Биотехнология — это применение научных и инженерных принципов к обработке материалов биологическими агентами для предоставления товаров и услуг. [1] С момента своего возникновения биотехнология поддерживала тесную связь с обществом. Хотя сейчас ее чаще всего ассоциируют с разработкой лекарств , исторически биотехнология была в основном связана с продуктами питания, решая такие проблемы, как недоедание и голод . История биотехнологии начинается с зимотехнологии , [2] которая началась с акцента на методах пивоварения для пива. Однако к Первой мировой войне зимотехнология расширилась, чтобы решать более крупные промышленные проблемы, а потенциал промышленной ферментации дал начало биотехнологии. Однако проекты по одноклеточному белку и газохолу не получили развития из-за различных проблем, включая общественное сопротивление, меняющуюся экономическую обстановку и сдвиги в политической власти.
Однако формирование новой области, генной инженерии , вскоре вывело биотехнологию на передний план науки в обществе, и между научным сообществом, общественностью и правительством возникли тесные отношения. Эти дебаты получили огласку в 1975 году на конференции в Асиломаре , где Джошуа Ледерберг был самым ярым сторонником этой новой области биотехнологии. Уже в 1978 году, с разработкой синтетического человеческого инсулина , утверждения Ледерберга подтвердились, и биотехнологическая индустрия быстро росла. Каждое новое научное достижение становилось медийным событием, призванным завоевать общественную поддержку, и к 1980-м годам биотехнология превратилась в многообещающую реальную отрасль. В 1988 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) одобрило в качестве лекарств только пять белков из генетически модифицированных клеток, но к концу 1990-х годов это число резко возросло до более чем 125.
Область генной инженерии остается горячей темой для обсуждения в современном обществе с появлением генной терапии , исследований стволовых клеток , клонирования и генетически модифицированных продуктов питания . Хотя в наши дни кажется вполне естественным связывать фармацевтические препараты как решения проблем здравоохранения и общества, эта связь биотехнологии, обслуживающей социальные потребности, началась много веков назад.
Биотехнология возникла из области зимотехнологии или зимургия, которая началась как поиск лучшего понимания промышленной ферментации, в частности пива. Пиво было важным промышленным, а не только социальным товаром. В Германии конца 19 века пивоварение вносило такой же вклад в валовой национальный продукт, как и сталь, а налоги на алкоголь оказались значительными источниками дохода для правительства. [3] В 1860-х годах институты и платные консалтинговые компании были посвящены технологии пивоварения. Самым известным был частный Институт Карлсберга, основанный в 1875 году, в котором работал Эмиль Кристиан Хансен, который был пионером чистого дрожжевого процесса для надежного производства однородного пива. Менее известны были частные консалтинговые компании, которые консультировали пивоваренную промышленность. Один из них, Институт зимотехники, был основан в Чикаго химиком немецкого происхождения Джоном Эвальдом Зибелем.
Расцвет и распространение энзимотехнологии пришлись на Первую мировую войну в ответ на промышленные потребности в поддержке войны. Макс Дельбрюк выращивал дрожжи в огромных масштабах во время войны, чтобы удовлетворить 60 процентов потребностей Германии в кормах для животных. [3] Соединения другого продукта ферментации, молочной кислоты , восполняли нехватку гидравлической жидкости, глицерина . На стороне союзников русский химик Хаим Вейцман использовал крахмал, чтобы устранить нехватку в Британии ацетона , ключевого сырья для кордита , путем ферментации кукурузы в ацетон. [4] Промышленный потенциал ферментации перерос свой традиционный дом в пивоварении, и «энзимотехнология» вскоре уступила место «биотехнологии».
