1. Предмет и задачи биотехнологии




Скачать 225.76 Kb.
Название1. Предмет и задачи биотехнологии
Дата публикации05.04.2014
Размер225.76 Kb.
ТипЛекция
zadocs.ru > Биология > Лекция
Лекция N1

1.Предмет и задачи биотехнологии



Биотехнология — это наука об использовании биологических процессов в медицине, технике и промышленном производстве. Название ее происходит от греческих слов bios — жизнь, teken — искусство, logos — слово, учение, наука.

Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, биотехнология – это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».

Однако этот термин в те годы не получил широкого распространения. Только в 1961 г. к нему вновь вернулись после того как шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала “Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology» (Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на «Biotechnology and Bioengineering» (Биотехнология и биоинженерия). С этого момента биотехнология оказалась четко и необратимо связана с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов».

Понятие биотехнология может быть представлено многими определениями:

  • использование биологических объектов, систем или процессов для производства необходимых продуктов или для нужд сервисной индустрии;

  • комплексное применение биохимических, микробиологических и инженерных знаний с целью промышленного использования потенциальных возможностей микроорганизмов, культур клеток и отдельных их компонентов или систем;

  • технологическое использование биологических явлений для воспроизводства и получения (изготовления) различных типов полезных продуктов;

  • приложение научных и инженерных принципов для обработки материалов биологическими агентами с целью получения необходимых продуктов или создания сервисных технологий.

  • В соответствии с определением Европейской Федерации Био­технологов (ЕФБ, 1984) биотехнология базируется на интегральном использовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей.

    Таким образом, биотехнология на самом деле не что иное, как название, данное набору технических приемов (подходов) и процессов, основанных на использовании для этих целей биологических объектов.

    Следовательно, как это явствует из приведенных определений, биотехнология по существу сводится к использованию микроорганизмов, животных и растительных клеток или же их ферментов для синтеза, разрушения или трансформации (превращения) различных материалов с целью получения полезных продуктов для различных нужд человека.

Преимущества производства органических продуктов биотехнологическими способами перед чисто химическими методами достаточно многогранны:

  • многие сложные органические молекулы, такие, как белки и антибиотики, не могут практически быть синтезированы химическими способами;

  • биоконверсия обеспечивает значительно больший выход целевого продукта;

  • биологические системы функционируют при более низких температурах, менее высоких значениях рН (близких к нейтральному) и т. п.;

  • каталитические биологические реакции намного специфичнее, чем реакции химического катализа;

  • биологические процессы обеспечивают почти исключительно продукцию чистых изомеров одного типа, а не их смесей, как это часто бывает в реакциях химического синтеза.

    Биотехнологические направления имеют своей целью создание и практическое внедрение (т. е. практическое использование):

  • новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, используемых в здравоохранении для диагностики, профилактики и лечения различных заболеваний;

  • биологических средств защиты сельскохозяйственных растений от возбудителей заболеваний и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений и животных; новых сортов растений, устойчивых к разного рода неблагоприятным воздействиям (факторам внешней среды); новых пород животных с полезными свойствами (трансгенные животные);

  • ценных кормовых добавок для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных (кормового белка, аминокислот, витаминов, ферментов, способствующих повышению усвояемости кормов и т.п.).

  • новых биоинженерных методов для получения высокоэффективных препаратов различного назначения, используемых в сельском хозяйстве и ветеринарии;

  • новых технологий создания и получения хозяйственно ценных продуктов для пищевой, химической и микробиологической промышленности;

  • эффективных технологий переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов для получения продуктов, которые могут использоваться в других отраслях хозяйственной деятельности человека (например, биогаза, удобрений, топлива для автомобилей и т. п.).

Само собой разумеется, что такие комплексные задачи требуют интеграции различных отраслей научных и технических знаний и характеризуют биотехнологию как ряд перспективных технологий, которые найдут применение в самых разнообразных индустриальных направлениях. Интеграция биологии, химии и инженерных приемов в биотехнологии осуществляется таким путем, чтобы обеспечить максимальное использование потенциальных возможностей всех входящих в нее областей знаний. И все же, несмотря на комплексность биотехнологии, ее нельзя рассматривать как нечто единое целое, наподобие микроэлектроники. Скорее она должна рассматриваться как ряд перспективных технологий, сочетания которых будут постоянно варьировать в зависимости от конкретных практических задач. Биотехнология – междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических знаний и призванная к созданию новых биотехнологических процессов, которые в большинстве случаев будут осуществляться при низких температурах, требовать небольшого (меньшего) количества энергии и будут базироваться преимущественно на дешевых субстратах, используемых в качестве первичного сырья. Однако следует отдавать себе отчет в том, что биотехнология не является чем-то новым, ранее не известным, а представляет собой развитие и расширение набора технологических приемов, корни которых появились тысячи лет тому назад.

Биотехнология включает многие традиционные процессы, давно известные и давно используемые человеком. Это пивоварение, хлебопечение, изготовление вина, производство сыра, приготовление многих восточных пряных соусов, а также разнообразные способы утилизации отходов. Во всех перечисленных процессах использовались биологические объекты (пусть даже без достаточных знаний о них) и все эти процессы на протяжении многих лет совершенствовались, правда эмпирически. Начало этого эмпирического (от греч. empeirikos — опытный) или доисто­рического этапа биотехнологии теряется в глубине веков и он продолжался примерно до конца XIX в.

Работы великого французского ученого Луи Пастера (1822–1895) заложили фундамент практического использования достижений микробиологии и биохимии в традиционных биотехнологиях (пивоварение, виноделие, производство уксуса, консервация продуктов-пастеризация) и ознаменовали начало нового, научного этиологический (от греч. aitia - причина) периода развития биотехнологии. С аналитической микробиологией не­посредственно связано открытие Пастером молекулярной ассиметрии (стереоизомерии). Это, по существу, бриллиантовый век мик­робиологии. Пастер вскрыл микробную природу брожений, дока­зал возможность жизни в бескислородных условиях, эксперимен­тально опроверг ходячее тогда представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии.

Немеркнущая слава Пастера не затмила имен его выдающихся учеников и сотрудников: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш. Э. Шамберлана, Ж. А. Вильемена, И. И. Мечникова. В этот же период творили Р. Кох, Д. Листер, Ш. Китазато, Г. Т. Риккетс, Д. И. Ивановский, А. Лаверан и другие.

Параллельно с Пастером трудился в Германии, а позднее — во Франции, выдающийся миколог А. де Бари (1831 - 1888) - основоположник физиологической микологии. Изучив стадии раз­множения и историю индивидуального развития грибов (онтоге­нетический метод), с учетом их взаимоотношений с другими видами, а также цитологических и биологических особенностей, де Бари создал классификацию, которая и сегодня лежит в основе современных классификационных схем микро - и макромицетов.

Де Бари — основоположник микофитопатологии - науки о грибных болезнях растений (от греч. fiton - растение, pathos - болезнь), под его руководством сформировалась плеяда выдающих­ся ученых (в том числе — из России): Ф. М Бальфур, И. В. Баранецкий, М. Бейеринк, О. Брефельд, М. С. Воронин, А. Кох, А. С. Фаминицин и др.

В биотехнологии важнейшей проблемой является приготовление питательных сред для культивирования биообъектов. Уже Л. Пастер приготовил первую жидкую питательную среду в 1859 году, метод выращива­ния грибов на желатине предложил О. Брефельд в 1864 г., Ж. Ролен сообщил о жидких средах для выращивания нитчатых грибов в 1870 г., Р. Коху в 1876 г. удалось вырастить бациллы сибирской язвы в капле водянистой влаги, извлеченной из глаза погибшей коровы. В 80-е годы XIX столетия Р. Кох предложил метод культи­вирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и затем - на агаризованных питательных средах.

В настоящее время, предлагая самые сложные и необычные в каком-либо отношении среды для выращивания биообъектов, исследователи опираются на основополагающие результаты этих выдающихся ученых. Аналогичным образом можно сказать и о вариантах способов стерилизации питательных сред, имея в виду тиндализацию, кипячение, дробную стерилизацию и др. Все они основыва­ются на необходимости уничтожения посторонней микрофлоры, которая попадала в среды в процессе их изготовления.

В ряду открытий всемирного значения стоит обнаружение в 1892 г. вируса мозаичной болезни табака Д. И. Ивановским (1864 - 1920). Последовавшие за этим обнаружения других вирусов обеспечили становление новой научной дисциплины - вирусоло­гии: Ф. Леффлер и П. Фрош в 1898 г. открыли вирус ящура, Д. Кэррол в 1901 г. - вирус желтой лихорадки, Ф. Туорт в 1915 г. и Ф. д'Эрелль в 1917 г. - вирусы бактерий (бактериофаги). Большой вклад в вирусологию был внесен отечественными и зарубежными учеными - Л. А. Зильбером, А. М. П. Чума­ковым, А. Борелем, К. Левадити, К. Ландштейне-ром, В. Стэнли, П. Лейдлоу, П. Руа, П. Ф. Эндерсом и многими другими.

Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процес­сов (бродильных, окислительных и др.). Пионером использования чистых культур (заквасок) в производстве алкогольных напитков был шведский ученый Карл Хансен.

В начале 20-го века биохимиками и микробиологами была выяснена природа многих метаболитических процессов в клетках и эти открытия стали теоретической основой для создания первых промышленных производств. Наиболее важными из них было открытие В. Оствальдом в 1893 г. каталитической функции ферментов; Т. Леб в 1897 г. установил способность к выживанию вне организма (в пробирках с плазмой или сывороткой крови) клеток крови и соединительной ткани; Г. Хаберланд в 1902 г. показал возможность культивирования клеток различных тканей растений в простых питательных растворах; Ц. Нейберг В 1912 г. раскрыл механизм процессов брожения; Л. Михаэлис и М. Л. Ментен в 1913 г. разработали кинетику ферментативных реакций, а А. Каррель усовершенствовал способ выращивания клеток тканей животных и человека и впервые применил экстракт эмбрионов для ускорения их роста; Г. А. Надсон и Г. С. Филлипов в 1925 г. доказали мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи, а в 1937 г. Г. Кребс открыл цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). В 1933 году А. Клюйвер и Л. X. Ц. Перкин опубликовали работу "Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов", в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов.

В 1915г. в Германии было налажено промышленное производство глицерина на основе модифицированного процесса спиртового брожения, а в 1916 г. в Великобритании микробиологическое производство ацетона и бутанола.

С этого времени начинается третий период в развитии биологи­ческой технологии - биотехнический.

В 20-ые годы ХХ века было налажено производство лимонной кислоты, некоторых витаминов, начаты работы по микробиологической трансформации стероидов, созданы крупные установки по биоочистке сточных вод.

Знание причин биологических процессов еще не исключало нестерильные операции, хотя и стремились к использованию чистых культур микроорганизмов.

Особенно мощный толчок в развитии промышленного био­технологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939 - 1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфициро­ванными ранами). Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии. Накопленные научные факты стали побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного проис­хождения. Это необходимо было для получения различных клеточ­ных продуктов и самих клеток для нужд человека, и, прежде всего, в качестве или в составе лечебных и профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрациклинов, декстрана, ряда ами­нокислот и многих других веществ. К 1950 г. Ж. Моно (Франция) разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов; в 50-е годы вопросам практической реализации непрерывного культивирования микроорганизмов по­святили свои исследования М. Стефенсон, И. Малек, Н. Д. Иеру­салимский и др.

Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореакторов. Это оборудование используют и в настоящее время.

Однако термин «биотехнология» в большей степени ассоциируется с новым, четвертым, генотехническим этапом развития этой науки, начало которому положено в 1973 г., когда Стэнли Коэн и Герберт Бойер получили рекомбинантные плазмиды и произвели трансформацию ими клеток E.coli.

Следует отметить, что эти успехи были бы не возможны без целого ряда фундаментальных открытий в области молекулярной биологии, биохимии и генетики, совершенных в предшествующие два десятилетия. Наиболее важными из них являются работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к фор­мированию строго научного подхода к разработке биотехнологи­ческих процессов на основе генно-инженерных работ.

В течение четырех лет после создания рекомбинантных ДНК-технологий были получены штаммы бактерий, продуцирующие инсулин и человеческий гормон роста и налажено промышленное производство лекарственных препаратов на основе этих белков. Это привело к большому притоку инвестиций в биотехнологические компании. Так в 2000 г. в США только микробная (основанная на культивировании генетически модифицированных микроорганизмов) биотехнология была представлена 1300 компаниями, насчитывающими 153 000 служащих, с годовым доходом 19,6 млрд долл. и с продажами 13,4 млрд долл. В Канаде 282 компании с годовым доходом 1,1 млрд долл., В Японии с годовым доходом 10,0 млрд долл., в Европе 1178 компаний (45000 служащих) с годовым доходом 3,7 млрд долл. Основные продукты, получаемые с помощью микроорганизмов и рекомбинантных ДНК-технологий – животные пептиды, такие как гормоны, факторы роста, ферменты, антитела и биологические модификаторы иммунного ответа.

По приблизительной оценке, общемировая рыночная стоимость растениеводческой продукции, полученной на основании ДНК-технологий, достигнет к 2010 г. 30–40 млрд. долларов. Мировой рынок биотехнологической продукции составляет ежегодно около 150 млрд. долл.

Во многих странах мира приняты национальные программы по биотехнологии. Так, например, в США ежегодные затраты на биотехнологию составляют 2-3 млрд. долл. В Германии на 2001 год выделено около 2 млрд. марок на новую программу по биотехнологии. В табл. 1 приведены основные факты, характеризующие развитие биотехнологии.

Вполне обоснованно предполагать, что скорость практического использования биотехнологических достижений в меньшей степени будет определяться научными и техническими условиями, а больше будет зависеть от таких факторов, как капиталовложения заинтересованных отраслей промышленности, улучшение технологических схем, рыночных ситуаций и экономичности новых методов по сравнению с недавно внедренными технологиями иного типа.

Отрасли промышленности, с которыми будет конкурировать биотехнология, включают изготовление пищи для людей и животных, создание и производство новых материалов, призванных заменить изготовляемые с помощью нефтехимии, создание альтернативных источников энергии, разработку технологии безотходных производств, контроль и устранение загрязнений и сельское хозяйство. Биотехнология революционизирует и многие разделы медицины, ветеринарии и фармацевтической промышленности. Вышеизложенное однозначно предполагает рассмотрение биотехнологии как межотраслевой дисциплины, основанной на применении многопрофильной стратегии (различных подходов) для решения различных проблем.

Биотехнология применяет методы, заимствованные из химии, микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, химической технологии и компьютерной техники с целью создания новых разработок, развития и оптимального использования процессов, в которых каталитические реакции играют фундаментальную и незаменимую роль. Любой биотехнолог должен стремиться к достижению тесного кооперирования со специалистами других смежных (близких) дисциплин, таких, как медицина, пищевая промышленность, фармацевтика и химическая индустрия, защита окружающей среды и процессы переработки продуктов, представляющих собой отходы различных производств.

Главная причина успехов биотехнологии кроется в разительных успехах и быстром прогрессе молекулярной биологии, в частности в разработке технологии рекомбинантных молекул ДНК. С помощью этой технологии оказалось возможным непосредственно манипулировать с наследственным материалом клеток, получая новые сочетания полезных признаков и способностей. Возможности этих технических приемов, которые впервые были разработаны в лабораториях, вскоре оказались вполне приемлемыми в промышленных условиях. Однако, несмотря на определенные, а порой и весьма значительные выгоды, которые несет технология рекомбинантных молекул, постоянно следует учитывать возможные опасности, связанные с вмешательством человека в природу. В настоящее время развитие биотехнологии осуществляется со скоростью, напоминающей таковую при становлении микроэлектронной промышленности в середине 70-х годов.



  1. Завершен первый этап проекта “Геном человека”. Возникновение

геномики протеомики, биоинформатики.

Ни для кого уже не является секретом, что ископаемое топливо (хотя и добываемое в настоящее время с большим избытком), а также другие не восполняемые ресурсы, в один прекрасный день станут крайне ограниченными. И совершенно естественно, что данное обстоятельство уже сейчас заставляет искать новые, более дешевые и лучше сохраняемые источники энергии и питания, которые могли бы восполняться биотехнологическим путем. В этой ситуации страны с климатом, позволяющим ежегодно производить большие количества биомассы, будут находиться в более выгодных условиях по сравнению со странами с менее благоприятными климатическими условиями. В частности, тропические области земного шара в этом отношении имеют существенное преимущество над другими регионами.

Следующим фактором, способствующим росту интереса к биотехнологии, является современный мировой спад в химических и инженерных направлениях, обусловленный частичным истощением источников энергии. В силу этого биотехнология рассматривается в качестве одного из важнейших средств рестимуляции (обновления) экономики на основе новых методов, новой технологии и новых сырьевых материалов. Фактически, индустриальный бум 1950-х и 1960-х годов был обусловлен дешевой нефтью, так же как успехи в информационной технологии обусловили в 1970-х и 1980-х годах развитие микроэлектроники. И есть основания полагать, что 2000-е годы станут эрой биотехнологии. Во всяком случае, в мире отмечается существенный подъем исследований в области молекулярной биологии, возникновение новых биотехнологических компаний, увеличение инвестиций в биотехнологические отрасли промышленности (как национальными компаниями, так и отдельными лицами), а также рост фундаментальных знаний, увеличение количества источников информации и средств информатики.

Многие биотехнологические процессы могут рассматриваться как имеющие три главных стержневых компонента: первая часть состоит в получении наиболее оптимальных катализаторов специфических процессов, вторая часть сводится к обеспечению по возможности оптимальных условий для осуществления требуемого каталитического процесса и третья – связана с отделением и очисткой целевого продукта или продуктов из ферментационной смеси.

В большинстве случаев наиболее эффективной, стабильной и удобной формой для катализа биотехнологических процессов являются цельные организмы, вследствие чего в биотехнологии широко используются микробиологические процессы. Конечно, это не исключает использование и высших организмов (в частности, культур растительных и животных клеток), которые, несомненно, в будущем будут играть важную роль в биотехнологии.

Микроорганизмы обладают огромным генетическим пулом (фондом), позволяющим им осуществлять практически неограниченную биосинтетическую деятельность и потенциал деградации. Кроме того, микроорганизмам присущ исключительно быстрый рост, скорость которого намного превышает скорость роста высших организмов (растений и животных). Указанное свойство позволяет за короткий промежуток времени осуществить синтез больших количеств требуемого продукта в строго контролируемых условиях. Существенным моментом первого компонента биотехнологии является селекция и улучшение объекта с помощью различных генетических методов, а в последнее время с использованием высокоэффективных приемов молекулярной биологии, которые, как уже упоминалось, способны обеспечить конструирование организмов с новыми биохимическими возможностями.

Во многих случаях катализатор используется в изолированной форме в виде очищенного фермента, для получения которого в настоящее время разработаны эффективные методы выделения и очистки, а также методы стабилизации.

Второй компонент биотехнологии связан с изготовлением систем, обеспечивающих оптимальное функционирование организмов-продуцентов или чистых ферментов. Сюда относятся специальные знания о химии процессов, а также сведения об инженерном обеспечении конструирования и изготовления этих систем.

Наконец, третий компонент представляет собой довольно сложную и дорогую процедуру биотехнологического процесса – выделение и очистку целевого продукта. Этот компонент существенно увеличивает стоимость всего процесса и может составлять до 70% стоимости готового коммерческого препарата.

Многоэтапность биотехнологических процессов определяет необходимость привлечения к их осуществлению специалистов самого различного профиля: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков, вирусологов, микробиологов и клеточных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического оборудования и т. п. Сказанное позволяет утверждать, что чистых специалистов-биотехнологов в природе не существует, да такого специалиста нельзя себе и представить. Поэтому в биотехнологии с равным успехом работают и микробиологи, и генетики, и биохимики, и клеточные и генетические инженеры, и конструкторы, и т.д. и т.п., от деятельности которых зависит пpoгpeсс и успех данной отрасли.
^ 2.Выбор биотехнологических

объектов

Главным звеном биотехнологического процесса, определяющим всю его сущность, является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии могут выступать клетки микроорганизмов, животных и растений, трансгенные животные и растения, а также многокомпонентные ферментные системы клеток, отдельные ферменты и биомолекулы.

Основой большинства современных биотехнологических производств до сих пор все еще является микробный синтез, т. е. синтез разнообразных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. К сожалению, объекты растительного и животного происхождения в силу ряда причин еще не нашли столь широкого применения.

Однако, независимо от природы объекта, первичным этапом разработки любого биотехнологического процесса является получение чистых культур организмов (если это микробы), клеток или тканей (если это более сложные организмы – растения или животные). Многие этапы дальнейших манипуляций с последними (т.е. с клетками растений или животных), по сути дела, являются принципами и методами, используемыми в микробиологических производствах. И культуры микробных клеток, и культуры тканей растений и животных с методической точки зрения практически не отличаются от культур микроорганизмов. Поэтому дальнейшие рассуждения целесообразно вести применительно к микробиологическим объектам.

Мир микроорганизмов крайне разнообразен. В настоящее время относительно хорошо охарактеризовано (или известно) более 100 тысяч различных их видов. Это в первую очередь прокариоты (бактерии, актиномицеты, риккетсии, цианобактерии) и часть эукариот (дрожжи, нитчатые грибы, некоторые простейшие и водоросли). При столь большом разнообразии микроорганизмов весьма важной, а зачастую и сложной, проблемой является правильный выбор именно того организма, который способен обеспечить получение требуемого продукта, т. е. служить промышленным целям. Разделение микроорганизмов на промышленные и непромышленные для лиц, далеких от микробиологии, молекулярной биологии и молекулярной генетики, кажется достаточно определенным: те микроорганизмы, которые используются в промышленном производстве – промышленные, а те, которые не используются, – непромышленные.

Однако для тех, кто близко соприкасается с вышеперечисленными отраслями биологических знаний, граница проходит между немногочисленной, но глубоко изученной группой микроорганизмов, служащих модельными объектами при исследованиях фундаментальных жизненных процессов, и всеми остальными микроорганизмами, которые, как правило, генетиками, молекулярными биологами и генными инженерами не изучались совсем или изучались в очень ограниченной степени. К числу первых относятся кишечная палочка (E. coli), сенная палочка (Bac. subtilis) и пекарские дрожжи (S. cerevisiae). Во многих биотехнологических процессах используется ограниченное число микроорганизмов, которые классифицируются как GRAS («generally recognized as safe» обычно считаются безопасными). К таким микроорганизмам относят бактерии Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, другие виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces. Сюда также относят виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus и дрожжей Saccharomyces и др. GRAS-микроорганизмы непатогенные, нетоксичные и в основном не образуют антибиотики, поэтому при разработке нового биотехнологического процесса следует ориентироваться на данные микроорганизмы, как базовые объекты биотехнологии.

Микробиологическая промышленность сегодня использует тысячи штаммов из сотен видов микроорганизмов, которые первично были выделены из природных источников на основании их полезных свойств, а затем (в большинстве своем) улучшены с помощью различных методов. В связи с расширением производства и ассортимента выпускаемой продукции в микробиологическую промышленность вовлекаются все новые и новые представители мира микробов. Следует отдавать себе отчет, что в обозримом будущем ни один из них не будет изучен в той же степени, как E.coli и Bac.subtilis. И причина этого очень простая – колоссальная трудоемкость и высокая стоимость подобного рода исследований.

Следовательно, возникает проблема разработки стратегии и тактики исследований, которые обусловили бы с разумной затратой труда извлечь из потенциала новых микроорганизмов все наиболее ценное при создании промышленно важных штаммов-продуцентов, пригодных к использованию в биотехнологических процессах.

^ Классический подход заключается в выделении нужного микроорганизма из природных условий.

Из естественных мест обитания предполагаемого продуцента отбирают образцы материала (берут пробы материала) и производят посев в элективную среду, обеспечивающую преимущественное развитие интересующего микроорганизма, т. е. получают так называемые накопительные культуры.

Следующим этапом является выделение чистой культуры с дальнейшим дифференциально-диагностическим изучением изолированного микроорганиз-ма и, в случае необходимости, ориентировочным определением его продук-ционной способности.

Существует и другой путь подбора микроорганизмов-продуцентов – это выбор нужного вида из имеющихся коллекций хорошо изученных и досконально охарактеризованных микроорганизмов. При этом, естественно, устраняется необходимость выполнения ряда трудоемких операций.

Главным критерием при выборе биотехнологического объекта (в нашем случае микроорганизма-продуцента) является способность синтезировать целевой продукт. Однако помимо этого, в технологии самого процесса могут закладываться дополнительные требования, которые порой бывают очень и очень важными, чтобы не сказать решающими. В общих словах микроорганизмы должны:

  • обладать высокой скоростью роста (размножения);

  • расти на дешевых питательных средах;

  • быть резистентными к посторонней микрофлоре, т. е. обладать высокой конкурентоспособностью.

  • Не обладать патогенностью по отношению к человеку, домашним животным и растениям.

Все вышеперечисленное обеспечивает значительное снижение затрат на производство целевого продукта. Конечно, в каждом конкретном случае ведущим является какой-то один из этих критериев, поскольку в природе устроено так, что во всем получить выигрыш не удается никогда. И это правило необходимо постоянно иметь в виду. Ниже приводятся примеры, имеющие своей целью проиллюстрировать ранее сказанное.

1.Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями роста и синтетических процессов, чем высшие организмы. Тем не менее это присуще не всем микроорганизмам. Существуют такие из них (например, олиготрофные), которые растут крайне медленно, однако они представляют известный интерес, поскольку способны продуцировать различные очень ценные вещества.

2.Особое внимание как объекты биотехнологических разработок представляют фотосинтезирующие микроорганизмы, использующие в своей жизнедеятельности энергию солнечного света. Часть из них (цианобактерии и фотосинтезирующие эукариоты) в качестве источника углерода утилизируют СО2, а некоторые представители цианобактерий, ко всему сказанному, обладают способностью усваивать атмосферный азот (т. е. являются крайне неприхотливыми к питательным веществам). Фотосинтезирующие микроорганизмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и ряда органических соединений. Однако пpoгpecca в их использовании вследствие ограниченности фундаментальных знаний об их генетической организации и молекулярно-биологических механизмах жизнедеятельности, по всей видимости, следует ожидать не в скором будущем.

3.Определенное внимание уделяется таким объектам биотехнологии, как термофильные микроорганизмы, растущие при 60–80° С. Это их свойство является практически непреодолимым препятствием для развития посторонней микрофлоры при относительно не стерильном культивировании, т. е. является надежной защитой от загрязнений. Среди термофилов обнаружены продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода. Кроме того, скорость их роста и метаболическая активность в 1,5–2 раза выше, чем у мезофилов.

Ферменты, синтезируемые термофилами, характеризуются повышенной устойчивостью к нагреванию, некоторым окислителям, детергентам, органическим растворителям и другим неблагоприятным факторам. В то же время они мало активны при обычных температурах. Так, протеазы одного из представителей термофильных микроорганизмов при 200 С в 100 раз менее активны, чем при 750 С. Последнее является очень важным свойством для некоторых промышленных производств. Например, широкое применение в генетической инженерии нашел фермент Taq-полимераза из термофильной бактерии Thermus aquaticus.

Ранее уже упоминалось о еще одном весьма существенном свойстве этих организмов, а именно, что при их культивировании температура среды, в которой они пребывают, значительно превышает температуру окружающей среды. Данный высокий перепад температур обеспечивает быстрый и эффективный обмен тепла, что позволяет использовать биологические реакторы без громоздких охлаждающих устройств. А последнее, в свою очередь, облегчает перемешивание, аэрацию, пеногашение, что в совокупности значительно удешевляет процесс.

Селекция. Неотъемлемым компонентом в процессе создания наиболее ценных и активных продуцентов, т. е, при подборе объектов в биотехнологии, является их селекция. А генеральным путем селекции является сознательное конструирование геномов на каждом этапе отбора нужного продуцента. Такая ситуация не всегда могла быть реализована, вследствие отсутствия эффективных методов изменения геномов селектируемых организмов. В развитии микробных технологий в свое время сыграли (да и сейчас еще продолжают играть!) очень важную роль методы, базирующиеся на селекции спонтанно возникающих измененных вариантов, характеризующихся нужными полезными признаками. При таких методах обычно используется ступенчатая селекция: на каждом этапе отбора из популяции микроорганизмов отбираются наиболее активные варианты (спонтанные мутанты), из которых на следующем этапе отбирают новые, более эффективные штаммы. И так далее. Несмотря на явную ограниченность данного метода (приема), заключающуюся в низкой частоте возникновения мутантов, возможности его рано считать полностью исчерпанными. Процесс селекции наиболее эффективных продуцентов значительно ускоряется при использовании метода индуцированного мутагенеза. В качестве мутагенных воздействий применяются УФ, рентгеновское и гамма-излучения, определенные химические вещества и др. Однако и этот прием также не лишен недостатков, главным из которых является его трудоемкость и отсутствие сведений о характере изменений, поскольку экспериментатор ведет отбор по конечному результату. Например, устойчивость организма к ионам тяжелых металлов может быть связана с подавлением системы поглощения данных катионов бактериальной клеткой, активацией процесса удаления катионов из клетки или перестройкой системы (систем), которая подвергается ингибирующему действию катиона в клетке. Естественно, знание механизмов повышения устойчивости позволит вести направленное воздействие с целью получения конечного результата за более короткое время, а также селектировать варианты, лучше подходящие к конкретным условиям производства.

Таким образом, тенденцией сегодняшнего дня является сознательное конструирование штаммов микроорганизмов с заданными свойствами на основе фундаментальных знаний о генетической организации и молекулярно-биологических механизмах осуществления основных функций организма. Короче говоря, применение перечисленных подходов в сочетании с приемами классической селекции является сутью современной селекции микроорганизмов-продуцентов.





Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

1. Предмет и задачи биотехнологии iconЛекция Тема Предмет и задачи биотехнологии, основные этапы развития науки
Биотехнология как наука, предмет, объекты и основные цели. Этапы развития биотехнологии. Связь биотехнологии с биологическими, химическими,...

1. Предмет и задачи биотехнологии iconВопросы к экзамену по биотехнологии
Биотехнология – как научная дисциплина. Предмет, история развития, цели и задачи биотехнологии. Обзор сфер применения

1. Предмет и задачи биотехнологии iconТема Введение
Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса

1. Предмет и задачи биотехнологии iconПредмет и задачи изучения истории Беларуси в мировом контексте. Предмет исторической науки
Позволяет понять место данной отрасли в процессе познания мира. Предметом ист. Б. явл изуч-е бел этноса в процессе его развития и...

1. Предмет и задачи биотехнологии iconПрадмет І задачы вывучэння гісторыі Беларусі ў сусветным кантэксце...
Позволяет понять место данной отрасли в процессе познания мира. Предметом ист. Б. явл изуч-е бел этноса в процессе его развития и...

1. Предмет и задачи биотехнологии iconЭкзаменационные вопросы по психиатрии и наркологии для студентов...
Предмет и задачи психиатрии. Основные этапы развития зарубежной и отечественной психиатрии. Выдающиеся отечественные психиатры (В....

1. Предмет и задачи биотехнологии iconЭкзаменационные вопросы по биохимии для 2 курса лечебного факультета...
Предмет и задачи биологической химии. Объекты биохимического исследования. Место биохимии среди других биологических дисциплин. Основные...

1. Предмет и задачи биотехнологии iconКонспекты лекций Тема Предмет и задачи информатики, ее место в процессах управления
История становления информатики как науки, ее связь с математикой, естественными и гуманитарными науками. Предмет и основные разделы...

1. Предмет и задачи биотехнологии icon1. Предмет и задачи курса «История государства и права Беларуси»
Лекция Предмет «Истории государства и права Беларуси»: сущность, содержание, особенности

1. Предмет и задачи биотехнологии iconТема Предмет и задачи курса «История государства и права Беларуси»
Предмет «Истории государства и права Беларуси»: сущность, содержание, особенности

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов