Дисципліна, яка вивчає способи використання організмів для вирішення технологічних завдань, – ось що таке біотехнологія. А простіше кажучи, це наука, яка вивчає живі організми в пошуках нових способів для забезпечення людських потреб. Наприклад, генна інженерія або клонування – це нові дисципліни, які використовують з однаковою активністю як організми, так і новітні комп’ютерні технології.
Біотехнологія: коротко
Дуже часто поняття «біотехнологія» плутають з генною інженерією, яка виникла в XX—XXI століттях, адже біотехнологія належить до більш широкої специфіці роботи. Біотехнологія спеціалізується на модифікації рослин і тварин шляхом гібридизації і штучного відбору для потреб людини.
Ця дисципліна дала людству можливість поліпшити якість харчових продуктів, збільшити тривалість життя і продуктивність живих організмів – ось що таке біотехнологія.
До 70-х років минулого століття цей термін використовували виключно в харчовій промисловості і сільському господарстві. І тільки в 1970 році вчені почали використовувати термін «біотехнологія» в лабораторних дослідженнях, таких як вирощування живих організмів у пробірках або створення рекомбінантних ДНК. Ця дисципліна базується на таких науках, як генетика, біологія, біохімія, ембріологія, а також на робототехніки, хімічних та інформаційних технологіях.
На основі нових науково-технологічних підходів були розроблені методи біотехнології, які полягають у двох основних позиціях:
- Великомасштабне та глибинному культивуванні біологічних об’єктів в періодичному постійному режимі.
- Вирощування клітин і тканин в особливих умовах.
Нові методи біотехнології дозволяють маніпулювати генами, створювати нові організми або змінювати властивості вже існуючих живих клітин. Це дає можливість більш широко використовувати потенціал організмів та полегшує господарську діяльність людини.
Історія біотехнології
Як би це дивно не звучало, але свої витоки біотехнологія бере з далекого минулого, коли люди тільки починали займатися виноробством, хлібопеченням і іншими способами приготування їжі. Приміром, біотехнологічний процес бродіння, в якому брали активну участь мікроорганізми, був відомий ще у стародавньому Вавилоні, де широко застосовувався.
Як науку, біотехнологію стали розглядати тільки на початку XX століття. Її основоположником став французький вчений, мікробіолог Луї Пастер, а сам термін вперше ввів в ужиток угорський інженер Карл Эреки (1917 рік). XX століття був ознаменований бурхливим розвитком молекулярної біології і генетики, де активно застосовувалися досягнення хімії і фізики. Одним з ключових етапів дослідження стала розробка методів культивування живих клітин. Спочатку для промислових цілей починали вирощувати тільки гриби і бактерії, але через кілька десятиліть вчені можуть створювати будь-які клітини, повністю керуючи їх розвитком.
На початку XX століття активно розвивалася бродильна і мікробіологічна промисловість. У цей час робляться перші спроби налагодження виробництва антибіотиків. Розробляються перші харчові концентрати, контролюється рівень ферментів у продуктах тваринного та рослинного походження. У 1940 році вченим вдалося отримати перший антибіотик – пеніцилін. Це стало поштовхом до розвитку промислового виробництва ліків, виникає ціла галузь фармацевтичної промисловості, що являє собою одну з комірок сучасної біотехнології.
Сьогодні біотехнології використовуються в харчовій промисловості, медицині, сільському господарстві та багатьох інших сферах людської життєдіяльності. Відповідно з’явилося безліч нових наукових напрямків з приставкою «біо».
Біоінженерія
На питання про те, що таке біотехнологія, основна частина населення без сумнівів відповість, що це не що інше, як генна інженерія. Частково це правда, але інженерія лише частина великої дисципліни біотехнологій.
Біоінженерія – це дисципліна, основна діяльність якої спрямована на зміцнення людського здоров’я допомогою об’єднання знань з галузі інженерії, медицини, біології та застосування їх на практиці. Повна назва цієї дисципліни – біомедична інженерія. Головна її спеціалізація – вирішення медичних проблем. Застосування біотехнологій у медицині дозволяє моделювати, розробляти і вивчати нові субстанції, розробляти фармацевтичні препарати і навіть рятувати людину від вроджених захворювань, що передаються по ДНК. Фахівці в цій області можуть створювати прилади та обладнання для проведення нових процедур. Завдяки застосуванню біотехнології у медицині були розроблені штучні суглоби, кардіостимулятори, протези шкіри, апарати штучного кровообігу. За допомогою нових комп’ютерних технологій фахівці в області біоінженерії можуть створювати білки з новими властивостями за допомогою комп’ютерного моделювання.
Біомедицина та фармакологія
Розвиток біотехнологій дало можливість по-новому подивитися на медицину. Напрацьовуючи теоретичну базу про людському організмі, фахівці в цій області мають можливість використовувати нанотехнології для зміни біологічних систем. Розвиток біомедицини дало поштовх для появи наномедицини, основна діяльність якої полягає в спостереженні, виправленні і конструюванні живих систем на молекулярному рівні. Наприклад, адресна доставка ліків. Це не кур’єрська доставка від аптеки до будинку, а передача препарату безпосередньо до хворої клітини організму.
Також розвивається і биофармакология. Вона вивчає ефекти, які надають речовини біологічного чи біотехнологічного походження на організм. Дослідження цієї області знань зосереджені на вивченні біофармацевтичних препаратів і розробці способів для їх створення. У биофармакологии лікувальні засоби отримують з живих біологічних систем чи тканин організму.
Біоінформатика та біоніка
Але біотехнології – це не тільки вчення про молекулах тканин і клітин живих організмів, це ще і застосування комп’ютерних технологій. Таким чином, має місце біоінформатика. Вона включає в себе сукупність таких підходів, як:
- Геномна біоінформатика. Тобто методи комп’ютерного аналізу, які застосовуються в порівняльної геноміки.
- Структурна біоінформатика. Розробка комп’ютерних програм, які передбачають просторову структуру білків.
- Обчислення. Створення обчислювальних методологій, які можуть керувати біологічними системами.
У цій дисципліні разом з біологічними методами використовуються методи математики, статистичних обчислень та інформатики. Як у біології використовуються прийоми інформатики та математики, так і в точних науках сьогодні можуть використовувати вчення про організації живих організмів. Як питань біоніки. Це прикладна наука, де в технічних пристроях застосовуються принципи і структури живої природи. Можна сказати, що це своєрідний симбіоз біології і техніки. Дисциплінарні підходи до питань біоніки розглядають з нової точки зору як біологію, так і техніку. Біоніка розглядала подібні і відмінні риси цих дисциплін. Ця дисципліна має три підвиди – біологічний, теоретичний і технічний. Біологічна біоніка вивчає процеси, які відбуваються в біологічних системах. Теоретична біоніка будує математичні моделі біосистем. А технічна біоніка застосовує напрацювання теоретичної біоніки для вирішення різних завдань.
Як видно, досягнення біотехнологій широко поширені в сучасній медицині та охороні здоров’я, але це лише вершина айсберга. Як вже було сказано, біотехнологія почала розвиватися з того моменту, як людина стала готувати собі їжу, а після широко застосовувалася в сільському господарстві для вирощування нових селекційних культур і виведення нових порід свійських тварин.
Клітинна інженерія
Одним з найважливіших методів біотехнології є генна та клітинна інженерія, які зосереджені на створенні нових клітин. З допомогою цих інструментів людство отримало можливість створювати життєздатні клітини з абсолютно різних елементів, що належать різним видам. Таким чином, створюється новий не існуючий в природі набір генів. Генна інженерія дає можливість людині отримати бажані якості від модифікованих клітин рослин або тварин.
Особливо цінуються досягнення генної інженерії в сільському господарстві. Це дозволяє вирощувати рослини (або тварин) з поліпшеними якостями, так звані селекційні види. Селекційна діяльність заснована на відборі тварин або рослин з яскраво вираженими сприятливими ознаками. Після ці схрещують організми і отримують гібрид з яким набором корисних ознак. Звичайно, на словах все звучить просто, але отримати шуканий гібрид досить складно. В реальності можна отримати організм тільки з одним або декількома корисними генами. Тобто до вихідного матеріалу додається лише кілька додаткових якостей, але навіть це дозволило зробити величезний крок у розвитку сільського господарства.
Селекція та біотехнології дали можливість фермерам підвищити врожайність, зробити плоди більш великими, смачними, а головне, стійкими до морозів. Не обходить селекція стороною і тваринницьку сферу діяльності. З кожним роком з’являються нові породи свійських тварин, які можуть давати більше поголів’я худоби та продуктів харчування.
Досягнення
У створенні селекційних рослин вчені виділяють три хвилі:
Навіть в тваринництві перспективи біотехнології вражають. Вже давно створюються тварини, які мають трансгенний ген, тобто володіють яким-небудь функціональним гормоном, наприклад гормон росту. Але це були лише початкові експерименти. В результаті досліджень були виведені трансгенні кози, які можуть виробляти білок, який зупиняє кровотечу у хворих, які страждають поганим згортанням крові.
В кінці 90-х років минулого століття американські учені впритул зайнялися клонуванням клітин ембріонів тварин. Це дозволило б вирощувати худобу в пробірках, але зараз цей метод все ще потребує доопрацювання. Зате в ксенотрансплантации (пересадка органів одних видів тварин іншим) вчені в галузі прикладної біотехнології досягли істотного прогресу. Наприклад, в якості донорів можна використовувати свиней з геномом людини, тоді спостерігається мінімальний ризик відторгнення.
Харчова біотехнологія
Як вже було згадано, спочатку методи біотехнологічних досліджень стали застосовувати в харчовому виробництві. Йогурти, закваски, пиво, вино, хлібобулочні вироби – це продукти, отримані за допомогою харчової біотехнології. Цей сегмент дослідження включає в себе процеси, спрямовані на зміну, покращення або створення конкретних характеристик живих організмів, зокрема бактерій. Фахівці цієї області знань займаються розробкою нових методик по виготовленню різних продуктів харчування. Шукають і покращують механізми та методи їх приготування.
Їжа, яку людина їсть кожен день, повинна бути насичена вітамінами, мінералами і амінокислотами. Однак станом на сьогоднішній день, згідно з даними ООН, існує проблема забезпечення людини продуктами харчування. Майже половина населення не має належної кількості їжі, 500 мільйонів голодують, чверть населення планети харчуються недостатньо якісними продуктами.
Сьогодні на планеті проживає 7,5 мільярда людей, і якщо не приймати необхідних дій по підвищенню якості і кількості продуктів харчування, якщо цим не займатися, то люди в країнах, що розвиваються стануть страждати від згубних наслідків. І якщо можна замінити ліпіди, мінерали, вітаміни, антиоксиданти продуктами харчової біотехнології, то замінити білок практично неможливо. Понад 14 мільйонів тонн білка кожен рік не вистачає, щоб забезпечити потреби людства. Але тут на допомогу приходять біотехнології. Сучасне білкове виробництво будується на тому, що штучно формуються білкові волокна. Їх просочують необхідними речовинами, надають форму, колір і запах. Цей підхід дає можливість замінити практично будь-який білок. А смак і вигляд нічим не відрізняються від природного продукту.
Клонування
Важливою областю знань у сучасних біотехнологіях є клонування. Ось уже протягом кількох десятиліть науковці намагаються створити ідентичних нащадків, не вдаючись до статевого розмноження. У процесі клонування повинен вийти організм, який схожий на батьківський не тільки зовні, але і генної інформацією.
У природі процес клонування поширений серед деяких живих організмів. Якщо у людини народжуються однояйцеві близнюки, то їх можна вважати природними клонами.
Вперше клонування провели в 1997 році, коли штучно створили вівцю Доллі. І вже в кінці ХХ століття вчені почали говорити про можливість клонування людини. Крім того, досліджувався таке поняття, як часткове клонування. Тобто можна відтворювати не цілий організм, а його окремі частини або тканини. Якщо удосконалити цей метод, то можна отримати «ідеального донора». Крім того, клонування допоможе зберегти рідкісні види тварин або відновити зниклі популяції.
Моральний аспект
Незважаючи на те, що основи біотехнології можуть мати вирішальний вплив на розвиток усього людства, про такому науковому підході погано висловлюється громадськість. Переважна частина сучасних релігійних діячів (та й деякі вчені) намагаються застерегти біотехнологів від надмірного захоплення своїми дослідженнями. Особливо гостро це стосується питань генної інженерії, клонування і штучного розмноження.
З одного боку, біотехнології представляються яскравою зіркою, мрією і надією, які стануть реальними в новому світі. В майбутньому ця наука подарує людству безліч нових можливостей. Стане можливим подолання смертельних хвороб, усунуться фізичні проблеми, і людина, рано чи пізно, зможе досягти земного безсмертя. Хоча, з іншого боку, на генофонді може позначитися постійне вживання генномодифікованих продуктів або поява людей, яких створили штучно. З’явиться проблема зміни соціальних структур, і, цілком імовірно, доведеться зіткнутися з трагедією медичного фашизму.
Ось що таке біотехнологія. Наука, яка може подарувати блискучі перспективи людству шляхом створення, зміни або поліпшення клітин, живих організмів і систем. Вона зможе подарувати людині нове тіло, і мрія про вічне життя стане реальністю. Але за це доведеться заплатити чималу ціну.
