Historia biotechnologii

Wbrew temu co zwykło się sądzić, biotechnologia nie jest nową nauką. Już od tysiącleci człowiek obserwował przyrodę i manipulował żywymi organizmami tak, aby służyły jego własnym celom. Rośliny i zwierzęta poddawał sztucznej selekcji, natomiast mikroorganizmy wykorzystywał do produkcji różnych pokarmów, np. napojów alkoholowych, sera i chleba. Prawdziwy rozwój biotechnologii rozpoczął się jednak dopiero wraz z odkryciem DNA i możliwości inżynierii genetycznej.

Historię biotechnologii można podzielić na kilka okresów, których granice wyznaczają najbardziej przełomowe odkrycia.

OKRES I (od starożytności do 1886 roku)

Szacuje się, że biotechnologia narodziła się około 8 tys. lat temu. Ze starych zapisów, takich jak np. Biblia, czy też hieroglify odnalezione na piramidach faraonów, dowiadujemy się, że wiele starożytnych ludów wykorzystywało procesy fermentacji do produkcji napojów alkoholowych i pokarmu, m.in. chleba, jogurtu, octu oraz sosu sojowego. Choć zabiegi te były nie do końca świadome, to coraz częściej zadawano sobie pytania o ich naturę.

Rozwój filozofii, której kolebką była Antyczna Grecja, sprzyjał także rozważaniom na temat roli rodziców w kształtowaniu cech potomstwa. Tego typu zagadnienia interesowały ludzi również poza Europą. Około 1000 r. Hindusi jako pierwsi zaobserwowali, że niektóre choroby występują częściej w danych rodzinach i w związku z tym zaczęli wierzyć, że dzieci dziedziczą cechy od swoich rodziców.

Wszelkie niezrozumiałe zagadnienia wciąż tłumaczono jednak przeznaczeniem i boską ingerencją. Z racji tego, że nie można było wyjaśnić w jaki sposób tworzą się niektóre organizmy, np. myszy, założono, że powstają one samoistnie z materii nieożywionej takiej jak siano lub morska piana. Była to tzw. teoria samorództwa, która szczyt popularności osiągnęła w XVII i XVIII wieku.

Dowodów na nieprawdziwość jej założeń dostarczył dopiero w 1668 roku Włoch Francesco Redi, który wykazał, że larwy much nie mogą powstawać z gnijącego mięsa. Jego eksperyment był przełomowy również z tego względu, że stanowił pierwszy przykład kontrolowanego doświadczenia. Naukowcy z tamtych czasów nie lubili bowiem „brudzić sobie rąk” i z tego względu ich wiedza opierała się jedynie na obserwacji naturalnych procesów.

Ostatecznie teorię samorództwa obalił Ludwik Pasteur (1822 – 1895) znany dziś jako ojciec mikrobiologii. Dostarczył on również dowodów na mikrobiologiczny charakter fermentacji, odkrył metodę konserwacji żywności znaną jako pasteryzacja oraz przeprowadził szczepienia ochronne człowieka.

To właśnie jego dokonania wyznaczają koniec pierwszego okresu biotechnologii, do którego innych ogromnych osiągnięć można zaliczyć m.in. wprowadzenie płodozmianu angażującego oraz ogłoszenie przez Karola Darwina teorii ewolucji.

Najważniejsze daty:

6000 r. p. n.e. – ludy Sumeryjskie i mieszkańcy Babilonu używają drożdży do produkcji piwa i wina;
100 r. p.n. e. – Chińczycy stosują pierwszy insektycyd – sproszkowaną chryzantemę;
1665 r. – Robert Hooke zaobserwował komórkową strukturę korka;
1673 r. – Antoni van Leeuwenhoek opisuje bakterie i pierwotniaki;
1701 r. – angielski ambasador w Konstantynopolu, Giacomo Pylarini, zakaża dzieci ospą, aby w ten sposób uchronić je przed późniejszymi groźnymi przypadkami w dorosłym życiu. Metoda ta zwana wariolacją polegała na przenoszeniu za pomocą igły wydzieliny ropnej z osób chorych na zdrowe;
1750-1850 r. – farmerzy z Europy zwiększają hodowlę roślin strączkowych i zaczynają stosować płodozmian;

1798 r. – Edward Jenner zakaża 8-letniego chłopca ospą krowianką i w ten sposób wywołuje u niego odporność na ospę prawdziwą;
1809 r. – Nicolas Appert opracowuje technikę wekowania (apertyzacji) polegającą na długim gotowaniu żywności w szczelnie zamkniętych naczyniach;
1850 r. – Ignaz Semmelweis odkrywa, że gorączka popołogowa jest wynikiem braku higieny u lekarzy;
1859 r. – Charles Darwin publikuje dzieło “O powstawaniu gatunków”, w którym opisuje rewolucyjną teorię ewolucji;
1863 r. – Ludwik Pasteur odkrywa proces pasteryzacji, który pozwala unieszkodliwiać mikroorganizmy przy jednoczesnym zachowaniu walorów smakowych pokarmu; Anton de Bary wykazuje że grzyby mogą być czynnikami chorobotwórczymi roślin, wyprowadza również pojęcie symbiozy;
1864 r. – Ludwik Pasteur obala ostatecznie teorię samorództwa i udowadnia, że mikroorganizmy występują również w powietrzu;
1865 r. – Grzegorz Mendel prezentuje swoje teorie na temat dziedziczenia członkom Natural Science Society w Brunn ( Austria). Jego prace pozostają jednak niezauważone; Zainspirowany pracami Pasteura Joseph Lister rozpoczyna stosowanie karbolu (roztworu fenolu) podczas zabiegów chirurgicznych;
1868 r. – Fredrich Miescher izoluje kwasy nukleinowe z komórek znajdującej się na bandażach ropy;
1871 r. – Darwin publikuje dzieło “O pochodzeniu człowieka i doborze w odniesieniu do płci”; Ernst Hoppe-Seyler odkrywa inwertazę, czyli enzym katalizujący hydrolizę sacharozy do glukozy i fruktozy. Do dziś jest on powszechnie wykorzystywany w produkcji sztucznych słodzików;
1881 r. – Ludwik Pasteur wykrywa sposób osłabiania zarazków ptasiej cholery oraz przeprowadza pierwsze szczepienia ochronne zwierząt przeciwko wąglikowi;
1882 r. – Walther Flemming ogłasza istnienie chromosomów oraz podziałów komórkowych zwanych mitozą;
1883 r. – Francis Galton tworzy termin „eugenika” odnoszący się do ulepszania kolejnych pokoleń poprzez selektywne rozmnażanie;
1884 r. – Christian Gram opisuje swoją metodę barwienia bakterii;
1885 r. – Ludwik Pasteur przeprowadza pierwsze szczepienie człowieka przeciwko wściekliźnie;

OKRES II (lata 1886 – 1940)

Drugi etap rozwoju biotechnologii był ściśle związany z rozkwitem mikrobiologii technicznej. W latach 1886-1940 ruszyła na dużą skalę produkcja związków chemicznych otrzymywanych z wykorzystaniem drobnoustrojów, tzn. etanolu, butanolu, metanolu acetonu i kwasów organicznych.

Biotechnologia na początku XX wieku zaczęła także łączyć przemysł i rolnictwo. Masowa produkcja samochodów w trakcie pierwszej wojny światowej zwiększyła gwałtownie popyt na aceton i rozpuszczalniki produkowane ze skrobi dzięki procesom fermentacji.

W tym czasie dokonano również ważnych odkryć dotyczących procesów dziedziczenia. Na nowo odkryto i ogłoszono prace Grzegorza Mendla, a Thomas Hunt Morgan wraz ze swoimi współpracownikami opublikował chromosomową teorię dziedziczenia. Głosiła ona m.in., że czynniki dziedziczności, czyli geny mieszczą się na chromosomach, w których są ułożone liniowo i zajmują ściśle określone pozycje – locus. Wyjaśniała ona też, że w czasie mejozy, a konkretnie koniugacji chromosomów homologicznych, może zachodzić zjawisko crossing-over stanowiące przyczynę zmienności rekombinacyjnej.

Lepsza znajomość mechanizmów dziedziczenia wiązała się z coraz większą popularnością eugeniki, czyli selektywnego rozmnażania prowadzącego do ulepszanie gatunków zwierząt, w tym również i człowieka. Za czasów Adolfa Hitlera, w Niemczech praktykowano tzw. programy eugeniczne, mające na celu stworzenie czystej rasy germańskiej. Prawa małżeńskie oparte na kryteriach genetycznych wprowadzono również w USA. Praktykowano tam także przymusową sterylizację.

Najważniejsze daty:

1897 r. – Eduard Buchner demonstruje, że fermentacja może zachodzić w ekstrakcie z drożdży, tzn. bez obecności nienaruszonych komórek. Jest to bardzo ważny moment w enzymologii i biochemii;
1900 r. – Hugo DeVries, Erich von Tschermak, and Carl Correns niezależnie od siebie odkryli na nowo prawa Grzegorza Mendla;
1905 r. – Edmund Wilson i Nellie Stevens ogłosili istnienie chormosomów płci (X i Y);
1905-1908 r. – William Bateson i Reginald Crudell Punnett odkrywają zjawisko sprzężenia genów;
1906 r. – Paul Erlich odkrywa Salvarsan, czyli pierwszy skuteczny syntetyczny środek bakteriobójczy;
1909 r. – Phoebus Levene odkrywa, że niektóre kwasy nukleinowe (RNA) zawierają w sobie rybozę;
1912 r. – Lawrence Bragg jako pierwszy wykorzystuje promienie rentgenowskie do celów medycznych;
1915 r. – Thomas Hunt Morgan opracowuje i publikuje chromosomową teorię dziedziczenia; Frederick Twort udowadnia istnienie czynników atakujących bakterie (fagów);
1916 r. – George Harrison Shull zakłada czasopismo naukowe Genetics;
1917-1918 r. – Sewall Wright bada dziedziczenie koloru sierści u różnych zwierząt i wykazuje, że produkcja pigmentu przebiega w uporządkowany sposób, a każdy etap wymaga innego enzymu;
1918 r. – wytwarzany z roślin aceton znajduje zastosowanie w do produkcji bomb. Na dużą skalę hoduje się również drożdże wykorzystywane do produkcji glicerolu;
1926 r. – Thomas Hunt Morgan publikuje teorię genów; Hermann Muller odkrywa, że promienie X wywołują mutacje u muszki owocówki (Drosophila melanogaster);
1928 r. – Lewis Stadler wykazuje, że mutacje mogą powstawać również w wyniku działania promieniowania UV; Alexander Fleming odkrywa działanie penicyliny, nie udaje mu się jednak wyizolować substancji czynnej;
1931 r. – trzydzieści stanów USA przyjmuje prawo obowiązkowej sterylizacji;
1933 r. – Niemcy ustanawiają prawa eugeniczne;
1934 r. – Desmond Bernal wykazuje, że niektóre duże cząsteczki, takie jak np. białka, mogą być badane za pomocą krystalografii rentgenowskiej;
1935 r. – Wendell Meredith Stanley krystalizuje wirusa mozaiki tytoniu (TMV);
1938 r. – wyizolowano substancję czynną penicyliny; powstaje termin “biologia molekularna”;

OKRES III (lata 1940-1960)

Trzeci etap to przede wszystkim tak zwana „złota era antybiotyków” z której wywodzi się wiele stosowanych obecnie leków. Wojna i związany z nią problem zakażeń u rannych żołnierzy oraz epidemii chorób u ludności cywilnej, sprawiły, że możliwości biotechnologii wykorzystywano przede wszystkim w farmacji.

W Wielkiej Brytanii i USA trwały intensywne prace nad opracowaniem metod produkcji pierwszego antybiotyku – penicyliny, a jego sukces zachęcił naukowców do poszukiwania coraz to nowych, skuteczniejszych lekarstw. Dużym osiągnięciem tamtego okresu był także postęp w projektowaniu coraz bardziej udanych fermentatorów oraz udoskonalanie metod izolowania i oznaczania związków.

Po raz pierwszy udowodniono również, że to nie białka, lecz DNA, jest nośnikiem informacji genetycznej. W 1953 roku James Watson i Francis Crick zaproponowali, powszechnie dziś znany, model podwójnej helisy.

Rozwój biotechnologii sprzyjał także badaniom nad potencjalnym zastosowaniem mikroorganizmów jako broni biologicznej. Prowadzono je głównie podczas Zimnej Wojny, czyli trwającego ponad czterdzieści lat okresu napięć między Stanami Zjednoczonymi a ZSRR.

Najważniejsze daty:

1940-1945 r. – rusza masowa produkcja penicyliny;
1943-1953 r. – rusza masowa produkcja kortyzonu, czyli hormonu nadnerczy;
1943 r. – Salvador Luria i Max Delbruck opracowują test fluktuacyjny, który sprawdza ilościowo powstawanie mutacji u bakterii. Jest to początek genetyki bakterii jako osobnej dyscypliny naukowej;
1944 r. – Oswald Theodore Avery, Colin MacLeod i Maclyn McCarty odkryli, że DNA jest odpowiedzialne za transformację pneumokoków. Jak dotychczas sądzono, że to materiałem warunkującym dziedziczenie są białka, ponieważ DNA uznawano za zbyt prostą cząsteczkę; Waksman izoluje streptomycynę – antybiotyk skuteczny w walce z gruźlicą; Frederick Sanger używa nowej metody – chromatografii, do określenia sekwencji aminokwasów a cząsteczce insuliny bydlęcej; Barbara McClintock odkrywa istnienie ruchomych elementów genomu nazwanych później transpozonami;
1946 r. – Edward Tatum i Joshua Lederberg odkrywają koniugację, czyli proces, w którym bakterie wymieniają bezpośrednio materiał genetyczny;
1950 r. – Erwin Chargaff wykazuje, że ilość Adeniny i Tyminy w DNA odpowiada zawartości Cytozyny i Guaniny. Zależność ta, znana później pod nazwą praw Chargaffa, stanowi ważny krok w poznaniu struktury DNA; Po raz pierwszy dokonano sztucznego zapłodnienia żywego inwantarza z użyciem zamrożonego nasienia;
1952 r. – Joshua Lederberg i Norton Zinder obserwują infekcje komórek bakteryjnych bakteriofagami i odkrywają proces transdukcji, czyli wymiany materiału genetycznego za pośrednictwem wirusów; Eksperyment Hersheya-Chase udowadnia, że DNA jest nośnikiem informacji genetycznej; J. Lederberg wprowadza termin “plazmid”, odnoszący się do pozachromosomowego materiału genetycznego bakterii; Dzięki mikroskopii elektronowej możliwe staje się obserwowanie anatomicznych struktur we wnętrzu komórki; Jean Brachet sugeruje, że RNA odgrywa ważną rolę w syntezie białek;
1953 r. – James Watson i Francis Crick proponują dwuniciowy, helikalny, komplementarny, antyrównoległy model cząsteczki DNA; William Hayes wykazuje, że plazmidy mogą być wykorzystywane do przenoszenia markerów genetycznych z jednej bakterii do drugą; George Otto Gey otrzymuje linię komórkową HeLa wywodzącą się z komórek raka szyjki macicy;
1955 r. – Seymour Benzer opracowuje metodę określania szczegółowej struktury genów wirusowych;
1957 r. – Francis Crick i George Gamov ogłaszają centralny dogmat wyjaśniający sposób powstawania białek na matrycy DNA; Matthew Meselson i Frank Stahl prezentują mechanizm replikacji DNA;
1958 r. – Coenberg wykrywa i izoluje polimerazę DNA;
1959 r. – Francois Jacob i Jacques Monod odkrywają istnienie operonu laktozowego;

OKRES IV (lata 1960-1975)

W tym okresie wciąż udoskonalano wytwarzane szczepionki i surowice, białka paszowe pochodzenia drobnoustrojowego, czyste aminokwasy, enzymy i polisacharydy otrzymywane za pomocą drobnoustrojów.

Produkcja biotechnologiczna wyszła jednak poza ramy mikrobiologii, gdyż podjęto pierwsze próby opracowania skutecznych metod hodowli komórek organizmów wyższych in vitro

Nowe możliwości pojawiły się w 1970 roku, gdy dwaj badacze – Hamilton Smith i Kent Wilcox wyizolowali pierwszy enzym restrykcyjny, czyli tzw. molekularne nożyce, za pomocą których możliwe jest cięcie cząsteczki DNA w ściśle określonych miejscach. Zaledwie trzy lata później udało się stworzyć pierwszy transgeniczny organizm – bakterię zawierającą geny wirusa.

Najważniejsze daty:

1961 r. – Marshall Nirenberg dodaje do ekstraktu pałeczek E.coli syntetyczne RNA złożone jedynie z Uracylu i stwierdza powstawanie aminokwasu fenyloalaniny. Jest to pierwszy krok do rozszyfrowania kodu genetycznego;
1965 r. – ustalono, że geny warunkujące odporność bakterii na antybiotyki są często zawarte w plazmidach. Odkrycie to zapoczątkowuje klasyfikację plazmidów; Harris i Watkins dokonują fuzji mysich i ludzkich komórek;
1966 r. – Marshall Nirenberg, Heinrich Mathaei i Severo Ochoa łamią kod genetyczny;
1969 r. – genetyk Leonard Herzenberg projektuje fluorescencyjny cytometr przepływowy identyfikujący do 5 tys. różnych komórek zwierzęcych;
1970 r. – Peter Duesberg i Peter Vogt odkrywają pierwszy onkogen w wirusie – gen SRC; Hamilton Smith i Kent Wilcox izolują pierwszy enzym restrykcyjny – HindII; Howard Temin i David Baltimore niezależnie od siebie odkrywają enzym odwrotną transkryptazę; Torbjörn Oskar Caspersson i Lore Zech, wraz ze współpracownikami, opisują pierwszą metodą prążkowego barwienia chromosomów;
1972 r. – Paul Berg tworzy pierwszą zrekombinowaną cząsteczkę DNA; wykorzystuje do tego enzym restrykcyjny i ligazę; W Kaliforni przeprowadzono pierwsze udane eksperymenty z klonowaniem DNA;
1973 r. – stworzono pierwszy organizm zawierający zrekombinowane DNA; Bruce Ames opracowuje test identyfikujący związki chemiczne niszczące DNA;

OKRES V (od II połowy lat 70-tych)

Powstanie nowej dziedziny zwanej inżynierią genetyczną zrewolucjonizowało produkcję białek. Możliwość selekcjonowania poszczególnych genów i wprowadzania ich do innych żywych organizmów pozwoliła wydajnie pozyskiwać różne substancje pożyteczne dla człowieka, np. insulinę niezbędną dla osób chorych na cukrzycę.

Mimo ogromnych korzyści wynikających z tego typu badań, ich rozwój zaczął budzić liczne wątpliwości na tle prawnym i etycznym, a dotyczyły one przede wszystkim ewentualnych manipulacji ludzkim organizmem oraz uwolnienia organizmów genetycznie zmodyfikowanych do środowiska.

Obawy te nie zahamowały jednak dalszych prac, w wyniku których poznawano zapis genetyczny coraz to nowych organizmów, w tym również i człowieka. Tak zwany Projekt Poznania Ludzkiego Genomu (ang. The Human Genome Project) zaangażował naukowców z wielu państw i przyczynił się do znacznego rozwoju technik badania DNA, np. mikromacierzy.

Uzyskane wyniki opublikowano w 2001 roku na łamach Science oraz Nature i umieszczono w internetowej bazie danych. Do dziś mają one ogromne znaczenie dla dalszych badań nad ludzkim genomem, m.in. stwarzają one ogromne możliwości biologii ewolucyjnej, czyli dziedziny interdyscyplinarnej badającej pochodzenie gatunków od wspólnych przodków.

Najważniejsze daty:

1975 r. – George Köhler, Cesar Milstein Niels Jerne opracowują metodę tworzenia przeciwciał monoklonalnych;
1976 r. – Herbert Boyer i Robert Swanson zakładają firmę biotechnologiczną Genentech, Inc.; Narodowy Instytut Zdrowia (NIH) publikuje pierwsze wytyczne dotyczące eksperymentów wykorzystujących rekombinowane DNA;
1977 r. – Genentech, Inc. Rozpoczyna produkcję somatostatyny – pierwszego ludzkiego białka produkowanego w bakteriach; Walter Gilbert i Allan Maxam opracowują metodę sekwencjonowania zasad DNA za pomocą specyficznego rozszczepienia łańcuchów;
1978 r. – Genentech, Inc. i The City of Hope National Medical Center wykorzystują technologię rekombinowanego DNA do produkcji insuliny; David Botstein i jego współpracownicy odkrywają RFLP czyli polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych (ang. restriction fragment length polymorphisms);
1980 r. – zespół Kary’ego Mullisa prezentuje rewolucyjną technikę PCR, czyli łańcuchową reakcję polimerazy (ang. polymerase chain reaction);
1981 r. – Naukowcy z Ohio University wprodukują pierwsze transgeniczne myszy;
1984 r. – Alec Jeffreys proponuje nową metodę zwaną fingerprintingiem DNA;
1985 r. – przeprowadzono pierwsze badania terenowe genetycznie zmodyfikowanych roślin odpornych na insekty, wirusy i bakterie;
1986 r. – Peter Schultz opisuje metodę otrzymywania abzymów, czyli przeciwciał o charakterze enzymatycznym; Chiron Corp otrzymuje licencją na pierwszą rekombinowaną szczepionkę przeciwko zapaleniu wątroby; EPA (ang. Environmental Protection Agency) zatwierdza uwolnienie pierwszej genetycznie zmodyfikowanej rośliny – tytoniu;
1990 r. – GenPharm International, Inc. tworzy pierwszą transgeniczną krowę produkującą mleko zawierające ludzkie białka, przeznaczone do produkcji preparatów dla niemowląt; Po raz pierwszy zastosowano terapię genową. Pacjentką była 4-letnia dziewczynka z niedoborem odporności. Jej leczenie wywołało liczne dyskusje na tematy etyczne; Rozpoczęto Projekt Poznania Ludzkiego Genomu (ang. The Human Genome Project);
1991 r. – początek Mendelian Inheritance in Man – internetowej bazy danych o wszystkich opisanych chorobach uwarunkowanych genetycznie;
1992 r. – armia USA rozpoczyna zbieranie próbek krwi i tkanek od swoich rekrutów. Utworzona baza danych ma ułatwić ewentualną identyfikację poległych w walce osób;
1993 r. – FDA (ang. Food and Drug Administration) ogłasza, że żywność genetycznie zmodyfikowana jest bezpieczna i nie wymaga stosowania specjalnych przepisów;
1994 r. – wyprodukowano ziemniaka Flavr Savr, czyli pierwsze genetycznie zmodyfikowane pożywienie zaakceptowane przez FDA;
1995 r. – Naukowcy z Duke University Medical Center przeszczepiają pawianowi serce pobrane od genetycznie zmodyfikowanej świni i udowodniają tym samym, że możliwe jest przeprowadzanie transplantacji pomiędzy gatunkami;
1996 r. – zsekwencjonowano genom drożdży piekarskich – Saccharomyces cerevisiae; Narodziła się owca Dolly, pierwsze zwierzę sklonowane z komórek somatycznych dorosłego osobnika metodą transferu jąder komórkowych;
1997 r. – skonstruowano sztuczne ludzkie chromosomy;
1998 r. – zsekwencjonowano genom nicienia Caenorhabditis elegans;
2000 r. – zsekwencjonowano genom pierwszej rośliny – Arabidopsis thaliana;
2001 r. – na łamach Nature i Science opublikowano sekwencję ludzkiego genomu;

Obecnie biotechnologia znajduje zastosowanie w wielu różnych dziedzinach – medycynie, farmacji, rolnictwie, bioremediacji, produkcji żywności i energii. Analizy DNA są coraz powszechniej wykorzystywane w kryminalistyce i archeologii podczas badania odnajdowanych szczątków. Historia tej nauki jest zatem nadal tworzona przez naukowców z całego świata.

Autor: Anna Kurcek

Literatura:
1. Russel S., 1990. Biotechnologia. Biblioteka problemów. Tom dwieście dziewięćdziesiaty trzeci. Warszawa. Państwowe Wydawnictwo Naukowe.
2. Biotech Chronicles. http://www.accessexcellence.org/AB/BC/
3. Lane J. A.; History of Genetics timeline. http://www.accessexcellence.org/AE/AEPC/WWC/1994/geneticstln.html
4. St. Louis Science Center. Some Highlights in the History of Biotechnology. http://www.slsc.org/uploadedFiles/Biotech%20timeline.pdf
5. A food biotechnology timeline. http://archive.innovation.gov.au/Biotechnologyonline/foodag/timeline.html
6. DNA from the Beginning. http://www.dnaftb.org/#classical
7. Duenes S., Journey to the Genome. The New York Times. http://www.nytimes.com/library/national/science/062700sci-genome-timeline.html