ФГБОУ ВПО «Казанская государственная академия ветеринарной медицины им. Н.Э. Баумана»

Биотехнология

(учебное пособие часть I)

по специальности ветеринарно-санитарная экспертиза,

квалификация «Бакалавр»

Казань - 2013 г.

Учебное пособие «Биотехнология» часть I написано профессорами Госмановым Р.Г. и Галиуллиным А.К. и предназначено для студентов, обучающихся по специальности ветеринарно-санитарная экспертиза, квалификация «Бакалавр».

Печатается по решению Ученого совета факультета ветеринарной медицины КГАВМ им. Н.Э.Баумана от 20 ноября 2013 г., протокол № 10 .

Рецензенты: проф. Гильмутдинов Р.Я.,

д.в.н. Якупов Т.Р.

Часть I. Темы лекций по биотехнологии

Тема 1. Предмет и история развития биотехнологии

Законом Российской Федерации «О ветеринарии» определены основные задачи ветеринарной медицины «в области научных знаний и практической деятельности, направленные на предупреждение болезни животных и их лечение, выпуск полноценных и безопасных в ветеринарном отношении продуктов животноводства и защиту населения от болезней, общих для человека и животных».

Решение этих задач осуществляется методами биотехнологии.

Название науки «Биотехнология» происходит от греческих слов «bios»-жизнь, «teken» - искусство, «logos» - слово, учение, наука.

Определение биотехнологии в довольно полном объеме дано Европейской биотехнологической федерацией, основанной в 1978 г. По этому определению биотехнология – это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии, приборо-и машиностроения использует биологические объекты (микроорганизмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др.) для промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов.

До тех пор, пока всеобъемлющий термин «биотехнология» не стал общепринятым, для обозначения наиболее тесно связанных с биотехнологией разнообразных технологий использовали такие названия, как прикладная микробиология, прикладная биохимия, технология ферментов, биоинженерия, прикладная генетика и прикладная биология.

Использование научных достижений в биотехнологии осуществляется на самом высоком уровне современной науки. Только биотехнология создает

возможность получения разнообразных веществ и соединений из сравнительно дешевых, доступных и возобновляемых материалов.

В отличие от природных веществ и соединений, искусственно синтезируемые требуют больших капиталовложений, плохо усваиваются организмами животных и человека, имеют высокую стоимость.

Биотехнология использует микроорганизмы, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают естественным путем необходимые нам вещества – витамины, ферменты, аминокислоты, органические кислоты, спирты, антибиотики и др. биологически активные соединения.

Живая клетка по своей организационной структуре, слаженности процессов, точности результатов, экономичности и рациональности превосходит любой завод.

В настоящее время микроорганизмы используются, в основном, в трех видах биотехнологических процессов:

-для производства биомассы;

-для получения продуктов метаболизма (например, этанола, антибиотиков, органических кислот и др.);

-для переработки органических и неорганических соединений как природного, так и антропогенного происхождения.

Главная задача первого вида процессов, которую сегодня призвано решать биотехнологическое производство – ликвидация белкового дефицита в кормах сельскохозяйственных животных и птиц, т.к. в белках растительного происхождения имеется дефицит аминокислот и, прежде всего, особо ценных, так называемых незаменимых.

Основным направлением второй группы биотехнологических процессов в настоящее время является получение продуктов микробного синтеза с использованием отходов различных производств, включая пищевую, нефте- и деревообрабатывающую промышленности и т.д.

Биотехнологическая переработка различных химических соединений направлены, главным образом, на обеспечение экологического равновесия в природе, переработку отходов деятельности человечества и максимальное снижение негативного антропогенного воздействия на природу.

В промышленном масштабе биотехнология представляет индустрию, в которой можно выделить следующие отрасли:

-производство полимеров и сырья для текстильной промышленности;

-получение метанола, этанола, биогаза, водорода и использование их в энергетике и химической промышленности;

-производство белка, аминокислот, витаминов, ферментов и т.д. путем крупномасштабного выращивания дрожжей, водорослей, бактерий;

-увеличение продуктивности сельскохозяйственных растений и животных;

-получение гербицидов и биоинсектицидов;

-широкое внедрение методов генной инженерии при получении новых пород животных, сортов растений и выращивания тканевых и клеточных культур растительного и животного происхождения;

переработка производственных и хозяйственных отходов, сточных вод, изготовление компостов с применением микроорганизмов;

-утилизация вредных выбросов нефти, химикатов, загрязняющих почву и воду;

-производство лечебно-профилактических и диагностических препаратов (вакцин, сывороток, антигенов, аллергенов, интерферонов, антибиотиков и др.).

Практически все биотехнологические процессы тесно связаны с жизнедеятельностью различных групп микроорганизмов – бактерий, вирусов, дрожжей, микроскопических грибов и т.п., и имеют ряд характерных особенностей:

1. Процесс микробного синтеза, как правило, является частью многостадийного производства, причем целевой продукт стадии биосинтеза часто не является товарным и подлежит дальнейшей переработке.

2. При культивировании микроорганизмов обычно необходимо поддерживать асептические условия, что требует стерилизации оборудования, коммуникаций, сырья и др.

3. Культивирование микроорганизмов осуществляют в гетерогенных системах, физико-химические свойства которых в ходе процесса могут существенно изменяться.

4. Технологический процесс характеризуется высокой вариабельностью из-за наличия в системе биологического объекта, т.е. популяции микроорганизмов.

5. Сложность и многофакторность механизмов регуляции роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма.

6. Сложность и в большинстве случаев отсутствие информации о качественном и количественном составе производственных питательных сред.

7. Относительно низкие концентрации целевых продуктов.

8. Способность процесса к саморегулированию.

9. Условия, оптимальные для роста микроорганизмов и для биосинтеза целевых продуктов, не всегда совпадают.

Микроорганизмы потребляют из окружающей среды вещества, растут, размножаются, выделяют жидкие и газообразные продукты метаболизма, тем самым реализуя те изменения в системе (накопление биомассы или продуктов метаболизма, потребление загрязняющих веществ), ради которых проводят процесс культивирования. Следовательно, микроорганизм можно рассматривать как центральный элемент биотехнологической системы, определяющий эффективность ее функционирования.

История развития биотехнологии

За последние 20 лет биотехнология, благодаря своим специфическим преимуществам перед другими науками, совершила решительный прорыв на промышленный уровень, что в немалой степени обязано также развитию новых методов исследований и интенсификации процессов, открывших ранее неизвестные возможности в получении биопрепаратов, способов выделения, идентификации и очистки биологически активных веществ.

Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода.

1. Эмпирический период (от греч. еmperikos – опытный) или доисторический – самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических.

Известно, что шумеры – первые жители Месопотамии (на территории современного Ирака) создали цветущую в те времена цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. Приобретенный опыт передавался из поколения в поколение, распространялся среди соседних народов (ассирийцев, вавилонян, египтян и древних индусов). В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях. Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в.

К эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов.

Таким образом, народы исстари пользовались на практике биотехнологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных.

В 1796 г. произошло важнейшее событие в биологии – Э. Дженнером были проведены первые в истории прививки человеку коровьей оспы.

2. Этиологический период (от греч. аitia – причина) в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. И в первую треть ХХ в. (1856-1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822-1895) – основоположника научной микробиологии.

Пастер установил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.

В этот же период творили его выдающиеся ученики, сотрудники и коллегм: Э.Дюкло, Э.Ру, Ш.Э.Шамберлан, И.И.Мечников; Р.Кох, Д.Листер, Г.Риккетс, Д.Ивановский и др.

В 1859 г. Л.Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р.Кох в 1881 г. предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, 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.).

Среди достижений 2-го периода особо стоит отметить следующие:

- 1856 – чешский монах Г.Мендель открыл законы доминирования признаков и ввел понятие единиц наследственности в виде дискретного фактора, который передается от родителей потомкам;

- 1769 – Ф.Милер выделил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов;

- 1883 – И.Мечников разработал теорию клеточного иммунитета;

- 1984 – Ф.Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии;

- 1892 – Д.Ивановский открыл вирусы;

- 1893 – В.Оствальд установил каталитическую функцию ферментов ;

- 1902 – Г.Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах;

- 1912 – Ц.Нейберг раскрыл механизм процессов брожения;

- 1913 – Л.Михаэлис и М.Ментен разработали кинетику ферментативных реакций;

-1926 – Х.Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности;

- 1928 – Ф.Гриффит описал явление «трансформации» у бактерий;

- 1932 – М.Кнолль и Э.Руска изобрели электронный микроскоп.

В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также продуктов метаболизма – ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.

3. Биотехнический период – начался в 1933 г. и длился до 1972 г.

В 1933 г. А.Клюйвер и А.Х.Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмен веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях.

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 биотехнологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии.

4. Геннотехнический период (от греч. genesis- происхождение, возникновение, рождение) начался с 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возможность направленных манипуляцией с генетическим материалом бактерий.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф.Крика и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК было бы невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и репликации ДНК, выделение и изучение специфических ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций.

Создание новых методов исследований явилось необходимой предпосылкой развития биотехнологии 4-ом периоде.

Молекулярно-генетический период развития микробиологии связан с выходом естественных наук на молекулярный уровень и дальнейшим развитием микробиологии, вирусологии и иммунологии. Создание электронного микроскопа сделало видимым мир вирусов и макромолекулярных соединений. Генетика бактерий пролила свет на проблемы изменчивости генов и создала целую науку - молекулярную биологию. Именно на бактериях доказана роль ДНК в передаче наследственных признаков. Расшифровка основных принципов кодирования генетической информации в ДНК бактерий, а также универсальность генетического кода бактерий и вирусов позволили установить общие молекулярно-генетические закономерности, свойственные высшим организмам.

Пол Берг в 1972 г. получил in vitro рекомбинантную ДНК, состоящую из фрагментов разных молекул вирусной и бактериальной ДНК. Кроме того он расшифровал геном кишечной палочки, что сделало возможным искусственное конструирование генов и пересадку отдельных генов из одних клеток в другие. К настоящему времени методы генной инженерии используют в производстве широкого спектра биологически активных веществ.

Использование разнообразных форм микроорганизмов сделало в ХХ в. актуальной теоретическую и практическую разработку вопросов их культивирования с целью интенсификации вызываемых ими процессов. Это, в свою очередь, обусловило необходимость изучения основ регуляции роста и развития микроорганизмов, поиск способов воздействия на их обмен веществ, что определило формирование еще одного направления современной микробиологии – управляемого культивирования микроорганизмов.

Биотехнологический период – это ХХI в. Уже сегодня биотехнология стремительно выдвигается на передний край научно-технического прогресса. Этому способствует бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики, опирающихся на достижения химии и физики, и острая практическая потребность в новых технологиях хозяйственной деятельности человека. Общее определение биотехнологии должно отражать «применение организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленности, в сельском хозяйстве и вспомогательных отраслях». Биотехнологические достижения призваны ликвидировать нехватку продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшить состояние здравоохранения и охрана окружающей среды. Поток информации велик. Уже создается история биотехнологии: эра брожений, эра антибиотиков (1941-1969). Эра новой биотехнологии (после 1975 г.) началась после открытия Дж.Уотсоном и Ф.Криком (лауреатами Нобелевской премии) строения ДНК. Использование мощной и многообразной каталитической системы микроорганизмов, способной трансформировать природные органические вещества растительного происхождения в любые нужные человеку продукты, возможно в сравнительно простых, технически несложных управляемых сооружениях независимо от климатических условий и при малых энергетических затратах.

Развитие биотехнологии определяется высоким уровнем технологических новшеств. Здесь прежде всего имеются в виду производство питания за счет широкомасштабного выращивания дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов и ферментов; повышение продуктивности сельскохозяйственных культур (клонирование и отбор разновидностей растений на основе тканевых культур in vitro); биоинсектициды, биоудобрения; уменьшение загрязнения окружающей среды (очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности).

Развитие биотехнологии и новых отраслей связано с эволюцией общего направления биологических исследований и возможностями получения легкодоступных и возобновляемых ресурсов, важных для жизни и благосостояния людей. Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Другими словами, развитие биотехнологии в огромной степени определяется исследованиями в области микробиологии, биохимии, энзимологии и генетики микроорганизмов.

В перспективе на основе методов рекомбинантных ДНК биотехнология позволит освоить синтез растительных белков и добиться искусственного фотосинтеза и фиксации молекулярного азота в промышленных масштабах, решения экологических проблем, включая переработку отходов и борьбу с загрязнениями окружающей среды. Биологические препараты, практически значимые в растениеводстве, животноводстве, хранении и переработки сельскохозяйственной продукции, приведут к снижению энергоемкости сельскохозяйственного производства, стабильности экологического равновесия и сбалансированному (функциональному) питанию населения. Биотехнология возобновляемого сырья позволит получать продукты питания и производить различные материальные ценности.

Отечественные ученые вписали немало славных страниц в развитие и становление общей сельскохозяйственной микробиологии, родившихся на стыке других, ранее сформировавшихся наук. История любой науки- это история идей, история их рождения, борьбы, утверждения и развития. Следует вспомнить слова русского писателя А.М. Горького: «Нет силы более могучей, чем знание: человек, вооруженный знаниями, непобедим». Славные имена русских ученых – микробиологов всегда занимают достойное место в истории микробиологии.

Основная задача биотехнологии – помочь сельскому хозяйству получить продукты питания с минимальным применением средств химизации, а вторичное сырье (не отходы) – превращать в полезные для человека продукты и товары. Перерабатывающую же промышленность биотехнология должна превратить в безотходное производство с использованием различных схем очистки производственных стоков и твердых «отходов».