Реферат Этапы развития биотехнологии. Основные этапы становления и развития биотехнологии
 Скачать 34.87 Kb.
|
|
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт фундаментальной биологии и биотехнологии Базовая кафедра биотехнологии РЕФЕРАТ Тема: Основные этапы становления и развития биотехнологии Преподаватель _________ _________. подпись, дата фамилия, инициалы Студент __________ ________ ___________ подпись, дата номер группы фамилия, инициалы Красноярск 2020 г. СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ 2 ВВЕДЕНИЕ 3 1 Определение биотехнологии 4 2 История развития биотехнологии 5 2.1 Эмпирический период 6 2.2 Этиологический период 6 2.3 Биотехнический период 8 2.4 Геннотехнический период 10 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 12 ВВЕДЕНИЕ Человечество с самого начала своей истории использует различные природные явления или процессы для удовлетворения своих потребностей. Они могут иметь физическую, химическую или биологическую природу. Однако только в последние 2-3 века человечество начало активно познавать природу этих процессов, таким образом развились естественные науки какими мы их знаем. Из-за более сложной природы объектов изучения и отсутствия необходимых инструментов развитие биологии как науки продвигалось несколько медленнее физики и химии. Однако со второй половины XX века из-за развития методологии разрыв стал сокращаться. И в результате биологическая наука, обогащенная достижениями энзимологии, микробиологии, вирусологии, молекулярной биологии сумела создать систему взаимосвязанных отраслей биотехнологии, основанных на функционировании природных систем, метаболические механизмы которых подчинены интересам человечества. Благодаря этому люди получили инструменты для решения множества проблем, таких как загрязнение окружающей среды, исчерпание невозобновляемых ресурсов, недостаточное производство еды и прочее. 1 Определение биотехнологииОбщепризнано, что содержанием биотехнологии является использование достижений фундаментальных биологических наук в практических целях. Четверть века назад Европейская федерация по биотехнологии выдвинула следующий тезис: «Биотехнология — применение биологических систем и процессов в промышленности и сфере услуг», не подчеркнув научное содержание биотехнологии; кроме того, слишком широким представляется понятие «сфера услуг». На одном из конгрессов 10 лет спустя было дано более подробное определение: «Биотехнология — это наука об основах реализации процессов получения с помощью биокатализаторов разных продуктов и об использовании таких процессов при защите окружающей среды», все же неоправданно сужающее ее возможности. В некоторых учебных пособиях биотехнология трактуется как «направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также в интересах промышленного получения полезных для человека продуктов, в частности лекарственных средств». Из этого и предыдущих определений следует, что биотехнология — и наука, и сфера производства. Она включает разделы энзимологии, промышленной микробиологии, прикладной биохимии, медицинской микробиологии и биохимии, а также разделы, связанные с конструированием заводского оборудования и созданием специализированных поточных линий. В современных условиях нередко наблюдается тесное переплетение биотехнологии и биоорганической химии. Так, при получении многих лекарственных веществ используются перемежающиеся этапы био- и органического синтеза с последующей трансформацией целевых продуктов, осуществляемой биологическим или химическим методом. При обсуждении перспектив биотехнологии и ее стратегических целей все чаще подчеркивается ее связь с молекулярной биологией и молекулярной генетикой. Широкое распространение получило понятие молекулярной биотехнологии как научной дисциплины, уже в основном сформировавшейся на стыке технологии рекомбинантной ДНК (генетическая или генная инженерия) и традиционных биологических дисциплин, в первую очередь микробиологии, что объясняется техническими причинами более легкого оперирования микробными клетками. Ведется конструирование новых продуцентов биологически активных веществ с помощью технологии рекомбинантной ДНК. В настоящее время бурно развивается и такая область молекулярной генетики как геномика, основная цель которой - полное познание генома, т.е. совокупности всех генов любой клетки, включая клетки человека. Путем секвенирования — установления полной последовательности нуклеотидов в каждом без исключения гене создается своеобразное «досье», отражающее не только видовые, но и индивидуальные особенности организма. 2 История развития биотехнологииЗа последние 20 лет биотехнология, благодаря своим специфическим преимуществам перед другими науками, совершила решительный прорыв на промышленный уровень. Этим она в немалой степени обязана также развитию новых методов исследований и интенсификации процессов, открывших ранее неизвестные возможности в получении биопрепаратов, способов выделения, идентификации и очистки биологически активных веществ. Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода. 2.1 Эмпирический периодЭмпирический период или доисторический - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. Известно, что шумеры - первые жители Месопотамии (на территории современного Ирака) создали цветущую в те времена цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. Приобретенный опыт передавался из поколения в поколение, распространялся среди соседних народов (ассирийцев, вавилонян, египтян и древние индусов). В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях. Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в. К эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов. Таким образом, народы исстари пользовались на практике биотехнологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных. 2.2 Этиологический периодЭтиологический период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 - 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822 - 95) - основоположника научной микробиологии. Пастер установил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др. В этот же период творили его выдающиеся ученики, сотрудники и коллеги: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, И.И. Мечников; Р. Кох, Д. Листер, Г. Риккетс, Д. Ивановский и др. В 1859г. Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881г. предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). Среди достижений 2-й периода особо стоит отметить следующие: 1856г. - чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирования признаков и ввел понятие единицы наследственности в виде дискретного фактора, который передается от родителей потомкам; 1869г. - Ф. Милер выделил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов; 1883г. - И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета; 1984г. - Ф. Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии; 1892г. - Д.Ивановский открыл вирусы; 1893г. - В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов; 1902г. - Г. Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах; 1912г. - Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения; 1913г. - Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику ферментативных реакций; 1926г. - X. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности; 1928г. - Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бакте¬рий; 1932г. - М. Кнолль и Э. Руска изобрели электронный микроскоп. В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также продуктов их метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод. Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии. 2.3 Биотехнический периодБиотехнический период - начался в 1933 г. и длился до 1972 г. В 1933 г. А. Клюйвер и А.Х. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939-1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами). Все прогрессивное в области биотехнологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии: 1936г. - были решены основные задачи по конструированию, со¬зданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореактора (ферментера, аппарата-культиватора); 1938г. - А. Тизелиус разработал теорию электрофореза; 1942г. - М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели вирусы с помощью электронного микроскопа; 1943г. - пенициллин произведен в промышленных масштабах; 1949г. - Дж. Ледерберг открыл процесс конъюгации у Е.coli; 1950г. - Ж. Моно разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов, которые развили в своих исследованиях М. Стефенсон, И. Молек, М. Иерусалимский, И. Работнова, И. Помозгова, И. Баснакьян, В. Бирюков; 1951г. - М. Тейлер разработал вакцину против желтой лихорадки; 1952г. - У. Хейс описал плазмиду как внехромосомный фактор наследственности; 1953г. - Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровали структуру ДНК. Это стало побудительным мотивом для разработки способов крупномас¬штабного культивирования клеток различного происхождения для получения клеточных продуктов и самих клеток; 1959г.- японские ученые открыли плазмиды антибиотикоустойчивости (К-фактор) у дизентерийной бактерии; 1960г. - С. Очоа и А. Корнберг выделили белки, которые могут «сшивать» или «склеивать» нуклеотиды в полимерные цепочки, син-тезируя тем самым макромолекулы ДНК. Один из таких ферментов был выделен из кишечной палочки и назван ДНК-полимераза; 1961г. - М. Ниренберг прочитал первые три буквы генетического кода для аминокислоты фенилаланина; 1962г. - X. Корана синтезировал химическим способом функциональный ген; 1969г. - М. Беквит и С. Шапиро выделили ген lас-оперона у Е.coli; 1970г. - выделен фермент рестриктаза (рестриктирующая эндонуклеаза). 2.4 Геннотехнический периодГеннотехнический период начался с 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возможность направленных манипуляцией с генетическим материалом бакерий. Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК было бы невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выясение механизмов функционирования и репликации ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций. Создание новых методов исследований явилось необходимой предпосылкой развития биотехнологии в 4-ом периоде: 1975г. - Г. Келлер и Ц. Мильштейн опубликовали в журнале «Ка1иге» статью «Длительноживущие культуры гибридных клеток, секретирующие антитела предопределенной «специфичности», в которой описали метод получения моноклональных антител; 1977г. - М. Максам и У. Гилберт разработали метод анализа пер¬вичной структуры ДНК путем химической деградации, а Дж. Сэнгер - путем полимеразного копирования с использованием терминирующих аналогов нуклеотидов; 1981г. - разрешен к применению в США первый диагностический набор моноклональных антител; 1982г. - поступил в продажу человеческий инсулин, продуцируемый клетками кишечной палочки; разрешена к применению в Европейских странах вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК; разработаны генно-инженерные интерфероны, фактор некротизации опухоли, интерлейкин-2, соматотропный гормон человека и др; 1986г. - К. Мюллис разработал метод полимеразной цепной реакции (ПЦР); 1988г. - началось широкомасштабное производство оборудования и диагностических наборов для ПЦР; 1997г. - клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированной соматической клетки. Такие выдающиеся отечественные ученые как Л.С. Ценковский, С.Н. Вышелесский, М.В. Лихачев, Н.Н. Гинзбург, С.Г. Колесов, Я.Р. Коляков, Р.В. Петров, В.В. Кафаров и др. внесли неоценимый вклад в развитие биотехнологии. Наиболее важные достижения биотехнологии в 4-ом периоде: Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов). Получение суперпродуцентов. Создание различных продуктов, необходимых человеку, на основе генноинженерных технологий. Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе. Разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры биотехнологических систем. Автоматизация и компьютеризация биотехнологических производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии. ЗАКЛЮЧЕНИЕВ современном мире биотехнология прочно заняла ведущую роль в развитии научно-технического прогресса. Биотехнология решает проблемы не только медицины или создания пищевых продуктов путем ферментации (традиционной области ее применения); с ее помощью ведется, например, разработка полезных ископаемых, решается проблема энергоресурсов, ведется борьба с нарушениями экологического равновесия и т.д. Закономерно, что биотехнология включена в число приоритетных национальных программ. За биотехнологией будущее человечества в решении проблемы материальных ресурсов, обеспечения энергией, охраны окружающей среды и здоровья людей. Будущее планеты во многом зависит от уровня и темпов развития фундаментальных и прикладных научных разработок, в том числе в области биотехнологии. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Сазыкин О.Ю. Биотехнология: учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений / Ю.О. Сазыкин, С.Н. Орехов, И.И. Чакалева; под ред. А.В. Катлинского. – 3-е изд., стер. – М. : Издательский центр «Академия», 2008. 2. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. — 622 с. (в пер.)3. Гвоздев В.А. Подвижная ДНК эукариот // Соросовский Образовательный Журнал. - 1996. - №2. - С. 22 - 31. 3. 11. Щелкунов С.А. Генетическая инженерия. Ч.1. Новосибирск: НГУ, 1994 г. 4. Основы фармацевтической биотехнологии: Учебное пособие / Т.П. Прищеп, В.С. Чучалин, К.Л. Зайков, Л.К. Михалева. – Ростов-на-Дону.: Феникс; Томск: Издательство НТЛ, 2006.. 5. Манаков М.Н., Победимский Д.Г. Теоретические основы технологии микробиологических производств. М.: Агропромиздат, 1990 г., 272 с. |