С распространением нехватки продовольствия и истощением ресурсов некоторые мечтали о новом промышленном решении. Венгр Карой Эреки ввел в обращение слово «биотехнология» в Венгрии в 1919 году для описания технологии, основанной на преобразовании сырья в более полезный продукт. Он построил бойню на тысячу свиней, а также откормочную ферму на 50 000 свиней, выращивая более 100 000 свиней в год. Предприятие было огромным, став одним из крупнейших и самых прибыльных предприятий по производству мяса и жира в мире. В книге под названием Biotechnologie Эреки далее развил тему, которая будет повторяться в течение всего 20 века: биотехнология может обеспечить решения социальных кризисов, таких как нехватка продовольствия и энергии. Для Эреки термин «биотехнология» обозначал процесс, посредством которого сырье может быть биологически преобразовано в социально полезные продукты. [5]
Это модное словечко быстро распространилось после Первой мировой войны, когда «биотехнология» вошла в немецкие словари и была подхвачена за рубежом жадными до бизнеса частными консалтинговыми компаниями вплоть до Соединенных Штатов. В Чикаго, например, введение сухого закона в конце Первой мировой войны побудило биологическую промышленность создавать возможности для новых продуктов ферментации, в частности, рынок безалкогольных напитков. Эмиль Зибель, сын основателя Института зимотехники, отделился от компании своего отца, чтобы основать свою собственную под названием «Бюро биотехнологии», которое специально предлагало экспертизу в области ферментированных безалкогольных напитков. [1]
Вера в то, что потребности индустриального общества могут быть удовлетворены путем ферментации сельскохозяйственных отходов, была важным компонентом «химургического движения». [5] Процессы, основанные на ферментации, генерировали продукты постоянно растущей полезности. В 1940-х годах пенициллин был самым драматичным. Хотя он был открыт в Англии, он производился промышленным способом в США с использованием процесса глубокой ферментации, первоначально разработанного в Пеории, штат Иллинойс. [6] Огромные прибыли и общественные ожидания, вызванные пенициллином, вызвали радикальный сдвиг в положении фармацевтической промышленности. Врачи использовали фразу «чудодейственное лекарство», а историк его использования во время войны Дэвид Адамс предположил, что для общественности пенициллин представлял собой идеальное здоровье, которое шло вместе с автомобилем и домом мечты американской рекламы военного времени. [3] Начиная с 1950-х годов технология ферментации также стала достаточно продвинутой, чтобы производить стероиды в промышленно значимых масштабах. [7] Особое значение имел улучшенный полусинтез кортизона , который упростил старый 31-шаговый синтез до 11 шагов. [8] По оценкам, этот прогресс снизил стоимость препарата на 70%, сделав его недорогим и доступным. [9] Сегодня биотехнология по-прежнему играет центральную роль в производстве этих соединений и, вероятно, будет играть ее еще долгие годы. [10] [11]
Еще большие ожидания от биотехнологии возникли в 1960-х годах из-за процесса, который выращивал одноклеточный белок. Когда так называемый белковый разрыв угрожал мировому голоду, производство продуктов питания на месте путем выращивания их из отходов, казалось, предлагало решение. Именно возможности выращивания микроорганизмов на нефти захватили воображение ученых, политиков и коммерции. [1] Крупные компании, такие как British Petroleum (BP), сделали ставку на свое будущее. В 1962 году BP построила пилотный завод в Кап-де-Лавера на юге Франции, чтобы рекламировать свой продукт Toprina. [1] Первоначальные исследовательские работы в Лавере были проведены Альфредом Шампаньятом, [12] В 1963 году началось строительство второго пилотного завода BP на нефтеперерабатывающем заводе Grangemouth в Великобритании. [12]
Поскольку общепринятого термина для описания новых продуктов не существовало, в 1966 году в Массачусетском технологическом институте был придуман термин « белок одноклеточный » (SCP), чтобы обеспечить приемлемое и интересное новое название, избегая неприятных коннотаций микробного или бактериального. [1]
Идея «еды из нефти» стала довольно популярной к 1970-м годам, когда в ряде стран были построены установки для выращивания дрожжей, питаемых н- парафинами . Советы были особенно воодушевлены, открыв крупные заводы «БВК» ( белково-витаминный концентрат ), рядом со своими нефтеперерабатывающими заводами в Кстово (1973) [13] [14] и Киришах (1974). [ необходима цитата ]
Однако к концу 1970-х годов культурный климат полностью изменился, поскольку рост интереса к SCP происходил на фоне меняющейся экономической и культурной обстановки (136). Во-первых, цена на нефть катастрофически выросла в 1974 году, так что ее стоимость за баррель была в пять раз больше, чем два года назад. Во-вторых, несмотря на продолжающийся голод во всем мире, ожидаемый спрос также начал смещаться с людей на животных. Программа началась с видения выращивания продуктов питания для людей третьего мира, однако вместо этого продукт был запущен как корм для животных для развитых стран. Быстро растущий спрос на корм для животных сделал этот рынок экономически более привлекательным. Однако окончательный крах проекта SCP произошел из-за общественного сопротивления. [1]
Это было особенно громко сказано в Японии, где производство приблизилось к плодоношению. Несмотря на весь свой энтузиазм к инновациям и традиционный интерес к микробиологически полученным продуктам, японцы были первыми, кто запретил производство одноклеточных белков. Японцы в конечном итоге не смогли отделить идею своих новых «натуральных» продуктов от далекого от естественного значения нефти. [1] Эти аргументы были высказаны на фоне подозрения в отношении тяжелой промышленности, в которой выражалась тревога по поводу мельчайших следов нефти . Таким образом, общественное сопротивление ненатуральному продукту привело к закрытию проекта SCP как попытки решить проблему мирового голода.
Кроме того, в 1989 году в СССР обеспокоенность общественности состоянием окружающей среды заставила правительство принять решение о закрытии (или переводе на другие технологии) всех 8 заводов по производству дрожжей на парафиновой основе, которые к тому времени имелись в распоряжении Министерства микробиологической промышленности СССР. [ необходима цитата ]
В конце 1970-х годов биотехнология предложила еще одно возможное решение общественного кризиса. Рост цен на нефть в 1974 году увеличил стоимость энергии в западном мире в десять раз. [1] В ответ на энергетический кризис правительство США продвигало производство газохола , бензина с добавлением 10 процентов спирта. [3] В 1979 году, когда Советский Союз отправил войска в Афганистан, администрация Картера в ответ прекратила поставки сельскохозяйственной продукции, что привело к избытку сельского хозяйства в США. В результате ферментация сельскохозяйственных излишков для синтеза топлива казалась экономичным решением проблемы нехватки нефти, возникшей из-за ирано -иракской войны . Однако прежде чем удалось принять новое направление, политический ветер снова изменился: администрация Рейгана пришла к власти в январе 1981 года и, с падением цен на нефть в 1980-х годах, прекратила поддержку газохоловой промышленности еще до ее рождения. [1]
Биотехнология, казалось, была решением основных социальных проблем, включая мировой голод и энергетические кризисы. В 1960-х годах для борьбы с мировым голодом потребовались бы радикальные меры, и биотехнология, казалось, дала ответ. Однако решения оказались слишком дорогими и социально неприемлемыми, и решение мирового голода с помощью SCP-продовольствия было отклонено. В 1970-х годах продовольственный кризис сменился энергетическим кризисом, и здесь биотехнология, казалось, тоже дала ответ. Но снова затраты оказались непомерно высокими, поскольку цены на нефть резко упали в 1980-х годах. Таким образом, на практике последствия биотехнологии не были полностью реализованы в этих ситуациях. Но это вскоре изменилось с ростом генной инженерии .
Истоки биотехнологии достигли кульминации с рождением генной инженерии . Было два ключевых события, которые стали рассматриваться как научные прорывы, положившие начало эпохе, которая объединила генетику с биотехнологией. Одним из них было открытие структуры ДНК в 1953 году Уотсоном и Криком, а другим было открытие Коэном и Бойером в 1973 году метода рекомбинантной ДНК , с помощью которого участок ДНК был вырезан из плазмиды бактерии E. coli и перенесен в ДНК другой. [15] Этот подход мог, в принципе, позволить бактериям принимать гены и производить белки других организмов, включая людей. Популярно называемый «генной инженерией», он стал определяться как основа новой биотехнологии.
