Основні напрямки та досягнення біотехнологій

Біотехнологією називають свідоме виробництво потрібних людині продуктів і матеріалів за допомогою біологічних об'єктів і процесів. Біотехнологія виникла на зорі цивілізації, коли первісна людина навчилася не просто збирати корисні для себе рослини, а й вирощувати їх на оброблюваних полях, не тільки полювати на диких звірів, а й розводити приручених тварин. Ця первісна біотехнологія значно полегшила життя людини, бо вона почала отримувати значно більше їжі і сировини для виготовлення одягу, а затрачала на це менше праці. Поступово біотехнологія вдосконалювалася, людина почала створювати нові сорти культурних рослин і породи свійських тварин, учитись ефективніше їх використовувати.

На початку XX ст., коли, здавалося б, людина навчилася отримувати від природи все, що можна, виникла нова наука — генетика. Проте минуло майже 50 років, доки її результати почали приносити користь. Свідомим поєднанням випадкових спадкових змін (мутацій) людина навчилася створювати все досконаліші сорти і породи, а також різновиди (штами) корисних мікроорганізмів, на основі яких виникла мікробіологічна промисловість (див. вище).

У 50-х роках нашого століття виникла нова наука — молекулярна біологія, а ще через 20 років на її основі — генна інженерія. Всього 10 років знадобилось їй, щоб дати біотехнології нову зброю: принципову можливість свідомо створювати організми, які б продукували сполуки і здійснювали процеси, необхідні людині. Тобто можна стверджувати, що виникла нова біотехнологія, яка обіцяє людині небувалий прогрес.

Коли кажуть про нову біотехнологію, то мають на увазі генетичну і клітинну інженерію, які створили можливість переробки спадкового апарату організмів.

Клітинна інженерія

Рослини мають ряд переваг перед тваринами, бо майже у всіх рослин можна одержати з однієї соматичної клітини цілу рослину, яка має здатність до запліднення і утворення насіння. На цьому етапі діє клітинна інженерія, розвиток якої пов’язаний з технікою культивування клітин і тканин вищих організмів, яка вже пробила собі дорогу в промисловість.

Під час культивування клітини вищих рослин можуть розглядатись як типовий мікрооб’єкт, що дозволяє застосовувати до них не лише технологію і апаратуру, але і логіку експериментів, які прийняті в мікробіології. Культивовані клітини в ряді випадків зберігають тотипотентність, тобто здатність перейти до виконання програми розвитку, в результаті якого із культивованої соматичної клітини виникне ціла рослина, яка здатна до нормального розвитку і розмноження.

Крім того, потрібно підкреслити, що техніка культури соматичної клітини зараз стає винятково важливим інструментом в генетичній інженерії і біотехнології.

Для культивування можуть використовуватись клітини пухлинних тканин, клітини різноманітних органів, лімфоцити, фібропласти, ембріони і т.д. Дуже часто використовуються для наукових цілей перевиваїмі лінії, які можна культивувати як завгодно довго. Це клітини нирок людини і тварин, ракові клітини людини (Hela) т.ін.

Клітини тварин і людини вирощують в спеціальних середовищах в вигляді монослою на склі. Для вирощування суспензійних культур використовують найрізноманітніші судини-хемостати, ферментери, флакони.

Щоб клітини гарно росли, необхідне їхнє постійне переміщення. Для цього розроблені способи культивування клітин за принципом безперервної зміни середовища (хемостати). Культивування клітин проводять при визначеній температурі (37оС) і РН середовища (6,8…7,5). Основними компонентами середовищ для культури є: мінеральні солі, амінокислоти, вітаміни, антибіотики. Зараз технологія культивування деяких типів клітин тварин настільки гарно відпрацьована, що може широко використовуватись в виробничих умовах для отримання різних продуктів.

Застосування культури клітин людини і тварин для практичних цілей почалось вперше з робіт, в яких була продемонстрована можливість вирощування вірусів в культивуючих клітинах. Для цього були (1949 р.) використані клітини нирок людського зародку, нирок дорослих мавп, клітини кур’ячого ембріону, а також клітини перевиваїмих ліній – Hela, BHK-21 (клітини нирки ембріонів хом’яка) т. ін. Застосування методу клітинних культур дозволило налагодити нарощування вірусів в необхідній кількості і в досить чистому вигляді, що сприяло розвитку діагностики вірусних захворювань і отриманню необхідних для медицини вакцин.

Важливе значення для розвитку клітинної біотехнології мали праці по гібридизації соматичних клітин. В 1960 р. французький вчений Ж.Барський вперше виявив, що соматичні клітини тварин здатні зливатись і об’єднувати генетичну інформацію двох батьківських клітин. Але утворення гібридних клітин в звичайних умовах відбувається дуже рідко.

Тому була розроблена техніка гібридизації соматичних клітин з використанням інактивованих вірусів парагрипу типу Сендай, здатного “склеювати” і зливати клітини між собою. При отриманні вірусу Сендай вдалось добути гібриди клітин абсолютно різних видів організмів. Відомі міжвидові гібридні клітини, наприклад людини і миші, курчатка і людини, москита і людини, корови та норки та інші. Виявилось можливим також гібридизувати клітини з різних тканин, наприклад лімфоцити і фібропласти, нормальні та пухлинні клітини.

Метод гібридизації соматичних клітин тварин і людини зараз знайшов виключно важливе застосування для отримання моноклональних антитіл.

Відомо, що антитіла, що утворюються в організмі в відповідь на введення антигена (бактерії, вірусу і т. ін.), є білками, що називаються імуноглобулінами і захищають організм від хвороб. Але будь-яке чужерідне тіло, яке вводиться в організм, це суміш різних антигенів, що будуть збуджувати продукцію різних антитіл. До того ж в сиворотці крові імунизованих тварин антитіло завжди є сумішшю, що складається з антитіл, які продукуються різними лімфоїдними клітинами. Та для практичних цілей необхідні антитіла одного типу, тобто моноспецифічні сиворотки з одним типом антитіл. Очистка одного типу антитіл від сумішей – справа дуже складна і трудомістка. І ось в 1975 р. Келером і Мільдштеймом був розроблений спосіб отримання гібридів між лімфоцитами мишей, імунизованих перед цим якимось антигеном і культивуюмими пухлинними клітинами