Тема Тс2. Історія виникнення та формування біотехнології

Питання про формування біотехнології трактується неоднозначно: на думку одних (Овчинников, Баєв, Скрябін), вважається правомірним віднести до сфери біотехнології древні процеси бродіння, включаючи одержання спирту, силосування; на думку інших (Аіба, Хемфрі, Мілліс), компанії "Мерхнув Кемикал Компани" за досягнення в області біохімічної технології в 1947 р. премії Мак-Гро - Хілла й, нарешті, є думка, що початок біотехнології варто віднести до 70-х років ХХ сторіччя до моменту зародження генетичної інженерії. Видимо, правомірно віднести виникнення сучасної біотехнології, що почала своє формування на базі існуючих галузей мікробіологічної промисловості, до початку 50-х років нинішнього століття, а весь попередній даному періоду етап називати передісторією формування біотехнології, що веде корінь із найдавніших цивілізацій.

Передісторію формування біотехнології можна підрозділити на ряд етапів:

- поява емпіричної технології в 6-м тисячоріччі до н.е.,

- зародження природничих наук в XV-XVІІ століттях;

- формування мікробіологічних виробництв і початок взаємодії науки й мікробіологічних виробництв наприкінці XІ -10-х роках XX століття, що викликало революційне перетворення мікробіологічних виробництв;

- створення науково-технічних передумов для виникнення сучасної біотехнології (10-і - кінець 40-х років XX століття).

Людина з найдавніших часів почала використати у своїй господарській діяльності біологічні організми, зокрема мікроорганізми, не знаючи про їхнє існування. Першим мікробіологічним процесом, використаним на практиці, було бродіння - процес обміну речовин, при якому в органічному субстраті відбуваються зміни під впливом мікробних ферментів. Збудниками бродильних процесів є гриби, бактерії, дріжджі. Дані організми легко культивуються, швидко розмножуються в порівняно простих умовах і синсинтезують ферменти, що викликають розкладання органічних речовин. З найдавніших часів бродіння застосовували при хлібопеченні, пивоварстві й виноробстві. Так, при розкопках Вавилона виявлені дощечки, які нараховують 6000 років, з описом процесу готування пива, а в пірамідах Єгипту, побудованих у цей же період, - короваї хліба. Є свідоцтва про очисні спорудження, які функціонували в древньомуРимі. З 3-4-го тисячоріч відомі людині процеси пектинового бродіння, що лежать в основі мочки прядильних рослин, льна, коноплі й ін. З найдавніших часів людство зіштовхувалося й з негативнімі наслідками діяльності мікроорганізмів (псування продуктів, інфекційні хвороби людей і домашньої худоби). Наслідком цього на перших етапах були неусвідомлені, емпіричні спроби розробки методів і засобів боротьби із цими явищами. Так стали виникати методи консервувння продуктів. У другій половині XV століття начитається розвиток сучасного природознавства. Відбулися зрушення у вивченні сутності процесів бродіння; з'явився термін "ферментація", а процес бродіння стали зв'язувати з наявністю в середовищі дріжджів або ферментів. В XVІ-XVІІ століттях спочатку у Франції, а потім повсюдно для розпушення тісту стали використати пивні дріжджі; пізніше зі зміною й удосконаленням технології пивоварства для цих цілей стали застосовувати дріжджі спиртових виробництв. У Європі стали добувати мідь у процесах бактеріального вилуговуванні.

У другій половині XVІІІ століття була доведена здатність однієї речовини розкладати іншу. Це послужило початком експериментального вивчення унікальної здатності ферментів до каталізу специфічних хімічних реакцій. Таким чином, розвиток описової мікробіології й вивчення хімічних перетворень стали важливою передумовою для становлення мікробіології й біохімії.

В XІ столітті з розвитком хімічних наук були закладені основи органічної хімії. У цей період були відкриті багато органічних кислот, гліцерин, холестерин, глюкоза, перші амінокислоти, здійснен синтез сечовини. Для зародження ензимології велике значення мало вивчення процесу гідролізу полисахаридов. Величезний вплив на створення наукових основ мікробіологічних виробництв мали роботи Луї Пастера, що на прохання уряду Франції досліджував причини порушення технологічних процесів у ряді виробництв. Працюючи в області прикладної мікробіології, Пастер зробив ряд великих фундаментальних відкриттів, які заклали основи сучасної технічної мікробіології. Пастер незаперечно довів, що хвороби, псування продуктів, бродіння й гниття викликаються мікроорганізмами, і створив теорію про екзогенність влучення цих організмів у середовище. Цим була доведена неспроможність існуючої в той час теорії самозарождення мікроорганізмів. Роботи Пастера заклали наукові основи виноробства, пивоварства, виробництва спирту й оцту, боротьби з інфекційними хворобами. Сучасник Пастера Гексли, оцінюючи роботи Пастера, говорив, що "... він своїми відкриттями відшкодував Франції більшую частина контрибуції, сплаченої Німеччини". Великим досягненням даного періоду була розробка методу чистих культур, а також удосконалення середовищ для виділення й вирощування мікроорганізмів.

