В биотехнологическом производстве все стадии взаимосвязаны. Поэтому уже с начальных стадий разработки процессов - с подбора продуцента и сред необходимо взаимодействие микробиолога или молекулярного биолога с технологом, инженером, экономистом и другими специалистами, и весь процесс надо разрабатывать и оптимизировать как единое целое. Современные биотехнологические процессы требуют сложных систем контроля и управления. Для этого необходимы эффективные методы определения важнейших параметров процесса, мощные компьютеры и адекватные математические модели процессов.

Большинство продуктов новейшей биотехнологии (генной и клеточной инженерии) получают в настоящее время по той же технологической схеме, что и традиционные продукты. Большая сложность продуцентов, их более низкая стабильность, требуют повышения качества контроля и управления. Разработка технологии культивирования и выделения готового продукта в новейшей технологии нередко требует более сложных и дорогостоящих исследований, чем собственно создание продуцента методами новейшей биотехнологии. В последнее время в качестве биореакторов начинают применять непосредственно трансгенные растения или животные.

4.2  предистория биотехнологии

4.2.1  ДРЕВНЕЙШИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДСТВА

Не было такого времени, когда человек не знал о существовании растений или животных и не умел бы их использовать. Сначала они были объектом охоты и собирательства, в неолите человек начал выращивать их - зародилось сельское хозяйство. С этого времени ведут свое начало сложнейшие эмпирические методы селекции растений и животных, позволившие постепенно создать все то разнообразие сортов культурных растений и пород животных, с которым человечество вошло в XX век.

Микроорганизмы играют важнейшую роль в круговороте веществ, но об их существовании долгое время было неизвестно. Дело в том, что из-за своих размеров (1-20 микрон, т. е. 0,001-0,02 мм) эти крохотные организмы не видны невооруженным глазом. Микробов можно иногда видеть лишь если они скопятся в больших количествах - в виде налета в горле больного ангиной, пленки или осадка в вине и т. д., но и в этом случае без микроскопа не видно, что это - скопление живых организмов.

Не зная о существовании микроорганизмов человек с древнейших времен сталкивался с результатами их деятельности - разложением органических веществ, гниением, брожением, инфекционными болезнями и т. д. Трудно точно определить, в какой части света и когда впервые эти процессы стали сознательно использовать для обработки пищевых продуктов и какие именно из микробиологических производств зародились первыми. Но мы можем с уверенностью сказать, что уже в неолите человек научился использовать процесс брожения, лежавший в основе всех микробиологических производств вплоть до начала нашего столетия.

Брожение - это расщепление под действием ферментов, образуемых микроорганизмами, сахаров и других углеводов, содержащихся в органическом сырье, с образованием спиртов, молочной, уксусной и других кислот, газа и т. д. Не зная сути процесса люди видели его результаты: под действием микроорганизмов в различных пищевых продуктах (раздавленных ягодах, соке, молоке, тесте и т. д.) происходят превращения, изменяющие их вкус, цвет, запах, структуру. Брожение препятствует протеканию другого микробиологического процесса - гниения, приводящего к порче пищи.

Создание эмпирической технологии производств, связанных с переработкой пищи, напитков и волокон (виноделие, пивоварение, хлебопечение, производство кисломолочных продуктов, уксуса, мочка льна, обработка кож и пр.) было важнейшей составляющей неолитической революции, тесно связанной с другими достижениями этого времени. Переход к земледелию и скотоводству привел к возникновению излишков продуктов питания. Необходимо было сохранять их, чему способствовали квашение, засолка, вяление, сыроделие и другие бродильные производства. В неолите возникло разделение труда, стали образовываться города, появилась частная собственность. Впервые возникли слои населения, не занятые постоянной добычей пропитания. Для них приобретало значение не просто утоление голода, а удовольствие, получаемое от еды и питья. Они предпочитали есть душистый хлеб, вкусный сыр, всевозможные соления и копчения и запивать еду вином, пивом и другими их местными аналогами.

Широкое распространение спиртных напитков в древности имело еще один важный социальный аспект. Объединение людей в крупные поселения в теплом климате несет угрозу распространения эпидемий различных желудочно-кишечных заболеваний, поэтому вряд ли было бы возможно, если бы не применение вместо питьевой воды вина, пива и других продуктов бродильных производств, которое сокращало риск заболевания. Даже рабов в древнем мире поили дешевым вином или разбавленным уксусом. Распространение продуктов с длительным сроком хранения, обработанных с помощью брожения, также сокращало риск пищевых отравлений.

Виноделию и пивоварению уделено особое внимание в мифологии и религии древности. Так, у древних греков виноделием ведал один из наиболее почитаемых богов - Дионис. В библии изобретение виноделия приписывается Ною.

Вино было важным объектом торговли в античном мире. О масштабах этой торговли говорит хотя бы такой факт: большие территории в Египте поливали, используя амфоры из-под греческого вина.

Тысячелетиями эмпирическая технология и оборудование бродильных производств постепенно совершенствовались, но не претерпевали качественных изменений. Единственное принципиальное достижение - изобретение в средневековье процесса дистилляции для получения спирта из вина, браги и т. д.

Также в древности микробиологические процессы стали применяться для обработки стоков. В Древней Индии, Греции, Риме существовали сложные канализационные сооружения для отвода городских стоков на земельные участки, где они подвергались разложению под действием естественных биоценозов. В средневековой Европе эти сооружения пришли в упадок, и антисанитарные условия в городах часто приводили к эпидемиям.

Важная область, в которой человечество не ведая того, сталкивалось с результатами деятельности микроорганизмов — медицина, там создавались сложные эмпирические методики борьбы с инфекционными болезнями.

С возникновением естествознания и развитием техники в новое время началось движение к пониманию сущности бродильных производств, инфекционных болезней и других микробных процессов. В ХVII веке развитие оптики оказало большое влияние на биологию. В 1665 г. описана клеточная структура некоторых растительных тканей, наблюдаемая с помощью системы линз (Р. Хук). Чуть позднее А. Левенгук с помощью примитивного микроскопа открыл мир микроорганизмов. В 1673 г. он впервые увидел одноклеточные, а спустя 10 лет — и бактерии. Но эти открытия не повлияли на бродильные производства и медицину, роль микроорганизмов в возникновении инфекционных болезней, процессе брожения еще долго была неизвестна.

Конец ХVIII века ознаменовался успехами в химии, был получен в чистом виде ряд органических кислот, в том числе - продуктов брожения (винная, молочная, уксусная и пр.). В 1796 г. проведена первая успешная вакцинация человека против оспы, хотя природа болезни была еще не известна (Э. Дженнер).

В XVIII веке в работы над гибридизацией растений начинают проникать научные подходы, что можно рассматривать как первое продвижение к постижению законов наследственности, изучаемых генетикой.

