Биотехнологии

Биотехнологии — это междисциплинарная область науки и производства, использующая живые организмы, их системы или продукты их жизнедеятельности для решения технологических задач, создания новых материалов, продуктов и методов лечения. Основой биотехнологий является манипуляция биологическими процессами на молекулярном, клеточном и организменном уровнях.

Классификация

Биотехнологии принято разделять по цветовому принципу, отражающему сферу применения:

• Красные биотехнологии (медицинские) — разработка лекарственных средств, вакцин, диагностических тестов, методов генной терапии и тканевой инженерии. Включают создание рекомбинантных белков (инсулин, интерфероны), моноклональных антител и стволовых клеток.
• Зелёные биотехнологии (сельскохозяйственные) — генная модификация растений и животных для повышения урожайности, устойчивости к вредителям и болезням, улучшения пищевой ценности. Пример — трансгенные сорта кукурузы, сои и хлопка, устойчивые к гербицидам и насекомым-вредителям.
• Белые биотехнологии (промышленные) — использование микроорганизмов и ферментов в химической, пищевой, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности. Включает биосинтез аминокислот, органических кислот, ферментов, а также биоконверсию биомассы в биотопливо (этанол, бутанол, биогаз).
• Синие биотехнологии (морские) — изучение и использование морских организмов (водорослей, бактерий, грибов) для получения биологически активных веществ, биополимеров, переработки отходов.
• Серые биотехнологии (экологические) — биоремедиация загрязнённых почв и водоёмов, очистка сточных вод, обезвреживание токсичных отходов с помощью микроорганизмов и растений.

История

Ранние этапы

Эмпирическое использование биотехнологий началось в глубокой древности: производство сыра, кисломолочных продуктов, хлеба, пива и вина основано на спонтанном или контролируемом росте микроорганизмов. Первобытные люди использовали бактерии Lactobacillus и дрожжи Saccharomyces cerevisiae, не подозревая об их существовании.

XIX век — зарождение научной основы

В 1850-х годах Луи Пастер доказал, что брожение вызывается микроорганизмами, а не самозарождается, и разработал метод пастеризации. В 1871 году Эрнест Тайсон ввёл термин «биотехнология». В 1897 году Эдуард Бухнер открыл возможность внеклеточного брожения с помощью дрожжевых экстрактов (зимазы), что положило начало промышленной ферментологии.

XX век — расцвет и биотехнологическая революция

В 1928 году Александр Флеминг открыл пенициллин, а в 1940-х годах началось его промышленное производство с помощью плесневых грибов Penicillium chrysogenum. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик расшифровали структуру ДНК, что заложило основу генной инженерии.

В 1972 году Пол Берг создал первую рекомбинантную молекулу ДНК, а в 1973 году Стэнли Коэн и Герберт Бойер разработали технологию рекомбинантной ДНК — пересадку генов между разными видами. В 1978 году в США была создана первая генетически модифицированная бактерия, синтезирующая человеческий инсулин. К 1982 году препарат был одобрен и начал широко применяться.

В 1996 году клонировали овцу Долли — первое млекопитающее, полученное методом переноса ядра соматической клетки. В 2003 году завершилась программа «Геном человека» — полное секвенирование человеческой ДНК.

Инструменты и технологии

Генная инженерия

Генная инженерия — совокупность методов, позволяющих изолировать определённые гены, встраивать их в другие организмы и модифицировать их функции. Основные инструменты:

• Ферменты рестрикции — «молекулярные ножницы», разрезающие ДНК в строго определённых участках.
• ДНК-лигазы — ферменты, соединяющие фрагменты ДНК.
• Векторы — плазмиды, вирусы, бактериофаги, используемые для доставки чужеродной ДНК в клетку-хозяина.
• Методы ПЦР — полимеразная цепная реакция для многократного копирования (амплификации) конкретного участка ДНК.
• Редактирование генома с помощью CRISPR/Cas9 — система, позволяющая целенаправленно изменять последовательность ДНК в клетках живых организмов, используя направляющую РНК и нуклеазу Cas9.

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия включает культивирование клеток и тканей in vitro, гибридизацию соматических клеток (получение гибридом для производства моноклональных антител), а также создаление искусственных хромосом и органелл.

Ферментная инженерия

Ферментная инженерия — модификация природных ферментов для придания им новых свойств (повышенной стабильности, специфичности, активности) или создание искусственных ферментов (абзимов).

Биоинформатика

Биоинформатика — использование компьютерных методов для анализа и хранения биологических данных: секвенирование геномов, предсказание структуры белков, моделирование метаболических путей.

Метаболическая инженерия

Метаболическая инженерия — направленное изменение метаболических путей клетки для накопления целевого продукта (аминокислот, антибиотиков, биополимеров).

Применение

Медицина и фармацевтика

• Рекомбинантные белки — инсулин, гормоны роста, факторы свёртывания крови, интерфероны.
• Моноклональные антитела — диагностика и лечение онкологических, аутоиммунных и инфекционных заболеваний (ипилимумаб, ритуксимаб, адалимумаб).
• Вакцины — как традиционные (живые, инактивированные), так и нового поколения (векторные, мРНК-вакцины, на основе вирусоподобных частиц).
• Тканевая инженерия — выращивание искусственных тканей и органов (кожи, хряща, кровеносных сосудов).
• Генная терапия — коррекция наследственных заболеваний муковисцидоз, гемофилия, мышечная дистрофия, некоторые виды рака) путём введения нормальных копий генов или их редактирования.

Сельское хозяйство

• Трансгенные культуры — соя, кукуруза, хлопчатник, рапс, картофель с улучшенной устойчивостью к гербицидам и вредителям.
• Генетически модифицированные животные — козы, овцы, коровы, продуцирующие в молоке лекарственные белки (биофарминг).
• Биопестициды — препараты на основе микроорганизмов (Bacillus thuringiensis) или растительных экстрактов.
• Микроразмножение растений — клональное размножение ценных сортов in vitro.

Промышленность

• Производство аминокислот — глутамат натрия, лизин, треонин (для кормов).
• Производство ферментов — протеазы (стиральные порошки), липазы (пищевая промышленность), амилазы (хлебопечение), целлюлазы (текстильная промышленность).
• Биотопливо — этанол из кукурузы и сахарного тростника, бутанол, биодизель из растительных масел, биогаз из органических отходов.
• Биопластики — полигидроксиалканоаты (ПГА) и полилактид (PLA), получаемые микроорганизмами.
• Биовыщелачивание — извлечение металлов (медь, золото, уран) из руд с помощью микроорганизмов.

Охрана окружающей среды

• Биоремедиация — использование микроорганизмов и растений для деградации нефтяных загрязнений, пестицидов, взрывчатых веществ.
• Очистка сточных вод — использование активного ила с бактериями, способными окислять органические вещества, нитрифицирующие и денитрифицирующие микроорганизмы.
• Биоконтроль — борьба с инвазивными видами и вредителями с помощью естественных врагов, грибов-энтомопатогенов или вирусов.

Этические и правовые аспекты

Биотехнологии вызывают обсуждения, связанные с генетической модификацией человека, редактированием генома эмбрионов (CRISPR), клонированием, патентованием живых организмов и коммерциализацией генетических ресурсов. Во многих странах введены законодательные ограничения: в России с 1996 года действует Федеральный закон «О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности»; в Евросоюзе генетически модифицированные организмы (ГМО) проходят строгую процедуру регистрации и маркировки; в США регулирование в основном осуществляется через EPA, FDA и USDA.

Перспективы

Развитие биотехнологий связано с синтетической биологией — конструированием принципиально новых генетических цепей и созданием полностью искусственных организмов (минимальная клетка Synthia, Mycoplasma laboratorium). Ожидается распространение точного редактирования генома в терапии рака и наследственных болезней, а также персонализированной медицины на основе индивидуальных геномных данных. В промышленности перспективен переход к биопроизводству полимеров, красителей, растворителей и удобрений из возобновляемого сырья.

Источники

• Глик Б., Пастернак Дж. «Молекулярная биотехнология: принципы и применение» — М.: Мир, 2002.
• Сассман Г. «Биотехнология: принципы и приложения» — СПб.: Профессия, 2005.
• Рабинович П. М. «Генетическая инженерия растений» — М.: Наука, 2004.
• «Закон Российской Федерации «О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности» от 05.07.1996 № 86-ФЗ (ред. от 30.12.2015).
• «The International Encyclopedia of Biotechnology» — John Wiley & Sons, 2015.