РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ СО РАН

Т. Г. Волова

БИОТЕХНОЛОГИЯ

Ответственный редактор

академик

И. И. Гительзон

Рекомендовано Министерством общего и профессионального образования

Российской Федерации в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению

«Химическая технология и биотехнология», специальностям «Микробиология», «Эко-

логия», «Биоэкология», «Биотехнология».

Издательство СО РАН

Новосибирск

1999

УДК 579 (075.8)

ББК 30.16

В 68

Биотехнология / Т. Г. Волова. – Новосибирск: Изд-во Сибирского

отделения Российской Академии наук, 1999. – 252 с.

ISBN 5-7692-0204-1

В монографии отражен современный уровень знаний по различным на-

правлениям биотехнологии. Изложены общие вопросы научных основ био-

технологии как науки и промышленной отрасли – история возникновения и

развития, специфика и возможности различных биотехнологических процес-

сов; охарактеризованы биологические агенты, субстраты, аппаратура и полу-

чаемые целевые продукты. Даны процессы получения белка одноклеточных,

аминокислот, антибиотиков, органических кислот, биополимеров. Рассмотре-

ны новейшие методы биотехнологии – инженерная энзимология, клеточная и

генетическая инженерия. Описаны экологически чистые способы получения и

применения биопрепаратов для сельского хозяйства; вклад биотехнологии в

восполнение энергетических и минеральных ресурсов; приведены примеры

биологических способов переработки и утилизации отходов.

Книга предназначена для студентов, аспирантов, научных работников и спе-

циалистов – микробиологов, биотехнологов, химиков-технологов, экологов.

Табл. 26. Илл. 43. Библиогр.: 133 назв.

Р е ц е н з е н т ы :

Кафедра промышленной биотехнологии

Московского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева;

профессор М. Н. Манаков

доктор биологических наук А. В. Брильков

Утверждено к печати

Институтом биофизики СО РАН

Isbn 5-7692-0204-1

© Т. Г. Волова, 1999

© Институт биофизики СО РАН, 1999

Учебное издание

Волова Татьяна Григорьевна

БИОТЕХНОЛОГИЯ

ЛР № 020909 от 01.09.94.

Сдано в набор 19.08.99. Подписано в печать 26.09.99.

Формат 60х84/16. Гарнитура Таймс. Уч. изд. л. 12.5.

Усл. печ. л. 15,8. Тираж 100. Заказ № 30.

Издательство Сибирского отделения Российской Академии наук.

630090, Новосибирск, Морской пр., 2.

Отпечатано в типографии Института физики СО РАН.

660036, Красноярск, Академгородок.

Электронная версия расположена на сайте КрасГУ

http://www.lan.krasu.ru/stadies/editions.asp

3

ОТ РЕДАКТОРА

С удовольствием представляю читателю книгу профессора Т. Г. Воло-

вой «Биотехнология».

Потребность в общем учебном руководстве по биотехнологии несо-

мненна. Биотехнология – одна из наиболее быстро развивающихся облас-

тей промышленности и наиболее перспективная в силу ее экономичности

и экологичности.

Термин «биотехнология» понимается в настоящее время не однознач-

но. В расширительном толковании биотехнология – это все технологиче-

ские 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 немысли-

мых возможностей воздействовать на геном, буквально – «лепить живые

формы», возникла тенденция оставить понятие биотехнология для обо-

значения 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 микробиологиче-

ские производства.

Если отказаться от обеих крайних позиций, то биотехнологию можно

определить по ее основному признаку – управлению биотехнологически-

ми процессами. Согласно этому представлению, биотехнология является

наукой о способах получения целевых продуктов с помощью биосинтеза,

управляемого параметрами среды или генно-инженерными манипуляция-

ми, либо сочетанием этих воздействий.

Таким образом, основой биотехнологии является управляемый био-

синтез. Параметрическое управление составляет ее классическое содер-

жание, хотя и в эту область последние десятилетия внесли много ново-

го, в частности, технику непрерывного культивирования микроорганиз-

мов с обратной связью.

Реальная возможность конструирования генома – это достижение по-

следних лет. Его перспективы необозримы. Сочетание генетического и па-

раметрического управления биосинтезом способствует взаимному усиле-

нию возможностей этих методологических подходов. Вероятно, их сочетан-

ное использование определит лицо биотехнологии ближайшего будущего.

В условиях, когда императивной задачей всей технологической циви-

лизации становится переход к экологически совместимым, «дружествен-

ным природе» технологиям, биотехнология привлекает внимание прежде

всего. Биотехнологические процессы сродни живой природе по самой сво-

4

ей основе, продукты биосинтеза биологическими же процессами могут

быть и разрушены. В этом видится выход из основного тупика современ-

ных технологий – производства и накопления недеградируемых продук-

тов и засорения ими природной среды.

Неизбежная переориентация промышленности на безотходные произ-

водства делает биотехнологию областью наиболее быстрого развития в

ближайшем будущем с широким спектром производств – от замещающих

генов и гормонов в медицине до биометаллургии.

В свете этой перспективы, издание руководства, подобного книге

Т. Г. Воловой, представляется весьма своевременным и позитивным. Про-

фессор Т. Г. Волова – известный специалист в области хемобиосинтеза.

Ею разрабатываются пути получения ценных биологических продуктов с

помощью экзотических водородных бактерий, способных черпать энер-

гию из реакции окисления водорода кислородом, т.е. реакции «гремучего

газа», но выполняемой ферментативно без взрыва и высоких температур

при эффективном использовании энергии водорода в биосинтезе. Это путь

естественного сопряжения двух магистральных направлений в развитии

технологии XXI века – водородной энергетики и биотехнологии.

Книга Т. Г. Воловой адресована, прежде всего, студентам – биологам,

технологам, экологам, но много полезного для себя в ней найдут и спе-

циалисты более старшего поколения, работающие в микробиологической,

пищевой, химической промышленности и смежных отраслях, а также все,

кто интересуется потенциалом этой новой области знаний.

академик И. И. Гительзон

5

Введение

Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляе-

мое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой

деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитиче-

ского потенциала различных биологических агентов и систем – микроор-

ганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также

внеклеточных веществ и компонентов клеток. В настоящее время разра-

ботка и освоение биотехнологии занимают важное место в деятельности

практически всех стран. Достижение превосходства в биотехнологии яв-

ляется одной их центральных задач в экономической политике развитых

стран. Лидерами биотехнологии являются сегодня США и Япония, нако-

пившие многолетний опыт биотехнологий для сельского хозяйства, фар-

мацевтической, пищевой и химической промышленности. Прочное поло-

жение в производстве ферментных препаратов, аминокислот, белка, меди-

каментов занимают страны Западной Европы (ФРГ, Франция, Великобри-

тания), а также Россия. Эти страны характеризуются мощным потенциа-

лом новой техники и технологии, интенсивными фундаментальными и

прикладными исследованиями в различных областях биотехнологии. Оп-

ределить сегодня, что же такое биотехнология, весьма не просто. Вместе с

тем, само появление этого термина в нашем словаре глубоко символично.

Оно отражает мнение, что применение биотехнологических материалов и

принципов в ближайшие годы радикально изменит многие отрасли про-

мышленности и само человеческое общество. Интерес к этой науке и тем-

пы ее развития в последние годы растут очень быстро.

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди зани-

мались пивоварением, пекли хлеб, получали кисломолочные продукты,

применяли ферментации для получения лекарственных веществ и перера-

ботки отходов. Но только новейшие методы биотехнологии, включая ме-

тоды генетической инженерии, основанные на работе с рекомбинантными

ДНК, привели к «биотехнологическому буму», свидетелями которого яв-

ляемся мы в настоящее время. Новейшие технологии генетической инже-

нерии позволяют существенно усовершенствовать традиционные биотех-

нологические процессы, а также получать принципиально новыми, ранее

недоступными способами разнообразные ценные продукты.

Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими пе-

ременами, происшедшими в биологии в течение последних 25–30 лет.

Основу этих событий составили новые представления в области наследст-

венности и методические усовершенствования, которые приблизили чело-

вечество к познанию превращений ее материального субстрата и проло-

жили дорогу новейшим промышленным процессам. Помимо этого, ряд

6

важнейших открытий в других областях также повлиял на развитие био-

технологии (см. таблицу).

Генетическая инженерия существует немногим более 20 лет. Она бле-

стяще раскрыла свои возможности в области прокариотических организмов.

Однако новые технологии, применяемые к высшим растениям и животным,

пока не столь значительны. Попытки применения приемов генетической ин-

женерии к высшим растениям и животным сталкиваются с огромными труд-

ностями, обусловленными как несовершенством наших знаний по генетике

эукариот, так и сложностью организации высших организмов.

Использование научных достижений и практические успехи биотехноло-

гии тесно связаны с фундаментальными исследованиями и реализуется на

самом высоком уровне современной науки. В этом плане нельзя не отметить

удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и дости-

жения теснейшим образом связаны и зависят от комплекса знаний не только

наук биологического профиля, но также и многих других (см. рисунок).

Сегодня биотехнология стремительно выдвинулась на передние пози-

ции научно-технического прогресса. Фундаментальные исследования жиз-

Области науки, новейшие результаты которых важны для развития биотехнологии

Генетическая инженерия Технология рекомбинантных ДНК.

Биокатализ Ферменты (выделение, иммобилизация).

Целые микробные клетки

(иммобилизация, стабилизация).

Иммунология Моноклональные антитела.

Технология ферментации Производство продуктов.

Переработка отходов.

БИОТЕХНОЛОГИЯ

Генетика

Химическая

технология

Биохимия

Микробиология

Электроника

Химия

Научные основы

получения

пищевых продуктов

Биохимическая

технология

Биоинженерия

Технология пищевой

промышленности

Механическая

технология

Междисциплинарная природа биотехнологии

7

ненных явлений на клеточном и молекулярном уровнях привели к появле-

нию принципиально новых технологий и получению новых продуктов.

Традиционные биотехнологические процессы, основанные на брожении,

дополняются новыми эффективными процессами получения белков, ами-

нокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов, органических кислот и

др. Наступила эра новейшей биотехнологии, связанная с получением вак-

цин, гормонов, интерферонов и др. Важнейшими задачами, стоящими пе-

ред биотехнологией сегодня, являются: повышение продуктивности сель-

скохозяйственных растительных культур и животных, создание новых

пород культивируемых в сельском хозяйстве видов, защита окружающей

среды и утилизация отходов, создание новых экологически чистых про-

цессов преобразования энергии и получения минеральных ресурсов.

Характеризуя перспективы и роль биотехнологии в человеческом об-

ществе, уместно прибегнуть к высказыванию на одном из Симпозиумов

по биотехнологии японского профессора К. Сакагучи______, который говорил

следующее: «... ищите все, что пожелаете, у микроорганизмов, и они не

подведут вас... Изучение и применение в промышленности культур клеток

млекопитающих и растений, иммобилизация не только одноклеточных, но

и клеток многоклеточных организмов, развитие энзимологии, генетиче-

ской инженерии, вмешательство в сложный и недостаточно изученный

наследственный аппарат растений и животных все больше расширят об-

ласти применения существующих направлений биотехнологии и создадут

принципиально новые направления».

8