Генная инженерия оказалась темой, которая выдвинула биотехнологию на публичную сцену, и взаимодействие между учеными, политиками и общественностью определило работу, которая была проделана в этой области. Технические разработки в это время были революционными и порой пугающими. В декабре 1967 года первая пересадка сердца Кристианом Барнардом напомнила общественности, что физическая идентичность человека становится все более проблематичной. В то время как поэтическое воображение всегда видело сердце в центре души, теперь появилась перспектива того, что личности будут определяться сердцами других людей. [1] В том же месяце Артур Корнберг объявил, что ему удалось биохимически реплицировать вирусный ген. «Жизнь была синтезирована», — сказал глава Национального института здравоохранения. [1] Генная инженерия теперь была на научной повестке дня, поскольку стало возможным идентифицировать генетические характеристики с такими заболеваниями, как бета-талассемия и серповидноклеточная анемия .
Реакции на научные достижения были окрашены культурным скептицизмом. На ученых и их экспертные знания смотрели с подозрением. В 1968 году британский журналист Гордон Рэттрей Тейлор написал чрезвычайно популярную работу « Биологическая бомба замедленного действия ». В предисловии автора открытие Корнберга по репликации вирусного гена рассматривалось как путь к смертельным вирусам конца света. Аннотация издателя к книге предупреждала, что в течение десяти лет «Вы можете жениться на полуискусственном мужчине или женщине… выбрать пол своих детей… отключить боль… изменить свои воспоминания… и прожить до 150 лет, если научная революция не уничтожит нас первыми». [1] Книга заканчивалась главой под названием «Будущее — если оно вообще будет». Хотя современная наука редко представлена в фильмах, в этот период « Звездного пути » научная фантастика и научный факт, казалось, сближались. « Клонирование » стало популярным словом в СМИ. Вуди Аллен высмеял клонирование человека из носа в своем фильме 1973 года «Спящий» , а клонирование Адольфа Гитлера из выживших клеток стало темой романа 1976 года Айры Левина « Мальчики из Бразилии» . [1]
В ответ на эти общественные опасения ученые, промышленность и правительства все больше связывали силу рекомбинантной ДНК с чрезвычайно практическими функциями, которые обещала биотехнология. Одной из ключевых научных фигур, которая пыталась выделить многообещающие аспекты генной инженерии, был Джошуа Ледерберг , профессор Стэнфорда и лауреат Нобелевской премии . В то время как в 1960-х годах «генная инженерия» описывала евгенику и работу, связанную с манипуляцией человеческим геномом , Ледерберг подчеркивал исследования, которые вместо этого будут включать микробов. [1] Ледерберг подчеркивал важность сосредоточения внимания на лечении живых людей. В статье Ледерберга 1963 года «Биологическое будущее человека» предполагалось, что, хотя молекулярная биология может однажды сделать возможным изменение человеческого генотипа, «то, что мы упустили из виду, — это эвфеника , инженерия человеческого развития». [1] Ледерберг сконструировал слово «евфеника», чтобы подчеркнуть изменение фенотипа после зачатия, а не генотипа , которое повлияет на будущие поколения.
С открытием рекомбинантной ДНК Коэном и Бойером в 1973 году родилась идея, что генная инженерия будет иметь серьезные последствия для человека и общества. В июле 1974 года группа выдающихся молекулярных биологов во главе с Полом Бергом написала в Science, что последствия этой работы потенциально настолько разрушительны, что следует сделать паузу, пока ее последствия не будут продуманы. [1] Это предложение было рассмотрено на встрече в феврале 1975 года на полуострове Монтерей в Калифорнии, навсегда увековеченном местом, Асиломаром . Его историческим результатом стал беспрецедентный призыв к остановке исследований до тех пор, пока их не удастся отрегулировать таким образом, чтобы общественность не испытывала беспокойства, и это привело к 16-месячному мораторию, пока не будут установлены руководящие принципы Национальных институтов здравоохранения (NIH).
