adyrbaikyzy_bioinjeneriya_umk_kz
.pdfтехнологиясы.
Биоинженерия – биологиялық агенттерді (микроорганизмдерді, өсімдік жасушаларын, жануарлар жасушаларын, жасуша бөліктерін: жасушалық мембраналар, рибосомалар, митохондриялар, хлоропластар) құнды өнімдер алу үшін жəне мақсатты өзгерістерді іске асыру мақсатында қолдану негізіндегі өндірістік əдістердің жиынтығы. Биотехнологиялық процестерде рибонуклеин қышқылдары (ДНҚ, РНҚ), ақуыздар – көбіне ферменттер сияқты биологиялық макромолекулалар да қолданылады.
Биоинженерияның қазіргі заманғы кезеңдерінің маңызды сипаты болып
табылатындар: |
|
|
|
|
|
|
|
a) генетикалық |
жəне |
жасушалық инженерия əдістерін |
бионысандарға |
||||
тапсырылған |
қасиеттерді |
беру |
мақсатында |
зертханалық |
жəне |
өндірісті |
|
масштабтарда өткізу; |
|
|
|
|
|
|
|
b) шыққан |
тегі |
микробтық болып келетін жасушалар культурасын |
немесе |
||||
ферменттерді бионысан ретінде биотехнологиялық процестерде қолданудың артықшылығы.
Осыдан келіп, биоинженерия ғылыми пəн ретінде жəне өндірістік қызмет саласы ретінде биохимияның, молекулалық биологияның, микробиологияның жəне химиялық технологияның функционалдық жетістіктері мен табыстарына сүйене отырып негізделеді.
Заманауи немесе "жаңа" биотехнология – бұл рекомбинантты ДНҚ əдісінде
негізделген |
генетикалы |
трансформацияланатын |
биологиялық |
нысандарды |
|||||
құрастыру жəне қолдану туралы |
ғылым. Бұл гендік инженерия əдістерін, |
||||||||
өндірісті интенсификациялауда немесе əртүрлі мақсатпен өнімнің жаңа түрлерін |
|
||||||||
алуда |
жаңа |
биопроцессорлық |
техниканы |
пайдаланып, иммобилденген |
|
||||
ферменттерді, жасушаларды немесе жасушалық органеллаларды пайдалану |
|||||||||
туралы ғылым. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Биотехнология жəне де бөгде |
гендерді |
жасушаларға тасымалдау |
үшін |
||||||
вирусты ДНҚ немесе РНҚ қолданады. |
|
|
|
|
|
||||
Биотехнологияның ғылыми жетістіктері мен тəжірибелік табыстары іргелі |
|||||||||
зерттеулермен |
|
тығыз |
байланысты |
жəне |
заманауи ғылымның |
ең |
жоғары |
||
деңгейінде іске асуда. Осы жоспарда биотехнологияның қызықты ғылыми көпжақтылығын атап кеткен дұрыс болар, олар: оның дамуы мен жестістігінің тығыз байланыста болуы жəне тек биологиялық профилі бар ғылымдарға ғана емес басқа да көптеген ғылымдармен байланыстығы. (1–сурет).
Бүгін биотехнология ғылыми-техникалық прогрестің алдынғы жолына ұмтылуда. Тіршілік жағдайындағы жасушалық жəне молекулалық деңгейдегі іргелі зерттеулер принципиальді жаңа технологиялардың пайда болуына жəне
жаңа өнімдерді алуға əкелді. |
|
|
|
|
|
|
|
Биоинженерия |
негізіндегі |
биотехнологияның |
негізгі |
міндеті– тірі |
|||
организмдерді мүлде жетілдіру жəне табиғатта болмаған, жақсарылған сипаты |
|||||||
бар жаңа биологиялық белсенді қосындыларды алу. |
|
|
|
||||
Технологиялар |
бір |
организмге |
екінші |
организмнің |
генетикал |
||
материалын тасымалдауын енгізеді, бұл ортаның қолайсыз жағдайына жоғары
11
тұрақты, өнімділіктің артуы немесе мақсатпен алынатын биологиялық белсенді заттардың қарқынды синтезінің қабілеттілігі генді-инженерлі модифицирленген түрлерін жасауға мүмкіншілік береді (микроорганизмдер, трансгенді өсімдіктер мен жануарлар).
Биохимия |
Генетика |
|
Химия |
|
|
|
|
Микробиология |
|
|
Тағам өнімдерін ғылыми алу |
|
|||
|
|
|
|
негізі |
|
|
|
Электроника |
БИОТЕХНОЛОГИЯ |
|
|
|
|
||
Биохимиялық |
|
|
Биоинженерия |
|
|
|
|
технология |
|
|
|
|
|
|
|
Тағам кəсіпөндірісінің |
|
|
|
|
|
|
|
технологиясы |
|
|
Механиклық технология |
|
|
||
|
Химиялық технология |
|
|
|
|
||
|
1–сурет. Биотехнологияның пəнаралық табиғаты |
|
|
||||
Осы |
саланың |
бағыты |
|
бойынша |
биокатализді |
проце |
|
оптимизациялауына жəне олардың негізінде биомедициналық препараттарды, |
|
||||||
өсімдіктерді |
қорғау |
құралдары |
мен |
биоремедиацияны |
өңдеуге |
қажетт |
|
рекомбинантты ақуыздар мен ферменттердің жаңа түрлерінің дизайны дамып келеді. Моно– жəне поликлональді антиденелерді алу технологиясы медицина, ветеринария жəне фитопатология үшін диагностикалық тест–жүйелердің жоғары ерекшелігін қамтамасыз етеді.
Ұсынылған технологиялар халық шаруашылығында кең диапозоны бар
жақсартылған |
шаруашылық–құнды |
қасиеттері |
бар |
мақсатпен |
алынатын |
||
биологиялық |
белсенді |
заттарды |
құрастырудың |
жаңа |
жолын . |
ашудаБұл |
|
технологиялар тиімді болып келеді. |
|
|
|
|
|||
|
ДНҚ молекуласының құрылымын өзгертіп, бір |
организмнен |
басқаға |
||||
гендерді тасымалдау арқылы биоинженерлер керекті белгілері мен қасиеттері |
|||||||
бар |
генетикалық |
модифицирленген |
,өсімдіктержануарлар |
мен |
|||
микроорганизмдерді алуда. Мысалы, петунья гені бар соя зиянды насекомдарға |
|||||||
тісі |
батпайды, |
ал топырақ бактериясының геномы |
бар картоп жапырақтары |
||||
колорад қоңызын өлтіретін пестицидтерді өздігімен шығара алады. Биоинженерлер дəрілердің жаңа түрлерін өңдеуде жəне де олар мынадай
препараттарды |
шығарды: |
инсулинді, адам өсуінің гормонын, В гепатитіне |
|
||||||
қарсы |
вакцинаны, |
олар |
өнеркəсіптік |
өндірісте |
қолданылатын |
тиімді |
|||
биокатализаторларды |
синтездей |
алады, қалдықтарды |
утилизациялайтын |
|
|||||
микроорганизмдерді «құрастырады». |
|
|
|
|
|
||||
Биоинженерия – бұл биомедицина ғылымы мен клиникалық практиканы |
|
||||||||
жетілдіруімен өзіне инженерлік ыңғайын табуын |
біріктіретін |
инженерия, |
|||||||
биология |
жəне |
медицина |
салаларында білімді тереңдетуіне жəне |
пəнаралық |
|||||
12
өңдеулер арқылы адамның денсаулығын нығайтуына бағытталған пəн. Биоинженерия – бұл денсаулықты қорғауды жақсарту мақсатытында
медициналық проблемаларды шешу үшін техникалық тəсілдерді қолдану. Бұл биология жəне медицина проблемаларын шешу жəне табу үшін білім мен тəжірибені қолдануға бағытталған инженерлік пəн.
Биоинженерлер адамзаттың игілігі үшін жұмыс істейді, тірі жүйелермен істес болады жəне медициналық проблемаларды шешу үшін алдыңғы қатарлық технологияларды қолданады. Осы саладағы мамандар приборлар мен құралжабдықтарды жасауда, пəнаралық білім негізінде жаңа процедураларды өңдеуінде, жаңа есептерді шешу үшін жаңа бағдарламаларды алуға бағытталған зерттеулерде қатыса алады.
Биоинженерияның ең маңыздыжетістігін айтсақ, бұл қолдан жасалған буындар, магнитті резонансты томография, кардиостимуляторлар, артроскопия, ангиопластиктар, терінің биоинженерлік протездері, қан айналымын қолдан жасау аппараттары.
Биоинженерия курсын оқып-зерттеуде 2 негізгі бөлімге бөлуге болады:
1.Жасушалық инженерия. Осы тараудың негізгі мақсаты– жасуша культурасын еңгізу əдістерімен жəне осы объектілерді тəжірибеде қолдануымен танысу. Осы тарауда өсімдіктер жасушаларын культивирлеу жəне жануарлар жасушаларын культивирлеу əдістерін қарастырамыз.
Жасушалық биотехнология өсімдіктер мен жануарлардың, селекцияда тұрақтылыққа, өнімділік пен сапысын пайдаланатын, жаңа маңызды формалары мен линияларын, құнды генотиптердің көбеюін, құнды биологиялық тағам, жем жəне медицинада қолданылатын препараттарды тез алуын қамтамасыз етті.
2.Гендік инженерия. Заманауи биоинженерияның жоғарғы жетістігі болып генетикалық трансформация, өсімдіктер, жануарлар жəне микроағзалар жасушаларына бөтен жəне басқа материалдық тұқым қуалауды алып жүретін
гендерді |
тасымалдау, жаңа |
немесе қасиеттер мен |
белгілерді |
күшейтетін |
||
трансгенді ағзаларды алу. Өзінің мақсаты мен |
мүмкіншілігі |
бойынша |
||||
болашақта |
бұл |
бағыт |
стратегиялық |
болып |
саналады. Мұнда |
барлық |
өндірістердің экологиялық жағдайын жақсартуда биологиялық объектілер селекциясының тұрақтылығын, жоғары өнімділік пен өнімнің сапасын шешуіне мүмкіндік береді.
Биоинженерия негізіндегі биотехнология мынадай салаларда қолдауын
табуда: |
|
|
|
|
– денсаулық |
сақтау |
жəне |
фармацевтика(диагностикумның |
жаңа |
ұрпақтарын жасау, рекомбинантты ақуыздар, ферменттер, гормондар негізінде дəрілерді шығару);
–өнеркəсіпте əртүрлі салаларда(өнеркəсіптік процестерді интенсификациялау үшін биокатализаторларды, рекомбинантты ферменттерді, модифицирленген микроорганизмдерді жасау);
–ауыл шаруашылық (жақсартылған қасиеттері мен жоғары өнімді трансгенді өсімдіктер мен жануарларды шығару, өсудің генді–инженерлік регуляторларын қолдану, биотынайтқыштар);
13
– |
қоршаған |
ортаны |
қорғау(қалдықтарды |
|
утилизациялау, |
||||||
ксенобиотиктардың биодеградациясы, суды тазарту). |
|
|
|
|
|
||||||
Биоинженерия |
негізіндегі |
|
биотехнология |
адам |
тіршілігінің |
сапасын |
|||||
жақсартуда революциялық фактор болып саналады. Мұндай технология іргелі |
|||||||||||
ғылымның (физика–химиялық |
|
биология, |
зоология, |
ботаника, |
экология, |
||||||
вирусология, топырақтану, химия, |
физика, |
іргелі |
медицина, |
эпидемиология |
|||||||
жəне басқаларына) дамуына жағдай жасайды. |
|
|
|
|
|
|
|||||
Мұндай |
технология |
техникалық, əлеуметтік |
жəне |
экономикалық |
|||||||
талаптарды шешеді. Биоинженерия биоиндустрияның жаңа технологиялық қатарының құрылысшысы болып табылады жəне тиімді жəне тұрақты сапаға жетуде берілген қасиеті бар өнімдерді шығарады.
Елімізде |
1970 |
жылдан |
бастап |
өнеркəсіптік |
мақсатпен |
үздіксіз |
|||
культивирлеуде культуралардың селекциясы бойынша қарқынды зерттеулер |
|||||||||
жүргізіліп |
келеді. |
Ақуыздардың |
құрылымын |
зерттеудегі, қызмет атқару |
|
||||
механизмдерін ашуда жəне ферменттердің белсенділігін реттеудегі əдістердің |
|||||||||
дамуы |
ақуыздардың |
модификациясына |
|
жол |
ашты инжеəнерлік |
|
|||
энзимологияның |
қалыптасуына |
əкелді. Жоғары |
тұрақты, иммобильденген |
|
|||||
ферменттер өнеркəсіптің түрлі саласында катализдік реакциялар жүру үшін мықты құрал болып саналады.
