Біотехнологія: визначення поняття, етапи розвитку, пріоритетні завдання

Сучасний етап розвитку фармацевтичної науки, який характеризується постійним пошуком і створенням нових, більш активних і безпечних препаратів, передбачає наступні напрямки практичної діяльності:

І. Хімічний синтез препаратів.

ІІ. Одержання препаратів з лікарської сировини й виділення окремих речовин.

ІІІ. Виділення лікарських речовин, що є продуктами життєдіяльності грибів і мікроорганізмів.

ІV. Біотехнологія.

Біотехнологічні дослідження є одим з провідних напрямків науково-технічного прогресу. Передусім цьому сприяє розвиток сучасної молекулярної біології та генетики, що опираються на досягнення хімії й фізики, а також гостра потреба у нових технологіях, здатних поліпшити стан здоров’я людини й охорони навколишнього середовища, а головне – ліквідувати нестачу продовольства, енергії та мінеральних ресурсів.

Біотехноло́гія (Βιοτεχνολογία, від грец. bios – життя, techne – майстерність і logos – слово, вчення) – це наука про створення й практичне застосування живих і неживих систем біологічного походження у технологічних процесах з метою промислового виробництва необхідних для людини продуктів харчування, лікарських препаратів тощо.

Відповідно до визначення Європейської федерації біотехнологів (ЄФБ, 1984) біотехнологія базується на інтегрованому застосуванні біохімії, мікробіології, хімічної технології, клітинної та генної інженерії з метою промислової реалізації властивостей мікроорганізмів, культур клітин і субклітинних компонентів при виробництві продукції народного господарства і надання послуг у медицині та охороні здоров’я.

Науковий термін “біотехнологія” з’явився у 70-х роках XX ст. Однак стародавні народи інтуїтивно використовували прийоми і способи виготовлення продуктів, які на сьогодні належать до біотехнологічних. Ще з біблейських часів було відоме виноробство, випікання хліба, а дещо пізніше - одержання кисломолочних продуктів, квашеної капусти, медових алкогольних напоїв, силосування кормів тощо.

Стрімкий злет розвитку біотехнології пов'язаний з видатними дослідженнями великого французького вченого Луї Пастера (1822-1895) – засновника наукової мікробіології. Він розкрив мікробну природу бродіння, довів можливість життя у безкисневих умовах, експериментально спростував уявлення про самовільне зародження живих істот, створив наукові основи вакцинопрофілактики і вакцинотерапії, запропонував метод стерилізації, названий на його честь – пастеризація тощо. Розвиток біотехнологічного обладнання розпочався у період промислового виробництва антибіотиків. Історично це співпало з подіями Другої світової війни (1939-1945), коли виникла нагальна потреба у протимікробних препаратах для лікування хворих з інфікованими ранами. Тоді були вирішені основні завдання з конструювання, створення і впровадження у практику біореакторів, які використовуються й нині.

Звичайно, без фундаментальної роботи Ф. Кріка і Дж. Уотсона (1953), щодо встановлення структури ДНК, було б неможливо досягнути сучасних результатів у сфері біотехнології. З'ясування механізмів функціонування і регуляції ДНК, виділення і вивчення специфічних ферментів призвело до формування чіткого наукового підходу при розробленніі біотехнологічних процесів. Становлення біотехнології як самостійної науки розпочалося у США (1972) після створення П. Бергом зі співробітниками першої рекомбінантної молекули ДНК. Одним із засновників біотехнології як науки є британський біохімік та молекулярний біолог Ф. Сенгер, двічі лауреат Нобелівської премії з хімії, лауреат премії Альберта Лескера за фундаментальні дослідження у галузі медицини. Результати його наукових досліджень, які полягали в опрацюванні нових методів визначення лінійної послідовності амінокислот у білках, згодом було використано для встановлення повної амінокислотної послідовності двох поліпептидних ланцюгів А та В інсуліну. Ці досягнення дослідника були відзначені у 1958 році присвоєнням йому Нобелівської премії. За цикл фундаментальних досліджень з біохімії нуклеїнових кислот, передусім стосовно рекомбінантної ДНК, у 1980 році Ф. Сенгер отримав свою другу Нобелівську премію (разом з П. Бергом та У. Гілбертом, США).

Уже в 1982 р. надійшов у продаж людський інсулін, синтезований кишковими паличками, які містили штучно вмонтовану інформацію про цей гормон. Згодом з'явились інші генно-інженерні препарати: інтерферони, соматотропний гормон людини, інтерлейкін-2 тощо. Тоді ж були одержані суперпродуценти антибіотиків, ферментів, амінокислот, вітамінів; розроблені та впроваджені екологічно чисті безвідходні технології; розроблена і впроваджена у практику спеціальна апаратура; здійснена автоматизація і комп'ютеризація біотехнологічних процесів тощо.

