Биотехнология — определение, история и направления¶

Биотехнология — область науки и производства, основанная на использовании живых организмов, их систем и биологических процессов для получения продуктов и услуг, полезных человеку. Термин происходит от греческих слов «биос» (жизнь) и «технос» (искусство, мастерство) и впервые был предложен венгерским инженером-виноделом Карлом Эреки в 1917 году. Современная биотехнология объединяет достижения генетики, микробиологии, биохимии, биоинженерии и информатики и охватывает широкий спектр применений — от производства лекарств и продуктов питания до очистки окружающей среды.

¶Основные направления

Биотехнологию принято делить на несколько крупных направлений в зависимости от используемых объектов и технологий.

¶Красная биотехнология

Медицинское направление. Включает разработку и производство лекарственных средств, вакцин, диагностических систем, методов генной терапии и клеточной инженерии. Красная биотехнология стоит за созданием антибиотиков, рекомбинантного инсулина, моноклональных антител и современных вакцин, в том числе разработанных на основе матричной РНК.

¶Зелёная биотехнология

Сельскохозяйственное направление. Связано с созданием генетически модифицированных сортов растений, устойчивых к засухе, вредителям и болезням, с разработкой биологических удобрений и пестицидов, методов селекции с использованием молекулярных маркеров. Зелёная биотехнология направлена на повышение урожайности и качество сельскохозяйственной продукции.

¶Белая (серая) биотехнология

Промышленное направление. Использует микроорганизмы и ферменты для производства химических веществ, материалов, топлива, бумаги, текстиля и других промышленных изделий. Примером служит производство биоэтанола, биодизеля, биопластика, а также использование ферментов в пищевой и текстильной промышленности.

¶Синяя биотехнология

Направление, связанное с использованием морских организмов — бактерий, водорослей, беспозвоночных — для получения биологически активных веществ, фармацевтических препаратов, кормовых добавок и новых материалов.

¶Белая (медицинская) биотехнология

Иногда выделяется отдельно как биотехнология человека — направление, связанное с генной терапией, редактированием генома, разработкой персонализированной медицины и биомедицинскими исследованиями.

¶Краткая история

История биотехнологии насчитывает тысячелетия. Человечество использовало микроорганизмы задолго до того, как поняло их природу: ферментация винограда в вино, молока в кисломолочные продукты, капусты в квашеную капусту — все эти процессы основаны на деятельности дрожжей и бактерий. Классическое виноделие и пивоварение, производство сыра и хлеба на закваске исторически предшествуют научной биотехнологии.

В XIX веке французский микробиолог Луи Пастер доказал, что брожение вызывается микроорганизмами, заложив научные основы микробиологии. В 1897 году немецкий химик Эдуард Бухнер показал, что клеточные экстракты дрожжей способны вызывать брожение, что привело к развитию биохимии.

Термин «биотехнология» ввёл Карл Эреки в 1917 году, описывая процесс кормления свиней дрожжами при производстве спирта. В 1928 году Александр Флеминг открыл пенициллин, что положило начало промышленному производству антибиотиков с использованием микроорганизмов.

Переломным стал период 1970-х годов. В 1973 году Стэнли Коэн и Герберт Бойер разработали метод рекомбинантной ДНК — искусственного соединения генетического материала разных организмов. В 1975 году состоялась Асиломарская конференция, на которой учёные обсудили биобезопасность генно-инженерных экспериментов. В 1982 году FDA одобрило производство рекомбинантного человеческого инсулина — первого лекарства, полученного методами генной инженерии.

В 1990-х годах стартовал международный проект «Геном человека», завершённый в 2003 году. В 2012 году Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Дудна разработали систему CRISPR-Cas9, революционный инструмент редактирования генома, за что в 2020 году были удостоены Нобелевской премии по химии.

¶Ключевые методы

Современная биотехнология опирается на ряд фундаментальных методов:

• Генная инженерия — введение, удаление или модификация генов в клетках организмов.
• Рекомбинантные ДНК-технологии — создание гибридных молекул ДНК из фрагментов разных организмов.
• Клеточная инженерия — культивирование клеток и тканей in vitro, создание гибридных клеток.
• Ферментные технологии — использование очищенных ферментов в промышленных процессах.
• Биоинформатика — компьютерный анализ биологических данных, в том числе последовательностей геномов.
• Редактирование генома (CRISPR-Cas9) — точечное изменение ДНК в живых клетках.

¶Применение

Биотехнология применяется практически во всех отраслях. В медицине это производство вакцин, антибиотиков, гормонов, моноклональных антител, разработка методов генной терапии и персонализированной медицины. В сельском хозяйстве — создание улучшенных сортов растений и пород животных, биологическая защита растений. В промышленности — производство биотоплива, биопластика, ферментов для текстильной и пищевой промышленности. В экологии — биоремедиация, то есть очистка загрязнённых территорий с помощью микроорганизмов, утилизация отходов.

¶Развитие в России

В России биотехнология развивается в рамках государственных программ и научных центров. Институт биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, Институт молекулярной биологии РАН, Новосибирский институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН — ведущие научные площадки. В стране действуют предприятия по производству биофармацевтических препаратов, в том числе вакцин. Развивается направление биоэкономики, закреплённое в Стратегии научно-технологического развития РФ.

¶Этика и регулирование

Развитие биотехнологии сопровождается этическими дискуссиями. Генетически модифицированные организмы, редактирование генома человека, клонирование — темы, вызывающие общественную дискуссию. В России производство и оборот ГМО регулируется законодательством, а деятельность в области генной инженерии подчинена требованиям биологической безопасности.

¶Источники

• Большая российская энциклопедия, статья «Биотехнология»
• Национальная библиотека медицинской литературы (РНБМ), обзоры по биотехнологии
• Материалы Института биоорганической химии РАН
• Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации