Біотехноло́гія (Βιοτεχνολογία, від  — життя, τέχνη — мистецтво, майстерність і λόγος — слово, навчання) — це наука, що вивчає можливості використання біологічних процесів у різних галузях промисловості, сільського господарства, екології та медицини з метою розробки методів і технологій отримання бажаних організмів та корисних речовин.

Біотехнологія створює теоретичні передумови розробки схем і способів отримання практично цінних речовин і процесів на основі культивування цілих одноклітинних мікроорганізмів або вільно зростаючих клітин багатоклітинних організмів – рослин і тварин, чи цілих організмів. Біотехнологія є інтегральною наукою — вона спирається на теорію і практику мікробіології, біохімії, молекулярної біології і генетики, фізіології і цитології, та прогресивних хімічних технологій.

Біотехнологія — міждисциплінарна галузь, що виникла на стику біологічних, хімічних і технічних наук. Біотехнологія передбачає використання живих організмів, клітин, біологічних систем і біологічних процесів у виробництві й для створення продуктів, технологій і систем, які мають трансформаційний вплив на різні галузі. Прогрес в біотехнології має потенціал для вирішення глобальних проблем людства — нестачі продовольства, енергії, ресурсів, поліпшення стану охорони здоров'я, охорони довкілля, вирішення екологічних проблем, і сприяння циркулярній економіці та сталому розвитку.

Історія біотехнології З найдавніших часів людина використовувала біотехнологічні процеси при хлібопеченні, приготуванні кисломолочних продуктів, у виноробстві тощо, але лише завдяки роботам Луї Пастера у середині 19 століття, що довели зв'язок процесів шумування з діяльністю мікроорганізмів, традиційна біотехнологія одержала наукову основу.

У 40-50-ті роки 20 століття, коли був здійснений біосинтез пеніцилінів методами ферментації, почалась ера антибіотиків, що дала поштовх розвитку мікробіологічного синтезу і створенню мікробіологічної промисловості.

У 60-70-ті роки 20 століття почала бурхливо розвиватись клітинна інженерія.

Зі створенням 1972 групою П. Берга у США першої рекомбінантної молекули ДНК in vitro формально пов'язане народження генетичної інженерії, що відкрила шлях до свідомої зміни генетичної структури організмів таким чином, щоб ці організми могли робити потрібні людині продукти і здійснювати необхідні процеси. За це дослідження, Пол Берг згодом розділив Нобелівську премію з хімії 1980 року разом з дослідниками технології секвенування геному. Цей прорив дозволив вченим вставити чужорідну ДНК в організми господаря, що призвело до створення генетично модифікованих організмів (ГМО), що було описано в науковій статті 1973 року Стенлі Н. Коеном і Гербертом Боєром та колегами.

Ці два напрямки (генетична та клітинна інженерії) визначили образ нової біотехнології, що має мало спільного з тією примітивною біотехнологією, яку людина використовувала протягом тисячоріч. Показово, що в 1970-ті роки дістав поширення і самий термін біотехнологія. З цього часу біотехнологія нерозривно пов'язана з молекулярною і клітинною біологією, молекулярною генетикою, біохімією і біоорганічною хімією, біоінженерією та синтетичною біологією. У 1978 році, компанія Genentech, заснована Гербертом Бойєром і Робертом Суонсоном, стала першою компанією, яка виробляла людський білок (інсулін) за допомогою технології рекомбінантної ДНК.

1980-ті роки в сфері біотехнології запам'ятались подальшим розвитком генетичної інженерії, яка дозволила маніпулювати ДНК організму для введення нових ознак. У цей період були розроблені генетично модифіковані організми (ГМО) для сільськогосподарських потреб. У 1985 році Кері Малліс винайшов полімеразну ланцюгову реакцію (ПЛР), техніку, яка дозволяє швидко ампліфікувати сегменти ДНК, зробивши революцію в дослідженнях молекулярної біології, за що він був згодом удостоєний Нобелівської Премії з хімії у 1993 році. У 1986 році було виготовлено першу генетично модифіковану вакцину проти гепатиту B, що продемонструвало потенціал біотехнології в медицині.

За стислий період свого розвитку (25-30 років) сучасна біотехнологія не тільки досягла істотних успіхів, але і показала необмежені можливості використання організмів і біологічних процесів у різноманітних галузях виробництва і народного господарства. (див. також Хронологія біотехнологій)

Відкриття у 2012 році системи редагування генів CRISPR-Cas9 Дженніфер Даудною та Емманюель Шарпантьє, за що вони отримали Нобелівську Премію з хімії у 2020 році, запропонувало точні та ефективні можливості генетичної маніпуляції, відкривши нові можливості в генетичних дослідженнях та потенційних застосуваннях в біотехнології.

Nature Biotechnology — науковий журнал, що публікується Nature Portfolio (Springer Nature) з 1983 року, присвячений науковим і прикладним дослідженням в галузі біотехнології. До 1996 року носив назву Nature Bio/technology.

Біотехнологія як наука Біотехнологія — це сукупність фундаментальних і прикладних наук, технічних засобів, спрямованих на одержання і використання клітин мікроорганізмів, тварин і рослин, а також продуктів їхньої життєдіяльності: ферментів, амінокислот, вітамінів, антибіотиків та інших.

Технологія, де поєднуються природознавчі та інженерні науки з метою використання організмів, клітин, їх частин або їх молекулярних аналогів для виробництва певних хімічних речовин та матеріалів.

Біотехнологія, яка охоплює , ґрунтується на використанні знань і методів біохімії, мікробіології, генетики і хімічної технології, що дає змогу отримувати користь у технологічних процесах із властивостей мікроорганізмів та клітинних культур. Сучасніші біотехнологічні процеси базуються на методах рекомбінантних ДНК, а також на використанні іммобілізованих ферментів, клітин і клітинних органел.

Цілі Основні цілі та напрямки досліджень сучасної біотехнології наступні:

Промисловість, виробництво, енергетика

Створення мікроорганізмів, що продукують різні хімічні сполуки, антибіотики, антитіла, біополімери, гормони, амінокислоти, ферменти; Розробка нових технологій отримання господарсько-цінних продуктів для використання у харчовій, хімічній, мікробіологічній та інших галузях промисловості, наприклад, біополімерів та біопластику; Розробка технологій глибокої та ефективної переробки сільськогосподарських, промислових та побутових відходів (див. також Циркулярна економіка); Використання стічних вод та газоповітряних викидів для отримання біогазу та високоякісних добрив; розробка мікробних паливних елементів та виробництво біогазу з органічних відходів; використання фотосинтезуючих організмів для використання сонячної енергії; Розробка та виробництво дешевих та ефективних енергоносіїв з біомаси — біопалива, такого як біодизель, біоетанол, біобутанол, біоводень.

Сільське господарство

Створення порід сільськогосподарських та інших тварин, спадкові властивості яких поліпшено; Значне збільшення врожайності сільськогосподарських культур шляхом створення рослин стійких до шкідників, грибкових та вірусних інфекцій і шкідливого впливу довкілля; Розробка та одержання мікробіологічних засобів захисту рослин від хвороб та шкідників; Розробка та одержання бактеріальних добрив та регуляторів росту рослин, підвищення родючості ґрунтів; Розробка та одержання цінних кормових добавок та біологічно активних речовин (кормового білка, амінокислот, ферментів, вітамінів, ветеринарних препаратів та ін.), необхідних для підвищення продуктивності тваринництва;

Екологія

Переробка відходів та викидів, що забруднюють довкілля. Відновлення екосистем та їх різноманіття з використанням біотехнологічних підходів. Збереження зникаючих видів шляхом кріоконсервації та клонування.

Медицина

Розробка методів та технологій точної діагностики, профілактики та лікування інфекційних і генетичних захворювань.

Розділи Сучасна біотехнологія містить в собі наступні розділи:

Мікробна біотехнологія Розділ мікробної біотехнології виступає ключовим, своє коріння беручи з середини ХХ століття, і він тісно пов'язаний з ім'ям Луї Пастера, який століттям раніше довів, що мікроорганізми відрізняються не лише зовнішнім виглядом, але й своєрідним обміном речовин. Ця концепція стала основою для розвитку мікробної біотехнології, яка вивчає поширені природні мікроорганізми з погляду їх використання в господарській діяльності.

Розширення цього розділу біотехнології нерозривно пов'язане з процесами виробництва різних продуктів харчування (таких як хліб, кисломолоічні продукти, квас, тофу тощо). Технічна (або промислова) мікробіологія вивчає мікроорганізми, які використовуються у виробничих процесах для отримання різних практично важливих речовин, таких як харчові продукти, а також гліцерин, ацетон, етанол, органічні кислоти та інші.

Генна та клітинна інженерії Мета генної інженерії, як окремої сфери біотехнології, полягає у цілеспрямованому створенні організмів з певними властивостями шляхом зміни (рекомбінації) їх генетичного матеріалу. Однією з головних сфер використання цих зусиль є медицина. Це включає створення нових вакцин та отримання таких медичних препаратів, як інтерферон та інсулін. Генна інженерія також активно використовується у виробництві харчових продуктів, зокрема шляхом створення трансгенних рослин та тварин. Наприклад, генна інженерія дозволила створити види тварин, які стійкі до вірусних захворювань, а також тварин з корисними характеристиками для людей. Успішний розвиток методів генної інженерії відкриває широкі можливості для створення цінних сортів сільськогосподарських рослин, які були б стійкими до захворювань та неблагоприятних умов середовища. Це також дозволяє підвищити вміст корисних речовин та вітамінів у рослинах та наділити їх лікувальними властивостями.

Клітинна інженерія зосереджена на дослідженні культур клітин вищих тварин і рослин або мікроорганізмів, які були відокремлені з організмів та культивуються у різних середовищах. Цей підхід дозволяє прискорити процес селекції при створенні нових сортів рослин, а також отримувати гібриди, недосяжні за звичайних обставин. Клітинна інженерія також дала великі результати в імунології, дозволяючи отримувати клітини, що виробляють специфічні антитіла для важких захворювань людини, тварин та рослин. Це відкрило можливості для створення діагностичних інструментів для цих захворювань.

Інженерна ензимологія Інженерна ензимологія — галузь науки, яка займається розробкою методів для створення високоефективних ферментів з метою їх промислового використання. Ферменти є універсальними білковими каталізаторами, що відіграють роль у всіх життєво важливих процесах в клітинах.

Інженерна ензимологія застосовує теоретичні засади таких наук, як біохімія, фізична хімія, структурна біологія тощо, для практичного створення та вдосконалення ферментів. Ця галузь вирішує різноманітні завдання в господарстві, зокрема, розробляє нові продукти та покращує їх якість, використовує нетрадиційні види сировини, розробляє екологічно чисті технології. Одним з перспективних напрямків є використання іммобілізованих ферментів (закріплених на синтетичних полімерах, полісахаридах та інших носіях-матрицях).

Ферменти широко застосовуються в харчовій промисловості, де вони сприяють формуванню смаку, аромату та текстури продукту. Вони також інтенсифікують та спрямовують технологічні процеси, змінюють компоненти харчових систем, зберігають стабільність під час зберігання та забезпечують біологічну безпеку.

Ключові поняття та методи Біотехнологія охоплює ряд ключових концепцій і методів, які використовують потужність біології для різних застосувань.

Генетичні маніпуляції

Генна інженерія: передбачає навмисну ​​модифікацію генетичного матеріалу організму для введення нових ознак або функцій. Генна інженерія дозволила створити генетично модифіковані організми (ГМО) для різних застосувань від сільського господарства до медицини.