Біотехнологія

Біотехноло́гія (від біо… і технологія) — міждисциплінарна галузь науки, що виникла на помежів’ї біологічних, хімічних і технічних наук.

Зміст

1 Історична довідка
2 Характеристика
3 Напрями біотехнології
4 Міжнародна класифікація біотехнології
5 Застосування
6 Біотехнологія в Україні
7 Додатково
8 Література
9 Автор ВУЕ

Історична довідка

Людство використовувало біотехнологічні процеси віддавна для виготовлення їжі (хліба, кисломолочних продуктів тощо), напоїв (у виноробстві) тощо.

Завдяки працям Л. Пастера у середині 19 століття було доведено зв’язок процесів шумування з діяльністю мікроорганізмів, що стало науковою основою для біотехнології.

Біохімік Х. Вейцман 1917 вперше застосував чисту культуру мікроорганізмів роду клостридіум — Clostridium acetobutylicum у промисловому виробництві ацетону (як сполуки необхідної для виготовлення вибухових речовин під час Першої світової війни) з кукурудзяного крохмалю. Термін «біотехнологія» уперше використав 1919 К. Ерекі (1878–1952; Угорщина) для позначення виробництва продуктів із сировини за допомогою живих організмів.

У 1940–1950-ті здійснено біосинтез пеніцилінів методами ферментації [А. Флемінг відкрив пеніцил, дослідження Г. В. Флорі, Е. Б. Чейна і Н. Гітлі (1911–2004; Велика Британія)]. Це дало поштовх розвитку мікробіологічного синтезу і створенню мікробіологічної промисловості (див. Біотехнологія мікробного синтезу).

Від 1970-х біотехнологія набула значного розвитку завдяки використанню методів інженерії генної та клонуванням клітин, організмів тварин і рослин.

Зі створенням 1972 першої рекомбінантної молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) у лабораторних умовах (лат. in vitro — у склі) групою під керівництвом П. Берга пов’язують виникнення інженерії генетичної. Відкриття дозволило свідомо змінювати генетичні структури організмів і створювати генетично модифіковані організми (ГМО). Інженерія генетична та інженерія клітинна вплинули на розвиток біотехнології.

Мікробіолог К. Хеден (1920–2009; Швеція) 1961 запропонував замінити назву видання «Журнал мікробіологічної та хімічної інженерії та технології» (англ. «Journal of Microbiological and Chemical Engineering and Technology»), де публікували дослідження з прикладної мікробіології та промислової ферментації, на інноваційну — «Біотехнологія і Біоінженерія» (англ. «Biotechnology and Bioengineering»). Відтоді почали активно використовувати термін «біотехнологія».

1978 компанією «Дженентек» [англ. «Genentech», повна назва «Генетик Інжиніринг Технолоджі» — англ. «Genetic Engineering Technology»; засновники Г. Боєр (нар. 1936; США) і Р. Суонсон (1947–1999; США)] з використанням технології рекомбінантної ДНК вперше синтезовано людський білок (інсулін).

У 1980-ті відбувався подальший розвиток генетичної інженерії (зокрема розроблено ГМО для потреб сільського господарства). К. Б. Малліс 1985 винайшов техніку, яка уможливила полімеразну ланцюгову реакцію (ПЛР), тобто дозволила швидко ампліфікувати сегменти ДНК в лабораторних умовах.

1986 виготовлено першу генетично модифіковану вакцину проти гепатиту B.

2012 Дж. Дудна та Е. Шарпантьє відкрили один із найточніших інструментів у галузі генної технології — так звані генетичні ножиці CRISPR/Cas9. Завдяки цьому інструменту науковці можуть змінювати ДНК тварин, рослин, мікроорганізмів із надзвичайно високою точністю, що розширює можливості генетичних досліджень і потенціал їх застосування в біотехнології.

Сучасна біотехнологія досягла успіхів у багатьох сферах і показала необмежені можливості використання організмів та біологічних процесів у різноманітних галузях виробництва і народного господарства.

**Міжнародна класифікація біотехнологій**
Кольори	Сфера застосування біотехнологій
Зелений	Сільське господарство та агрокультура (селекція рослин, виробництво генетично модифікованої продукції із зеленої біомаси). Екологічна біотехнологія — геомікробіологія, біопаливо.
Білий	Промислова біотехнологія. Створення організмів для виробництва корисних хімікатів. Залучення геному як рекомбінантної продуцентної платформної основи технологічного розвитку.
Червоний	Медицина. Здоров’я людини. Визначення патологій на основі генних диагностикумів. Тканинний інжиніринг. Зелені вакцини. Моноклональні антитіла.
Жовтий	Біотехнології в харчовій промисловості. Дослідження харчування.
Синій	Морська аквакультура. Сировинні ресурси Світового океану. Прибережна і морська біотехнологія (залучення морської біоти з метою отримання біологічно активних речовин для застосування в медицині, харчовій промисловості).
Коричневий	Біотехнологія аридних зон і культур. Пов’язана з управлінням посушливими землями та пустелями. Створення покращеного насіння для екстремальних умов, сільськогосподарської техніки та управління ресурсами.
Темний (Чорний)	Біотероризм. Біотехнології у військовій справі.
Фіолетовий	Публікації. Патенти. Інвестиції.
Сірий	Технологія біопрогресу. Захист довкілля (очищення стічних вод, перероблення відходів, санація та рекультивація ґрунту), збереження біорізноманіття.
Золотий	Нанобіотехнології. Біоінформатика.

Характеристика

Біотехнологія застосовує теоретичні і практичні здобутки мікробіології, біохімії, молекулярної біології, генетики, фізіології та цитології, прогресивних хімічних технологій, пов’язана з клітинною біологією, генетикою молекулярною, хімією біоорганічною, біоінженерією та синтетичною біологією. Біотехнологія вивчає можливості використання біологічних процесів і реакцій з метою розроблення нових методів і підходів отримання корисних організмів та речовин для застосування у різних галузях промисловості, сільського господарства, екології та медицини. Сучасні біотехнологічні процеси засновані на створенні рекомбінантних ДНК, використанні іммобілізованих ферментів, клітин і клітинних органел. Одним із ключових методів, які використовують у біотехнології, є генна інженерія.

Основні завдання біотехнології:

створення можливостей точної діагностики (див. Діагностика медична, див. Діагностика ветеринарна), профілактики (див. Профілактика в медицині, Профілактика у ветеринарній медицині) та лікування хвороб інфекційних і спадкових хвороб;
створення мікроорганізмів, які продукують різні хімічні сполуки включно з біологічно активними речовинами;
створення штамів мікроорганізмів, порід сільськогосподарських та інших тварин із поліпшеними спадковими ознаками;
значне збільшення врожайності сільськогосподарських культур шляхом створення засобів захисту рослин, біологічних добрив, рослин стійких до шкідників та впливу довкілля і сортів рослин із підвищеною поживністю;
утилізація токсичних і побутових відходів, промислових викидів, розроблення безвідходних технологій, переробка викидів, що забруднюють довкілля.

Напрями біотехнології

Залежно від призначення та застосованих методів у біотехнології виділяють окремі напрями:

мікробна технологія;
клітинна інженерія;
генна (молекулярна) інженерія;
геномна (хромосомна) інженерія;
ембріональна інженерія.

Міжнародна класифікація біотехнології

Міжнародна класифікація біотехнологій ґрунтується на сферах їх застосування із присвоєнням кожній групі галузей певного кольору. Концепцію «кольорової класифікації» біотехнологій застосовують для зручності комунікації та регулювання. Класифікація існує від 1990-х і спочатку була представлена трьома кольорами: зеленим (біотехнології в сільському господарстві), білим (промислова галузь біотехнології), червоним (біомедицина). Із розвитком і удосконаленням біотехнологій кількість кольорів зросла до десяти.

Застосування

Біотехнологія впливає на різні сфери життя суспільства: від медицини до сільського господарства та екології. Біотехнологічні процеси (на відміну від хімічних) реалізуються в «м’яких» умовах (за нормального тиску, активної реакції і невисоких температур середовища); менше забруднюють довкілля; мало залежать від кліматичних і погодних умов; не потребують великих територій, застосування пестицидів, гербіцидів та інших чужорідних для навколишнього середовища агентів.

Біотехнологія є прикладом високих технологій (найновіших, найпрогресивніших, наукомістких технологій сучасності), з якими пов’язують перспективи розвитку багатьох виробництв.

Продуктами біотехнології є ліки, біопаливо, генетично модифіковані культури та інноваційні матеріали. Біотехнології допомагають вирішувати екологічні проблеми: розроблення біорозкладного пластику та використання мікроорганізмів для очищення забруднень середовища.

Бродіння використовують для виробництва пива, вина, сиру. За допомогою ферментів у харчовій промисловості освітлюють фруктові соки, виробляють безлактозне молоко, розм’якшують м’ясо.

Біотехнологічна галузь розробляє як традиційні фармацевтичні препарати (антибіотики, гормони, інтерферони, інтерлейкіни), рекомбінантні вакцини і вакцини-антигени, так і моноклональні антитіла, які використовують для діагностики і лікування хвороб.

Біотехнології уможливили вирощування клітин, тканин і органів в лабораторії для дослідницьких і медичних цілей. Досягнення біотехнології використовують для видобутку, збагачення і переробки руд, відокремлення і концентрування металів із стічних вод як вторинної сировини, екстракції залишкових порцій нафти з родовищ. Значну роль у цих процесах відіграють мікроорганізми, що здатні існувати у надрах Землі і здійснювати там хімічні перетворення. Здатність перетворювати метали на розчинні сполуки мають бактерії. Метод бактеріального вилучення дозволяє розглядати розробку бідних родовищ як економічно доцільне виробництво.

Попри численні переваги, дедалі частіше виникають етичні та суспільні проблеми, пов’язані з використанням продуктів біотехнологій (щодо застосування ГМО, прав інтелектуальної власності тощо). Застосування біотехнології в сільському господарстві виявилося найбільш суперечливим. Активісти та групи споживачів закликають заборонити ГМО або ухвалити закони про маркування для інформування споживачів про зростання присутності ГМО в продуктах харчування.

Біотехнологія в Україні

Дослідження з біотехнології в Україні проводять у науково-дослідних установах Національної академії наук України та Національної академії аграрних наук України:

На базі Інституту клітинної біології і генетичної інженерії 1992 створено Клітинної біології міжнародний інститут. Українські вчені вперше методом гібридизації соматичних клітин отримали гібрид соматичний між турнепсом та арабідопсисом — арабідобрасіка; розвинули методи генетичної трансформації рослин та створили унікальну колекцію трансформованих форм рослин. Широко впроваджують методи мікроклонування для прискорення розмноження цінних сортів культурних рослин та клонування гібридом соматичних клітин — продуцентів моноклональних антитіл для імунодіагностики.

Додатково

У 21 столітті відбувається швидке зростання біотехнологічних галузей, чому сприяло впровадження нових продуктів, особливо в охороні здоров’я.

До 2020 розмір ринку біотехнологій у світі оцінювався в 752,88 млрд доларів, причому нові можливості для зростання з’явилися завдяки зусиллям урядів та промисловості щодо прискорення розроблення ліків і процесів схвалення продуктів.

У науковому журналі «Nature Biotechnology» публікують «Nature Portfolio» (наукові дослідження у галузі біотехнології).

Література

Ereky K. Biotechnologie der Fleisch-, Fett-, und Milcherzeugung im landwirtschaftlichen Grossbetriebe: für naturwissenschaftlich gebildete Landwirte verfasst. Berlin : P. Parey, 1919. 84 p.
Bains W. Biotechnology from A to Z. 3rd ed. Oxford : University Press, 2007. 413 p.
O’Mathúna D. P. Bioethics and Biotechnology // Cytotechnology. 2007. Vol. 53. P. 113–119.
Бондар І. В., Гуляєв В. М. Основи біотехнології. Дніпродзержинськ : Дніпровський державний технічний університет, 2009. 444 с.
IUPAC. Compendium of Chemical Terminology. Gold Book. Oxford : Blackwell Scientific Publications, 2014. 1670 p.
Gupta V., Sengupta M., Prakash J., Tripathy B. Ch. Basic and Applied Aspects of Biotechnology. Singapore : Springer Science+Business Media Singapore, 2017. 527 p.
Wheeler N. E. Responsible AI in Biotechnology: Balancing Discovery, Innovation and Biosecurity Risks // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2025. Vol. 13. 1537471.