Лекция 1 БИОТЕХНОЛОГИЯ: ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ПОЛОЖЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПРОГРАММЫ РАЗВИТИЯ. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ВОДНЫХ БИОРЕСУРСОВ

Биотехнология – это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий и др.), биологических процессов (ферментация, гидролиз), биологически активных веществ (органических и неорганических), с применением или без генной инженерии. Это междисциплинарная прикладная наука, направленная на инженерное решение химико-биологическими методами прикладных задач с использованием биологических объектов и процессов. Главная цель биотехнологии более полное использование потенциала живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. Люди выступали в роли биотехнологов пищевых продуктов на протяжении тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании. Древнейшим биотехнологическим процессом, используемым в пищевых целях, является брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. Уже в 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов. Термин «биотехнология» появился в нашем языке не так давно, вместо него ранее употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия», «прикладная молекулярная биология» и другие. Исторические приоритеты начала научного развития биотехнологии оспариваются несколькими научными направлениями. Сторонники «медицинского» направления утверждают, что биотехнология стала формироваться как наука, начиная с исследований французского ученого Луи Пастера (1822 1895) основоположника современной иммунологии. Ученые-биологи утверждают, что развитие биотехнологии в обществе началось с использования культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм которых обеспечивает выработку специфических веществ, полезных для определенных целей. Профессиональные химики убеждены, что открытие академика К.С. Кирхгофа в 1814 г. явления биологического катализа и получение на его основе сахара стало началом развития науки биотехнологии. Согласно решению Европейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 г., биотехнология это обоснованное применение знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической техники в технологических процессах, которое позволяет извлекать выгоду из свойств микроорганизмов, клеточных культур и других биологических 8 материалов. Биотехнология дает возможность получать с помощью легко доступных и возобновляемых ресурсов те вещества и соединения, которые важны для жизни и благосостояния людей. Биотехнология как наука сегодня стремительно совершенствуется и рассматривается в двух аспектах традиционном и современном. Традиционная биотехнология это наука о методах и технологиях изготовления различных продуктов на основе биопотенциала природных биологических объектов и процессов (ферментация, экстракция, диффузия, обезвоживание и др.), что реализуется в современных пищевых технологиях хлебопечении, квашении, виноделии, пивоварении, производстве кисломолочных и сыро-вяленых изделий и т.д. Современная биотехнология это наука о генно-инженерных и клеточных методах создания и использования генетически трансформированных биологических объектов, создаваемых для повышения эффективности производства и получения новых видов продукции, полезных для общества. Высшим достижением современной биотехнологии является генетическая инженерия, то есть трансформация и перенос чужеродных генов (носителей наследственности) в другие организмы (трансгенные или генетически модифицированные организмы ГМО) с новыми или усиленными Свойствами и признаками. Всплеск исследований по генетической инженерии в мировой науке приходится на 80-е годы XX столетия. В этот период новые методологические подходы обеспечили переход к эффективному использованию методов генетической инженерии в науке и практике, появилась реальная возможность извлечь из этого экономический эффект. Согласно прогнозам уже в первой половине XXI века биотехнологические товары, полученные с применением методов генетической инженерии, будут составлять четверть всей мировой продукции. В нашей стране развитие биотехнологии началось в 80-е годы. В этот период была разработана и осуществлялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы межведомственные биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные кадры биотехнологов, организованы специализированные лаборатории и кафедры в научно-исследовательских учреждениях и вузах. В 1985 г. по уровню развития биотехнологии СССР занимал 2-е месте после США. Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехнологии в стране ослабло, а финансирование данных исследований было сокращено. В результате развитие биотехнологии в России замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня. В настоящее время в РФ принята «Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 г.», которая призвана вывести отечественную биотехнологическую науку и промышленность на новый уровень. Сегодня существует несколько классификаций и видов биотехнологии. По мировой классификации с 2003 г. биотехнология как область знаний подразделяется на «белую» (промышленная или микробиологическая), «красную» (медицинскую или фармакологическую), «зеленую» (агробиотехнология), «голубую» (эффективное использование морских ресурсов) и «серую» (разработка технологий и препаратов для защиты окружающей среды). С учетом сфер применения биотехнологических принципов в настоящее время выделяются следующие основные виды биотехнологии: производство пищевых продуктов нового поколения и глубокая переработка продовольственного сырья (пищевая биотехнология), производство препаратов нового поколения для сельского хозяйства (сельскохозяйственная биотехнология), полезное применение микроорганизмов и их метаболитов (промышленная биотехнология), изготовление лекарственных препаратов повышенного качества (биофармацевтика и биомедицина), получение новых средств диагностики и реактивов (биопротеомика), обоснование безопасных методов защиты окружающей среды (природоохранная или экологическая биотехнология), очистка вод, грунтов и атмосферы биологическими объектами (биоремедиация), применение в технических устройствах принципов живой природы (бионика), повышение добычи полезных ископаемых из недр земли биологическими методами (биогеотехнология), получение и использование современных энергоносителей (биоэнергетика), комплексное использование лесных ресурсов (лесная биотехнология), применение информационных технологий в биологии (биоинформатика), развитие биотехнологических направлений в экономике (биоэкономика), инновационное рыбоводство с применением специализированных кормов и комплексная переработка объектов аквакультуры (аквабиотехнология) и др. Современная пищевая биотехнология особенно ярко представлена