О. А. Белов

Биотехнологии в криминалистике:
проблемы и перспективы

Монография

ebooks@prospekt.org

Информация о книге

УДК 343.98:606

ББК 67.52:28.087.1

Б43

Автор:

Белов О. А., кандидат юридических наук, доцент, доцент кафедры криминалистики Московского государственного юридического университета имени О. Е. Кутафина (МГЮА).

Рецензенты:

Кручинина Н. В., доктор юридических наук, профессор, профессор кафедры криминалистики Московского государственного юридического университета имени О. Е. Кутафина (МГЮА);

Хмелева А. В., кандидат юридических наук, руководитель управления научно-исследовательской деятельности (НИИ криминалистики) Главного управления криминалистики Следственного комитета Российской Федерации.

В монографии рассматриваются теоретические основы биотехнологии как междисциплинарной области знаний. Исследуются эволюция биотехнологических методов, применяемых в раскрытии и расследовании преступлений, проблемы и перспективы использования достижений в области биотехнологий при противодействии преступности.

Законодательство приведено по состоянию на январь 2026 г.

Предназначена для юристов, занимающихся законотворческой деятельностью, правоприменителей, судей, адвокатов, студентов юридических вузов, а также всех, кто интересуется проблемами использования биотехнологий в раскрытии, расследовании и предупреждении преступлений.

УДК 343.98:606

ББК 67.52:28.087.1

© Белов О. А., 2026

© ООО «Проспект», 2026

ВВЕДЕНИЕ

С момента становления криминалистики как самостоятельной отрасли научного знания минуло более ста лет. За эти годы она прошла длительный путь в своем развитии, выполняя свою основную задачу — содействие правоохранительным органам в раскрытии, расследовании и предупреждении преступлений, в устранении причин и условий, способствующих их совершению.

На протяжении многих лет криминалистика, стремясь решать эту задачу, «брала на вооружение» достижения различных отраслей науки и техники, адаптировала для борьбы с преступностью все, что могло пригодиться в работе следователям, экспертам, оперативным работникам. И сегодня, в эпоху стремительного развития научно-технического прогресса, инновационных технологий, когда преступники, идя в ногу со временем, изобретают высокотехнологичные способы совершения преступлений и используют современные технологии в своей преступной деятельности, эта задача для криминалистов остается особо актуальной.

В современном, быстроразвивающемся мире технологий невозможно представить эффективной работу правоохранительных органов по выявлению, раскрытию и расследованию преступлений без применения современных инновационных технико-криминалистических средств и методов противодействия преступности. Сегодня в деятельность правоохранительных органов всех стран мира, в том числе и России, активно внедряются различные наукоемкие технологии.

Одним из перспективных направлений инновационного развития современной экономики, используемых криминалистикой в борьбе с преступностью (наряду с информационными технологиями), выступают биотехнологии — ключевой тренд современности, формирующий новую стратегию развития цивилизации и занимающий лидирующие позиции в научно-техническом прогрессе.

Фундаментальные исследования жизненных процессов на клеточном и молекулярном уровнях привели общество к созданию революционных технологий и новым, ранее не существовавшим продуктам. Биотехнологии находят свое применение в широком спектре сфер деятельности, среди которых наиболее значимыми являются медицина, сельское хозяйство и пищевая промышленность.

На современном этапе развития научно-технического прогресса биотехнологии представляют собой область, которая использует широкий спектр научных методов, включая микробиологический синтез, генную инженерию, клеточную и белковую инженерию, инженерную энзимологию, культивирование клеток растений, животных и микроорганизмов, методы слияния клеток и др.

С позиции задач по противодействию преступности следует обратить внимание на огромный потенциал применения современных методов биотехнологии в правоохранительной деятельности, включая вопросы криминалистической профилактики преступлений. Новые биотехнологические разработки открывают в этом направлении весьма широкие перспективы, кардинально трансформируя процесс доказывания в уголовном судопроизводстве.

Применение биотехнологических методов сбора и интерпретации вещественных доказательств в значительной степени позволяет повысить уровень раскрываемости преступлений, в том числе нераскрытых преступлений прошлых лет. Главным образом такой прогресс в криминалистических исследованиях произошел благодаря использованию технологий ДНК-анализа, которые уже стали обыденными при расследовании различного рода преступных деяний.

В монографии рассматриваются теоретические основы биотехнологии как междисциплинарной области знаний, исследуются эволюция биотехнологических методов, применяемых в раскрытии и расследовании преступлений, а также проблемы и перспективы использования достижений в области биотехнологий при противодействии преступности.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ КАК МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОЙ ОБЛАСТИ ЗНАНИЙ

§ 1. Понятие, предмет биотехнологии и основные исторические этапы ее развития

Биотехнология — относительно недавно получившая широкое развитие наука о практическом использовании различных биологических объектов (генов, клеток, микроорганизмов, растений и животных) с целью создания медицинских препаратов, ферментов, биотоплива и биоудобрений, новых сортов растений и животных, биоразлагаемых материалов, применяемых в медицине, промышленности и сельском хозяйстве.

Термин «биотехнология» (от греч. bios — жизнь, techne — искусство, мастерство и logos — слово, учение), т. е. учение об использовании живых организмов и биологических процессов в производстве, впервые был введен в обиход венгерским инженером и экономистом Карлом Эреки в 1917 году для описания процесса крупномасштабного выращивания свиней, где в качестве корма применялась сахарная свекла. По определению Эреки, биотехнология — это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».

Второе рождение и популярность термин «биотехнология» приобрел после того, как в 1961 году шведский микробиолог Карл Герен Хеден предложил заменить название научного журнала «Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии» на «Биотехнология и биоинженерия». Журнал публиковал работы по прикладной микробиологии и промышленной ферментации. С этого момента биотехнология оказалась связанной с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов»¹. Именно эти представления и начали вкладываться в термин «биотехнология». Вместе с тем в настоящее время единого подхода к понятию биотехнологии как науки в научном сообществе до сих пор не выработано.

Современное понятие «биотехнологии», являясь абстрактным по содержанию, охватывает огромное количество направлений человеческой деятельности, в которой в той или иной степени используются живые организмы (биологические объекты) или воспроизводятся в искусственных условиях происходящие в них биологические процессы. К числу наиболее значимых из этих процессов относятся биосинтез белка и репликация ДНК.

Биотехнология как один из ключевых трендов современности, задающий новую стратегию развития цивилизации, нуждается во всестороннем осмыслении. В рамках правового поля единое понятие биотехнологий выработано Конвенцией ООН «О биологическом разнообразии» (ратифицирована Федеральным законом РФ от 17 февраля 1995 г. № 16-ФЗ), которая определяет биотехнологию как «любой вид технологии, связанный с использованием биологических систем, живых организмов или их производных для изготовления или изменения продуктов или процессов с целью их конкретного использования»².

В широком смысле биотехнологию можно понимать как применение механизмов функционирования живой клетки для получения высокоэффективных форм живых организмов с заранее заданными свойствами, полезными для хозяйственной деятельности человека. В более узком смысле — это получение организмов с заданными свойствами на основе достижений молекулярной биологии и генной инженерии³.

По мнению Е. А. Фауст, «биотехнология — это совокупность промышленных методов, в которых используют живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов»⁴. На наш взгляд, такой подход к определению биотехнологии как науки является ошибочным, поскольку в нем, по сути, сущность биотехнологии сводится только к методам научного познания.

Шевелуха В. С., Калашникова Е. А., Кочиева Е. З. и др. считают, что в традиционном, классическом, смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природных и селекционных) растений, животных и микроорганизмов в естественных и искусственных условиях⁵.

Тронин О. С. определяет биотехнологию как область науки и технологий, связанную с изучением и использованием биологических систем и организмов для создания новых продуктов, процессов и технологий⁶.

Академик И. И. Гительзон пишет: «В расширительном толковании биотехнология — это все технологические процессы, в которых используются живые организмы. Но при таком понимании все сельское хозяйство, начиная с самых первобытных его форм, нужно включить в биотехнологию. В точном понимании слова это справедливо, но вряд ли конструктивно, т. к. не содержит в себе ничего нового. Противоположная крайность — ограничить биотехнологию генно-инженерными манипуляциями. Под впечатлением недавно еще немыслимых возможностей воздействовать на геном, буквально — “лепить живые формы”, возникла тенденция оставить понятие биотехнология для обозначения только этой, безусловно, самой перспективной и самой быстро развивающейся области прикладной биотехнологии. Но при этом остается за бортом биотехнологии то, что составило ее действительную основу — биотехнологические, главным образом, промышленные микробиологические производства»⁷. По мнению ученого, биотехнологию следует определять по ее основному признаку — управлению биотехнологическими процессами. Согласно такому подходу, биотехнология представляет собой науку о способах получения целевых продуктов с помощью биосинтеза, управляемого параметрами среды или генно-инженерными манипуляциями, либо сочетанием этих воздействий.

Дусаева Х. Б. предлагает рассматривать биотехнологию в двух направлениях: традиционная, классическая, биотехнология и современная, или новейшая, биотехнология. Традиционная, классическая, биотехнология — наука о методах, технологиях производства, транспортировки, хранения, переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных нетрансгенных природных растений, животных, микроорганизмов в естественных и искусственных условиях. Современная, или новейшая, биотехнология — наука о генно-инженерных и клеточных методах, технологиях создания, использования генетически измененных растений, животных, микроорганизмов в целях улучшения производства и получения новых видов продуктов различного назначения⁸.

Наиболее точно, по нашему мнению, понятие сформулировано в работах О. С. Федоровой, которая считает, что биотехнологией называется совокупность теоретических основ, технических приемов и процессов, основанных на применении микроорганизмов и культур клеток и тканей в различных областях — промышленности, сельском хозяйстве, медицине, энергетике⁹.

Предметом биотехнологии является практическое использование биологических объектов (микроорганизмов, клеток, тканей) или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также создания живых организмов с необходимыми свойствами.

Для современного понимания сущности жизни наука проделала огромный путь через ряд крупных открытий, позволивших превратить живые системы в средства производства современной мировой экономики.

Несмотря на то что биотехнология считается относительно новой областью научных знаний, история ее возникновения и развития начинается с древнейших времен — с того момента, когда человек стал использовать микроорганизмы для производства пищевых продуктов, таких как хлеб и пиво.

В развитии биотехнологии как науки ученые выделяют четыре этапа (периода)¹⁰: эмпирический, этиологический, биотехнический и генно-технический.

Эмпирический период развития биотехнологии охватывает значительный период времени — примерно от 8000 г. до н. э. вплоть до середины XIX века. В начале этого периода древние люди еще не имели четкого представления о микроорганизмах и интуитивно использовали биотехнологические процессы для получения продуктов, основываясь на своих наблюдениях и опыте.

Первым микробиологическим процессом, примененным на практике, было брожение — процесс обмена веществ, при котором в органическом субстрате происходят изменения под воздействием микробных ферментов. Возбудителями бродильных процессов являются грибы, бактерии, дрожжи. Данные организмы легко культивируются, быстро размножаются в сравнительно простых условиях и синтезируют ферменты, вызывающие разложение органических веществ¹¹. Например, производство пива, основанное на этом процессе, было известно еще в Древнем Египте и Месопотамии. Во времена расцвета Вавилонского царства «биотехнологов» высоко ценили. Их продукция была востребована среди царей. Об этом упоминается в эпической поэме о Гильгамеше с двадцатью различными сортами пива. Хотя это звучит странно, но пивоварение — пример древнейшей биотехнологии. Кроме этого, дрожжевое тесто, вино, уксус, йогурт, сыр и квашеная капуста тоже примеры биотехнологической продукции¹².

Кисломолочные продукты получали, оставляя молоко открытым для воздуха. Молочнокислые бактерии, попадающие в молоко, перерабатывали лактозу в молочную кислоту, что приводило к скисанию молока и образованию простокваши, кефира и других кисломолочных продуктов. Начиная с четвертого тысячелетия до нашей эры человеку стали известны процессы пектинового брожения, лежащие в основе мочки прядильных растений, льна, конопли и др.

С древнейших времен человечество сталкивалось и с отрицательными результатами деятельности микроорганизмов (порча продуктов, инфекционные болезни людей и домашнего скота). Следствием этого на первых этапах были неосознанные, эмпирические попытки разработки методов и средств борьбы с этими явлениями. Так стали возникать методы консервирования продуктов¹³.

Во времена средневековья бактерии применялись в производстве сыров и других молочных изделий. Открытие в XVIII веке способности некоторых бактерий фиксировать азот из воздуха стало важным событием, которое значительно повлияло на развитие сельского хозяйства.

В XVII веке Роберт Бойл и Роберт Хук прочно вписали в историю науки свои имена, усердно потрудившись над созданием первых микроскопов. Оба ученых, являясь членами Королевского общества Лондона, вместе со своими коллегами внесли значительный вклад в развитие научных исследований.

Роберт Бойл стал в числе первых исследователей, применивших микроскопы для изучения микромира живых организмов. В 1660-х годах он занялся совершенствованием микроскопа, и его работы в этой сфере способствовали открытию множества новых микроорганизмов.

Роберт Хук оказал существенный вклад в развитие микроскопии. Его работа «Микроскопические наблюдения», изданная в 1665 году, познакомила мир с множеством ранее невидимых деталей строения живых организмов, в том числе клеток, сперматозоидов и крови.

Во второй половине XVIII века была доказана способность одного вещества разлагать другое. Это послужило началом экспериментального изучения уникальной способности ферментов к катализу специфических химических реакций. Таким образом, развитие описательной микробиологии и изучение химических превращений стали важной предпосылкой для становления микробиологии и биохимии¹⁴.

Этиологический период в истории биотехнологии охватывает сравнительно небольшой временной промежуток — с середины XIX века до 30-х годов XX века. Он ознаменовался развитием многих естественных наук, в том числе органической химии.

Данный период связан прежде всего с исследованиями французского химика Луи Пастера, оказавшего большое влияние на создание научных основ микробиологических производств. Он открыл микробную природу брожения и предложил метод стерилизации, названный впоследствии в его честь и известный сегодня как пастеризация. Пастер установил, что такие процессы, как порча продуктов, брожение и гниение, обусловлены деятельностью микроорганизмов, и выдвинул теорию о том, что эти организмы поступают в среду извне.

В 1875 году немецкий микробиолог Роберт Кох разработал метод получения чистых культур микроорганизмов, который позволил гарантировать, что в посевном материале присутствовали клетки только определенного вида.

В 1891 году японский биохимик Джокичи Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях, где он предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов¹⁵.

В 1865 году чешско-австрийский биолог Грегор Мендель по результатам своих исследований выступил с докладом в Обществе естественной истории в г. Брно о закономерностях передачи наследственных признаков. Это событие стало в итоге отправной точкой современной генетики.

В 1925 году русские ученые Георгий Надсон и Григорий Филиппов провели исследования, которые показали возможность искусственного мутагенеза микроорганизмов под воздействием жесткого излучения. Этот научный прорыв привел к развитию генетической инженерии и позволил в будущем создавать генетически модифицированные организмы.

Биотехнический период ознаменовался публикацией в 1933 году работы А. Клюйвера и Л. Х. Ц. Перкина «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой авторы представили фундаментальные технические приемы анализа и интерпретации результатов, полученных при проведении глубинного культивирования грибов. С этого момента началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях.

Период с 1934 по 1971 года отмечен активным развитием производства антибиотиков, разработкой кинетики ферментативных реакций, выяснением условий, необходимых для культивирования клеток растений, животных и человека.

После Второй мировой войны, во время бурного развития промышленных биотехнологий, были налажены производства аминокислот, освоено синтезирование стероидов, началось активное культивирование клеток животных и растений. Интактные клетки микроорганизмов обрели широкое применение в создании лекарственных препаратов стероидной природы, были развернуты крупные производства вакцин.

В 1953 году американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик, работая в лаборатории Мориса Уилкинса, на основании рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК предложили трехмерную модель ее структуры. В этом же году они опубликовали статью, в которой сделали вывод о том, что вся генетическая информация организма зашифрована в молекуле ДНК в виде биологического кода, представляющего уникальную последовательность, состоящую из бесконечной комбинации всего четырех унифицированных звеньев — нуклеотидов¹⁶.

Открытие структуры молекулы ДНК стало революционным событием в биологии и медицине, поскольку оно продемонстрировало механизм хранения и передачи генетической информации в живых существах. Это научное событие заложило основу для дальнейших исследований в генетике и биотехнологии, среди которых особо выделяются разработки методов редактирования генов и создания генетически модифицированных организмов.

Последний исторический период развития биотехнологии (генно-технический период) начался в 70-х годах XX века и продолжается в настоящее время. Он отмечен прорывом в развитии биотехнологии, характеризующимся использованием техник генной инженерии для манипулирования генетическим материалом организмов.

В 1970-е годы на стыке технологии рекомбинантных ДНК и традиционной промышленной микробиологии сформировалась новая область исследований, названная молекулярной биотехнологией. Ее главным принципом является перенос единиц наследственности (генов) из одного организма в другой с помощью методов генной инженерии, которые основаны на технологии рекомбинантных ДНК. Этот этап ознаменовал начало новой эры в биотехнологии, когда стало возможным создавать новые формы жизни, обладающие желательными свойствами, путем манипулирования генами¹⁷.

Генно-технический период представлен разработкой новых методов клонирования генов и секвенирования ДНК, а также созданием новых векторов для трансформации клеток. Эти достижения существенно повысили эффективность и точность генной инженерии. В результате были получены первые генетически модифицированные организмы, среди которых бактерии, дрожжи и растения, применяемые в различных отраслях промышленности для синтеза лекарств, продуктов питания и биотоплива.

В 1983 году американский биохимик Кэри Маллис изобрел технологию полимеразной цепной реакции (ПЦР) — метод, позволяющий создавать множество копий определенного участка ДНК. В результате применения ПЦР в научных целях стало возможным ускорить процессы исследования генетической информации. Это привело к новым открытиям и новым методам в медицине, сельском хозяйстве, криминалистике. Сегодня метод ПЦР используется для выявления генетических мутаций, диагностики заболеваний, создания генетически модифицированных организмов и использования ДНК-идентификации для установления личности в ходе расследования преступлений.

За прошедшие 20 лет в мире созданы принципиально новые биотехнологии и продукты, а производство ранее известных существенно оптимизировано.

В соответствии с определением Европейской федерации биотехнологов современная биотехнология базируется на интегральном использовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей (возможностей) микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Уже в самом предмете отражено его местоположение как пограничного, благодаря чему результаты фундаментальных исследований в области биологических, химических и технических наук приобретают выраженно прикладное значение¹⁸. Таким образом, в научном аспекте следует говорить об интегрированном подходе к пониманию природы и роли биотехнологий в развитии социума, о синтезе различных научных дисциплин¹⁹.

Возникшая на стыке биологических, химических и технических наук, современная биотехнология имеет междисциплинарный характер и объединяет множество научных дисциплин, включая молекулярную биологию, микробиологию, биохимию, генетику и химическую инженерию. Она является в настоящее время одним из приоритетных направлений науки, с которым связывают благосостояние всего человечества в обозримом будущем²⁰.

Поскольку биотехнология используется в различных отраслях промышленности и затрагивает многие сферы жизни человека, в ее структуре выделяют следующие самостоятельные направления (разделы): промышленная микробиология, медицинская биотехнология, сельскохозяйственная биотехнология, экологическая биотехнология, технологическая биоэнергетика, биогидрометаллургия, инженерная энзимология, клеточная и генетическая инженерия.

По оценкам специалистов, мировой рынок биотехнологий в 2025 году достигнет уровня в 2 трлн долларов США, темпы роста по отдельным сегментам рынка колеблются от 5–7 до 30% ежегодно.

Основная цель современной биотехнологии — промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами.

Задачи, стоящие перед современной биотехнологией, достаточно обширные, амбициозные и конкретизируются в зависимости от сферы жизни человека. Приведем некоторые, наиболее обобщенные задачи:

— разработка новых биологически активных веществ и фармацевтических средств для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);

— получение клеток и клеточных компонентов, обладающих способностью к управляемому изменению других сложных биологических структур;

— создание рекомбинантных ДНК, которые способны кодировать биосинтез особо ценных соединений;

— разработка микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений;

— создание высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;

— разработка ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для повышения продуктивности животноводства;

— разработка новых технологий получения хозяйственно ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;

— разработка безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов;

— улучшение технико-экономических характеристик биотехнологических процессов в сравнении с имеющимися.

Таким образом, биотехнология сегодня является динамично развивающейся областью, которая не только способствует инновациям во многих отраслях, но и обеспечивает устойчивое развитие и улучшение качества жизни населения планеты.

§ 2. Объекты и методы биотехнологии

Процесс любого биотехнологического производства состоит из определенного количества составляющих процедур и имеет разную степень сложности. Его сущность заключается в работе с биологическими объектами (клетками, микроорганизмами, растениями, животными и т. д.) с использованием специфических методов, называемых биотехнологическими.

Биотехнологический процесс — это совокупность последовательных этапов работы с биообъектом с целью получения конечного (целевого) продукта, включающая подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование.

Особенностями и отличиями биотехнологического процесса являются участие микроорганизмов, сложный состав питательной среды, сложный механизм метаболических ферментативных процессов, их длительность, чувствительность к внешним условиям: стерильности, кислотности, температуре, наличии или отсутствии кислорода²¹. Биотехнологический процесс начинается с предварительных лабораторных исследований, направленных на выявление биообъектов-продуцентов и всестороннее изучение их характеристик. Далее, процесс масштабируется и тестируется в промышленных масштабах, постепенно переходя от культивирования микроорганизмов в колбах к более крупным системам: лабораторным ферментерам, а затем — промышленным установкам большого объема.

Стадии биотехнологического производства, их сходство и различие определяются в зависимости от конечной цели биотехнологического процесса. В общем виде любой биотехнологический процесс включает в себя три основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную.

На предферментационной стадии осуществляются хранение и подготовка культуры продуцента (инокулята), подготовка и получение питательных субстратов и сред, герметизация и стерилизация технологического оборудования.

Ферментационная стадия является основной в биотехнологическом процессе и непосредственно связана с процессом биосинтеза. Биосинтез (ферментация) — это образование целевого продукта за счет биологического превращения компонентов питательной среды в биомассу. Ферментация — главный этап всего производства, включающий последовательные операции, в том числе размещение объекта в насыщенную необходимыми элементами и условиями среду, до получения желаемого продукта. Эту стадию проводят в биохимическом реакторе (ферментере) и может быть организована в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта различными способами²². В результате ферментации происходит процесс биотрансформации — превращение веществ с помощью микроорганизмов в определенные продукты с ценными практическими свойствами.

Получение готовой товарной продукции, а также обезвреживание отходов побочных продуктов осуществляется на постферментационной стадии. Она включает в себя: выделение субстрата, в том числе разделение, концентрирование, стабилизацию метаболитов; очистку целевого продукта, которая определяется этапами различных способов сепарации, разрушения клеточных оболочек (дезинтеграция биомассы), отделения клеточных стенок, отделения продукта, включая тонкую очистку и разделение препаратов; получение товарной формы продукта; переработку и утилизацию отходов (биомассы, культуральной жидкости).

Основными компонентами биологического процесса являются биологический агент, субстрат, целевой продукт, аппаратура и совместимость методов для управления процессом²³.

Биообъект (биологический агент) — ключевой элемент биотехнологического процесса, определяющий его сущность. Он обладает способностью преобразовывать (модифицировать) исходное сырье, создавая тем самым нужный продукт. В качестве биообъектов могут использоваться различные органические объекты, например клетки микроорганизмов, животных и растений, генетически модифицированные животные и растения, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и изолированные ферменты. Таким образом, все объекты биотехнологии относятся либо к микробам, либо к растительным и животным организмам.

Биообъект, осуществляющий полный биосинтез целевого продукта, называется продуцентом. Если же речь идет о единичном ферменте или о биообъекте, выполняющем функцию одной ферментативной реакции, востребованной в биотехнологии, то его называют промышленным биокатализатором.

Биологические объекты (биообъекты), используемые в биотехнологии, по своей природе весьма разнообразны, поэтому их можно классифицировать по нескольким основаниям.

Современные классификации живых организмов построены по иерархическому принципу. Различные уровни иерархии (или так называемые таксономические единицы) имеют собственные названия (от высших к низшим): домен, реалм, царство, тип или отдел, класс, отряд или порядок, семейство, род и, собственно, вид (виды состоят из отдельных особей). Такой принцип построения системы получил название линнеевской иерархии (по имени шведского натуралиста Карла Линнея, труды которого были положены в основу традиции современной научной систематики).

В современной биотехнологии биологические объекты принято классифицировать по их морфологической организации генетической системы: безъядерные (акариоты) — вирусы и вироиды; предъядерные (прокариоты) — бактерии и сине-зеленые водоросли (цианобактерии); ядерные (эукариоты) — царства: грибы, растения, животные. В настоящее время основным объектом биотехнологии являются прокариоты.

Вирусы — неклеточные биоагенты, видимые только под электронным микроскопом, которые могут воспроизводиться исключительно в клетках других организмов, поэтому являются паразитами. Они поражают все типы организмов, от растений и животных до бактерий и архей. Вне клеток вирусы существуют в виде вирионов. Вирион как вирусная частица состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковых молекул, создающих оболочку вируса (капсид). По типу нуклеиновой кислоты вирусы делятся на РНК-содержащие — вирусы растений, вирусы, вызывающие грипп, бешенство, и др.; ДНК-содержащие — вирусы герпеса, оспы и др. Наряду с типичными вирусами, открыты вироиды. Они представляют собой частицы, которые состоят из низкомолекулярных РНК (240–400 нуклеотидов) и не содержат капсиды.

Бактерии относятся к домену прокариотических безъядерных и, как правило, одноклеточных микроорганизмов. Бактерии обычно достигают нескольких микрометров в длину и имеют определенную форму (палочки, кокки, спиралевидные формы). Из биомассы бактерий получают различные органические вещества: аминокислоты, разнообразные белковые вещества, ферменты. Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований, так как быстро размножаются и содержат плазмидную ДНК, способную включать в свой состав чужеродные фрагменты²⁴.

Грибы — это эукариотические организмы, сочетающие в себе некоторые признаки как растений, так и животных. Биотехнология уделяет особое внимание микроскопическим грибам, таким как дрожжи, плесневые и другие микроорганизмы. Их используют в пищевой промышленности, в частности в хлебопечении, пивоварении и молочной продукции, а также для синтеза спиртов, органических кислот, антибиотиков, разнообразных биологически активных соединений и кормового белка.

Цианобактерии — крупные грамотрицательные бактерии, способные к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода. Цианобактерии относятся к наиболее сложно организованным и морфологически дифференцированным прокариотам.

Высшие растения — это многоклеточные организмы, имеющие специализированные органы (корни, стебли, листья), которым свойственна дифференциация тканей, в отличие от низших растений — водорослей.

Животные бывают простейшими (одноклеточными) и высшими — многоклеточными. Ткани высших животных являются источниками полноценного белка, липидных веществ и некоторых витаминов, необходимых для питания человека. Из органов и крови животных получают различные белковые препараты (альбумин, иммуноглобулины, ферменты), гормоны и другие биологически активные вещества²⁵.

Номенклатура биологических агентов бурно расширяется, но до настоящего времени важнейшее место занимает традиционный объект — клетка²⁶.

В клетке происходят все физиологические процессы, свойственные как одноклеточным (простейшим), так и многоклеточным организмам. Рост и размножение организмов тесно связаны с клеточным делением, которое, в свою очередь, обусловлено биохимическими реакциями, известными как обмен веществ или метаболизм.

Субстраты, как объекты биотехнологии, являются местом обитания и развития организмов и выполняют роль питательной среды. Используемые в биотехнологии питательные среды весьма разнообразны. В их состав входят источники углерода и энергии, а также минеральные элементы и ростовые факторы.

Для различных биотехнологических процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: для процесса ферментации, для выделения и получения готового продукта. Наиболее сложна и специфична аппаратура для ферментационной стадии²⁷.

В биотехнологии для управления процессами, в которых задействованы те или иные биологические объекты, используются разнообразные биотехнологические методы в целях решения большого спектра задач: диагностика и лечение болезней, повышение качества продуктов питания, борьба с загрязнением окружающей среды, устранение дефицита сырьевых и энергетических ресурсов и др. При этом методы биотехнологии чрезвычайно многообразны, как и сферы их практического применения, и могут быть классифицированы по нескольким логическим основаниям.

По степени охвата методы биотехнологии можно подразделить на общие (общенаучные) и специальные. Общенаучные методы применяются в ходе любых исследований и практической деятельности биотехнологов. Они используются не только в биотехнологии, но и в других отраслях научного знания. К общенаучным методам относятся, например, наблюдение, измерение, сравнение, эксперимент, моделирование и др.

Специальные методы биотехнологии — это такие методы, которые применяются в отдельных науках: физические, химические, физико-химические методы (например, мутагенез, инструментальные методы и т. д.), методы биологической химии, микробиологии, цитологии (например, микроскопия, клеточные технологии: культивирование, гибридизация, реконструкция и др.), молекулярно-биологические методы (молекулярные и генные технологии: рекомбиногенез, секвенирование, фаговый и клеточный дисплей и проч.), методы других наук.

В зависимости от стадии биотехнологического процесса, выделяют методы, используемые на предферментационной, ферментационной и постферментационной стадиях.

На предферментационной стадии применяют методы хранения и подготовки культуры продуцента и питательных сред. Питательные среды готовят поточным методом в специальных реакторах с мешалкой или прямо в ферментаторе.

Для стерилизации питательных сред используют непрерывный или периодический методы. Периодический метод характерен для небольших объемов и состоит в том, что среда нагревается до 120–130 °C непосредственно в ферментаторах или котлах-стерилизаторах, выдерживается при этой температуре в течение 30–60 минут, после чего охлаждается до температуры культивирования. При этом среда и оборудование стерилизуются одновременно²⁸. При работе с большими объемами питательных сред используется непрерывный метод стерилизации.

В ходе ферментации задействуются методы поверхностного и глубинного культивирования микроорганизмов. Поверхностное культивирование заключается в выращивании аэробных микроорганизмов на поверхности жидких и сыпучих питательных сред. Глубинное культивирование проводится на жидких питательных средах, в которых микроорганизмы развиваются во всем объеме питательной среды, в результате чего имеется возможность получения большого количества бактериальной массы за короткое время. Преобладающим является глубинный метод культивирования, предполагающий возможность использования всего объема питательной среды²⁹.

На постферментационной стадии применяются: методы сепарации, т. е. разделения смешанных объемов разнородных частиц (флотация, фильтрация, центрифугирование, разрушение клеток); методы выделения целевого продукта из культуральной жидкости (осаждение, экстракция, различные методы адсорбции, ионообменная хроматография, афинная хроматография, гель-хроматография, электрофорез); методы концентрирования продукта (обратный осмос, ультрафильтрация, выпаривание).

В историческом аспекте развития биотехнологии ее методы можно подразделить на традиционные и современные (новейшие).

В самом начале своего развития биотехнология опиралась преимущественно на использование живых систем в их естественном виде, на смену которым пришли традиционные методы селекции (искусственного отбора) микроорганизмов, растений и животных с целью получения более эффективных продуктов. К примеру, у растений отбирались лучшие плоды и более крупные зерна для улучшения качеств будущего урожая.

К традиционным методам биотехнологии относится также метод ферментации — биохимической переработки органических веществ (сырья или продукта) при помощи ферментов или под воздействием микроорганизмов, которая, в свою очередь, может