Биотехноло́гия (от гр. βίος — «жизнь», τέχνη — «искусство, мастерство, способность», λόγος — «слово, смысл, мысль, понятие») — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.
Обширный характер биотехнологии часто затрудняет детальное определение этого предмета. Некоторые определения биотехнологии следующие:
«Биотехнология означает любое научное применение биологических систем, живых организмов или их производных для производства/изменения продуктов или процессов из конкретных практических соображений»Convention on Biological Diversity Handbook 3rd edn 1992 https://www.cbd.int/doc/handbook/cbd-hb-01-en.pdf (Accessed 29 Sep 2015). «Использование живых организмов, систем или процессов представляет собой биотехнологию»Sreenivasulu N S 2008 Biotechnology and Patent Law: Patenting Living Beings (Noida: Manupatra: ) p 249Koltuniewicz A B 2014 Sustainable Process Engineering: Prospects and Opportunities (de Gruyter). Согласно определению Collins English Dictionary, биотехнология – это использование живых организмов, их частей или процессов для разработки активных и полезных продуктов и предоставления услуг, например: обработка отходов. Этот термин означает широкий спектр процессов: от использования дождевых червей в качестве источника белка до генетической модификации бактерий с целью получения генных продуктов человека, например гормоны ростаCollins English Dictionary www.collinsdictionary.com/dictionary/english/biotechnology (Accessed 1 July 2017). Согласно «Golden Treasury of Science and Technology», биотехнология — это дисциплина, основанная на использовании контролируемых жизненных процессов для массового производства ценных веществCSIR/NISCAIR 2013 Golden Treasury of Science and Technology (New Delhi: CSIR/NISCAIR) pp 9–11.
Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX—XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и животных путём искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.
До 1971 года термин «биотехнология» использовался, главным образом, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. С 1970 года учёные используют термин в применении к лабораторным методам, таким, как использование рекомбинантной ДНК и культур клеток, выращиваемых in vitro.
Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии, микробиологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах — химической и информационной технологиях и робототехнике.
История биотехнологии
Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.
Использование в промышленном производстве микроорганизмов или их ферментов, обеспечивающих технологический процесс, известно издревле, однако систематизированные научные исследования позволили существенно расширить арсенал методов и средств биотехнологии.
Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф (биография ) открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.
В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки наладить производство антибиотиков, пищевых концентратов, полученных из дрожжей, осуществить контроль ферментации продуктов растительного и животного происхождения.
Первый антибиотик — пенициллин — удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 году, что дало новые задачи: поиск и налаживание промышленного производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня биобезопасности новых лекарственных препаратов.
Цвета биотехнологии Разные направления биотехнологии условно выделяют в цвета. Современная типология выделяет десять таких видов биотехнологии:
Красная – медицина, фармацевтика, диагностика; Жёлтая – пищевая; Золотая – вопросы биоинформатики и нанотехнологии; Зелёная – сельское хозяйство, биотопливо и восстановление окружающей среды, геомикробиология; Синяя – биотехнология аквакультуры; Фиолетовая – юридические вопросы; Белая – в англоязычной литературе это биотехнология, основанная на работе с генами, в русской закрепленным остается значение, связанное с промышленным биопроизводством; Серая – все процессы, связанные с ферментами и классическими биопроцессами, в более традиционных источниках под серой биотехнологией понимают экологическую; Чёрная – связанная с военными целями и терроризмом; Коричневая – решение проблем пустынных и аридных территорий (пространственная и геомикробиология)
Некоторые дисциплины, относящиеся к биотехнологии
Биоинженерия
Биоинженерия (или биомедицинская инженерия) — это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счёт междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Биоинженерия/биомедицинская инженерия — это применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья. Эта инженерная дисциплина направлена на использование знаний и опыта для нахождения и решения проблем биологии и медицины. Биоинженеры работают на благо человечества, имеют дело с живыми системами и применяют передовые технологии для решения медицинских проблем. Специалисты по биомедицинской инженерии могут участвовать в создании приборов и оборудования, в разработке новых процедур на основе междисциплинарных знаний, в исследованиях, направленных на получение новой информации для решения новых задач. Среди важных достижений биоинженерии можно упомянуть разработку искусственных суставов, магнитно-резонансной томографии, кардиостимуляторов, артроскопии, ангиопластики, биоинженерных протезов кожи, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения. Также одним из основных направлений биоинженерных исследований является применение методов компьютерного моделирования для создания белков с новыми свойствами, а также моделирования взаимодействия различных соединений с клеточными рецепторами в целях разработки новых фармацевтических препаратов («drug design»).
Биомедицина
Раздел медицины, изучающий с теоретических позиций организм человека, его строение и функцию в норме и патологии, патологические состояния, методы их диагностики, коррекции и лечения. Биомедицина включает накопленные сведения и исследования, в большей или меньшей степени общие медицине, ветеринарии, стоматологии и фундаментальным биологическим наукам, таким, как химия, биологическая химия, биология, гистология, генетика, эмбриология, анатомия, физиология, патология, биомедицинский инжинирингBronzino, Joseph D. (April 2006). The Biomedical Engineering Handbook, Third Edition. CRC Press. ISBN 978-0-8493-2124-5. http://crcpress.com/product/isbn/9780849321245 , зоология, ботаника и микробиология«Bacteriology at The Free Online Dictionary». http://www.thefreedictionary.com/bacteriologist . Retrieved on 2007-03-11.«Virology at The Free Online Dictionary». http://www.thefreedictionary.com/virology . Retrieved on 2007-03-11.Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology.Oxford:Oxford Scienxe Publications,1997. ISBN 0-19-854768-4.740 pp..
Наномедицина
Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктурыNanomedicine, Volume I: Basic Capabilities , by Robert A. Freitas Jr. 1999, ISBN 1-57059-645-X. В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные сре́дства.
Биофармакология
Раздел фармакологии, который изучает физиологические эффекты, производимые веществами биологического и биотехнологического происхождения. Фактически, биофармакология — это плод конвергенции двух традиционных наук — биотехнологии, а именно, той её ветви, которую именуют «красной», медицинской биотехнологией, и фармакологии, ранее интересовавшейся лишь низкомолекулярными химическими веществами, в результате взаимного интереса.
Объекты биофармакологических исследований — изучение биофармацевтических препаратов, планирование их получения, организация производства. Биофармакологические лечебные сре́дства и сре́дства для профилактики заболеваний получают с использованием живых биологических систем, тканей организмов и их производных, с использованием средств биотехнологии, то есть лекарственные вещества биологического и биотехнологического происхождения.
Биоинформатика
Совокупность методов и подходов, включающих в себя: математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномная биоинформатика); разработка алгоритмов и программ для предсказания пространственной структуры белков (структурная биоинформатика); исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сложности биологических системIvan Y. Torshin Bioinformatics in the Post-Genomic Era: The Role of Biophysics , Novapublishers, 2006, ISBN 1-60021-048-1. В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Биоинформатика используется в биохимии, биофизике, экологии, медицине и в других областях.
Выравнивание последовательностей
Биоинформатический метод, основанный на размещении двух или более последовательностей мономеров ДНК, РНК или белков друг под другом таким образом, чтобы легко увидеть сходные участки в этих последовательностях. Сходство первичных структур двух молекул может отражать их функциональные, структурные или эволюционные взаимосвязи. Алгоритмы выравнивания последовательностей также используются в NLP.
Бионика
Прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, бионика — это соединение биологии и техники. Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике.
Различают: биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах; теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов; техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.
Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.
Биоремедиация
Комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов — растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.
Искусственный отбор
Избирательной допущение к размножению животных, растений или других организмов с целью выведения новых сортов и пород. Предшественник и основной метод современной селекции. Результатом искусственного отбора является многообразие сортов растений и пород животных.
Клонирование