Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX-X, 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.
Биотехнология обеспечивает производство антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, вакцин, сывороток, пищевых продуктов, создание трансгенных микроорганизмов, растений, животных, переработку и утилизацию отходов и т.д.. Достижения биотехнологии используются также при создании векторных генетических конструкций для генетической диагностики и терапии заболеваний, для разработки инженерных конструкций с использованием биомолекул (биосенсоры, биоэлементы).

С древнейших времен биотехнология применялась человеком для изготовления вина, в сыроварении и других вариантах приготовления пищи. Биотехнологический процесс, а именно брожение, использовался еще в древнем Вавилоне для производства пива.Об этом свидетельствуют найденные при раскопках записи на дощечках. К эмпирическому периоду относятся также получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты(процесс молочнокислого брожения), силосование кормов. Но несмотря на активное использование этих методов, процессы, лежавшие в основе этих производств, оставались загадкой.

Данный период связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 - 1895) - основоположника научной микробиологии. Пастер установил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики, опроверг представления о самопроизвольном зарождении живых существ из неживого, разработал метод пастеризации и др.

Этиологический период развития биотехнологии знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальную природу микробов и выделить их в виде чистых культур. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). Л. Пастер приготовил первую жидкую питательную среду в 1859 году. Метод выращивания одноклеточных грибов на желатине предложил О. Брефельдв в 1864 году. Ж. Ролен сообщил о жидких средах для выращивания нитчатых грибов в 1870 г. Р. Коху в 1876 г. удалось вырастить бациллы сибирской язвы в капле водянистой влаги, извлеченной из глаза погибшей коровы. В 80-е годы XIX столетия Р. Кох предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и затем - на агаризованных питательных средах, которые активно используются в лабораториях и по сей день. Также в этот период было начато изготовление пищевых прессованных дрожжей, некоторых продуктов обмена, ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот. А во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Немеркнущая слава Пастера не затмила имен его выдающихся учеников и сотрудников: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлана, Ж.А. Вильемена, И.И. Мечникова. В этот же период проводили свои исследования Р. Кох, Д Листер, Ш. Китазато, Г.Т. Риккетс, Д И. Ивановский, А. Лаверан и другие.

В начале осени 1928 года британский микробиолог Александр Флеминг вернулся из отпуска и, войдя в свою лабораторию, принялся осматривать своё рабочее место. Поборником порядка учёный не был, и перед отъездом оставил несколько немытых чашек Петри (для работы с бактериями).
Всё бы ничего, но в чашках остались не просто какие-то безобидные бактерии, а сам Staphylococcus aureus - серьёзный патоген, вызывающий нагноения.
Осматривая чашки с микроорганизмами, Флеминг подметил, что на чашках появилась плесень. Поместив образцы под микроскоп, учёный был удивлен: стафилококков в местах скопления плесневого грибка не оказалось.
Флеминг дал название веществу, выделяемому плесневым грибком Пенициллом - он назвал его пенициллином. После проведения большого количества опытов Ученый убедился в том, что это вещество действительно может убивать разные виды болезнетворных бактерий.

Флеминг не смог научиться получать пенициллин, поэтому сначала практическая медицина не очень заинтересовалась его открытием. Теми, кто изобрел пенициллин как медицинский препарат, были Х.Флори и Э.Чейн. Они вместе со своими соратниками выделили чистый пенициллин и создали на его основе первый в мире антибиотик. Выступая позже перед общественностью, Флеминг предупреждал, что не стоит использовать пенициллин, пока заболевание не будет диагностировано, а если антибиотик всё-таки необходим, то нельзя использовать пенициллин в течение короткого времени и в совсем малых количествах, поскольку при этих условиях у бактерий развивается устойчивость к антибиотикам.

В 1944 году, во время Второй мировой войны, ученые Соединенных Штатов смогли промышленным способом получать пенициллин. Апробация препарата заняла немного времени. Практически сразу пенициллин стали использовать вооруженные силы союзников для лечения раненых. Когда война закончилась, гражданское население США тоже смогло приобрести чудо-лекарство.

Пенициллины обладают преимущественно бактерицидным эффектом. Они препятствуют синтезу пептидогликана, являющегося основным компонентом клеточной стенки бактерий, а именно подавляют транспептидазную реакцию синтеза компонентов клеточной стенки (например D-аланина). Блокирование синтеза пептидогликана приводит к гибели бактерии.
Поскольку пептидогликан и пенициллинсвязывающие белки отсутствуют у млекопитающих, пенициллины практически не имеют серьёзных побочных эффектов. Однако у некоторых больных могут развиться аллергические реакции на пенициллин, которые проявляются в виде кожных высыпаний, отека гортани и повышения температуры, анафилактического шока.
В настоящее время группа пенициллинов включает более 10 антибиотиков, которые в зависимости от источников получения, особенностей строения и антимикробной активности подразделяются на несколько групп. Вместе с тем некоторые антибиотики, прежде всего это касается карбоксипенициллинов и уреидопенициллинов, свое первоначальное значение утратили, и сейчас в виде монопрепаратов не применяются.
Пенициллины применяют при пневмонии, сепсисе, бактериальной ангине, гангрене и других заболеваниях, вызванных грамположительными бактериями.
С примерной схемой промышленного производства пенициллина можно ознакомиться ниже.