Век XIX стал переломным в развитии биологии. В 1831 г. в результате наблюдения в микроскопе сделан вывод, что ядро является важной и незаменимой частью клетки (Р. Браун), а в 1838—1845 годах разработана теория клеток, согласно которой структурной и функциональной единицей растений и животных является клетка, которая содержит ядро (, Т. Шванн, Р. Вирхов).

Во второй половине XIX в. была вскрыта биологическая сущность применяемых ранее процессов брожения. В 1836 г. были опубликованы наблюдения, что в осадках, остающихся после брожения, содержатся частицы, способные размножаться (К. де Латур). И, наконец, в 1857г. французский химик Л. Пастер, который по просьбе промышленников занялся проблемами виноделия и пивоварения, доказал, что спиртовое брожение происходит только в присутствии живых дрожжей. Работы Пастера имели огромное фундаментальное значение, они положили начало микробиологии как науке. В результате работ Л. Пастера и его современников произошла революция в технологии бродильных производств, имевшая большой экономический эффект. Результаты внедрения в виноделие и пивоварение Франции работ Пастера принесли такую выгоду, что она покрыла расходы, связанные с выплатой страной контрибуции за проигранную франко-прусскую войну. Другое важное достижение Пастера - переворот в подходе к инфекционным болезням, в приготовлении вакцин. Вакцинация от сибирской язвы и, особенно, бешенства быстро распространилась по всему миру и спасла много жизней.

Большое значение имело раскрытие сущности совершающихся при брожении превращений веществ (Г. и Э. Бухнеры, , и др.) и разработка метода чистых культур микроорганизмов (Р. Кох, О. Брефельд). Одновременно шло усовершенствование аппаратуры.

В XIX веке в биологии произошло еще одно важное событие, не замеченное современниками. В 1865 г. католический монах, учитель математики из провинциального города Брюне (Брно) Грегор Мендель произвел переворот в изучении гибридизации растений. Он сформулировал и экспериментально обосновал законы наследственности, положив начало одного из ключевых направлений современной биологии — генетики. Работы Менделя, где к биологии впервые применены строгие математические методы, давшие поразительные результаты, настолько опередили свое время, что биологи их даже не критиковали - их игнорировали. Немногочисленные ссылки на эти работы носили пренебрежительный характер. Единственное исключение, обнаруженное [[14]] в научных трудах XIX в. - адекватная оценка работ Менделя русским ботаником .

4.2.2  НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

В первой половине XX в. практическое применение достижений бурно развивающейся биологии интересовало многих ученых, биология стала рассматриваться как могущественное орудие решения многих социальных проблем. Эти ожидания реализовались в рассматриваемый период лишь частично, основные успехи достигнуты во второй половине века с возникновением новой отрасли - биотехнологии.

Развитие фундаментальных основ биотехнологии

Начало XX века ознаменовалось важными изменениями в фундаментальных науках, составляющих научный базис биотехнологии

В биологии начался качественно новый исторический период. К этому времени возникли новые междисциплинарные отрасли знания (физическая химия, биохимия и др.).

Благодаря развитию биохимии были достигнуты крупные успехи в области исследования обмена веществ, природы биокаталитических процессов, происходящих в клетках. Был изучен ряд ферментов, гормонов, витаминов, а в конце периода - антибиотиков.

На пороге XX века зародилась генетика. Сразу несколько исследователей опубликовало работы, где были изложены результаты, аналогичные результатам Менделя (Г. де Фриз, К. Корренс, Э. Чермак), при чем все они в той или иной форме ссылались на его работы. Труды Менделя прочно вошли в научный оборот, он посмертно стал очень знаменитой личностью. В 1911-20 годах создал при комплексном применении методов генетики и цитологии хромосомную теорию наследственности. Генетика оформилась как самостоятельная наука и впоследствии она оказала большое влияние на становление биотехнологии. Социальные ожидания, связанные в первой половине XX в. с развитием генетики, и задачи, которые она себе ставила, подробно рассмотрены ниже в разделе 4.8.2, посвященном биоэтике.

В нашей стране генетика была на передовых рубежах. К 1930 г. по генетике публиковалось ежегодно до 4000 работ. Во время второй мировой войны только по генетике растений было опубликовано 13 тыс. работ. В стране создавались передовые научные школы генетиков - , , и другие. был одним из основоположников эволюционной генетики. экспериментально обосновал делимость гена. и внесли большой вклад в становление молекулярной биологии. начал работать по генетике микроорганизмов, что имело большое значение для дальнейшего развития биотехнологии, где именно микроорганизмы часто используются как промышленные объекты. Большое значение имели работы по индуцированному мутагенезу - управлению процессом мутации, одной из самых могущественных сил природы, позволяющей скачкообразно изменять наследственность и получать организмы с новыми свойствами. В СССР были получены первые данные по наследственной изменчивости микроорганизмов под влиянием лучей радия ( и , 1925), а также под влиянием химических веществ (, , 1926). Эти открытия мутационной природы изменчивости не сразу повлияли на генетику и почти до 1940 г. микробиология и генетика развивались изолированно. и Ш. Ауэрбах в 1946 г. показали, что многие химические соединения, проникая в клетку, способны индуцировать мутации.

С 40-х годов в генетические исследования проникли идеи и методы физики и химии. В 1943 г. физик-теоретик Э. Шредингер в курсе лекций привлек внимание физиков к проблемам биологии, в частности к работе -Ресовского, К. Циммера и М. Дельбрюка, где было доказано, что ген не может быть белком, как думали ранее, так как его молекула меньше, чем молекула белка. Ф. Крик, Дж. Уотсон и другие физики начали заниматься проблемами биологии и впоследствии сделали ряд крупных открытий. В качестве объекта исследования все шире использовались микроорганизмы.

В 20-30-х годах отечественные ученые были бесспорными мировыми лидерами в области генетики, но с 1936 г., а особенно после сессии ВАСХНИЛ 1948 г. начались гонения на классическую генетику, аресты крупнейших генетиков. В результате страна потеряла научные приоритеты и Нобелевские премии получили западные ученые, повторившие (нередко через десятилетия) и развившие почти неизвестные им достижения русских генетиков. Борьба с “буржуазной лженаукой” сказалась на всех направлениях теоретической и прикладной биологии, все развитие биологии в России было искажено. Например, в 1948 г. в передовой статье первого номера журнала “Гидролизная промышленность СССР” указывалось, что “биохимические процессы производства должны преподаваться на основе мичуринской биологической науки”, т. е. идей полуграмотного Лысенко, поддержанных партийным руководством. Еще в 1961 г. в программе партии по предложению было записано - "шире и глубже развивать мичуринское направление в биологической науке" и этот пункт находился в программе вплоть до 27 съезда партии [[15]]. Честные и грамотные ученые - противники этих идей подвергались разного рода репрессиям. Это оказало крайне негативное воздействие на все области применения биологии в нашей стране, особенно на биотехнологию и сельское хозяйство, и привело к огромным экономическим потерям. Была нарушена приемственность развития теоретической и прикладной биологии, уничтожены ведущие научные школы. В то время, как крупнейшие биологи и их ученики были репрессированы или отлучены от науки, их место заняли выдвиженцы Лысенко. Среди них преобладали два типа “ученых” – приспособленцы, готовые ради карьеры поддержать и развивать любые, даже самые бредовые, идеи, и искренние сторонники “мичуринской биологии” – в основном люди с низким уровнем образования и научной культуры. Они и их ученики еще долгое время занимали ключевые позиции в отечественной фундаментальной и прикладной биологии, что до сих пор влияет на уровень исследований и моральный климат в этой отрасли науки.

Усовершшенствование технологического оформления микробиологических процессов

В первой половине XX века технологическое оформление микробиологических процессов было существенно усовершенствовано.

С конца XIX в. в промышленность начали внедрять специально подобранные чистые культуры микроорганизмов, осуществляющие процесс в нужном направлении (). Это существенно повысило стабильность производств.

В конце периода начался переход к глубинному аэробному культивированию. В 1933 г. голландские ученые А. Клюйвер и Л. Х.Ц. Перкин изложили основные технические приемы и подходы к оценке получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Интенсивность аэрации и рентабельность процессов постепенно росли, но совершенствование метода глубинного культивирования лимитировалось в этот период отсутствием теоретических исследований по массообмену.

В начале XX в. осуществлялась разработка и внедрение технологии непрерывного культивирования. Одними из первых изучением непрерывных процессов занимались русские ученые , , . В ряде стран были получены патенты на непрерывное выращивание дрожжей. Но недостаточная разработка теоретических основ этого процесса и отсутствие адекватной аппаратуры препятствовали широкому внедрению в производство этого метода.

До начала XX в. продукты обычно выделяли грубой фильтрацией (например, вино) или грубой дистилляцией (крепкие алкогольные напитки). В начале XX в. для получения новых, более чистых продуктов, потребовалась более сложная технология их выделения. Были усовершенствованы методы дистилляции, применялась экстракция и другие методы.

Достижением первой половины ХХ в., имевшим важное значение для последующего развития биотехнологии, было построение в 1942г. первой математической модели микробиологического процесса периодического культивирования (Ж. Моно, Франция) , в основе которой лежит предположение, что скорость роста клеток связана с концентрацией субстрата и весь метаболизм определяется скоростью самой медленной реакции. Развитию микробиологических производств способствовало и появление и внедрение новой техники (рН-метры, аналитические центрифуги, электрофоретическое разделение различных веществ, хроматография, метод меченых атомов и т. д.).

Научные и технические достижения конца XIX - начала XX в. позволили усовершенствовать существовавшие производства и, главное, впервые организовать новые микробиологические производства, основанные на бродильных процессах, и расширить спектр веществ, получаемых с помощью микроорганизмов. Решающее значение для этого имело изучение промежуточных этапов брожения, позволившее влиять на ход процессов, а также получать в промышленных условиях не только конечные, но и промежуточные продукты метаболизма, предотвращая их дальнейшую переработку в ходе процесса.

С развитием промышленности росло и количество промышленных отходов и стоков, они начали представлять серьезнуюю проблему. В конце XIX - начале XX в. были созданы первые специальные установки для биологической очистки стоков в искусственных условиях, такие установки внедрялись и в России.

Появлению ряда новых производств во многом способствовали военные потребности, возникшие во время мировых войн. Например, в Германии во время первой мировой войны было осуществлено производство глицерина (К. Нейберг); микробиологическим способом начали производить и жиры (П. Линднер).

Эмигрант из России химик Хаим Вейсман (стоявший у истоков сионизма) обратился к исследованиям в области ферментации, так как мечтал найти способ выгодно утилизировать растительное сырье своей исторической родины - Палестины. Его целью было не столько решение научной задачи, сколько создание коммерчески успешных производств бутанола (для создания синтетического каучука). С самого начала многообещающего, но рискованного проекта он, по словам Р. Бада, удачно эксплуатировал “желание общественности верить”, создавая впечатляющий прецедент для будущего биотехнологии [[16], p.41]. В преддверии и особенно во время Первой Мировой войны наибольшее значение приобрел побочный продукт процесса - ацетон, который ипользовался при производстве взрывчатых веществ. С начала века велись работы по микробиологическому производству ацетона (который ранее получали в небольших количествах сухой перегонкой дерева через уксусный порошок), в 1годах в Англии, США и Германии были получены первые патенты. Однако именно "Х. Вейсман буквально почти в одиночку спас Англию от недостатка боеприпасов", [[17]с.9]. Возможно, это утверждение несколько преувеличено - Вайсман использовал результаты исследований коллег, с которыми работал до этого, но его вклад в создание реального производства в критическое для Англии время был решающим. Позднее авторитет Вейсмана способствовал решению Англии передать Палестину евреям, и он стал первым президентом Израиля.

В 20-х - ЗО-х годах микробиологическим способом начали также производить фумаровую, глюконовую, щавелевую, лимонную кислоты, сорбозу, н-бутанол, некоторые витамины, ферменты и т. д. На этом этапе микробиологические производства оказались более рентабельными, чем химические, и до 1940 г. именно микробиологическим способом получали важные для промышленности растворители (этиловый спирт, ацетон, бутанол, пропанол и др.) и органические кислоты. Впоследствии многие органические кислоты начали получать химическим путем, но часть из них (лимонная, молочная, уксусная, пропионовая, глюконовая, итаконовая) производят с помощью микроорганизмов.

Важнейшей вехой в развитии промышленной микробиологии было становление производств, основанных на биосинтетической деятельности микроорганизмов - витаминов, ферментов, антибиотиков.

В Советском Союзе микробиологическим производствам в ходе общего процесса индустриализации уделялось большое значение и были достигнуты существенные успехи. Бурный рост химической и пищевой промышленности, запросы здравоохранения, сельского хозяйства потребовали получения органических кислот, растворителей, хлебопекарных и кормовых дрожжей, бактериальных удобрений и других продуктов. Это обусловило необходимость технической перестройки существовавших в России полукустарных производств, создания новых производств. В 20-ЗОх годах были изучены процессы и усовершенствована технология получения уксуса ( и др.) и хлебопечения (, , и др.), интенсивно проводились исследования по получению и применению бактериальных удобрений (, , и др.). В ЗО-е годы на основе фундаментальных исследований по физиологии грибов, проведенных под руководством и , было организовано первое в СССР промышленное производство лимонной кислоты, а в результате исследований и его школы было организовано производство очищенной молочной кислоты, ацетона и бутилового спирта. В 1926-28 годах предложил метод получения синтетического каучука и для этого производства нужно было наладить получение технического спирта на непищевом сырье. В результате решения химических и технических проблем кислотного гидролиза древесины и разработки микробиологических основ процесса в 1935 г. в СССР было налажено производство спирта на гидролизатах древесины (, и др.); это позволило сэкономить миллионы пудов хлеба, который ранее расходовался для его получения. С ЗО-х годов в СССР началось производство ферментов (, , ). В 30-40х годах в нашей стране началось производство витаминов с помощью микробиологического синтеза (, и др.).

В то же время отрасль, как и все хозяйство страны, несла существенные потери в результате репрессий. Особенно сильно не повезло специалистам пищевой промышленности и сельского хозяйства, на которых списали недостаток продуктов питания и голод – последствия развала сельского хозяйства, вызванного коллективизацией и другими результатами аграрной политики. Так, в 1930г. был проведен показательный процесс техников, технологов и ученых - пищевиков, в результате было расстреляно 48 специалистов. Нередко в результате репрессий страдали наиболее передовые технологии, непонятные малограмотным идеологам. Так, на ацетоно-бутиловом заводе в Грозном были арестованы и Э. Гуревич - сторонники перехода на напрерывные процессы, наиболее эффективные в микробиологической промышленности.

Организация производства антибиотиков.

Коренные изменения в технологическом и аппаратурном оформлении процессов связаны с одним из важнейших достижений биологии XX в. - организацией производства антибиотиков (начало 40х годов).

Бактерицидные свойства растений и плесневых грибов издревле использовали в практической деятельности людей. С начала века во всем мире проводили исследования по получению антибиотических веществ. Большой вклад в развитие науки об антибиотиках внесли отечественные ученые (, , 3.В. Ермольева и многие другие).

Этапным открытием было получение пенициллина. В 1929 г. английский ученый А. Флеминг выделил культуру зеленой плесени Penicilium notatum, обладающую антимикробным действием. В 1940 г. австралийский доктор и сын эмигранта из России, беженец из Чейн, работая в Англии, получили из этой плесени небольшое количество препарата - пенициллина, клинические испытания которого дали потрясающий эффект. Однако при существовавших к тому времени технологии и оборудовании микробиологических производств невозможно было производить препарат в больших количествах. Для интенсификации процесса необходимо было получить более активные продуценты антибиотика, разработать принципиально новое ферментационное оборудование и технологию для проведения процесса выращивания продуцента глубинным способом в асептических условиях при интенсивной аэрации. Кроме того, возникла необходимость разработки методов выделения, очистки и сушки такого нестойкого продукта, как антибиотики, содержащегося в растворе в небольшой концентрации (до 1%).

Во время второй мировой войны резко возросла необходимость в доступных, эффективных средствах для борьбы с инфекцией ран, и исследования по разработке научных основ промышленного производства пенициллина приобрели очень большое значение. В Англии трудности военного времени и отсутствие инженерного коллектива в Оксфордском университете, где работали и Э. Чейн, не позволили разработать технологию промышленного получения пенициллина. Исследования были продолжены в Америке, где над этой проблемой вначале работали две фирмы, а потом к ним присоединились еще семнадцать. Разработка технологии получения пенициллина осуществлялась темпами, немыслимыми в мирное время; Дж. Бернал [[18]] сравнивает их с уровнем работ над изобретением атомной бомбы. В течение года была разработана технология глубинного культивирования продуцентов в асептических условиях и технология выделения препарата в кристаллической форме и было организовано производство пенициллина. Практичный Чейн настаивал на патентовании полученных результатов, но романтик Флори счел неэтичным получать патент на исследования, имеющие такое большое гуманитарное значение. В результате патент получили американские фирмы. В 1945г. Г. Флори и Э. Чейну была присуждена Нобелевская премия.

Большая работа по становлению антибиотической промышленности была проделана в СССР. В 1942 г. был получен советский пенициллин (3.В. Ермольева) и выделен продуцент грамицидина С ( и ), промышленное производство которого было вскоре налажено.

Получение антибиотиков произвело подлинную революцию в лечении инфекционных болезней. Военное значение пенициллина, спасавшего жизнь безнадежных раненых, трудно переценить, поскольку в условиях Второй мировой войны солдаты и офицеры были одним из ценнейших невосполнимых ресурсов, и по мнению многих экспертов человеческие потери в немецкой армии в годах были одной из причин поражения Германии. Вклад пенициллина в победу союзников отмечали многие участники войны.

В годы второй мировой войны, когда начало осуществляться производство антибиотиков в промышленных условиях, цена препаратов не была определяющим фактором. Применялась эмпирически подобранная технология, в производстве нередко происходили срывы, производительность была сравнительно невелика. После войны важное значение приобрели экономические аспекты производства антибиотиков. Разработка научных основ технологического и аппаратного оформления процесса при организации рентабельных, стабильных производств антибиотиков и других сложных продуктов, основанных на использовании биосинтетической деятельности микроорганизмов явилась толчком к коренному техническому и технологическому перевооружению микробиологической промышленности.

4.3  Традиционная биотехнология

Во второй половине XX столетия коренным образом изменилась структура микробиологической промышленности, возникли принципиально новые направления, видоизменились существовавшие производства. Изменения, которые произошли в микробиологических производствах (в технологии, аппаратурном оформлении, методах создания продуцентов и пр.), были настолько существенны, что позволяют говорить о возникновении новой отрасли - биотехнологии. Фундаментом для возникновения биотехнологии послужило внедрение в промышленную микробиологию крупных достижений середины XX в. в биологических исследованиях (микробиология, биохимия, генетика, энзимология и т. д.), в других естественных науках (химия, физика), в прикладной математике и кибернетике, в ряде технических наук (процессы и аппараты, химическая технология и т. д.).

В послевоенные годы биотехнология была не просто одной из новых технологий (“неологий”). Большинство из возникших тогда новых технологий было связано в первую очередь с военно-промышленным комплексом и вызывало у людей в основном страх. Биотехнологию рассматривали как идеальную альтернативу этим технологиям. Она только что дала новый тип лекарств – антибиотики, казавшиеся тогда панацеей от всех инфекционных болезней, и резко повысившие продолжительность жизни. От нее ждали решения проблем нищеты, голода, истощения ресурсов и загрязнения окружающей среды. Ее гуманистический потенциал был очень велик и на работу в этой области переключились многие физики, сыгравшие важнейшую роль в становлении отрасли. Например, инициатор и участник проекта по созданию американской ядерной бомбы Лео Сцилард стал одним из создателей молекулярной биологии, внес большой вклад в математическое моделирование биотехнологических процессов и много сделал для популяризации роли биотехнологии в построении более совершенного мира. В нашей стране повышению роли физиков в развитии биологии в 50-х - начале 60-х годов способствовало и то, что наиболее квалифицированные биологи, особенно их передовой отряд - генетики все еще испытывали гонения со стороны поддерживаемых властями лысенковцев. Часть генетиков, как -Ресовский, уцелела под крылом у физиков-ядерщиков. , создавая в 1959 г. Институт радиоационой физико-химической биологии (ныне институт молекулярной биологии РАН), собрал людей, понятия не имевших ни о молекулярной биологии, ни вообще о биологии, - чистых химиков, чистых физиков, сроднившихся в ходе совместной работы с вирусологами, биологами, биохимиками и нашедших общий язык в решении очень сложных проблем [[19], с.809] .

В 60-70 годах биотехнологию рассматривали и пропагандировали как способ использования научного потенциала богатых стран для решения проблем бедных. Основной областью ее применения считали в это время производство пищи. Биотехнология представлялась ядром, вокруг которого будут формироваться эффективные и гармонично вписанные в окружающую среду производства будущего.

4.3.1  Совершенствование технологии

Возникновение биотехнологии ознаменовалось изменением подхода к получению продуцентов для биотехнологических производств. К традиционным методам - скринингу (выделение из окружающей среды) и селекции (отбору) развитие генетики прибавило новое мощное оружие - искусственный мутагенез. Под действием мутагенных факторов (некоторые химические вещества, радиация) количество мутаций резко возрастает, что расширяет возможности выбора и позволяет на порядок ускорить процесс создания продуцентов. В частности, возникают формы, которые не могут существовать в естественных условиях, но обладают свойствами, полезными для производства (например мутанты со способностью к сверхсинтезу аминокислот). Большое значение имело также изучение биохимических процессов, протекающих в клетках, и их физиологии. Все это позволило в сотни и тысячи раз повысить продуктивность ряда производств (например, антибиотиков) и создать новые производства (аминокислоты).

Решающую роль сыграло развитие технологии культивирования и выделения продукта. В биотехнологии частично был использован опыт развитой к этому времени химической технологии. Однако специфичность биологических объектов сделала невозможным полностью перенести опыт смежных областей. Появилась биоинженерия - отрасль, разрабатывающая теоретические основы конструкции биореакторов и аппаратуры для выделения из среды лабильных целевых продуктов, их сушки и т. д. Развитие биоинженерии позволило перейти к осуществлению процессов в асептических условиях строго определенной культурой микроорганизмов, что повысило стабильность производств.

Существенному повышению эффективности производств способствовало внедрение в 50-х годах глубинного аэробного культивирования, разработка соответствующей аппаратуры. Широкое распространение непрерывного культивирования стало возможным после того, как Ж. Моно (Франция) и А. Новак и Л. Сцилард (США) разработали в 1950 г. теоретические основы процесса и его математическую модель. Большой вклад в исследование основ непрерывного культивирования внесли также Н. Д.Иерусалимский (Россия), Д. Херберт (Англия), И. Малек (Чехословакия) и другие ученые [[20],[21]].

С середины шестидесятых годов, когда была внедрена технология непрерывного культивирования с автоматическим поддержанием и регистрацией многих параметров началась разработка управляемого культивирования [[22]]. Это - наиболее совершенный способ ведения процессов. Управляемое культивирование дает возможность держать культуру под полным контролем внешних условий с тем, чтобы подавить ненужные процессы и усилить желаемые. Новые возможности автоматизации, контроля и управления биотехнологическими процессами открываются с внедрением микропроцессорной техники. Надо отметить, что биотехнологические процессы значительно более приспособлены для внедрения автоматизации, чем многие другие альтернативные им производства.

4.3.2  Примеры традиционных биотехнологических производств

Наиболее крупная область применения традиционной биотехнологии по масштабам и стоимости - по-прежнему пищевая промышленность (производство кисломолочных продуктов, соевого соуса, сыроварение, пивоварение, виноделие и пр.)

Вторая по экономической значимости область - собственно микробиологическая промышленность, годовая продукция которой оценивается в 30 млрд. дол., в США она прирастает на 5-7% ежегодно [[23]]. Крупнотоннажной ферментацией в асептических условиях производят антибиотики, аминокислоты, промышленные ферменты, полисахариды, биопестиуиды, витамины, биополимеры и пр.

Одним из самых крупных по объему и по значению биотехнологических производств стало производство антибиотиков. Они сейчас производятся на 10-12 млрд. дол. в год. В середине XX в. они занимали первое место среди фармацевтический продукции развитых стран. Их социальное значение было очень велико, целый ряд грозных болезней надолго перестал терроризировать человечество, понизилась детская смертность и повысилась продолжительность жизни, особенно в развивающихся странах, что способствовало демографическому взрыву в развивающихся странах и старению населения в развитых.

Увеличилось количество открытых антибиотиков природного происхождения. К 1945 году было открыто лишь 32 антибиотика, к середине 70-х годов эта цифра достигла трех тысяч, а в 80-е годы - более шести тысяч. Однако в медицинской практике используются лишь десятки антибиотиков. Применительно к продуцентам антибиотиков впервые начали практически применять индуцированный мутагенез. Были разработаны принципиально новые технологические подходы для выделения и очистки антибиотиков. В СССР технология ферментации разрабатывалась в ВНИИ пенициллина (теперь ВНИИ антибиотиков).

Большое значение в организации промышленности по получению антибиотиков имело изучение их строения, путей биосинтеза их молекул, механизма их действия. Появилась возможность регулировать этот процесс за счет введения предшественников. Крупная веха в развитии этой отрасли связана с разработкой методов модификации естественных антибиотиков путем некоторых изменений в их структуре, осуществляемых химическим или биологическим путем. Большое практическое значение имело получение полусинтетических производных пенициллинов и цефалоспаринов.

Расширились области применения антибиотиков: получают специальные немедицинские антибиотики для животноводства, птицеводства, пчеловодства, растениеводства, пищевой, консервной промышленности и т. д.

Широкое (и часто неправильное) применение антибиотиков приводит к тому, что вырабатываются устойчивые к ним штаммы болезнетворных микроорганизмов и существующие антибиотики теряют эффективность. В то время, когда медики были уверены в скорой полной победе над инфекционными болезнями, появились новые болезни (СПИД и др.), и новые формы старых болезней (туберкулеза и пр.), против которых не удается найти эффективных средств борьбы.

Поэтому приходится создавать все новые и новые препараты.

Биотехнологическими способами производится ряд витаминов для медицины и сельского хозяйства, хотя в ряде случаев химический синтез оказался рентабельнее и вытеснил микробиологическое производство.

Одним из направлений биотехнологии, с становлением которого связано создание в СССР крупнотоннажных производств, стало индустриальное производство белка одноклеточных. Проблема снабжения человечества белком имеет большое социальное значение, так как более половины населения земного шара (в том числе, к сожалению, и население современной России) питается неудовлетворительно, не получая, в частности, достаточного количества белка. Внимание к проблеме привлекли исследования биологов и медиков середины XXв., которые позволили выяснить, сколько белка и какого аминокислотного состава должно быть в пищевом и кормовом рационе, к каким тяжелым последствиям (серьезным заболеваниям, повышению детской смертности) приводит недостаток этих веществ в питании. В связи с ростом населения, сокращением посевных площадей из-за урбанизации, индустриализации, загрязнением океана и другими причинами, эта проблема будет обостряться, и поэтому, наряду с интенсификацией сельского хозяйства, очень важно и изыскание новых альтернативных ресурсов белковых веществ.

Перспективным источником белка является биомасса микроорганизмов. Она может содержать большое количество (40-80%) белка, полноценного по аминокислотному составу, в то время, как традиционные источники - мясо, творог, бобовые растения - содержат 16-20% белка. Продуктивность биотехнологических производств может быть очень высока: известны микроорганизмы, удваивающие свою массу за 5-30 минут, в то время, как удвоение белковой массы животных исчисляется годами или месяцами, растений - неделями. Кроме того, микробиологическим методом можно получать белок, содержащий избыток некоторых незаменимых аминокислот (например, лизина), и это делает возможным его использование для сбалансирования растительных белков, неполноценных по аминокислотному составу.

Традиционно для получения кормовых или пищевых дрожжей использовали отходы сельского хозяйства, целлюлозно-бумажной, молочной, сахарной, гидролизной и других отраслей промышленности. Пищевые дрожжи применялись во время обеих мировых войн. В 50-х годах большие надежды были связаны с куьтивированием зеленой водоросли хлореллы, были разработаны производственные процессы, но они так и не вышли из экспериментальной стадии.

В конце 50-х годов французский исследователь Л. Шампанья, работавший на British Petroleum (BP), показал возможность получения в промышленных условиях биомассы дрожжей рода Саndida за счет их выращивания на углеводородах нефти (н. парафинах), в 1962 году фирма построила первую пилотную фабрику по выпуску продукта.

Идея широкомасштабного промышленного автоматизированного производства белка, не зависящего от случайностей погоды, нашествий вредителей и болезней, отвечала технократическому духу эпохи, и во многих странах была воспринята с энтузиазмом. Она казалась быстрым решением проблемы голода и нехватки белка, особенно в развивающихся странах - тем самым использованием достиженитй богатых стран для нужд бедных, о котором мечтали биотехнологи. Крупные нефтехимические компании Великобритании, США, Франции, ФРГ, Японии разрабатывали промышленные процессы получения "белка одноклеточных" на чистых парафинах, нефтяных дистиллятах, природном газе и метаноле. В 1967 и 1973 годах проводились интернациональные конференции, где было одобрено получение "белка одноклеточных" на углеводородах [[24],[25]]. В гонку с лидером - BP - включились другие европейские компании (Shell, Hoechst, ICI), были запущены первые производства. Но санитарные органы Японии, Франции, Италии и других стран наложили запрет на применение этого продукта из-за возможного отрицательного воздействия на здоровье людей. В 1976 г. за рубежом эти предприятия были законсервированы. В 1985 г. Комиссия ЕЭС запретила использование продукта, полученного на н-парафинах из-за недостаточности данных о возможной патогенности дрожжей рода Саndida, а также о биологическом действии синтезированных этими дрожжами жирных кислот с нечетным числом атомов углерода и наличия в полученном продукте остаточных углеводородов с возможным канцерогенным действием. Кроме того, существовало мнение о нецелесообразности использования ценного невозобновляемого сырья - нефти для получения кормового продукта, в условиях наступившего нефтяного кризиса эти соображения стали играть большую роль, повышение цен на нефть сделало проект намного менее привлекательным экономически.

Работы по созданию технологии получения дрожжей на парафинах начались в СССР и странах членах СЭВ (ГДР, ЧССР и др.). Производство кормового белка на парафинах показалось руководству СССР простым решением проблем животноводства, вызванных в первую очередь неэффективной организацией сельского хозяйства, был принят ряд постановлений партии и правительства по этому поводу. На реализацию проекта были выделены большие средства. В 1963 г. для организации в промышленных условиях процесса выращивания микроорганизмов на углеводородном сырье был создан Всесоюзный институт биосинтеза белковых веществ. Над этой проблемой работали специалисты более 200 институтов страны - Институт микробиологии АН СССР, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР, нефтяные, сельскохозяйственные и пищевые институты и т. д. С 1964 г. проводились медико-биологические исследования безвредности и биологической ценности дрожжей рода Саndida, выращенных на парафинах. В материалах съездов КПСС, Пленумов ЦК КПСС неоднократно отмечалась необходимость увеличения выпуска кормовых дрожжей на этом сырье. В 1968 г. в Уфе был пущен опытно-промышленный завод мощностью 12 тыс. т в год. В 1970 г. было сделано заключение о высокой кормовой ценности препаратов и безвредности его применения в животноводстве и в СССР началось строительство заводов - гигантов мощностью 70-300 тыс. т по выпуску белковых дрожжей на н. парафинах, получивших название паприн. Коллектив ученых, руководивших этими исследованиями в 1971 г. был удостоен Государственной премии СССР. К 1982 г. в СССР производство паприна превысило 1 млн. т.

В 1989 г. на Всесоюзном симпозиуме, в работе которого приняли участие специалисты СССР, ГДР, КНР, НРБ, ФРГ, ЧССР, ВНР были подтверждены полученные в нашей стране данные о безвредности и высокой кормовой и биологической ценности использования паприна в животноводстве. Советский Союз стал единственной страной в мире, где кормовые дрожжи в крупных масштабах получали на углеводородах нефти. В нашей стране на этот продукт с 1969 по 1990 г. было введено четыре стандарта, в которых постепенно ужесточались требования к продукту. В 1984 г. Минздрав СССР и Министерство сельского хозяйства выдали разрешение на применение паприна для всех видов сельскохозяйственных животных и рыб.

Однако и в нашей стране периодически появлялись данные о негативных последствиях проекта.

Проблема обострялась тем, что, как это часто бывает в нашей стране, был выбран наиболее дешевый вариант - негерметизированное оборудование. Технологический уровень производств, особенно систем контроля и управления, был невысок. Недостаточно эффективным оказалось также очистное оборудование, у многих специалистов вызывала сомнение безопасность используемых культур микроорганизмов (эти дрожжи - условные патогены). Все это в сочетании с крупными масштабами и низкой культурой производства (свойственной большинству отечественных гражданских технологий рассматриваемого периода) привело к тому, что вокруг предприятий, производящих паприн, воздух и водоемы заражались белковой пылью и клетками продуцента, нарушалось природное равновесие, создавалась среда, мало пригодная для жизни человека, участилась заболеваемость [[26]]. Негативно сказывались и общие для всей советской промышленности авралы в конце года или квартала, падение трудовой морали в стране, и как следствие, - безответственное отношение к своим обязанностям многих работников различных уровней. Важный фактор - низкий уровень экологической грамотности и недооценка опасности экологического загрязнения руководством и большинством населения. Очистка готового продукта также была несовершенной, что делало небезопасной для человека полученную с его применением продукцию животноводства.

В 1987 г. была проведена реконструкция существовавших в России заводов, предусматривающая более полную очистку выбросов, рециркуляцию отработанных потоков. Но тем не менее в 90-х годах дорогостоящие заводы - гиганты, производящие белковую биомассу дрожжей рода Саndida на парафинах, остановились, в основном по экономическим причинам, более скромные по размерам гидролизные заводы выпускают кормовой белок на отходах производства [[27]], так бесславно окончился один из самых крупных проектов по традиционной биотехнологии в нашей стране.

В заключение хочется отметить, что, несмотря на неудачный опыт, производство белка одноклеточных в индустриальных условиях - перспективное направление в решении проблемы дефицита пищевых веществ, которая очевидно не потеряет своей актуальности ни в России, ни в мире и в XXI в. Многие биотехнологи в мире считают, что опасения были значительно преувеличены: белок одноклеточных, полученный на парафинах нефти, не более опасен, чем многие традиционные продукты, и стал жертвой предубеждения против непривычного продукта, растущего недоверия к науке и лоббирования интересов сельскохозяйственных производителей и рыболовства. Были опубликованы сотни работ, доказывающих безопасность этого белка, однако противники не верили в их результаты, считая их инспирированными заинтересованными производителями.

Значительно меньше возражений вызывают процессы, где в качестве субстрата для получения белка одноклеточных используются возобновляемые ресурсы (некачественное зерно, биомассу быстрорастущих растений), отходы промышленности (в первую очередь - пищевой) и сельского хозяйства, имеющие отрицательную себестоимость, или чистое сырье (метанол, этанол и т. д.). В этом направлении у ученых в России имеется большой задел, использование которого могло бы помочь стране выйти из зависимости от импорта продовольствия, улучшить структуру питания населения и обеспечить ее продовольственную безопасность.

Применение микробиологического синтеза для получения в индустриальных масштабах аминокислот (составных компонентов белка) - это сравнительно новая отрасль промышленности, также имеющая большое значение в решении проблемы глобального дефицита белковых веществ. Ее продукция оценивается в 2,5-3 млрд. дол. в год [10]. Для полноценного питания людей и животных важны не только количество, но аминокислотный состав белков в пище, недостаток некоторых незаменимых аминокислот может вызвать серьезные проблемы.

Первое промышленное производство глутаминовой кислоты - ценной пищевой добавки - было организована в Японии в 50-60-х годах после того как С. Киносита с сотрудниками обнаружили способность микроорганизмов к сверхсинтезу аминокислот и подобрали условия для синтеза этой кислоты в значительных количествах. Это открытие привлекло внимание ученых, появились тысячи патентов и публикаций, производство аминокислот было организовано в ряде стран. Всего в мире получают около 500 тыс. тонн аминокислот в год. В СССР технологию получения аминокислот разрабатывали , , Ю.0.Якобсон и др. Аминокислоты применяются как добавки к пище, в медицине, в животноводстве (в качестве кормовых добавок), в растениеводстве (при синтезе средств защиты растений) и в промышленности (при синтезе полимеров, в качестве добавок к моторному топливу для улучшения эксплуатационных характеристик, для электрохимического получения различных покрытий, сплавов, в фотографии и т. д.).

Большую роль в создании принципиально новых материалов для промышленности играют другие вещества, полученные биотехнологическим способом. Так, липиды, синтезированные микроорганизмами, применяются в качестве смазок в металлургии, для увеличения добычи нефти.

Важное направление - создание биополимеров. Так, созданы биодеградабельные пластмассы, применение которых позволяет снизить нагрузку на окружающую среду (обычные пластмассы практически не разлагаются в окружающей среде, а при горении выделяют токсичные мутагенные вещества - диоксины). Широкое применение нашли полисахариды. Они составляют основную массу органического вещества Земли. Их в промышленных условиях выделяли из растений и водорослей и использовали в качестве промышленных клеев, гелеобразователей. Но они имели ряд недостатков (высокая цена, нестабильность и т. д.). С 1967 г. начали получать микробные полисахариды (ксантан). Вскоре в промышленных контролируемых условиях биотехнологическим способом было осуществлено производство декстрана, геллановой смолы, занфло, политрана и других полисахаридов. Полисахариды микроорганизмов применяются в текстильной, химический, пищевой, кормовой, фармацевтической промышленности, в гидрометаллургии, при добыче нефти, газа, для разметки дорожных покрытий, а также в медицине для лечения, диагностики и профилактики ряда заболеваний, при очистке воды, для мытья танкеров, в сельском хозяйстве и т. д.

С экологической точки зрения интерес представляет получение поверхностно-активных веществ биотехнологическими способами, так как они менее токсичны и легче разрушаются в природе, чем синтетические препараты. Существует много патентов по использованию ПАВ для увеличения нефтеотдачи пластов, для очистки среды от нефти. ПАВ можно также применять в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, кожевенной и бумажной промышленности, фармакологии и т д.

Биотрансформация - это превращение различных веществ в новые соединения с помощью микробных культур, культур растительных клеток или ферментов. Микробиологическую трансформацию начал применять в 1862 Л. Пастер при превращении спирта в уксусную кислоту. В конце прошлого века этим способом получали глюконовую кислоту из глюкозы, сорбозу из сорбита. Но только после открытия микробиологической трансформации стероидов этот метод приобрел важное значение. Сейчас этим методом в промышленных масштабах получают стероиды, терпиноиды, модифицированные антибиотики и другие вещества.

Традиционная биотехнология имеет большое значение в решении экологической проблемы. В конце XX в. резко увеличилось количество трудноразлагаемых промышленных и бытовых отходов (в том числе - ксенобиотиков, т. е. искуственно созданных веществ, несуществующих в природе, которые не могут включиться в естественный круговорот и почти не разлагаются), возросли загрязнения почвы и водоемов. Биотехнологические методы применяют для переработки ряда отходов в полезные продукты, для обработки сточных вод, твердых и газообразных отходов и т. д. [[28]]. Разработаны, в частности, методы разложения таких опасных и трудноразлагаемых отходов, как радионуклиды, образующиеся в ядерно-топливном цикле, поверхностно-активные вещества, пестициды, фенольные соединения, нефтепродукты, полимерные пленки.