в таких отраслях пищевой промышленности, как пивоварение, виноделие, мясная, молочная, рыбная и другие. В данных отраслях создание продукции нового поколения ведется с использованием обоснованного биопотенциала сырья растительного, животного происхождения, рыбы и морепродуктов, микроорганизмов, а также пищевых технологических добавок нового поколения. В качестве приоритетных добавок применяются натуральные белковые препараты, липидные концентраты, пробиотики и пребиотики, минорные компоненты, ферменты, продукты микробиологического синтеза, биологически активные вещества, функциональные ингредиенты и др. В современной пищевой биотехнологии применяют не только ее традиционные формы, но и новые аналитические приемы (генная инженерия, нанотехника, биоинформатика, молекулярная биология и др.). Например, производство спирта по общепринятой технологии сегодня использует для повышения эффективности процесса брожения наряду с традиционными приемами (использование дрожжей) и продукты современной биотехнологии (новые расы дрожжей, улучшенные методами генной инженерии), что способствует увеличения выхода спирта. Основными объектами современной пищевой биотехнологии являются новые и традиционные сырьевые источники с комплексным использованием биопотенциала, биотехнологические процессы в пищевых производствах (биодеградация, биосинтез, биомодификация и др.), создание новых биологически ценных пищевых продуктов на принципах безотходности, экологичности, безопасности. Это биологически активные вещества (БАВы) и добавки (БАДы) к пище; обогащенные БАВми продукты; функциональные изделия, благотворного влияющие на организм; специализированные продукты заданного состава и свойств (для детей, пожилых людей, спортсменов и др.); лечебнопрофилактические изделия. К важной сфере пищевой биотехнологии относится использование биопотенциала биологических отходов, дикорастущих растений, продуктов пчеловодства, дрожжей, водорослей, бактерий, отдельных клеток живых организмов для получения биологически активных веществ (белков, аминокислот, липидов, минеральных веществ, витаминов, ферментов, минорных компонентов) в качестве отдельных пищевых ингредиентов или в составе пищевых технологических добавок. Таким образом, биотехнология представляет собой синтез науки и практики во многих сферах, являясь междисциплинарной областью знаний, базирующейся, прежде всего, на биологии, химии и инженерии. Это конвергентная наука, которая опирается на теоретические и методические положения микробиологии, молекулярной биологии, физиологии, генетики, цитологии, биохимии, биофизики, вирусологии и иммунологии, химических технологий, экологии, инженерии продуктов питания, фармацевтических и медицинских продуктов, нефтепереработки и т.д. Практически все сферы развития современного общества базируются в той или иной степени на биотехнологии, образуя новую отрасль экономики биоэкономику. Главное достоинство России, которое позволяет успешно развивать биоэкономику, это огромный потенциал биомассы: 22 % мировых запасов леса (1180 млн га); отходы от деревообработки составляют 200 млн м 3 /год; ежегодный объем органических отходов составляет 625 млн т; ежегодный объем промышленных и муниципальных отходов составляет 165 млн т; 10 % мировых запасов пахотных земель (195 млн га); производство зерна составляет более 80 млн т/год. Развитие современной биотехнологии в России базируется на следующих нормативных документах: «Комплексная программа развития биотехнологии в РФ до 2020 г. («БИ02020»), Федеральный закон от 28.06.2014 г. N 172-ФЗ «О стратегическом планировании в Российской Федерации», «Стратегия научно-технологического развития РФ до 2030 года» («Стратегия-2030»). Основные положения комплексной программы развития биотехнологии в Российской Федерации на период до 2020 года. Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 г. утверждена Правительством РФ 24.04.2012 г. Обоснование необходимости разработки Программы обусловлено актуальностью инновационного развития современной экономики по трем ключевым направлениям: информационные технологии, нанотехнологии и биотехнологии. При этом сфера биотехнологий, при всей ее перспективности и огромных потенциальных размерах новых рынков, пока не получила достаточного импульса для развития в России (за исключением биофармацевтики). По оценкам специалистов, мировой рынок биотехнологий в 2025 г. достигнет от 5 7 до 30 % ежегодно. Доля России по ряду сегментов (биоразлагаемые материалы, биотопливо) практически равна нулю. Потребителями продукции биотехнологий являются преимущественно высокоразвитые страны: США, Канада, Япония и Европейский союз. Однако в течение текущего десятилетия в технологическую гонку включились и развивающиеся страны: Китай, Индия, Бразилия, которые реализуют масштабные программы развития по всему спектру биотехнологий. Важность биотехнологий для развития российской экономики трудно переоценить. Модернизация технологической базы современного промышленного производства невозможна без массового внедрения биотехнологий и биотехнологических продуктов. Более того, для целого ряда отраслей (агропищевой сектор, лесной сектор, ряд подотраслей химической и нефтехимической промышленности, фармацевтической) будет означать переход на биотехнологические методы и продукты. Методы биотехнологии позволяют полностью переработать отходы агропромышленного комплекса, в ряде стран само понятие «отходы» для этого сектора уже перестает существовать. Значительный потенциал развития биоэнергетики может быть реализован за счет использования отходов лесопромышленного комплекса. Тенденция к замене химических продуктов биологическими сформировалась 30 40 лет назад. Тогда СССР активно участвовал в этом процессе: были созданы крупные промышленные предприятия, система отраслевых и академических научных центров, в сельском хозяйстве, пищевой и химической промышленности активно внедрялись новые биологические препараты. За прошедшие 20 лет в мире созданы принципиально новые биотехнологии и продукты, а производство ранее известных существенно оптимизировано. Россия почти не участвует в этом процессе. В итоге более 80 % биотехнологической продукции, которая потребляется в России, является импортом, а объемы потребления биотехнологической продукции в России остаются несопоставимо низкими по сравнению как с развитыми, так и с развивающимися странами. Цель Программы выход России на лидирующие позиции в области разработки биотехнологий, в том числе по отдельным направлениям биомедицины, агробиотехнологии, промышленной биотехнологии и биоэнергетики, и создание глобально конкурентоспособного сектора биоэкономики, который наряду с наноиндустрией и информационными технологиями должен стать основой модернизации и построения постиндустриальной экономики. Задачи Программы: 