Мало кто знает, что открытие пенициллина на самом деле принадлежит нашей стране. Еще начале 1870-х годов, за 58 лет до открытия пенициллина Флемингом, исследованием плесени одновременно занимались медики Алексей Герасимович Полотебнов и Вячеслав Авксентьевич Манассеин. Русские ученые изучили грибок Penicillium glaucum, подробно описали основные, в частности бактериостатические, свойства зелёной плесени. Полотебнов, выяснив лечебное действие плесени на гнойные раны и язвы, рекомендовал использовать плесень для лечения кожных заболеваний. Его работа «Патологическое значение зелёной плесени» вышла в 1873 году. Но идея на тот момент не получила дальнейшего практического применения.

Данный период начался в 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возможность направленных манипуляцией с генетическим материалом бактерий.
Естественно, что без фундаментальной работы Ф.Крика и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК (1953) было бы невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и репликации ДНК, выделение и изучение специфических ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций.
Сегодня учёные могут в пробирке разрезать молекулу ДНК в желательном месте, изолировать и очищать отдельные её фрагменты, синтезировать их из двух дезоксирибонуклеотидов, могут сшивать такие фрагменты. Результатом таких манипуляций являются "гибридные", или рекомбинантные молекулы ДНК, которых до этого не было в природе.

Принципиальная особенность генной - способность создавать структуры ДНК, которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия преодолела барьер, существующий в живом мире, где генетический обмен осуществляется только в пределах одного вида или близкородственных видов организмов. Она позволяет переносить гены из одного живого организма в любой другой. Эта новая техника открыла безграничные перспективы создания микроорганизмов, растений и животных с новыми полезными свойствами.Конечно, нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность. Вот почему во всех развитых странах мира правила работы, законы, регулирующие генно-инженерную деятельность. Закон о "генно-инженерной деятельности" принят и парламентом РФ в июле 1996 г.
Невозможно рассказать о всех аспектах применения техники генной инженерии в биотехнологии или научных исследованиях. Приведём лишь несколько примеров, иллюстрирующих возможности этого метода.

Одно из наиболее важных направлений генной инженерии - производство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека. Следует напомнить, что в большинстве случаев белки человека (как и других животных) видоспецифичны, т.е. для лечения человека можно использовать только белки человека. Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в нужных количествах.

В 1980 - 1985 гг. в нескольких лабораториях мира, в том числе и в СССР, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Очень важно, что они быстро растут, используют дешёвую питательную среду и синтезируют большое количество белка.

Возможность синтезировать инсулин принципиально важна для людей с сахарным диабетом. Впервые искусственный синтез инсулина в начале 1960-х почти одновременно осуществили Панайотис Катсоянис в Питтсбургском университете и Гельмут Цан в РВТУ Ахена. Первый генно-инженерный человеческий инсулин получен в 1978 году Артуром Риггсом и Кэйити Этакурой в НИИ Бекмана при участии Герберта Бойэра из с помощью технологии рекомбинантной ДНК (рДНК), ими же налажены первые коммерческие препараты такого инсулина — НИИ Бекмана в 1980 году и Genentech в 1982 (под брендом Humulin). Рекомбинантный инсулин производят пекарские дрожжи и кишечная палочка.

В настоящее время в мире получили разрешение на применение более 30 препаратов, созданных методами генной инженерии, и более 200 находятся на разных стадиях клинических исследований. Сейчас более 20% фармацевтического рынка лекарств составляют лекарства новой биотехнологии.

Значительные успехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и тканей растений в пробирке и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток. Более того, с конца XX века ведутся работы по созданию генно-модифицированных растений, обладающих лучшей урожайностью, приспособленностью к перенесению неблагоприятных условий среды и другими улучшенными биологическими характеристиками по сравнению с обычными растениями. В 1993 году было разрешено употребление в пищу первого ГМ растения-помидора.
Все работы в области биотехнологии XX века невозможно уместить в одной статье, однако хотелось бы подробнее остановиться на создании человеком первого клона -овечки Долли.

Следует отметить, что само по себе существование клонов не было в нашем мире чем-то новым. Все организмы, размножающимся бесполым или вегетативным путем являются, по сути, клонами своих родителей, так как они имеют идентичный родительскому геном. Близнецы-это тоже клоны друг друга, потому как их генетический материал одинаков. Однако появление клонов, созданных человеком искусственно, стало настоящим прорывом в науке.

Как же создаются клоны?
Учёные решили, что для клонирования нужно взять зиготу (оплодотворённую яйцеклетку) одного животного, удалить из неё генетический материал и вставить вместо него ядро соматической (не половой) клетки другого животного. При естественном половом размножении дочерний организм получает одинарный набор генов от половой клетки отца и такой же — от яйцеклетки. Клон в момент своего создания тоже получает двойной набор генов, но только от одного родителя. Правда, полной генетической копией получившийся организм всё-таки не будет: в каждом геноме есть определённое количество случайных мутаций, которые не совпадают даже у клонов.