За прогнозами вчених, вже на початку ХХІ-го століття біотехнологічна продукція становитиме четверту частину світових виробів.

Виділяють наступні основні етапи розвитку біотехнології:

1) біотехнологія харчових продуктів, у тому числі продуктів бродіння;

2) біотехнологія органічних кислот, розчинників та біомас у нестерильних умовах, біотехнологія вакцин і сироваток крові;

3) біотехнологічні процеси в стерильних умовах (ера антибіотиків);

4) сучасний етап:

– застосування імобілізованих ферментів;

– використання досягнень молекулярної біології та генної інженерії (рекомбінантні ДНК, моноклональні антитіла тощо);

– розвиток нових технічних засобів – датчиків біореакторів, контрольно-вимірювальних систем, техніки очищення та концентрування.

В Україні перші дослідження в галузі генетичної інженерії, що становлять теоретичний фундамент біотехнології, почали проводитись іще на початку 70-х років минулого століття в м. Києві. Це відбувалось у Секторі молекулярної біології та генетики Інституту мікробіології і генетики АН УРСР (нині – Інститут молекулярної біології і генетики НАН України), Інституті клітинної біології, Інституті біохімії НАН України й деяких інших наукових установах. Варто наголосити, що у нашій державі наукові дослідження в цьому напрямі розпочались одночасно, а у деяких галузях навіть раніше, ніж аналогічні експерименти в розвинених країнах Заходу. Серед фахівців, які заклали основи вітчизняної біотехнології, слід назвати академіків та членів-кореспондентів Національної академії наук: В. Кордюма, В. Кунаха, Ю. Глєбу, Г. Єльську, Р. Стойку, Я. Блюм та багато інших. Нині наукові дослідження в галузі біотехнології здійснюють наукові установи Києва, Львова та ще деяких міст України (Інститут біохімії, Інститут молекулярної біології і генетики, Інститут клітинної інженерії НАН України, Національний аграрний університет та інші).

Тепер в Україні розроблено низку Державних науково-технічних програм, які визначають пріоритетні завдання новітніх біотехнологій:

1. Державна науково-технічна програма “Мікробні біотехнології”

1.1. Розроблення методів отримання та довготривалого зберігання промислово-перспективних штамів мікроорганізмів для біотехнологічних виробництв.

1.2. Створення біотехнологій отримання пробіотиків, ферментів та амінокислот.

1.3. Організаційно-методичне та нормативно-правове забезпечення формування інфраструктури біотехнологічного сектору України.

2. Державна науково-технічна програма “Біотехнологія рослин та біобезпека”

2.1. Отримання нових ліній та форм рослин з цінними ознаками за допомогою методів селекції in vitro, клітинної та генетичної інженерії.

2.2. Розроблення нових технологій для отримання культур клітин і тканин рослин та їхнього довготривалого збереження (кріоконсервація).

2.3. Молекулярно-генетичний аналіз і картування геномів важливих сільсько-господарських рослин.

2.4. Опрацювання критеріїв оцінки ризику перенесення чужинних генів та довготривалого моніторингу генетично модифікованих рослин.

3. Державна науково-технічна програма “Нові лікарські препарати”

3.1. Створення нових лікарських препаратів із спрямованим транспортом і багатовекторними фармакодинамічними проявами.

3.2. Створення нових надзвичайно необхідних лікарських засобів - замінників наркотичних препаратів і антагоністів кальцію ІІІ генерації та антибіотиків спрямованої дії.

3.3. Розроблення і впровадження схем, методів доклінічного дослідження лікарських засобів для обгрунтування, прогнозування безпечності, фармакологічної активності і легітимізації нових лікарських засобів.

4. Державна науково-технічна програма “Нові технології та засоби діагностики і лікування найбільш поширених захворювань”.

4.1. Розроблення нових високоінформативних технологій діагностики захворювань на ранніх стадіях.

4.2. Розробленння нових технологій лікування серцево-судинних, цереброваскулярних та онкологічних захворювань.

4.3. Створення нових інформаційних і телемедичних технологій та засобів їх забезпечення.

5. Державна науково-технічна програма “Генні та аналітичні біотехнології”.

5.1. Розроблення технології генної терапії інсулінзалежного діабету та атеросклерозу.

5.2. Розроблення методів молекулярно-генетичної діагностики спадкових та онкологічних захворювань.

5.3. Розроблення генно-інженерних методів отримання цитокінів людини.

5.4. Створення біосенсорних систем для контролю біотехнологічних процесів.