Что такое биотехнология? История и достижения биотехнологии

Как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке областей знания.

Одним из наиболее перспективных направлений в естественнонаучных дисциплинах сегодня стала биотехнология, возможности которой пока что изучены довольно слабо. Этот важный раздел биологической науки вполне может стать основой для технологического рывка в ближайшем будущем, сыграв для XXI века ту же роль, какую для ХХ столетия сыграли химия и электроника.

Биотехнология: кратко

Очень часто понятие «биотехнология» путают с генной инженерией, возникшей в XX—XXI веках, а ведь биотехнология относится к более широкой специфике работы. Биотехнология специализируется на модификации растений и животных путем гибридизации и искусственного отбора для потребностей человека.

Эта дисциплина дала человечеству возможность улучшить качество пищевых продуктов, увеличить продолжительность жизни и продуктивность живых организмов — вот что такое биотехнология.

До 70-х годов прошлого века этот термин использовали исключительно в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. И только в 1970 году ученые начали использовать термин «биотехнология» в лабораторных исследованиях, таких как выращивание живых организмов в пробирках или при создании рекомбинантных ДНК. Эта дисциплина базируется на таких науках, как генетика, биология, биохимия, эмбриология, а также на робототехнике, химических и информационных технологиях.

На основе новых научно-технологических подходов были разработаны методы биотехнологии, которые заключаются в двух основных позициях:

• Крупномасштабном и глубинном культивировании биологических объектов в периодическом постоянном режиме.
• Выращивании клеток и тканей в особых условиях.

Новые методы биотехнологии позволяют манипулировать генами, создавать новые организмы или менять свойства уже существующих живых клеток. Это дает возможность более обширно использовать потенциал организмов и облегчает хозяйственную деятельность человека.

В области животноводства

С помощью биотехнологии можно разрабатывать продукты животноводства. Эти продукты, например бычий соматотропин (англ. Bovine somatotropin, BST) или бычий гормон роста. Эта технология осуществляется путем введения гена соматрофина корове. Добавленный бычий соматрофин или гормон роста позволяет увеличить производство мяса и молока крупного рогатого скота на 20%.

• Молочные коровы с гормоном лактоферрина

Рекомбинантная ДНК-технология способна вводить в организм человека гены лактоферрина, которые продуцируют гормоны человеческого лактоферрина (Human Lactoferin) у молочного скота. С введением этого гормона молочные коровы будут способны производить молоко, содержащее лактоферрин. Лактоферрин — белок имеющий иммуные и противомикробные свойства.

История биотехнологии

Как бы это странно ни звучало, но свои истоки биотехнология берет с далекого прошлого, когда люди только начинали заниматься виноделием, хлебопечением и другими способами приготовления пищи. К примеру, биотехнологический процесс брожения, в котором активно участвовали микроорганизмы, был известен еще в древнем Вавилоне, где широко применялся.

Как науку, биотехнологию стали рассматривать только в начале XX века. Ее основоположником стал французский ученый, микробиолог Луи Пастер, а сам термин впервые ввел в обиход венгерский инженер Карл Эреки (1917 год). XX век был ознаменован бурным развитием молекулярной биологии и генетики, где активно применялись достижения химии и физики. Одним из ключевых этапов исследования стала разработка методов культивирования живых клеток. Изначально для промышленных целей начинали выращивать только грибы и бактерии, но спустя несколько десятилетий ученые могут создавать любые клетки, полностью управляя их развитием.

В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В это время предпринимаются первые попытки по налаживанию производства антибиотиков. Разрабатываются первые пищевые концентраты, контролируется уровень ферментов в продуктах животного и растительного происхождения. В 1940 году ученым удалось получить первый антибиотик – пенициллин. Это стало толчком к развитию промышленного производства лекарств, возникает целая отрасль фармацевтической промышленности, что представляет собой одну из ячеек современной биотехнологии.

Сегодня биотехнологии используются в пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве и многих других сферах человеческой жизнедеятельности. Соответственно появилось множество новых научных направлений с приставкой «био».

Самая главная молекула. Открытие ДНК

Несомненно, молекула ДНК занимает особое место в биологической науке. Ведь ДНК является носителем всей наследственной информации, сохраняет ее и передает следующему поколению. Именно с открытия знаменитой двойной спирали учеными Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном (1953 г.) начался новый виток в истории человеческой культуры — эпоха генетики, молекулярной биологии, биотехнологии и биомедицины.