Внедрение биотехнологии часто позволяет создать альтернативные более экологически безопасные технологии и продукты. О примени биотехнологических методов особенно в сельском хозяйстве (биопестициды, биогербициды, биоудобрения) мы подробнее расскажем ниже (в 4.6)

Интерес к биоэнергетике возрос в 70-х годах в связи с нефтяным кризисом [[29],[30]], затем с ослаблением кризиса он снизился [[31]], новое повышение цен на нефть вновь обостряет интерес к проблеме. Угроза истощения невозобновляемых ресурсов делает это альтернативное направление важным в долгосрочной перспективе вне зависимости от коньюктуры рынка. Суть биоэнергетики - в превращении с помощью микроорганизмов возобновляемых и наиболее доступных источников растительного сырья, различных отходов, мусора, торфа, морских водорослей, быстро растущих растений и т. д. в спирты, биогаз (последнее оказалось эффективнее). Это весьма экологически привлекательное направление реализуется в Англии, Франции, Италии, Испании. В СССР в этом направлении работает Институт биохимии и физиологии микроорганизмов, ИБХ РАН и другие институты. Перспективное направление - получение с помощью микроорганизмов богатого энергией водорода. Нефтяной кризис 70-х годов привлек внимание к возможностям промышленного использования фотосинтеза. Некоторые эксперты считают, что системы на основе фотосинтезирующих бактерий, водорослей и пр. могут покрыть все потребности человечества, используя 0,5 млн. м 2 (0,5% поверхности Земли) [18].

Биотехнологические методы применяются для интенсификации добычи нефти, оживления скважин, при разведке нефтяных месторождений и т. д. Это направление интенсивно развивается в России.

Один из интересных примеров использования традиционной биотехнологии для создания альтернативных технологий в отрасли промышленности, на первый взгляд весьма далекой от биологии - возникшая в 50-х годах ХХ века биометаллургия [[32]] - избирательное извлечением металлов из многокомпонентных соединений (руд, концентратов, горных пород и растворов) под воздействием микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности. Это одно из наиболее коммерчески значимых направлений биотехнологии. Наибольшее распространение нашел этот процесс при добыче меди (четверть всей добываемой в мире меди[[33]])и урана. Микроорганизмы можно использовать также для добычи цинка, кобальта, германия, вольфрама, молибдена, марганца, хрома, алюминия, кадмия, ртути, драгоценных металлов и т. д. Преимущества биотехнологических методов добычи металлов — возможность использовать сырье, которое ранее считалось непригодным, промышленные отходы и стоки, в том числе высокотоксичные и радиоактивные (сырье с отрицательной себестоимостью), более полная, комплексная утилизация традиционного многокомпонентного сырья, снижение негативного воздействия на природу. Однако внедрение биотехнологических методов вызывает и опасение ряда специалистов, особенно если технология предусматривает применение микроорганизмов непосредственно в окружающей среде. Эти опасения обострились в связи с внедрением в биометаллургию трансгенных микроорганизмов [20].

4.3.3  Развитие селекции растений и животных

Почти все культурные растения (продовольственные и технические) и домашние животные использовались тысячелетиями, совершенствование пород и сортов шло медленно. В ХХ веке произошел качественный скачок в подходе к созданию новых пород животных и, особенно, сортов растений, вызванный внедрением в них достижений классической генетики, физиологии растений. Начало этому было положено еще в первой половине века ( и др.). В 1960г. Норман Борлауг (лауреат Нобелевской премии) начал использовать кросс-бридинг для получения высокопродуктивных гибридов. Усилия генетиков дали весомые результаты: были созданы сорта зерновых культур, до 50% всей биомассы которых входило в период созревания в состав производственного зерна. Новые сорта растений были более устойчивы к существующим заболеваниям, они позволяли в полной мере использовать достижения химизации (удобрения и пр.). Они были хорошо приспособлены к климатическим условиям стран жаркого пояса (в умеренном климате их значение было меньше) и были широко внедрены в сельское хозяйство не только развитых стран (США, Австралия), но и развивающихся стран (Индия, Китай). Новые сорта имели важнейшее значение в перевороте в сельском хозяйстве, получившем название “зеленая революция”. С 1952 по 1984 годы рост производства зерновых культур опережал рост населения в мире - количество производимого зерна увеличилось с 247 кг на человека в год до 342 [[34]]. Однако потом потенциал “зеленой революции” стал исчерпываться и в последующие 12 лет производство вновь сократилось до 299 кг на человека в год. Перестало расти и производство мяса на душу населения. Большую озабоченность вызывала тесная связь “зеленой революции” c химизацией сельского хозяйства (об отрицательных последствиях которой мы раскажем ниже). К тому же снижение разнообразия применяемых сортов и культур несет потенциальную опасность - небольшое изменение погодных условий, появление новых болезней растений и вредителей (ведь в природе тоже идет процесс естественной селекции) могут привести к катастрофическим последствиям. Внедрение методов новейшей биотехнологии, как показано в разделе 4.6, позволяет вновь существенно продвинуться в решении проблем сельского хозяйства и производства продовольствия.

4.3.4  Заключение

Традиционная биотехнология, как и все технологии, от которых в прошлом ждали решения всех проблем (например, химическая технология), не смогла оправдать всех надежд, с ней связанных. Прогнозы о ее роли в странах третьего мира, несмотря на ряд успехов, в целом не оправдались, развитые страны, которые смогли вложить большие средства в отрасль больше и выиграли от ее развития.

Однако реальные достижения традиционной биотехнологии впечатляют. Она дала эффективные лекарства (антибиотики, витамины, гормоны, аминокислоты, ферменты), была активным участником “зеленой революции”, способствуя преобразованию сельского хозяйства и пищевой промышленности (биоудобрения, биопестициды, ветеринарные препараты, белок, аминокислоты, переработка пищевых продуктов, подсластители и пр.), предложила альтернативные более дешевые и экологически чистые способы производства ряда химических веществ для многих отраслей, внесла вклад в решение проблем энергетики, сырьевой и экологической проблем. Все это повысило качество жизни людей во всем мире.

Традиционная биотехнология продолжает интенсивно развиваться, использование последних достижений науки, тесное взаимодействие с новейшими отраслями биотехнологии позволяют достичь все новых результатов.

ЛИТЕРАТУРА

5.  Новейшая биотехнология

В семидесятых годах биотехнология стала одним из активнейших участников технологической революции, возникли новые направления - генная, клеточная, белковая инженерия, инженерная энзимология.

К этому времени сформировалось новое поколение профессионалов-биотехнологов, которые сами владели всем арсеналом современных физических и химических методов. Эти ученые (жившие в основном в цитадели постиндустриализма - США) были настроены более прагматично, чем предшествующее им поколение биотехнологов, где большую роль играли романтики-физики. Их интересовал в первую очередь коммерческий потенциал новейшей биотехнологии. Усилия были сконцентрированы на фармацевтической промышленности, поскольку она предлагала наиболее емкий рынок и высокие прибыли. К тому же важность решаемых биофармакологией проблем - борьбы с опаснейшими болезнями, терроризирующими человечество конца XX века (раком, вирусными заболеваниями, наследственными болезнями, инфарктом и пр.) определяла её высокий социальный статус и поддержку со стороны государства.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10