- создание инфраструктуры развития биотехнологии в России;

- формирование и реализация приоритетных инновационных и инвестиционных проектов в биотехнологии;

- широкомасштабное развертывание биоиндустрии в регионах России по всем секторам биотехнологии;

- поддержка развития науки о жизни и физико-химической биологии; - создание современных образовательных программ и системы подготовки кадров в области биотехнологии; - сохранение и развитие биоресурсного потенциала Российской Федерации как основы биоиндустрии;

- решение актуальных социально-экономических, энергетических, экологических и других проблем страны методами и средствами биотехнологии;

- интеграция отечественной биотехнологии в мировую биоэкономику;

- совершенствование правовой, экономической, информационной и организационной базы для развития биотехнологии.

С учетом имеющихся научных заделов и тенденций, потенциала развития рынков и социально-экономического эффекта выделяются следующие приоритеты:

- биофармацевтика и биомедицина;

- промышленная биотехнология и биоэнергетика;

- сельскохозяйственная и пищевая биотехнология;

- лесная биотехнология; - природоохранная (экологическая) биотехнология;

- морская биотехнология.

Промышленная биотехнология использование биопотенциала микроорганизмов в промышленных целях. Приоритетами обозначены:

• Производство ферментов

• Биотехнологическое производство аминокислот

• Организация производства глюкозо-фруктозных сиропов

• Производство полисахаридов

• Производство субстанций антибиотиков

• Производство биодеградируемых полимеров

• Создание биотехнологических комплексов по глубокой переработке древесной биомассы

• Перевод предприятий химической промышленности на возобновляемое сырье

• Применение биогеотехнологии в горнодобывающей промышленности

• Глубокая переработка зерновых и других сельскохозяйственных культур

• Развитие принципов биорефайнинга на основе производства целлюлозы

• Производство биотоплива на основе древесных отходов

• Производство ларвицидных препаратов

Лapвициднaя oбpaбoткa – этo мeтoд эффeктивнoй бopьбы c личинкaми мyх, кoмapoв, клeщeй и дpyгих нaceкoмых. Пoдoбнaя мeтoдикa пpинocит бoльшe пoльзы, ecли ee иcпoльзoвaть в бopьбe c cинaнтpoпными ocoбями, нa cтaдии личиннoгo paзвития. Нaceкoмыe oкaзывaют вpeдoнocнoe вoздeйcтвиe тoкcинaми нa opгaнизм чeлoвeкa. Пepeд пpoвeдeниeм лapвициднoй oбpaбoтки тpeбyeтcя выпoлнить aнaлиз пoпyляции и paзвития вpeдных нaceкoмых в тoй или инoй oблacти. Лapвициднaя oбpaбoткa пpeдcтaвляeт coбoй кoмплeкcнoe вoздeйcтвиe, cocтoящee из мeхaничecких и химичecких мepoпpиятий. Лapвицид, пo лaтыни larvacide, пpeдcтaвляeт coбoй cпeциaльнo paзpaбoтaнный инceктицид, кoтopый дeйcтвyeт aктивными вeщecтвaми нa нaceкoмых в пepиoд личинoчнoй cтaдии. Лapвициды – этo oбщee нaимeнoвaниe пpeпapaтoв, иcпoльзyeмых для зaщиты pacтитeльных кyльтyp.

Биоэнергетика использование в энергетике возобновляемого сырья. Приоритетами обозначены:

• Производство электрической энергии и тепла из биомассы

• Поглощение (утилизация) эмиссии парниковых газов, образуемых в энергетических производственных циклах, промышленных и коммунальных стоках, для интенсификации производства непищевой биомассы

• Предотвращение и ликвидация последствий вредного антропогенного воздействия на окружающую среду энергетической отраслью методами биоконверсии

• Биоэнергетическое машиностроение

• Производство биотоплива и его компонентов из биомассы с заданными химмотологическими свойствами

• Промышленное производство непищевой биомассы для получения топливноэнергетических ресурсов, включая технологии селекции и методы биоинженерии

• Энергетическая утилизация отходов

Сельскохозяйственная биотехнология применение биологических методов при ведении сельского хозяйства. Приоритетами обозначены:

• Биологическая защита растений

• Сорта растений, созданные с использованием методов биотехнологии • Технологии молекулярной селекции животных и птицы

• Трансгенные и клонированные животные

• Биотехнология почв и биоудобрения

• Биопрепараты для животноводства

• Кормовой белок

• Переработка сельскохозяйственных отходов

• Биологические компоненты кормов и премиксов.

Развитие биотехнологии в сельском хозяйстве РФ предусматривает использование принципов биорефайнинга глубокой комплексной переработки биомассы с получением пищевых продуктов, биотоплива и сырья для химической промышленности. По прогнозам ОЭСР к 2030 году до 30 % мирового производства компонентов для химической промышленности и полимеров будет производиться на основе принципов биорефайнинга. Преимуществами производства биопродуктов на основе биорефайнинга являются: использование возобновляемого сырья; возможность одновременного производства широкой гаммы продуктов (биопродукты и энергоносители); экологическая безопасность; содействие территориальному и социальному развитию. Недостатками получаемых таким образом биопродуктов являются их высокая себестоимость и зависимость спроса от рыночных цен на нефть и газ. Структура продуктов, получаемых с применением принципов биорефайнинга, приведена на рисунке 1.1. Видно, что в основном из биомассы в настоящее время получают кормовые продукты и добавки. Доля пищевых изделий невелика (15 %).

Рисунок 1.1 – Продукты, получаемые из биомассы с применением принципов биорейфантинга (данные мировой статистики) (Мезенова О. Я., 2016)

Современное понимание биорефайнинга предполагает опережающее развитие производства биотоплива на основе глубокой переработки биомассы с одновременным получением ценных продуктов с высокой добавочной стоимостью (компонентов для химической промышленности, биополимеров и биоматериалов и т.д.). Развитие системы биорефайнинга должно основываться на учете экономических, социальных и экологических потребностей и включать создание полной продуктовой цепочки - от получения сырья до коммерциализации готовых продуктов. Биоперерабатывающие заводы должны встраиваться в существующую производственную и логистическую инфраструктуру и быть приближены к источникам сырьевой биомассы. В социальной сфере основные результаты развития биорефайнинга проявляются в значительном повышении уровня трудозанятости, образовательной и профессиональной подготовки, улучшении экологии и здоровья населения. Пищевая биотехнология использование методов биотехнологии с целью получения пищевой продукции повышенной биологической ценности. Современная пищевая биотехнология представляет собой индустрию пищевых ингредиентов вспомогательных технологических добавок, вводимых в пищевые продукты в процессе их изготовления для повышения их полезных свойств. Большинство пищевых ингредиентов в настоящее время импортируется, в связи с чем организация их производства в России является актуальной и социально востребованной.

Приоритетами названы производства следующих биопродуктов.

1. Пищевой белок. Человек традиционно получает белки, жиры и углеводы (основные компоненты пищи) из животных и растительных источников. Уже сегодня эти источники не покрывают все увеличивающиеся потребности человечества. Комплекс мероприятий направлен на распространение технологий, превращающих малоценные отходы в белковые продукты и компоненты с высокой добавленной стоимостью.

2. Пищевые ферменты. Ферменты, применяемые в пищевых производствах, являются продуктами с высокой добавленной стоимостью, они в России практически не производятся. Развитие данного направления позволит создать компактный по масштабам, но высокоэффективный сектор, являющийся базой развития всех направлений пищевой отрасли, направленных на глубокую переработку сырья, и обладающий высоким экспортным потенциалом.

3. Пребиотики, пробиотики, синбиотики. Развитие производства продуктов данной группы является необходимым элементом для формирования в России рынка здорового питания. Задачей данного комплекса мероприятий является создание пробиотических продуктов, расширение исследований и практики внедрения в ассортимент предприятий новых продуктов и комплексных решений.

4. Функциональные пищевые продукты, включая лечебные, профилактические и детские. К функциональным пищевым продуктам относят пищевые продукты систематического употребления, сохраняющие и улучшающие здоровье и снижающие риск развития заболеваний благодаря наличию в их составе функциональных ингредиентов. Они не являются лекарственными средствами, но препятствуют возникновению отдельных болезней, способствуют росту и развитию детей, тормозят старение организма. В соответствии с мировой практикой продукт считается функциональным, если регламентируемое содержание микронутриентов в нем достаточно для удовлетворения (при обычном уровне потребления) 25-50 % от среднесуточной потребности в этих компонентах. Развитие направления является важной социальной задачей, снижающей нагрузку на сектор медицины и социально-экономический ущерб от болезней.

5. Пищевые ингредиенты, включая витамины и функциональные смеси. Пищевые ингредиенты используются для повышения питательной ценности, удлинения срока хранения, изменения консистенции и усиления вкуса и аромата продуктов. Используемые производителями пищевые ингредиенты, как правило, имеют растительное или бактериальное происхождение. Многие аминокислотные добавки, усилители вкуса и витамины, добавляемые в пищевые продукты, производятся с помощью бактериальной ферментации. В результате реализации комплекса мероприятий биотехнология должна обеспечить производителям пищевых продуктов возможность синтеза большого количества пищевых добавок, которые в настоящее время слишком дороги либо малодоступны из-за ограниченности природных источников этих соединений.

6. Глубокая переработка пищевого сырья. Биотехнология предоставляет множество возможностей усовершенствования методов переработки сырья в конечные продукты: натуральные ароматизаторы и красители; новые технологические добавки, в том числе ферменты и эмульгаторы; заквасочные культуры; новые средства для утилизации отходов; экологически чистые производственные процессы; новые средства для обеспечения сохранения безопасности продуктов в процессе изготовления. Современные технологии глубокой переработки пищевого сырья строятся на принципах безотходного производства: продукты переработки либо возвращаются в производственный цикл, либо используются в других отраслях (прежде всего в производстве парфюмерно-косметических средств, фармацевтике, сельскохозяйственном производстве). Внедрение таких технологических схем в значительной степени обусловлено достижениями современной биотехнологии, сделавшей доступным и экономически обоснованным извлечение из пищевого сырья широкой гаммы новых продуктов. В рамках комплекса мероприятий будут созданы условия для распространения технологий глубокой переработки пищевого сырья и радикального снижения отходов пищевой промышленности.

Природоохранная (экологическая) биотехнология направлена на применение биотехнологии для защиты окружающей среды и включает следующие комплексы мероприятий.

1. Биоремедиация - комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов - микроорганизмов, растений, грибов, насекомых, червей и других организмов. Экологически чистое жилье создание широкого класса биотехнологических продуктов, применяемых в производстве строительных материалов.

2. Биологические коллекции и биоресурсные центры зарегистрировано около 100 коллекций культур, состав которых охватывает практически все известные группы микроорганизмов. Морская биотехнология использование биопотенциала известных гидробионтов и создание на его основе новых видов рыб и морепродуктов, а также разработка способов их комплексного полезного использования. Значение морской биотехнологии обусловлено генетическим разнообразием и уникальным химическим составом гидробионтов, энергетической и пищевой ценностью, высокой жизнестойкостью, отсутствием в них опасных для человека вирусных заболеваний и аллергенов, химической и радиационной безопасностью, высокими функциональными свойствами, ресурсной достаточностью. В рамках направления предусмотрены следующие комплексы мероприятий: Создание сети аквабиоцентров. Аквабиоцентры являются важным элементом инфраструктуры, который обеспечивает внедрение в отрасль современных продуктов и технологий. С точки зрения задач Программы аквабиоцентры выполняют роль центра отработки технологий применения биотехнологической продукции (прежде всего специализированных кормов).

3. Глубокая переработка промысловых гидробионтов и продукции аквакультур. На основе биотехнологий из добытых рыболовством морских гидробионтов производится значительный ассортимент товаров: кормовая рыбная мука, белковый гидролизат для пищевых целей и микробиологического производства, технический, ветеринарный и медицинский рыбий жир, биополимеры и прочее биологическое сырье, полуфабрикаты, продукты потребления. В рамках данного направления, как и в случае с глубокой переработкой пищевого сырья, задачей является внедрение в практику рыбоперерабатывающих предприятий современных биотехнологических методов, способных обеспечить эффективное получение из гидробионтов широкой гаммы пищевых ингредиентов и ценных пищевых продуктов с высокой добавленной стоимостью.

Развитие аквакультуры основывается на широком использовании комбикормов, к качеству которых предъявляются особые требования. В отличие от аналогичной продукции для сельскохозяйственных животных комбикорма для рыб должны содержать повышенный уровень протеина, липидов, обменной энергии и витаминов, а также быть устойчивыми в агрессивной водной среде. В результате реализации данного комплекса мероприятий в России будет развернуто производство широкой гаммы кормов и премиксов, обеспечивающих развитие кормовой базы для аквакультуры. Дорожная карта «Развитие биотехнологий и генной инженерии на период до 2020 г.», концептуально связанная с Программой «БИО-2020», направлена на развитие внутреннего спроса на биотехнологическую продукцию и создание производственно-технологической базы для формирования новых отраслей промышленности.

Она содержит:

• уточненные и актуализированные целевые показатели и индикаторы развития биотехнологии для реализации стратегической цели выхода на уровень отечественного производства биотехнологической продукции в размере 1 % ВВП к 2020 году и создание условий для увеличения этого показателя до 3 % ВВП к 2030 году;

• предложения профильных министерств и ведомств, участников инновационного процесса по изменению законодательного регулирования, введению новых стандартов и правил оборота биопродуктов, созданию объектов инновационной инфраструктуры, введению новых механизмов поддержки отрасли, организации пилотных проектов в сфере биотехнологии и т.д.

Стратегической целью Программы является выход России на лидирующие позиции в области разработки биотехнологий, в том числе по отдельным направлениям биомедицины, агробиотехнологий, промышленной биотехнологии и биоэнергетики, и создание глобально конкурентоспособного сектора биоэкономики, который наряду с наноиндустрией и информационными технологиями должен стать основой модернизации и построения постиндустриальной экономики. Ожидается, что развитие биотехнологии во всех сферах экономики РФ (промышленность, сельское хозяйство, здраво охранение и др.), предусмотренное «Программой «БИО-2020», базирующееся на преобразующих инвестициях, призвано решить многие ключевые проблемы общества, привести к существенному социальному эффекту росту производства и потреблению продуктов питания повышенной пищевой ценности, экологизации окружающей среды, сохранению природных ресурсов и биоразнообразия, развитию децентрализованной биоэнергетики, преобразованию территорий, повышению качества жизни человека во всех сферах. Объекты биотехнологии и их определения.

Объекты биотехнологии многочисленны. Это биологические объекты (живые организмы), процессы в системах и технологиях (физико-химические, биохимические и др.), результаты изменений в биотехнологических системах (выделение энергии, синтез и деградация веществ, их взаимодействие, формирование новых свойств и др.), методы исследования (физиологические, органолептические и др.), а также качество готовой продукции (структура, состав, пищевая и биологическая ценность и др.). Биологическими объектами биотехнологии являются различные представители живой природы, которые делятся на три надцарства: эукариоты (безъядерные), прокариоты (предъядерные) и эукариоты (ядерные) и 5 царств: вирусы, бактерии, в том числе микроскопические водоросли, грибы, а также растения и животные. Вирусы представляют собой бесклеточные частицы размером несколько нанометров и видны только в электронном микроскопе. Они являются облигатными (то есть обязательными) паразитами и могут размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток вирусы существуют в виде вирионов, представляющих собой комплекс нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) с белком, которые связаны между собой нековалентными связями. Белковые молекулы, окружающие РНК или ДНК, создают оболочку вируса, называемую капсидом. По типу нуклеиновой кислоты вирусы делятся на РНК-содержащие (вирусы растений, а также вирусы, вызывающие грипп, бешенство, полиомиелит, СПИД и другие заболевания человека) и ДНК-содержащие (бактериофаги, некоторые вирусы человека и животных, например, герпеса, оспы и другие). Наряду с типичными вирусами открыты вироиды. Они представляют собой частицы, которые состоят из низкомолекулярных РНК (240 400 нуклеотидов) и не содержат капсидов. Бактерии представляют собой безъядерные, одноклеточные (как правило) организмы, размером 0,2 10,0 мкм и имеющие определенную форму (палочки, кокки, спиралевидные формы и т. д.). Внутреннее содержимое бактериальной клетки (цитоплазма) изолировано от внешней среды клеточной оболочкой, состоящей из тонкой мембраны и стенки, на которую приходится до 20 % сухого вещества бактерий. Клеточная стенка имеет сложное строение и придает бактериальной клетке определенную форму. Исключение составляют микоплазмы, у которых нет клеточной стенки и, соответственно, определенной формы. Бактериальные клетки, лишенные клеточной стенки, называются протопластами. Протопласты используются в клеточно-инженерных исследованиях. Бактерии отличаются чрезвычайным разнообразием по условиям обитания, приспособляемости, способам питания и биоэнергообразования, а также по отношению к макроорганизмам животным и растениям.

Благодаря большому разнообразию бактерий, обладающих широким диапазоном биохимического состава и своеобразием протекающих в них реакций, бактерии наиболее часто служат биотехнологическими объектами. Из биомассы бактерий получают различные органические вещества, в частности аминокислоты, разнообразные белковые вещества, в том числе ферменты. Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований, так как быстро размножаются и содержат плазмидную ДНК, способную включать в свой состав чужеродные фрагменты. Генетически модифицированные и иммобилизованные на носителях клетки бактерии используются в научно-исследовательских и промышленных целях. Наиболее изученной и широко применяемой в генно-инженерных исследованиях клеткой является кишечная палочка, обитающая в толстом кишечнике человека. Грибы, насчитывающие десятки тысяч видов, сочетают в себе черты клеток растений и животных. Они имеют клеточное ядро, как и растения прочную клеточную стенку, способны синтезировать свойственные животным полисахариды: хитин и гликоген. Наибольший интерес для биотехнологии представляют микроскопические грибы, к которым относятся дрожжи, плесневые и другие микроорганизмы, применяемые в хлебопечении, пивоварении и в молочной промышленности. Они используются также для получения спиртов, органических кислот, антибиотиков, различных биологически активных веществ и кормового белка. Самостоятельную группу организмов, представляющих собой симбиоз (сожительство) грибов с водорослями или с цианобактериями, составляют лишайники, которые являются перспективными источниками ряда биологически активных веществ. Растения, насчитывающие около 500 тыс. видов, состоят из ядерных клеток, которые имеют сложное строение и выполняют различные специализированные функции. К ним относятся водоросли, являющиеся водными организмами, и высшие растения, обитающие преимущественно на суше. Водоросли отличаются от высших растений тем, что не имеют органов и тканей, а представляют собой слоевища, состоящие из недифференцированных (одинаковых) клеток. Как и другие растения, водоросли обладают способностью к фотосинтезу и богаты, различными углеводами и пигментами. Многие виды водорослей (морская капуста, фукусовые) используются в пищу. Из водорослей получают агар-агар, каррагинаны и альгинаты полисахариды, используемые для изготовления микробиологических сред, в пищевой промышленности, медицине. Они служат источником йода и ценных полиненасыщенных жирных кислот в питании. Из микроводоросли спирулины получают БАДы, богатые селеном в биоформе активным антиоксидантом. Высшие растения многоклеточные организмы, имеющие специализированные органы, такие как корни, стебли, листья. Они состоят из тканей, образованных дифференцированными клетками. Ткани различаются химическим составом, строением и выполняют различные функции: механические, покровные, выделительные, проводящие и другие. Особое значение для биотехнологии имеет одна из тканей растений, называемая меристемой (апикльная, латеральная, интеркалярная (вставочная), раневая). Клетки меристемы способны к делению, благодаря чему осуществляется рост, а также образование тканей и органов растений. Они не утрачивают способности делиться и после удаления из растения. При выращивании на специальных питательных средах меристемные клетки дают массу делящихся клеток каллус, который можно длительно культивировать, получать из него новые растения или использовать для извлечения нужных веществ. Благодаря способности растений улавливать световую энергию солнца и использовать ее в синтезе органических веществ растения служат поставщиками многих питательных веществ для других организмов. Растения составляют большую часть биомассы Земли, поэтому производство и переработка растительного сырья для удовлетворения различных потребностей человека используется с древнейших времен. Являясь богатейшими и незаменимыми источниками разнообразных углеводов, липидов, витаминов и многих других биологически активных и минорных веществ, растения служат, прежде всего, для их получения. При этом до настоящего времени, несмотря на выдающиеся достижения биотехнологии, используются традиционные способы извлечения БАВ: экстракция, перегонка, фильтрация. В последнее время все большую роль приобретают технологии получения биологически активных веществ растительного происхождения из клеточных культур (биостимуляторы из женьшеня, противораковое средство «таксол» из коры тиса и др.), а также производство продуктов из генетически модифицированных растений. Животные бывают простейшими (одноклеточными) и высшими (многоклеточными). Как и растения, они состоят из ядерных клеток. Среди простейших имеются паразиты и возбудители болезней высших животных и человека. Культивирование их на искусственных средах чрезвычайно затруднено. Однако некоторые простейшие выращиваются и используются для целей биоиндикации, в токсикологических исследованиях и для получения отдельных веществ. Ткани высших животных являются источниками полноценного белка, липидных веществ и некоторых витаминов, необходимых для питания человека. Из внутренних органов, покровных тканей и крови животных получают различные белковые препараты (альбумин, иммуноглобулины, ферменты, коллаген, желатин, глюкозамин, хондроитин и др.), некоторые гормоны и другие биологически активные вещества. Поскольку сырье животного происхождения является наиболее дорогим, а выход конечных продуктов недостаточно высок, то в современных технологиях все чаще используются культуры клеток животных или человека, выращиваемых на искусственных средах (получение интерферона, моноклональных антител). Наиболее перспективным и экономичным способом производства биологически активных веществ является генная инженерия, позволяющая внедрить ген животного в клетку бактерии, которая начинает синтезировать нужное вещество. Так получают в настоящее время человеческий инсулин гормон белковой природы, без которого невозможен нормальный обмен веществ, гормон роста и некоторые другие вещества. Клетки растений и животных являются сложно организованными образованиями, состоящими из цитоплазмы и более плотного ядра. В цитоплазме содержатся 21 внутриклеточные органеллы: митохондрии, рибосомы и лизосомы, шероховатые и гладкие мембраны эндоплазматической сети, погруженные в водорастворимую среду клетки (цитозоль). Клетка окружена плазматической мембраной, обладающей избирательной проницаемостью благодаря наличию специальных механизмов транспорта веществ. Клеточные ядра служат для хранения генетической информации, носителем которой является ДНК. Митохондрии снабжают клетку энергией за счет окисления веществ при участии кислорода. В них синтезируются также собственные белки митохондрий. Это исключение из общего правила. Все остальные клеточные белки синтезируются на рибосомах. Лизосомы содержат ферменты для расщепления различных биополимеров. Мембраны эндоплазматической сети формируют внутреннюю структуру (каркас) клетки, на них осуществляются превращения внутриклеточных веществ, а также реакции обезвреживания чужеродных соединений (ксенобиотиков). С мембранами эндоплазматической сети связан аппарат Гольджи, представляющий собой систему микротрубочек. В аппарате Гольджи происходят реакции химической модификации белков, а также синтез резервных и секретируемых из клетки веществ. Жидкая часть клетки цитозоль содержит ферменты синтеза и анаэробного окисления веществ, а также низкомолекулярные органические и неорганические соединения. Особенностью строения растительных клеток является наличие хлоропластов, в которых происходят процессы фотосинтеза. От клеток животных растительная клетка отличается также твердой стенкой, в состав которой «ходят вещества полисахаридной природы, в том числе целлюлоза, гемицеллюлозы, пектины и полифенольный полимер лигнин. Практически все биотехнологические процессы тесно связаны с жизнедеятельностью различных групп микроорганизмов бактерий, вирусов, дрожжей, микроскопических грибов. Микроорганизмы потребляют из окружающей среды вещества, растут, размножаются, выделяют жидкие и газообразные продукты метаболизма, тем самым реализуя те изменения в системе (накопление биомассы или продуктов метаболизма, потребление загрязняющих веществ), ради которых проводят процесс культивирования. Следовательно, микроорганизм можно рассматривать как центральный элемент биотехнологической системы, определяющий эффективность ее функционирования. Особым объектом биотехнологии является хромосома нитевидная структура клеточного ядра, несущая генетическую информацию в виде генов, которая становится видной при делении клетки. Хромосома состоит из двух длинных полинуклеотидных цепей, образующих молекулу ДНК. Цепи спирально закручены одна вокруг другой. ДНК соединена с белками гистонами. Вдоль всей молекулы ДНК линейно располагаются гены. Хромосомы хорошо окрашиваются основными красителями в процессе деления клетки. В ядре каждой соматической клетки человека содержится 46 хромосом, 23 из которых являются материнскими, а 23 отцовскими. Каждая хромосома может воспроизводить свою точную копию в промежутках между клеточными делениями, так что каждая новая образующаяся клетка получает полный набор хромосом.

Ген - участок хромосомы (молекулы ДНК), кодирующий структуру одной или нескольких полипептидных цепей, или молекулу РНК, или определенную регуляторную функцию. Представляет собой определенный набор нуклеиновых кислот, кодирующий, как правило, полипептид. Кольцевые молекулы ДНК образуют плазмиды, способные стабильно существовать в автономном, не связанном с хромосомами состоянии (минихромосомы), имеющие в своем составе ген (как правило, устойчивости к антибиотикам). Совокупность всех генов организма называется геномом. Конкретный набор генов особи называется генотипом. У каждого живого организма генотип индивидуален и представляет собой ценный объект исследования генетической инженерии ветви молекулярной генетики, которая исследует возможности и способы создания лабораторным путем (in vitro) генетических структур и наследственно измененных организмов. Она позволяет проводить рекомбинацию (изменение положения генов в хромосомах) и получать рекомбинантный ген - ген, состоящий из компонентов различных генов. Следующим этапом генетической инженерии является трансгенез перенос генов в клетки и организмы многоклеточных организмов. В них имеет место экспрессия гена проявление генетической информации, записанной в гене, в форме РНК, белка и фенотипического признака. Для получения рекомбинантного гена применяются методы амплификации образование дополнительных копий хромосомных последовательностей ДНК. При этом получают клон большое число клеток или молекул, идентичных одной родоначальной клетке или молекуле. Для начала реакции амплификации в систему (in vitro) необходимо внести промотор специфическая последовательность нуклеотидов в ДНК, необходимая для инициации транскрипции (матричный синтез РНК на ДНК, осуществляемый ферментами РНК-полимеразами). Основным эффектом амплификации является редупликация ДНК самоудвоение молекулы ДНК путем образования ее копии при помощи набора ферментов (ДНК-полимераза, лигаз и др.). Методами генетической инженерии в последние годы созданы и используются в различных сферах, в том числе пищевой биотехнологии, генетически модифицированные организмы (ГМО) и источники (ГМИ). Генетически модифицированный организм (ГМО) (СанПиН 2.3.2.1078-01) это организм или несколько организмов, любые неклеточные, одноклеточные или многоклеточные образования, способные к воспроизводству или передаче наследственного генетического материала, отличные от природных организмов, полученные с применением методов генной инженерии и содержащие генно-инженерный материал: гены, их фрагменты или комбинацию генов.

Генетически модифицированные источники (СанПиН 2.3.2.1078-01) это используемые человеком в пищу в натуральном или переработанном виде пищевые продукты (компоненты), полученные из генетически модифицированных организмов. Пищевая биотехнология изучает, прежде всего, сферу переработки биологического сырья на пищевые продукты повышенной пищевой и биологической ценности.

К продуктам  пищевой биотехнологии относятся: обогащенные, функциональные, поликомпонентные и другие пищевые изделия из сырья растительного и животного происхождения; продукты микробиологического синтеза (антибиотики, ферменты, гормоны, аминокислоты, витамины и др.), используемые в пищевых технологиях, в том числе для получения пищевых технологических добавок; биологически активные вещества (БАВы), биологически активные добавки (БАДы) к пище, обладающие действенным физиологическим эффектом. Биологически активное вещество (БАВ) - это вещество, которое биологически необходимо человеку для нормальной жизнедеятельности, участвуя в ключевых биологических процессах его организма (дыхании, кроветворении и т.д.).

К биологически активным веществам относятся (СанПиН 2.3.2.1078-01): иммунные белки и ферменты, гликопептиды, лизоцим, лактоферрин, лактопероксидаза, бактериоцины молочнокислых организмов, за исключением препаратов из тканей и жидкостей человека; растения (пищевые и лекарственные), продукты моря, рек, озер, пресмыкающиеся, членистоногие, минералоорганические или минеральные природные субстанции (в сухом, порошкообразном, таблетированном, капсулированном виде, в виде водных, спиртовых, жировых сухих и жидких экстрактов, настоев, сиропов, концентратов, бальзамов): мумие, спирулина, хлорелла, дрожжи инактивированные и их гидролизаты, цеолиты и др.; продукты пчеловодства: маточное молочко, прополис, воск, цветочная пыльца, перга.

Биологически активная добавка (БАД) к пище (СанПиН 2.3.2.1078-01) это композиции натуральных или идентичных натуральным биологически активных веществ, предназначенные для непосредственного приема с пищей или введения в состав пищевых продуктов с целью обогащения рациона отдельными пищевыми или биологически активными веществами и их комплексами.

Нутрицевтики (СанПиН 2.3.2.1078-01) это БАВы к пище, применяемые для коррекции состава пищи человека (дополнительные источники нутриентов первой необходимости: белка, аминокислот, жиров, углеводов, витаминов, пищевых волокон). Нутрицевтики включают: белки, производные белков (животного, растительного, микробного и иного происхождения): изоляты, концентраты, гидролизаты белков; аминокислоты и их производные; жиры, жироподобные вещества и их производные (растительные масла, жиры рыб и морских животных, индивидуальные полиненасыщенные жирные кислоты, стерины из пищевого сырья, средне- цепочечные триглицериды, фосфолипиды и их предшественники, включая лецитин, кефалин, холин, этаноламин); витамины, витаминоподобные вещества и коферменты; минеральные вещества (макро- и микроэлементы).

Виды мумие: - медово-восковое, образовавшееся как продукт деятельности диких пчел; - горное, имеющее минеральную основу; - битумное, содержащее разложившиеся остатки растений; - экскрементное, содержащее окаменелые фекалии древних животных; - арчевое – это смола хвойных деревьев, смешанная с частицами почвы и скальных пород; - трупное – из разложившихся останков животных.

Парафармацевтики (минорные компоненты пищи) (СанПиН 2.3.2.1078-01) это БАВы, применяемые для профилактики, вспомогательной терапии и поддержки в физиологических границах функциональной активности органов и систем (источники нутриентов фармакологического действия биофлавоноиды, эфирные масла, органические кислоты и др.). Парафармацевтики включают: ферменты (растительного происхождения или полученные биотехнологическими методами на основе микробного синтеза); полифенольные соединения, в том числе с выраженным антиоксидантным действием биофлавоноиды, антоцианиды, катехины и др.; естественные метаболиты: янтарная кислота, альфа-кетокислоты, убихинон, лимонная, фумаровая, яблочная и винная кислоты, орнитин, цитрулин, креатин, бетаин, глутатион, таурин, индолы, изотиоцианаты, октакозанол, хлорофилл, терпеноиды, иридоиды, резвератрол, стевиозиды.

Эубиотики (пробиотики) (СанПиН 2.3.2.1078-01) это БАДы к пище, в состав которых входят живые организмы и (или) их метаболиты, оказывающие нормализующее воздействие на состав и биологическую активность микрофлоры пищеварительного тракта. Пребиотики (СанПиН 2.3.2.1078-01) это вещества, стимулирующие работу микроорганизмов или синтез биологически активных веществ, входящих в состав пробиотиков; к ним относятся, прежде всего, пищевые волокна: целлюлоза, пектин, полисахариды морских растений и ракообразных, различные классы олиго- и полисахаридов (фруктоолигосахариды, галактоолигосахариды природного происхождения, микробного синтеза и др.). Пробиотики (в монокультурах и в ассоциациях) включают: (СанПиН 2.3.2.1078-01) бифидобактерии, преимущественно родов Bifidobacterium, Lactobacillus, Lactococcus, Propionibacterium и др.;

Синбиотик (ГОСТ Р 52349-2005) физиологически функциональный пищевой ингредиент, представляющий собой комбинацию пробиотиков и пребиотиков, в которой они оказывают взаимно усиливающее воздействие на физиологические функции и процессы обмена веществ в организме человека. Функциональный пищевой продукт (ГОСТ Р 52349-2005) это пищевой продукт, предназначенный для систематического употребления в составе пищевых рационов всеми возрастными группами здорового населения, снижающий риск развития заболеваний, связанных с питанием, сохраняющий и улучшающий здоровье за счет наличия в его составе физиологически функциональных пищевых ингредиентов в количестве, составляющем в суточной порции продукта не менее 15 % физиологической суточной потребности.

Физиологически функциональный пищевой ингредиент вещество или комплекс веществ, а также живые организмы, входящие в состав функционального пищевого продукта, обладающие способностью оказывать благоприятный эффект на одну или несколько физиологических функций, процессы обмена веществ в организме человека при систематическом употреблении в количествах, составляющих от 15 % от суточной физиологической потребности.

Согласно ГОСТ 54059-2010 регламентирована классификация физиологически функциональных пищевых ингредиентов по оказываемому физиологическому эффекту: метаболизма субстрата, антиоксидантный, поддержания деятельности сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, зубной и костной ткани, иммунной системы. Основными функциональными пищевыми ингредиентами являются витамины, минеральные вещества, пищевые волокна, флавоноиды, полиненасыщенные жирные кислоты, пробиотики, пребиотики, фитоэстрогены. Оказывая регулирующее действие на физиологические функции, биохимические реакции, подобные продукты поддерживают физическое и духовное здоровье человека и снижают риск возникновения заболеваний. Обогащенный пищевой продукт (ГОСТ Р 52349-2005) функциональный пищевой продукт, получаемый добавлением одного или нескольких физиологически функциональных пищевых ингредиентов к традиционным пищевым продуктам с целью предотвращения возникновения или исправления имеющегося в организме человека дефицита питательных веществ.

Пищевая добавка (ТР ТС-029-2012) любое вещество (или смесь веществ), имеющее или не имеющее собственную пищевую ценность, обычно не употребляемое непосредственно в пищу, преднамеренно используемое в производстве пищевой продукции с технологической целью (функцией) для обеспечения процессов производства (изготовления), перевозки (транспортирования) и хранения, что приводит или может привести к тому, что данное вещество или продукты его превращений становятся компонентами пищевой продукции; пищевая добавка может выполнять несколько технологических функций. Вспомогательная технологическая добавка («БИО-2020») пищевая добавка, вводимая в пищевые продукты в процессе их изготовления для повышения их полезных свойств (белковой, липидной, минеральной или поликомпонентной природы).

 Биологическая ценность пищевого продукта – это степень сбалансированности продукта по биологически активным веществам нутрицевтикам и парафармацевтикам (минорным компонентам), определяемая относительно научно обоснованных физиологических норм суточного потребления человеком (МР2.3.1.2432-08).

Пищевая ценность продукта – это совокупность полезных свойств пищевого продукта, определяемых его органолептической привлекательностью, биологической ценностью, калорийностью и безопасностью.