Чисті культури стали застосовувати в сформованих мікробіологічних виробництвах. Велике значення мали роботи з вивчення мікробного антагонізму й застосуванню його в медицині. Мечниковим було створене навчання про антагонізм мікробів і науково обґрунтовані рекомендації для практичних застосувань цього навчання. У цей період активно вивчалася азотфиксация. Німецькі дослідники Гельригель і Вильфарт встановивши біологічну природу процесу фіксації азоту бобовими рослинимі, а Бейеринк виділив чисту культуру клубеньковых бактерій і довів їх присутність у ризосфері рослин. Тоді ж блискучими роботами Виноградского, Омельянского, Надсона, Ісаченко були закладені основи геологічної мікробіології; почате вивчення ролі мікроорганізмів у перетвореннях сірки, заліза, кальцію. Стали закладатися основи біологічної обробки й знешкодження стоків. Очисні спорудження, відомі із часів Древньої Індії й Римської імперії й прийшли в занепад у середні століття, з бурхливим розвитком промисловості на рубежі XІX-XX століть знову стали предметом присталевих досліджень. У цей період початку складатися ензимологія.

Для вивчення й застосування ферментів потрібна була розробка й підбір спеціальних "м'яких" методів виділення й очищення. Почалося практичне застосування ферментних препаратів для підсолоджування ряду речовин, з'явилися препарати для дубления шкір.

В 70-80-і роки XІ сторіччя були закладені основи культивування рослинних клітин і тваринних тканин. Після робіт Шванна й Вирхова, щоназвали клітину елементарним організмом, виник інтерес до вивчення живих клітин, і почалися експерименти по збереженню життєздатності клітин і шматочків тканин у специфічних умовах і середовищах. В 1865 р. Мендель доповів Суспільству випробувачів природи свої спостереження про закономірності передачі спадкоємних ознак.

На початку XX століття були уведені терміни "мутації", "ген", виникла гіпотеза Сеттона-Бовері про те, що хромосоми є матеріальними носіями спадкоємних ознак. Російський цитолог Навашин розкрив особливості структури хромосом і заклав основи хромосомної теорії спадковості.

Таким чином, у даний період впровадження наукових знань дало можливість приступитися до розробки науково-обгрунтованих біотехнологій багатьох виробничих процесів.

Останній період ери передісторії сучасних біотехнологій (10-ті - 40-і роки XX століття) умовно можна підрозділити на два етапи. На першому етапі, на початку його, в основному, відбувалося вдосконалення технології існуючих виробництв, а потім, завдяки успіхам мікробіології, біохімії й інших наук того періоду, у результаті принципових удосконалень апаратур і технологій виникла основа для організації нових виробництв. У цей період стали випускати нові екологічно чисті біодобрива й біологічні препарати для боротьби зі шкідниками й хворобами сільськогосподарських рослин, з´явилися виробництва ряду цільових продуктів (органічних розчинників, спиртів), почалися промислові випробування біотехнологічних процесів переробки й використання рослинних відходів. Другий етап даного періоду тісно пов'язаний з біотехнологічними методами одержання ряду складних речовин - антибіотиків, ферментів, вітамінів.

Революційним моментом даного періоду була промислова реалізація технології виробництва антибіотиків. Відправною крапкою при цьому послужило відкриття Флемінгом, Флориі й Чейном хіміотерапевтичної дії пеніциліну. Практично одночасно в СРСР Ермольєва, вивчаючи дію лізоциму, показала, що він є чинником природного імунітету, а Гаузе й Бражнікова одержали новий активний препарат - антибіотик граміцидин.

Після другої світової війни в ході інтенсивного розвитку промислових біотехнологій були організовані виробництва амінокислот, білка одноклітинних, перетворення стероїдів, освоєне культивування клітин тварин і рослин. Інактивні клітини мікроорганізмів широко стали використовувати для одержання лікарських речовин стероїдної природи, були організовані великі виробництва вакцин.

Ера новітніх біотехнологічних процесів, що виникла протягом останніх 25-30 років, пов'язана з використанням іммобілізованих ферментів і клітинних органел, а також заснована на методах рекомбінантних ДНК. Бурхливо розвиваються в цей час генетична й клітинна інженерія сприяючи тому, що біотехнології поступово завойовують всі нові й нові області виробництва. В 50-і роки після успішного використання для одержання вакцини вірусу поліомієліту, вирощуваного в культурі клітин ссавців, лінії культур клітин людини стали незамінними для виділення й культивування ряду інших вірусів, виробництва антитіл, інтерферону, противопухлинних хіміопрепаратів. Наприкінці 60-х років іммобілізовані ферменти й клітини стали успішно застосовуватися не тільки для виробництва напівсинтетичних препаратів, але й для проведення нескладних біохімічних аналізів.

Виникнення генетичної інженерії умовно відносять до 1972 року,

коли в США Бергом була створена перша рекомбінантна молекула ДНК.

Із середини 70-х років даною проблемою інтенсивно займаються тисячі наукових колективів і промислових компаній у всіх країнах миру.

Сполучення слів "генетика" й "інженерія" свідчать про те, що наступив час, коли стало можливим конструювання рекомбінантних ДНК і цілеспрямовано створювати штучні генетичні програми. Це дало можливість організувати одержання багатьох важливих препаратів, а також почати роботу з одержання нових суперштамів-деградаторів промислових токсикантів. Впровадження новітніх методів біотехнології в цей час робить переворот у різні галузях біотехнології, включаючи біотехнологічні процеси. Ці методи дозволяють інтенсифікувати екологічно чисті біотехнології відтворення їжі й кормових препаратів, вирішувати методами завдання забезпечення людства матеріальними й енергетичними ресурсами й також природоохоронні проблеми.

Контрольні питання до теми Тс2

1. Назвіть основні етапи розвитку біотехнології.

2. Що послугувало передісторію формування біотехнології?

3. Назвіть вклад вчених в розвиток біотехнології.