Но мутации — это не главная проблема, с которой столкнулись учёные в середине XX века. Дело в том, что соматической является любая клетка тела, кроме половой, а любая клетка тела имеет свою дифференциацию. Иными словами, в каждой клетке работают только те гены, которые нужны ей для выполнения «служебных обязанностей», различных у каждого органа. Исследователи боялись, что, пересадив в зиготу такой специализированный генетический материал, они создадут нежизнеспособный клон. Эти сомнения развеял Джон Гёрдон, после того как в 1962 году смог клонировать лягушку описанным способом.
Так был открыт путь к клонированию животных. Однако далее всё пошло совсем не так гладко: долгие годы исследователи разных стран не могли повторить опыт Гёрдона на более сложных животных. Тогда они решили упростить себе задачу: в зиготу помещали не ядро соматической клетки, а клетку эмбриона. Успеха здесь добились учёные из двух стран: советские генетики создали мышь Машу, а британские — овец Меган и Мораг.

А потом в Рослинском университете (Великобритания) появилась Долли — первое млекопитающее, полученное в результате слияния яйцеклетки и специализированной соматической клетки. Что же группа Яна Вилмута(Иэна Уилмута) изменила в опыте, чтобы Долли смогла появиться на свет?
Исследователи совсем немного поменяли технологию: вместо зиготы они использовали неоплодотворённую яйцеклетку.
Но даже эти перемены не привели группу к абсолютному успеху. Долли появилась из одной из 277 яйцеклеток; 28 её близнецов успели развиться до состояния эмбрионов, а родилась только она. Вряд ли такую технологию можно назвать успешной и ставить на поток, но в конце 1990-х не это занимало умы учёных. Главным было доказать, что млекопитающих можно клонировать с помощью соматической клетки. С этой точки зрения появление Долли стало грандиозным успехом.

Овца прожила шесть лет и родила шестерых ягнят. Правда, шесть лет — это маловато для овец, которые, как правило, умирают в возрасте 10—12 лет, но по официальной версии смерть Долли с последствиями клонирования никак не связана: два года овца страдала от артрита, а в конце жизни ещё и подхватила тяжёлый лёгочный вирус. 14 февраля 2003 года одно из самых знаменитых животных усыпили. Мечты о парке Юрского периода
В последующем были клонированы из исходного материала (клетки молочной железы) ещё четыре овечки, которые также носят клички Dollies.
В дальнейшем британскими и другими учёными были проведены эксперименты по клонированию различных млекопитающих, включая лошадей, быков, кошек, собак. В них также использовалась технология замещения ядер ооцита ядрами соматических клеток, взятых у живых взрослых теплокровных животных (мышь,свинья, коза,корова). Также проводились эксперименты по той же технологии с клонированием замороженных мёртвых животных.
Важно отметить, что продолжительность жизни клона обычно не отличается от продолжительности жизни обычной особи вида.

Клонирование может быть использовано как для сохранения вымирающих видов, так и для воспроизводства трансгенных, искусственных видов и пород. Но такие простые методы, как те, что применялись при получении Долли, не могут решить проблему генетического многообразия. Для её решения необходимо разрабатывать более дорогие и гибкие подходы. В последние годы ученые все больше стремятся возродить уже вымерших организмов с помощью технологии клонирования.

Биотехнология как область знаний и динамически развиваемая промышленная отрасль призвана решить многие ключевые проблемы современности, обеспечивая при этом сохранение баланса в системе взаимоотношений «человек - природа - общество», ибо биологические технологии (биотехнологии), базирующиеся на использовании потенциала живого по определению нацелены на дружественность и гармонию человека с окружающим его миром. В настоящее время биотехнология подразделяется на несколько наиболее значимых сегментов: это «белая», «зеленая», «красная», «серая» и «синяя» биотехнология.

К «белой» биотехнологии относят промышленную биотехнологию, ориентированную на производство продуктов, ранее производимых химической промышленностью, - спирта, витаминов, аминокислот и др. (с учетом требований сохранения ресурсов и охраны окружающей среды). Зеленая биотехнология охватывает область, значимую для сельского хозяйства. Это исследования и технологии, направленные на создание биотехнологических методов и препаратов для борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и домашних животных, создание биоудобрений, повышение продуктивности растений, в том числе с использованием методов генетической инженерии.
Красная (медицинская) биотехнология - наиболее значимая область современной биотехнологии. Это производство биотехнологическими методами лекарственных препаратов с использованием технологий клеточной и генной инженерии.
Серая биотехнология занимается разработкой технологий и препаратов для защиты окружающей среды; это рекультивация почв, очистка стоков и газовоздушных выбросов, утилизация промышленных отходов и деградация токсикантов с использованием биологических агентов и биологических процессов.
Синяя биотехнология в основном ориентирована на эффективное использование ресурсов Мирового океана. Прежде всего, это использование морской биоты для получения пищевых, технических, биологически активных и лекарственных веществ.