Модуль 1. Введение в предмет «биотехнология»

Научные основы биотехнологии. Элементы, слагающие биотехнологию.

В середине 1960-х гг. многие пророчили возникновение «новой биологии», развитие прикладных областей которой существенно изменило бы процедуры получения целого ряда химических и фармацевтических средств. Эта «революция» стала реальностью благодаря многочисленным открытиям последующего десятилетия в биохимии, в биологии клетки микробиологии, вирусологии и молекулярной биологии. Столь смелые надежды основывались в первую очередь на установлении структуры и функции определенных ферментов, их использовании в иммобилизованной форме — прежде всего микробиологами и энзимологами — в разнообразных производственных процессах, а также на том, что специалисты в области молекулярной генетики открыли способ модификации ДНК и перенесения ее из одних организмов в другие. Благодаря стремительному прогрессу вирусологии (в исследованиях бактериофагов), микробиологии (в углубленном изучении физиологии, генетики и молекулярной биологии кишечной палочки (Escherichia coli), а также в изучении плазмид), молекулярной генетики (в установлении генетического кода) и энзимологии (в открытии ферментов рестрикции) были накоплены знания и разработаны методы генной инженерии. Одновременно были по достоинству оценены и потенциальные возможности этих методов.

Термин «биотехнология» был придуман в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки для описания процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, био технология — это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Однако это совершенно точное определение не получило широкого распространения. Долгое время термин «биотехнология» относился к двум очень разным дисциплинам. С одной стороны, его употребляли, говоря о промышленной ферментации, с другой — применительно к той области, которая сейчас называется эргономикой. Такой двойственности пришел конец в 1961 г., когда шведский микробиолог Карл Гёрен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" («Журнал микробиологической и биохимической инжене рии 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» и встала на прочный фундамент микробиологии, биохимии и химической инженерии. По классическому определению - биотехнология, это в сущности, не что иное, как использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ. Согласно определению Европейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 г., биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, молекулярной биологии, микробиологии, генетики и химической техники позволяет извлекать выгоду в технологических процессах из свойств микроорганизмов, макроорганизмов и клеточных культур. Она создает возможность получения с помощью легко доступных и возобновляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для жизни и благосостояния людей. Новейшее определение биотехнологии, предлагаемое академиком ВАСХНИЛ В.С. Шевелухи, это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и

Особенности возникновения биотехнологии, природа и многообразие биотехнологических процессов

Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры и ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей, гибридомы, трансгенные организмы).

Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В 1981 году при раскопках Вавилона бала обнаружена глиняная дощечка, датируемая примерно 6-м тысячелетием до нашей эры. На ней был записан рецепт изготовления пива.

Что касается современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах генной инженерии. Основу генной инженерии составляют эксперименты с рекомбинантными молекулами ДНК. Согласно определению Национального института здоровья США, рекомбинантными ДНК называют молекулы ДНК, полученные вне живой клетки, в пробирке, путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться в клетке. Основу эксперимента составляет встраивание природной или чужеродной ДНК в вектор, который представляет собой плазмиду или геном вируса. Затем рекомбинантную молекулу ДНК вводят, как правило, в бактериальную клетку, где она реплицируется. Этот процесс называется трансформацией. Клетка, содержащая такую рекомбинантную молекулу, размножается, образуя клон трансформированных клеток. Одна из целей биотехнологии заключается в том, чтобы получить клоны трансформированных клеток, способных продуцировать специфические, чужеродные для бактерий, белки в больших количествах.

Не менее важна и технология иммобилизованных ферментов, получившая свое развитие в конце 60-х годов. По этой технологии различные ферменты связывают с пористым гелем или фиксируют на поверхности твердой подложки. Такие фиксированные (иммобилизованные) ферменты находят свое применение в промышленном производстве полусинтетических пенициллинов, получении концентрата фруктозы из крахмала зерновых культур и при проведении не- сложных биохимических анализов. Еще эффективнее оказываются иммобилизованные клетки или клеточные органеллы, поскольку они содержат все необходимые гены для синтеза сложных соединений. Биотехнологические процессы прежде всего связаны с использованием

клеток грибов и микроорганизмов, однако, не менее существенную роль играет и использование клеток животных, на-пример для культивирования вирусов, при В биотехнологии используются и растения и их клетки. Для широкомасштабного производстве вакцин, для получения интерферона, а так же при синтезе

производства клонов растений используются меристемы, а культуры растительных моноклональных антител клетками гибридом.

клеток применяют для синтеза различных веществ, например, алкалоидов и других

метаболитов растений. В настоящее время разработаны методы получения культур растительных клеток, ферментативного получения протопластов в больших количествах, слияния протопластов. Метод слияния протопластов позволяет увеличивать число и разнообразие растительных гибридов без применения полового размножения.

Этот процесс регенерации нашел важное применение в сельскохозяйственной практике. На этом методе основано получение безвирусных растений, а так же размножение новых культурных сортов, которые обычно не размножаются вегетативно. Биологическое многообразие культур растительных клеток и тканей открывает интересные перспективы получения новых полезных соединений. Решение таких проблем, как нехватка продуктов питания и дефицит белка, вероятно, будет найдено с помощью биотехнологии за счет снижения стоимости производства аминокислот -необходимого компонента корма домашних животных, благодаря разработке методов получения белка одноклеточных (кормового белка), переработке парафинов и другого доступного сырья (целлюлозы, агропромышленных или сельскохозяйственных отходов, сточных вод), а так же

Периодизация развития биотехнологии

История становления биотехнологии может быть подразделена на пять основных этапов (периодов), которые вследствие их важности для развития биотехнологии иногда не совсем строго называют «эрами».

1.Допастеровская эра (до 1865 г.). В этот период биотехнологическими методами получали пиво, вино, сыр, хлеб, йогурт, кефир, разного рода ферментированную пищу.

2.Пастеровская эра (1865—1940 гг.). Стали известны микроорганизмы-продуценты, и

это позволило создать производства этанола, бутанола, ацетона, глицерина, лимонной кислоты, многих вакцин, организовать процессы биологической очистки стоков аэробными микроорганизмами.

3.Эра антибиотиков (1940—1960 гг.). Были открыты пенициллин, стрептомицин и многие другие антибиотики, разработана технология культивирования клеток животных и получение вирусных вакцин, технология биотрансформации стероидных гормонов.

4.Постантибиотическая эра (1960—1975 гг.). Созданы технологии аминокислот,

микробиологического белка на парафинах нефти, ферментов, используемых в стиральных порошках. Разработана технология иммобилизации ферментов (закрепления их на носителях) для получения глюкозо-фруктозных сиропов. К аэробной обработке стоков добавилась анаэробная обработка твердых отходов с получением биогаза. Открыт микробиологический способ получения полисахаридов (начиная от ксантана для увеличе ния вязкости раствора нефтяных скважин до жевательной резинки). В этот период стали серьезно говорить о газохоле и вообще о техническом спирте как топливе для автомобилей.

Созданы микробиологические технологии витаминов В3 и B12, а также микопротеина —

мицелиального микроскопического гриба, используемого как заменитель мяса. Ученые научились культивировать изолированные растительные клетки, что положило начало биотехнологическому производству многих ценных лекарственных веществ с использованием огромного потенциала лекарственных растений. К этому же периоду относится зарождение биометаллургии — бактериального выщелачивания меди и цинка из руд.

5. Эра новой биотехнологии(после 1975г.). Характеризуется разработкой генной

инженерии, которая позволяет целенаправленно изменять геном микроорганизмов,

Элементы слогающие биотехнологию, биотехнологическая система

Предферментационная стадия

На этой стадии осуществляется х ан ние и подготовка культуры продуцента (инокулята), подготовка и получение питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологических и рециркулируемых воды и воздуха.

Компоненты питательных сред подбирают на основании расчета материального баланса, связанного с трансформацией того или иного источника питания в клеточную биомассу и/или метаболит при учете расходуемой (выделяемой) энергии. Обычно качественный и количественный состав питательных сред указан в регламентной документации.

Поддержание и подготовка чистой культуры является очень важным моментом предферментационной стадии для получения целевых продуктов: чаще всего это биомасса микроорганизмов - продуцентов. Таковыми являются бактерии и низшие грибы, однако иногда в качестве продуцентов могут выступать клетки высших эукариот (насекомых, млекопитающих, растений).

Продуцент, его физиологобиохимические характеристики и свойства определяют эффективность всего биотехнологического процесса. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку продуцента в количествах, требуемых для начала процесса. Промышленный штамм в идеале должен удовлетворять следующим основным требованиям:

1)стабильности структурно-морфологических признаков и физиологической активности и эксплуатации в производстве;

2)повышенной скорости роста и биосинтеза целевого(-ых) продукта(ов);

3)достаточно широкому диапазону устойчивости к воздействию неблагоприятных внешних факторов (колебания температуры, рН, перемешиванию, вязкости среды);

4)умеренной требовательности к ограниченному числу источников питания; чем более широкий

набор источников углерода, азота и других элементов может использовать производственный штамм, тем легче его культивировать, и с большей выгодой.

При выращивании посевных доз инокулята применяют принцип масштабирования, т. е. проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в колбах, бутылях, далее в серии последовательных ферментеров. Каждый последующий этап данного процесса отличается по объему от предыдущего обычно на порядок. Полученный продуцент по стерильной посевной линии направляется далее в аппарат, в котором реализуется ферментационная стадия.

Приготовление питательных сред осуществляется в специальных реакторах, оборудованных мешалками. В зависимости от растворимости и совместимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в их состав входят нерастворимые компоненты. В различных биотехнологических процессах применяются разные по происхождению и количествам субстраты, поэтому процесс их приготовления варьируют.