Джошуа Ледерберг был главным исключением, подчеркивая, как он делал это годами, потенциальные преимущества. В Асиломаре , в атмосфере, благоприятствующей контролю и регулированию, он распространил документ, противопоставляющий пессимизму и страхам неправильного использования преимущества, предоставляемые успешным использованием. Он описал «ранний шанс для технологии невыразимой важности для диагностической и терапевтической медицины: готовое производство неограниченного разнообразия человеческих белков . Аналогичные приложения можно предвидеть в процессе ферментации для дешевого производства основных питательных веществ и в улучшении микробов для производства антибиотиков и специальных промышленных химикатов». [1] В июне 1976 года 16-месячный мораторий на исследования истек с публикацией Консультативным комитетом директоров (DAC) руководящих принципов надлежащей практики NIH. Они определили риски определенных видов экспериментов и соответствующие физические условия для их проведения, а также список вещей, которые слишком опасны для выполнения вообще. Более того, модифицированные организмы не должны были тестироваться за пределами лаборатории или попадать в окружающую среду. [15]
Каким бы нетипичным ни был Ледерберг в Асиломаре, его оптимистичное видение генной инженерии вскоре привело к развитию биотехнологической промышленности. В течение следующих двух лет, по мере того как росла общественная обеспокоенность опасностями исследований рекомбинантной ДНК , рос и интерес к ее техническим и практическим применениям. Лечение генетических заболеваний оставалось в сфере научной фантастики, но оказалось, что производство простых человеческих белков может быть хорошим бизнесом. Инсулин , один из самых маленьких, наиболее изученных и понятных белков, использовался для лечения диабета 1 типа в течение полувека. Его извлекали из животных в химически несколько иной форме, чем человеческий продукт. Тем не менее, если бы можно было производить синтетический человеческий инсулин , можно было бы удовлетворить существующий спрос с помощью продукта, одобрение которого было бы относительно легко получить от регулирующих органов. В период с 1975 по 1977 год синтетический «человеческий» инсулин представлял собой стремление к новым продуктам, которые можно было бы производить с помощью новой биотехнологии. Микробное производство синтетического человеческого инсулина было наконец объявлено в сентябре 1978 года и было осуществлено стартапом Genentech . [16] Хотя эта компания сама не коммерциализировала продукт, вместо этого она лицензировала метод производства Eli Lilly and Company . В 1978 году также была подана первая заявка на патент на ген, ген, который производит гормон роста человека , Калифорнийским университетом , тем самым введя правовой принцип, согласно которому гены могут быть запатентованы. С момента подачи этой заявки 20% из более чем 20 000–25 000 генов, отображенных в ДНК человека, были запатентованы. [17]
Радикальный сдвиг в значении термина «генная инженерия» с акцента на унаследованных характеристиках людей на коммерческое производство белков и терапевтических препаратов был выпестован Джошуа Ледербергом. Его широкие интересы с 1960-х годов были стимулированы энтузиазмом по отношению к науке и ее потенциальной медицинской пользе. Противостоя призывам к строгому регулированию, он выразил видение потенциальной полезности. Вопреки убеждению, что новые методы повлекут за собой невыразимые и неконтролируемые последствия для человечества и окружающей среды, возник растущий консенсус относительно экономической ценности рекомбинантной ДНК. [ необходима цитата ]
MOSFET был изобретен в Bell Labs между 1955 и 1960 годами, [18] [19] [20] [21] [22] [23] Два года спустя, в 1962 году , LC Clark и C. Lyons изобрели биосенсор . [24] Биосенсорные MOSFET (BioFET) были разработаны позже, и с тех пор они широко используются для измерения физических , химических , биологических и экологических параметров. [25]
Первым BioFET был ионно-чувствительный полевой транзистор (ISFET), изобретенный Питом Бергвельдом для электрохимических и биологических применений в 1970 году. [26] [27] Адсорбционный полевой транзистор (ADFET) был запатентован П. Ф. Коксом в 1974 году, а водород -чувствительный MOSFET был продемонстрирован И. Лундстромом, М. С. Шивараманом, К. С. Свенсоном и Л. Лундквистом в 1975 году. [25] ISFET — это особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии, [25] и где металлический затвор заменен ионно -чувствительной мембраной , раствором электролита и эталонным электродом . [28] ISFET широко используется в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК , обнаружение биомаркеров в крови , обнаружение антител , измерение глюкозы , определение pH и генная технология . [28]
К середине 1980-х годов были разработаны другие BioFET, включая газовый сенсорный FET (GASFET), сенсорный FET давления (PRESSFET), химический полевой транзистор (ChemFET), эталонный ISFET (REFET), модифицированный ферментом FET (ENFET) и иммунологически модифицированный FET (IMFET). [25] К началу 2000-х годов были разработаны BioFET, такие как ДНК-полевой транзистор (DNAFET), генно-модифицированный FET (GenFET) и клеточно-потенциальный BioFET (CPFET). [28]
С корнями в промышленной микробиологии , которые уходят вглубь веков, новая биотехнологическая отрасль быстро росла, начиная с середины 1970-х годов. Каждое новое научное достижение становилось медийным событием, призванным завоевать доверие инвесторов и общественную поддержку. [16] Хотя рыночные ожидания и социальные выгоды от новых продуктов часто были завышены, многие люди были готовы увидеть генную инженерию как следующий большой шаг вперед в технологическом прогрессе. К 1980-м годам биотехнология характеризовалась зарождающейся реальной промышленностью, предоставляя названия для новых торговых организаций, таких как Организация биотехнологической промышленности (BIO).
Основное внимание после инсулина было сосредоточено на потенциальных источниках прибыли в фармацевтической промышленности: гормоне роста человека и том, что обещало стать чудесным лекарством от вирусных заболеваний, интерфероне . Рак был центральной целью в 1970-х годах, поскольку все больше болезнь связывали с вирусами. [15] К 1980 году новая компания Biogen произвела интерферон с помощью рекомбинантной ДНК. Появление интерферона и возможность излечения рака привлекли средства в обществе для исследований и усилили энтузиазм в остальном неопределенного и неуверенного общества. Более того, к тяжелому положению рака 1970-х годов добавился СПИД в 1980-х годах, предлагая огромный потенциальный рынок для успешной терапии, и, что еще более актуально, рынок диагностических тестов на основе моноклональных антител. [29] К 1988 году Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) было одобрено в качестве лекарств только пять белков из генетически модифицированных клеток: синтетический инсулин , гормон роста человека , вакцина против гепатита B , альфа-интерферон и активатор тканевого плазминогена (TPa) для лизиса тромбов. Однако к концу 1990-х годов было одобрено еще 125 генетически модифицированных препаратов. [29]
Великая рецессия привела к нескольким изменениям в способах финансирования и организации биотехнологической отрасли. Во-первых, это привело к снижению общих финансовых инвестиций в сектор в глобальном масштабе; и, во-вторых, в некоторых странах, таких как Великобритания, это привело к переходу от бизнес-стратегий, ориентированных на первичное публичное размещение акций (IPO), к поиску торговой продажи . [30] К 2011 году финансовые инвестиции в биотехнологическую отрасль снова начали расти, и к 2014 году глобальная рыночная капитализация достигла 1 триллиона долларов. [30]
Генная инженерия также достигла сельскохозяйственного фронта. Был достигнут огромный прогресс с момента появления на рынке генетически модифицированного томата Flavr Savr в 1994 году. [29] Ernst and Young сообщили, что в 1998 году 30% урожая сои в США, как ожидалось, будет получено из генетически модифицированных семян. В 1998 году около 30% урожая хлопка и кукурузы в США, как ожидалось, также будут продуктами генной инженерии . [29]
Генная инженерия в биотехнологии стимулировала надежды как на терапевтические белки, лекарства, так и на сами биологические организмы, такие как семена, пестициды, сконструированные дрожжи и модифицированные человеческие клетки для лечения генетических заболеваний. С точки зрения ее коммерческих промоутеров, научные прорывы, промышленные обязательства и официальная поддержка наконец-то сошлись воедино, и биотехнология стала обычной частью бизнеса. Сторонники экономической и технологической значимости биотехнологии больше не были иконоборцами. [1] Их послание наконец-то было принято и включено в политику правительств и промышленности.
По данным Burrill and Company, инвестиционного банка в отрасль, с момента появления этой отрасли в биотехнологии было инвестировано более 350 миллиардов долларов, а мировые доходы выросли с 23 миллиардов долларов в 2000 году до более 50 миллиардов долларов в 2005 году. Наибольший рост наблюдался в Латинской Америке, но все регионы мира продемонстрировали сильные тенденции роста. Однако к 2007 году и в 2008 году в биотехнологиях наметился спад, по крайней мере в Соединенном Королевстве, в результате снижения инвестиций в условиях неспособности биотехнологических трубопроводов обеспечить поставки и последующего снижения доходности инвестиций. [31]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )