Підручники з Біології / Біологія 11 клас / Шаламов Біологія 11 клас 2019

Використання живих організмів та їхніх компонентів під час отримання палива й матеріалів є основою промислової біотехнології

Під час отримання багатьох біотехнологічних продуктів у промисловості використовують мікроорганізми. Їх неперервне вирощування здійснюється в спеціальних установках — біореакторах (рис. 44.3). Ці прилади потрібні для постійного перемішування рідкого середовища і його неперервного оновлення: свіжі порції з поживними речовинами безперервно надходять до біореактора, а «готове» середовище з продуктами метаболізму і власне мікроорганізмами постійно залишає його. При цьому біомаса залишається сталою, бо її відтік із середовищем компенсується швидким розмноженням мікроорганізмів усередині біореактора. Для цього в ньому підтримують оптимальні умови росту культури. У біореакторах виробляють антибіотики, етиловий спирт, лимонну й оцтову кислоти, чужорідні білки (про інші продукти йшлося у § 41 і 42).

Продування Вилучення

повітрям середовища

Б

Рис. 44.3. Промисловий біореактор

А. Зовнішній вигляд.

Б. Будова аеробного біореактора. Рис. 44.4. Промислові біогазові установки

291

малі метантенки, що забезпечують енергією одну або декілька селянських родин і працюють на гної та інших відходах (рис. 28.6). Такий спосіб утилізації дозволяє раціональніше використовувати природні ресурси. Понад те, збирання метану дозволяє скоротити його викиди до атмосфери й запобігти розвиткові парникового ефекту (його було схарактеризовано у § 24).

Ще одним напрямом промислової біотехнології є використання білкових каталізаторів — ферментів — для прискорення хімічних перетворень. Властивістю ферментів, яка надає їм перевагу над іншими каталізаторами, є їхня висока специфічність. Ба більше, методом спрямованої еволюції ферментів1 можна змінювати їхню будову, покращуючи якості каталізатора або надаючи можливості прискорювати перетворення нових субстратів. Ферменти використовують у різних галузях промисловості та науки (табл. 44.1).

Завдяки промисловій біотехнології одержують нові матеріали для легкої промисловості. З найдавніших часів люди використовують тварин і рос-

1 У 2018 році біохімкиня й інженерка Френсіс Арнольд отримала Нобелівську премію з хімії за розробку цього методу.

292

Важливою віхою в боротьбі з глобальним засміченням Світового океану пластиком є розробка нових біодеградабельних матеріалів на основі природних полімерів. Наприклад, біопластик виробляють із целюлози й крохмалю. На відміну від звичайного пластика, він легко розкладається мікроорганізмами без утворення токсичних відходів. Упровадження такого біопластика дасть можливість значно зменшити несприятливу дію на навколишнє середовище.

Біотехнології дозволяють зменшувати забруднення й визначати стан довкілля

Біотехнології можуть бути використані людиною, щоб зменшити негативний вплив на довкілля. Екологічні біотехнології дозволяють боротися з різними видами забруднень, а також розробляють індикатори для оцінки стану довкілля.

Наразі мікроорганізми повсюдно знаходять практичне застосування в очищенні стічних вод. У всіх розвинених країнах стічні води, що виробляються у великих містах, проходять багатоступеневе очищення перед тим, як дістатися до природних водойм. Це дозволяє не лише вберегти природні екосистеми від забруднення, але й мінімізувати ризик розвитку епідемій або самоотруєння населення. Очищення включає кілька етапів: механічне очищення, хімічне й біологічне. Останній вид очищення полягає в тому, що мікроорганізми, поміщені до спеціальних резервуарів, здійснюють руйнування токсичних речовин і різноманітних забруднювачів до нейтральних сполук: води, вуглекислого газу тощо. Аеробне очищення може здійснюватися на полях фільтрації — спеціальних ділянках ґрунту, населених аеробними бактеріями, які оксинюють забруднювачі. Аналог полів фільтрації — біоставки — неглибокі штучні водойми, у яких схожу функцію виконують водні аеробні бактерії (рис. 25.6). Суттєвим недоліком полів фільтрації й біоставків є неможливість їхнього використання в країнах із суворими зимами.

Перспективним є використання закритих ємностей — біофільтрів і аеротенків (рис. 44.6). У разі використання аеротенка очищення відбувається в насиченій киснем водній фазі, а біофільтра — під час проходження вод крізь зернистий пористий матеріал, населений мікроорганізмами.

Рис. 44.6. Установки з очищення води закритого типу

293

У тих випадках, коли стічні води багаті на мертву органічну речовину (наприклад, каналізаційні води ферм), важливу роль відіграє анаеробне біологічне очищення. Значна кількість організмів, що зброджують, дозволяє ефективно утилізувати органіку, а наявність метаногенів — ще й отримувати біогаз. Унаслідок цього кількість органіки суттєво зменшується, а вирощені живі організми чи метан можуть бути використані з користю. Тож таке очищення має не лише екологічну доцільність, але й економічну вигоду.

Іншим важливим напрямом біотехнологій є боротьба із забрудненнями безпосередньо в природних біотопах. У § 41 ми вже обговорювали використання мікроорганізмів для боротьби з розливами нафти: завдяки здатності розкладати нафтопродукти бактерії в природній спосіб очищують середовище від них. Крім цього, їх можна застосовувати для боротьби із забрудненнями середовища важкими металами й токсичними відходами хімічного виробництва: під дією мікроорганізмів ці речовини перетворюватимуться на безпечніші чи швидше виводитимуться з ґрунту. Але таке використання бактерій не повинно суттєво впливати на життєдіяльність ґрунтової мікрофлори.

Урешті-решт компоненти живого й цілі організми1 можуть використовуватися в біосенсорах — компактних пристроях, здатних визначати хімічні параметри середовища (рис. 44.7, А). Так, наприклад, за допомогою антитіл або ферментів можна виявляти пестициди або токсини — коли такі речовини взаємодіють із біокомпонентом сенсора, то відбувається зміна електричних або оптичних параметрів, яка й детектується. Ці сенсори часто мініатюрніші, ніж звичайні, та більш чутливі, що сприяло їх використанню для моніторингу за станом навколишнього середовища, контролю за промисловими процесами й навіть у побуті (рис. 44.7, Б, В).

Біокомпонент

сенсора

Сигнал

Рис. 44.7. Побутові біосенсори

А. Завдяки взаємодії речовини, що визначається з біологічним компонентом сенсора, у ньому відбуваються зміни, що перетворюються в електричний чи оптичний сигнал. Б. Глюкометр використовує ферментативну реакцію окиснення глюкози у взятій пробі крові для визначення її концентрації.

В. Завдяки зв’язуванню гормону хоріонічного гонадотропіну з антитілами в домашньому тесті на вагітність визначається стан жінки.

1 Для підтвердження відсутності в повітрі небезпечних метану або чадного газу шахтарі брали з собою в шахту клітку з домашньою канарейкою. За наявності цих газів птахи переставали співати й гинули, що слугувало сигналом до евакуації.

294

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

1. Серед наведених тверджень щодо біотехнології та її продуктів оберіть правильне.

А у біотехнології використовують лише білкові речовини живих організмів Б завдяки застосуванню аеротенків отримують біогаз В розведення корів для отримання від них молока є прикладом біотехнологій

Г вироби з біопластика є джерелом забруднення Світового океану 2. Якщо кількість клітин дріжджів, що виводяться з біореактора, буде біль-

шою за ту, що утворюється за цей час у ньому, то з часом у апараті

Алишиться лише поживне середовище Б усі дріжджі загинуть

В виробництво цільового продукту стане максимальним Г зросте густина популяції дріжджів

3. Прикладом дослідження в галузі промислової біотехнології може слугувати

Арозроблення технології отримання людських гормонів у бактеріях

У житті все просто

6. Доведіть, що різні галузі й напрями біотехнології використовують знання різних біологічних наук.

7. Схарактеризуйте вплив біотехнологій на довкілля. Чи варто уникати використання якихось біотехнологічних процесів?

У житті не все просто

8. Як використовують морські організми в біотехнології? Чому їхнє застосування може допомогти на шляху до стійкого розвитку?

9. Які біотехнологічні виробництва вже є в Україні? У яких є потреба? Які з них ви б запропонували впровадити першочергово?

295

§ 45. Медична біотехнологія

Медичні біотехнології забезпечують сучасними методами аналізу

Метод полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР), як ви вже знаєте, дозволяє багаторазово скопіювати певну ділянку ДНК в пробірці, використовуючи бактеріальні ферменти реплікації. Для того, щоб реплікація почалася, до проби додають короткі фрагменти одноланцюгової нуклеїнової кислоти — праймери. Якщо в ДНК проби є ділянки комплементарні праймерам, то реплікація буде відбуватися (рис. 45.2). ПЛР використовують для визначення наявності

ностей фрагмента подвоюється (4).

296

Рис. 45.3. ДНК-чіп

А. За наявності в пробі ДНК із ділянкою, що є комплементарною фрагментові ДНК на чіпі, останній з’єднується з ДНК проби й там, де він розташований, спостерігається флуоресценція. Б. Кожна точка, що світиться на чіпі, свідчить про наявність певного гена в пробі. В. ДНК-чіп для визначення генотипу сої.

певної ділянки ДНК, синтезування великої кількості ДНК для подальшого аналізу. Як діагностичний метод ПЛР-аналіз дозволяє знаходити мутації під час пренатальної діагностики, визначати батьківство, виявляти наявність збудників захворювання в пробі.

ДНК-чіп — це пристрій, що є основою, на яку нанесені короткі фрагменти ДНК (рис. 45.3). Під час зв’язування цих фрагментів із комплементарними їм ділянками в пробі виникає оптичний сигнал. За допомогою одного чіпа можна виявити наявність декількох тисяч різних фрагментів ДНК, що дозволяє аналізувати відразу цілий геном організму. ДНК-чіпи найчастіше використовують для визначення генотипу організму. Також вони можуть допомогти у створенні індивідуального генетичного паспорта людини, що дозволить виявити генетичні порушення або схильність до певних патологій.

Завдяки розвитку біотехнологій упроваджуються нові лікарські препарати

Сучасна медицина використовує лікарські препарати, що отримують як із природних джерел (тобто біотехнологічні), так і методами хімічного синтезу. Нині глибокі знання людської біохімії та клітинної біології, а також розвиток обчислювальних технологій дозволяє здійснювати комп’ютерний дизайн молекул із заданими фармакологічними властивостями. Проаналізувавши дані щодо структури ферментів і рецепторів, а також сигнальні й метаболічні шляхи, науковці за допомогою спеціального програмного забезпечення створюють формулу лікуваль-

ної речовини. У такий спосіб уже розроблено безліч препаратів для терапії різних захворювань, зокрема й раку. Окремий напрямок медичних біотехнологій — розроблення терапевтичних пре-

паратів на основі РНК. Зв’язування невеликих молекул РНК із матричною РНК за принципом комплементарності спричиняє

297

руйнування такого комплексу та зупинку біосинтезу білка (рис. 45.4). Тобто завдяки їм здійснюється регуляція роботи генів. Цей процес називають РНКінтерференцією1, а описані короткі молекули РНК — малими інтерферувальними РНК (міРНК). Препарати на основі інтерферувальних РНК здатні пригнічувати експресію небажаних генів. Позаяк деякі спадкові захворювання (наприклад, хорея Гантінгтона) пов’язані з надлишковим біосинтезом окремих білків, то точкове придушення їхнього біосинтезу матиме лікувальний ефект. Також можна використовувати РНК-інтерференцію для боротьби з вірусними захворюваннями або раком, заблокувавши роботу шкідливих генів.

Щоб ліки були ефективними та не мали побічних ефектів, потрібна їхня адресна доставка

Суттєвою перешкодою на шляху впровадження нових лікарських засобів є складність їхнього доставлення до потрібної клітини. Тому одним із напрямів медичних біотехнологій є розроблення систем адресної доставки ліків до окремих клітин або навіть клітинних структур. Для здійснення цього можна використовувати віруси, що несуть спеціальні білки для розпізнавання й проникнення до клітин (про цей та інші способи доставки геннотерапевтичних препаратів ішлося в § 43). Інший підхід полягає у створенні наноліків — штучно синтезованих гранул, які містять лікарські препарати і вкриті молекулами, що забезпечують проникнення частинок до клітин певного типу (рис. 45.5).

298

клітини (рис. 45.7). Останні отримують зі звичайних клітин організму, перепрограмуваши їх за допомогою методів генетичної інженерії.

Виростити цілий орган важко, оскільки він складається з різних тканин. Оригінальне рішення полягає в тому, щоб вирощувати різні типи клітин окремо, а потім збирати їх разом у єдиний орган. Це можливо завдяки створенню спеціальних 3D-біопринтерів. При цьому як «будівельний матеріал» використовуються вирощені клітини, речовини міжклітинного середовища або їхні замінники. На сьогодні за допомогою біопринтингу вже вдається успішно друкувати кровоносні судини (рис. 45.8, А). Проте в майбутньому планується почати друк складніших структур і цілих органів.

Важливо відрізняти біопринтинг від звичайного медичного 3D-принтин- гу. Останній застосовується, наприклад, для друку кісткових і хрящових протезів (рис. 45.8, Б). У ньому використовується лише штучний матеріал, але не живі клітини. У випадку із 3D-друком протезів відновлюються лише фізичні й механічні властивості втрачених структур, а під час

300