирных кислот, чем у обычных.

Зелёные светящиеся свиньи – трансгенные свиньи, выведенные группой исследователей из Национального университета Тайваня путём введения в ДНК эмбриона гена зелёного флуоресцентного белка, позаимствованного у флуоресцирующей медузы Aequorea victoria. Затем эмбрион был имплантирован в матку самки свиньи. Поросята светятся зелёным цветом в темноте и имеют зеленоватый оттенок кожи и глаз при дневном свете. Основная цель выведения таких свиней, по заявлениям исследователей, – возможность визуального наблюдения за развитием тканей при пересадке стволовых клеток.

Биомедицинская инженерия – это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счет междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики: применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья. Эта инженерная дисциплина направлена на использование знаний и опыта для нахождения и решения проблем биологии и медицины. Специалисты по биомедицинской инженерии работают на благо человечества, имеют дело с живыми системами и применяют передовые технологии для решения медицинских проблем. Они могут участвовать в создании приборов и оборудования, в разработке новых процедур на основе междисциплинарных знаний, в исследованиях, направленных на получение новой информации для решения новых задач. Среди важных достижений биомедицинской инженерии можно упомянуть разработку искусственных суставов, магниторезонансной томографии, кардиостимуляторов, артроскопии, ангиопластики, биоинженерных протезов кожи, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения.

В настоящее время биотехнология, обогащенная достижениями энзимологии, генетики и других наук, создает систему взаимосвязанных отраслей биотехнологии, обладающих уникальным достоинством, основанным на функционировании природных (а не искусственных) систем, механизмы которых подчинены интересам человека.

Можно назвать следующие основные области биотехнологии, которые, выйдя на промышленные масштабы, стали основой различных отраслей биоиндустрии:

•пищевая биотехнология;

•медицинская биотехнология;

•сельскохозяйственная биотехнология;

•микробная биотехнология;

16

•экологическая биотехнология;

•энзимология;

•биоинформатика;

•безопасность и биоэтика;

•биогеотехнология.

Развитие биотехнологии позволяет существенно интенсифицировать производство, повысить его эффективность. Решение таких проблем общества, как нехватка продуктов питания и дефицит белка, вероятно, также будет найдено биотехнологическими методами, например, клонированием растений и отбором их высокоэффективных разновидностей, а также синтезом кормового белка, интенсификацией животноводства, искусственным фотосинтезом и фиксацией азота, получением биотоплива.

Вопросы для самопроверки:

1)Назовите основные этапы развития биотехнологии как науки.

2)Как проходило становление генной инженерии? Приведите примеры трансгенных растений и животных.

3)Каковы задачи и функции биомедицинской инженерии?

4)Что представляет собой современная биотехнология и какие проблемы она решает?

5)Назовите основные области биотехнологии, имеющие промышленное значение.

6)Охарактеризуйте наиболее значимые вехистановления биотехнологии.

7)Опишите перспективы развития биотехнологии на ближайшие годы.

17