Значение ДНК колоссально, поскольку во всех живых организмах генетическая информация существует в виде особой структуры — двойной спирали. Рассмотрим ДНК с химической точки зрения. Молекула представляет собой достаточно длинную цепь из строительных блоков — нуклеотидов. А каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, дезоксирибозы (особого сахара) и фосфатной группы.

Биоинженерия

На вопрос о том, что такое биотехнология, основная часть населения без сомнений ответит, что это не что иное, как генная инженерия. Отчасти это правда, но инженерия лишь часть обширной дисциплины биотехнологий.

Биоинженерия – это дисциплина, основная деятельность которой направлена на укрепление человеческого здоровья посредством объединения знаний из области инженерии, медицины, биологии и применения их на практике. Полное название этой дисциплины – биомедицинская инженерия. Главная ее специализация – решение медицинских проблем. Применение биотехнологий в медицине позволяет моделировать, разрабатывать и изучать новые субстанции, разрабатывать фармацевтические препараты и даже избавлять человека от врожденных заболеваний, что передаются по ДНК. Специалисты в этой области могут создавать приборы и оборудование для проведения новых процедур. Благодаря применению биотехнологий в медицине были разработаны искусственные суставы, кардиостимуляторы, протезы кожи, аппараты искусственного кровообращения. При помощи новых компьютерных технологий специалисты в области биоинженерии могут создавать белки с новыми свойствами при помощи компьютерного моделирования.

Заработная плата

Размер средней заработной платы по стране составляет 20-30 тыс. рублей. Размер оклада будет зависеть от стажа, опыта работы, квалификации, места работы. Минимальная заработная плата у преподавателей ВУЗов, максимальная – у руководителей научных и исследовательских учреждений, лабораторий, фармацевтических компаний. Специалисты, которые работают в Москве, зарабатывают от 35 до 150 тыс. рублей.

За границей размер заработной платы также сильно отличается. Размер оклада биотехнолога по разным странам:

• США – 2500 долларов;
• Канада – 2000 долларов;
• Франция – 1800 евро;
• Германия – 2200 евро.

Надеемся вы сможете быстро найти для себя подходящее место работы, получать от нее удовольствие и достойную оплату труда.

Биомедицина и фармакология

Развитие биотехнологий дало возможность по-новому посмотреть на медицину. Нарабатывая теоретическую базу о человеческом организме, специалисты в этой области имеют возможность использовать нанотехнологии для изменения биологических систем. Развитие биомедицины дало толчок для появления наномедицины, основная деятельность которой заключается в слежении, исправлении и конструировании живых систем на молекулярном уровне. К примеру, адресная доставка лекарств. Это не курьерская доставка от аптеки до дома, а передача препарата непосредственно к больной клетке организма.

Также развивается и биофармакология. Она изучает эффекты, которые оказывают вещества биологического или биотехнологического происхождения на организм. Исследования этой области знаний сосредоточены на изучении биофармацевтических препаратов и разработке способов для их создания. В биофармакологии лечебные средства получают из живых биологических систем или тканей организма.

Обучение

Образование лучше всего получать в государственном ВУЗе. Имеет значение как авторитет образовательного учреждения, так и уровень развития кафедры и качество полученных знаний. Во время обучение важно общаться с учеными, принимать участие в научных конференциях, симпозиумах, а также как можно больше практических занятий. Перед поступлением узнайте как можно больше о факультете, преподавательском составе и научной работе.

Список лучших университетов страны:

• МГУ им. Ломоносова;
• Исследовательский университет им. Пирогова;
• РУДН;
• СПБГУ;
• Аграрный университет им. Тимирязева.

Освоить профессию можно также по ускоренной программе во время получения первого или второго высшего образования. Для этого у вас должен быть диплом выпускника среднего специального учебного заведения по профильной специальности или же высшее образование по любой специальности. Также можно воспользоваться дистанционной программой обучения, но они не дают желаемой эффективности обучения.

Биоинформатика и бионика

Но биотехнологии – это не только учение о молекулах тканей и клеток живых организмов, это еще и применение компьютерных технологий. Таким образом, имеет место биоинформатика. Она включает в себя совокупность таких подходов, как:

• Геномная биоинформатика. То есть методы компьютерного анализа, которые применяются в сравнительной геномике.
• Структурная биоинформатика. Разработка компьютерных программ, которые предсказывают пространственную структуру белков.
• Вычисление. Создание вычислительных методологий, которые могут управлять биологическими системами.

В этой дисциплине вместе с биологическими методами используются методы математики, статистических вычислений и информатики. Как в биологии используются приемы информатики и математики, так и в точных науках сегодня могут использовать учение об организации живых организмов. Как в бионике. Это прикладная наука, где в технических устройствах применяются принципы и структуры живой природы. Можно сказать, что это своеобразный симбиоз биологии и техники. Дисциплинарные подходы в бионике рассматривают с новой точки зрения как биологию, так и технику. Бионика рассматривала сходные и отличительные черты этих дисциплин. Эта дисциплина имеет три подвида — биологический, теоретический и технический. Биологическая бионика изучает процессы, которые происходят в биологических системах. Теоретическая бионика строит математические модели биосистем. А техническая бионика применяет наработки теоретической бионики для решения различных задач.

Как видно, достижения биотехнологий широко распространены в современной медицине и здравоохранении, но это лишь вершина айсберга. Как уже было сказано, биотехнология начала развиваться с того момента, как человек стал готовить себе пищу, а после широко применялась в сельском хозяйстве для выращивания новых селекционных культур и вывода новых пород домашних животных.

Литература

1. Уотсон Д. Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК. М.: «Мир», 1969. — 152 с.;
2. Бич Г. Биотехнология. Принципы и применения. М.: «Мир», 1988. — 480 с.;
3. Докинз Р. Эгоистичный ген. М.: Corpus, 2013. — 512 с.;
4. Клещенко Е. (2012). ГМО: городские мифы. «Химия и жизнь». 7;
5. Белоконева О. (2001). Технология XXI века в России. Быть или не быть? «Наука и жизнь». 1;
6. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть I, историческая;
7. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники;
8. Готовим ГМ-рис вместе;
9. Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?;
10. Молекулярное клонирование, или как засунуть в клетку чужеродный генетический материал;
11. Про ГМО;
12. Еще раз про ГМО;
13. Игры в демиургов;
14. Краткая история открытия и применения антител;
15. Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней.

Клеточная инженерия

Одним из самых важных методов в биотехнологии является генная и клеточная инженерия, которые сосредоточены на создании новых клеток. С помощью этих инструментов человечество получило возможность создавать жизнеспособные клетки из совершенно разных элементов, принадлежащих различным видам. Таким образом, создается новый не существующий в природе набор генов. Генная инженерия дает возможность человеку получить желаемые качества от модифицированных клеток растений или животных.

Особенно ценятся достижения генной инженерии в сельском хозяйстве. Это позволяет выращивать растения (или животных) с улучшенными качествами, так называемые селекционные виды. Селекционная деятельность основана на отборе животных или растений с ярко выраженными благоприятными признаками. После эти организмы скрещивают и получают гибрид с требуемой комбинацией полезных признаков. Конечно, на словах все звучит просто, но получить искомый гибрид достаточно сложно. В реальности можно получить организм только с одним или несколькими полезными генами. То есть к исходному материалу добавляется лишь несколько дополнительных качеств, но даже это позволило сделать огромный шаг в развитии сельского хозяйства.

Селекция и биотехнологии дали возможность фермерам повысить урожайность, сделать плоды более крупными, вкусными, а главное, стойкими к морозам. Не обходит селекция стороной и животноводческую сферу деятельности. С каждым годом появляются новые породы домашних животных, которые могут давать больше поголовья и продуктов питания.

Достижения

В создании селекционных растений ученые выделяют три волны:

1. Конец 80-х годов. Тогда ученые впервые начали выводить растения, устойчивые к вирусам. Для этого они брали один ген у видов, которые могли противостоять заболеваниям, «пересаживали» его в ДНК-структуру других растений и заставляли «работать».
2. Начало 2000-х годов. В этот период начали создаваться растения с новыми потребительскими свойствами. Например, с повышенным содержанием масел, витаминов и т. д.
3. Наши дни. В ближайшие 10 лет ученые планируют выпустить на рынок растения-вакцины, растения-лекарства и растения-биорекаткоры, которые будут производить компоненты для пластика, красителей и т. д.

Даже в животноводстве перспективы биотехнологии поражают. Уже давно создаются животные, которые имеют трансгенный ген, то есть обладают каким-либо функциональным гормоном, например гормон роста. Но это были лишь начальные эксперименты. В результате исследований были выведены трансгенные козы, которые могут вырабатывать белок, который останавливает кровотечение у больных, страдающих плохой свертываемостью крови.

В конце 90-х годов прошлого века американские ученые вплотную занялись клонированием клеток эмбрионов животных. Это позволило бы выращивать скот в пробирках, но сейчас этот метод все еще нуждается в доработке. Зато в ксенотрансплантации (пересадка органов одних видов животным другим) ученые в области прикладной биотехнологии достигли существенного прогресса. К примеру, в качестве доноров можно использовать свиней с геномом человека, тогда наблюдается минимальный риск отторжения.

Секвенирование генома — тихая революция

Стремительное развитие технологий привело к внедрению новых методов и средств охраны и восстановления здоровья людей, кардинально меняющих подходы в медицине. Об этом в ходе пресс-конференции «Россия и мир: достижения науки в области биомедицины», состоявшейся в пресс-, рассказали ведущие эксперты.

Участие в круглом столе приняли академик РАН, президент ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр детской гематологии, онкологии и иммунологии имени Дмитрия Рогачева» Минздрава России Александр Григорьевич Румянцев, вице-президент РАН, руководитель отдела фундаментальной и прикладной нейробиологии Государственного научного центра социальной и судебной психиатрии имени В.П. Сербского, заведующий кафедрой медицинских нанобиотехнологий Российского государственного медицинского университета Владимир Павлович Чехонин, доктор медицинских наук, профессор, вице-президент по внедрению новых медицинских технологий АО «ГЕНЕРИУМ» Дмитрий Анатольевич Кудлай, доктор медицинских наук, член-корреспондент РАН, директор ФГБНУ «МГНЦ», главный внештатный специалист по медицинской генетике Минздрава России Сергей Иванович Куцев, а также доктор биологических наук, профессор РАН, директор Департамента науки и инновационного развития здравоохранения Минздрава России Игорь Викторович Коробко.

За последние годы биомедицинская наука превратилась в основной двигатель трансформационных процессов в медицине. Форматы оказания медицинской помощи стали более персонализированными, а подходы специалистов сместились в сторону превентивной работы с пациентами. Влияние фундаментальных научных исследований на клиническую практику оказалось колоссальным. Революцией, незаметной для пациентов, но очевидной для всей медицинской общественности, стало секвенирование генома, которое способно выявить почти все изменения в ДНК пациента. До этого момента многие дефекты в организме, реализуемые в жизни человека от зачатья до глубокой старости и приводящие к широкому кругу заболеваний, описывались посиндромно, без причины появления болезни, пояснил Александр Григорьевич Румянцев.

Фото: Илья Питалев / РИА Новости

В качестве наглядного примера того, как это открытие буквально перевернуло методику лечения и спасло огромное число жизней, эксперт назвал ситуацию с хроническим миелолейкозом. Благодаря молекулярным исследованиям учеными была уточнена причина этого заболевания. Это позволило предложить новый необычный вид лечения, вмешивающийся непосредственно в генетическое расстройство. Если раньше абсолютно смертельное заболевание лечилось препаратами, облучением, специальными методами оперативного лечения, трансплантацией костного мозга, то новая терапия заложена в таблетку и приводит такого пациента к молекулярной ремиссии.

Еще один пример — острый лимфобластный лейкоз, на который приходится до 40 процентов всех онкологических заболеваний у детей. Тридцать лет назад, по словам А.Г. Румянцева, было лишь 7 процентов выздоровевших детей. Многолетняя работа нескольких коллективов позволила добиться того, чтобы в прошлом году этот знаменатель в России был доведен до 84 процентов. Протоколы лечения совершенствовались десятилетиями, к работе были привлечены специалисты из Белоруссии, Казахстана, Киргизии, Узбекистана, Армении. Однако изучение антител к детерминантам лимфоцитов фактически позволило добиться невозможного — лечения, благодаря которому удалось выйти на полную ремиссию у всех больных.

Пищевая биотехнология

Как уже было упомянуто, первоначально методы биотехнологических исследований стали применять в пищевом производстве. Йогурты, закваски, пиво, вино, хлебобулочные изделия – это продукты, полученные при помощи пищевой биотехнологии. Этот сегмент исследования включает в себя процессы, направленные на изменение, улучшение или создание конкретных характеристик живых организмов, в частности бактерий. Специалисты этой области знаний занимаются разработкой новых методик по изготовлению различных продуктов питания. Ищут и улучшают механизмы и методы их приготовления.

Еда, которую человек ест каждый день, должна быть насыщена витаминами, минералами и аминокислотами. Однако по состоянию на сегодняшний день, согласно данным ООН, существует проблема обеспечения человека продуктами питания. Почти половина населения не имеет должного количества пищи, 500 миллионов голодают, четверть населения планеты питаются недостаточно качественными продуктами.

Сегодня на планете проживает 7,5 миллиарда человек, и если не принимать необходимых действий по повышению качества и количества продуктов питания, если этим не заниматься, то люди в развивающихся странах станут страдать от губительных последствий. И если можно заменить липиды, минералы, витамины, антиоксиданты продуктами пищевой биотехнологии, то заменить белок практически невозможно. Более 14 миллионов тонн белка каждый год не хватает, чтобы обеспечить потребности человечества. Но здесь на помощь приходят биотехнологии. Современное белковое производство строится на том, что искусственно формируются белковые волокна. Их пропитывают необходимыми веществами, придают форму, соответствующий цвет и запах. Этот подход дает возможность заменить практически любой белок. А вкус и вид ничем не отличаются от естественного продукта.

Где учат профессии?

Профориентация определена, абитуриент выбрал профессию биотехнолога: где учиться? Особенности специальности предполагают соответствующие факультеты, в зависимости от выбранной отрасли народного хозяйства. Факультеты биотехнологии есть практически во всех государственных университетах в нашей стране и за рубежом. Биотехнологов готовят технические, сельскохозяйственные, пищевые, технологические университеты по различным направлениям и специализациям.

Факультеты биотехнологии специальности предлагают следующие:

• Промышленная биотехнология.
• Экобиотехнология и биоэнергетика.
• Биотехника и инженерия.
• Биоинформатика.
• Молекулярная биотехнология.
• Оборудование для биотехнологических производств.
• Фармацевтическая биотехнология.
• Химические технологии пищевых добавок и косметических средств.
• Химические технологии и инженерия.

Клонирование

Важной областью знаний в современных биотехнологиях является клонирование. Вот уже на протяжении нескольких десятилетий ученые пытаются создать идентичных потомков, не прибегая к половому размножению. В процессе клонирования должен получиться организм, который похож на родительский не только внешне, но и генной информацией.

В природе процесс клонирования распространен среди некоторых живых организмов. Если у человека рождаются однояйцевые близнецы, то их можно считать естественными клонами.

Впервые клонирование провели в 1997 году, когда искусственно создали овцу Долли. И уже в конце ХХ века ученые стали говорить о возможности клонирования человека. Кроме того, исследовалось такое понятие, как частичное клонирование. То есть можно воссоздавать не целый организм, а его отдельные части или ткани. Если усовершенствовать этот метод, то можно получить «идеального донора». Кроме того, клонирование поможет сохранить редкие виды животных или восстановить исчезнувшие популяции.

Кто может стать биотехнологом?

Прежде всего, это человек, который любит природу, биологию, интересуется тайнами генетики. Кроме того, биотехнологу необходимы умение креативно мыслить, логика, наблюдательность, терпение и любознательность. Пригодятся такие качества, как целеустремленность, умение анализировать и систематизировать, аккуратность и широкая эрудированность.

Так как биоиженерия предполагает тесную связь с другими науками, будущему технологу необходимы в равной мере хорошие знания химии, математики, физики.

Моральный аспект

Несмотря на то что основы биотехнологии могут оказать решающее влияние на развитие всего человечества, о таком научном подходе плохо отзывается общественность. Подавляющая часть современных религиозных деятелей (да и некоторые ученые) пытаются предостеречь биотехнологов от чрезмерного увлечения своими исследованиями. Особенно остро это касается вопросов генной инженерии, клонирования и искусственного размножения.

С одной стороны, биотехнологии представляются яркой звездой, мечтой и надеждой, которые станут реальными в новом мире. В будущем эта наука подарит человечеству множество новых возможностей. Станет возможным преодоление смертельных болезней, устранятся физические проблемы, и человек, рано или поздно, сможет достигнуть земного бессмертия. Хотя, с другой стороны, на генофонде может сказаться постоянное употребление генномодифицированных продуктов или появление людей, которых создали искусственно. Появится проблема изменения социальных структур, и, вполне вероятно, придется столкнуться с трагедией медицинского фашизма.

Вот что такое биотехнология. Наука, которая может подарить блестящие перспективы человечеству путем создания, изменения или улучшения клеток, живых организмов и систем. Она сможет подарить человеку новое тело, и мечта о вечной жизни станет реальностью. Но за это придется заплатить немалую цену.

Перспективы специальности

Кто такой биотехнолог? Профессия биотехнолога – это профессия будущего. За его плечами судьба всего человечества. Это не просто красивый лозунг – это цель биоинженерии. Задача биологов-технологов — создать то, что сейчас кажется сказкой и фантастической мечтой. Некоторые ученые даже называют современную эпоху эрой биологии. Так, за последнюю сотню лет биологи из просто исследователей превратились в создателей. Раскрытие молекулярных секретов организмов, природы наследственности позволило использовать эти процессы в практических хозяйственных целях. Это стало толчком для развития нового направления – биологической инженерии.