Жасушалық құрылыммен жəне протопласттарменбиотехнологиялық жұмыстар өте көптүрлі. 1975 жылы сомалық жасушаларды гибридизациялау
арқылы |
секрет |
|
шығаратын |
моноклонды антиденелердің |
гибридомдары |
|||
алынған. |
|
|
лимфоциттер |
мен |
меланомды |
жасушалардың |
қолдан |
|
Гибридомдар |
||||||||
қосылу |
(ісіктердің |
əртүрі) нəтижесінде |
алынған, ал олар |
синтездейтін |
||||
моноклонды |
антиденелер |
иммунологиялық |
реакцияда |
өте |
. маңыз |
|||
Моноклонды антидене ілімі заманауи биотехнологияда өте маңызды. |
|
|
||||||
Жануарлардың |
жыныс жасушаларымен жəне эмбриондарымен |
қазіргі |
||||||
кезде генетикалық жұмыстар жасалып жатыр, олар клондау барысында жоғары |
||||||||
өнімді жануарлардың көбеюін тездетуге мүмкіншілік тудырады. |
|
|
|
|||
Гендік инженерияның дамуы жəне биотехнологияның мынадай бағыты- |
|
|||||
клондау сияқты, адам да бионысан бола алады(оның ДНҚ-сын клондауға |
|
|||||
мүмкіншілік бар, дұрыс айтқанда, микроорганизмдердің жасушасына олардың |
|
|||||
экзондарын енгізу). Нəтижесінде адамның түререкшелік ақуыздарын алу үшін |
|
|||||
шикі заттың дефицитін жоюға мүмкіншілік бар. |
|
|
|
|
||
Гендік инженерияның пайда болуына не бар20 жыл ғана. Ол прокариот |
|
|||||
организмдер саласында өзінің мүмкіншіліктерін жақсы көрсетті. |
|
|
|
|||
Биоинженерия əдістерін |
қолданып |
геномның құрылысын |
анықтауға, |
|||
гендер экспрессиясының механизмін түсінуге, қызметін зерттеу мақсатпен |
|
|||||
жасушалық мембрананы модельдеуге, ферменттердің қасиеттерін жəне ағзаның |
|
|||||
генетикалық негізін оның ДНҚ-сымен |
манипуляциялау арқылы |
өзгертуге, |
||||
тиісті ағзадан тыс өсімдіктер немесе жануарлар жасушаларын – қоректік ортада |
|
|||||
культивирлеуге, кəсіпөндірістік |
масштабта |
биологиялық |
өнімді |
жасап |
||
шығаруға болады, мысалы, дəру-дəрмек препараттарын жəне басқаларын. |
|
|
||||
14
Əлбетте, |
жоғары |
өсімдіктер |
мен |
жануарларға |
қолданылатын |
жаңа |
||||||
технологиялар əлі көп емес. Жоғары өсімдіктер мен жануарларға қолданылатын |
|
|||||||||||
генетикалық инженерия тəсілдері көптеген қиындықтарға қақтығысады, олар |
|
|||||||||||
эукариот генетикасы жағынан жəне де жоғары организмдердің ұйымдасуының |
|
|||||||||||
күрделілігі жағынан да біздің біліміміз əлі де жеткіліксіз. |
|
|
|
|
||||||||
Түрлі |
биообъект – |
бұл |
тұтастық жүйе, сондықтан оның бірде–бір |
|
||||||||
элементін өзгертуге болмайды, ағзаға қандай да бір қасиетті енгізу арқылы |
||||||||||||
оларды өз бетімен қайта құрастыруға болмайды, мысалы, бактерияға – бізге |
|
|||||||||||
қажет |
аминқышқылын |
артық |
|
синтездеу |
,қабілетінауылшаруашылық |
|
||||||
өсімдіктерге – фитопатогенді саңырауқұлақтарға тұрақтылығын. |
|
|
||||||||||
Нысанға кез келген əсер ету тек күткен əсерді алуды ғана емес сондай-ақ |
|
|||||||||||
жанама əсерін де күтуге болады, геномды қайта құрастыру ағзаның көптеген |
|
|||||||||||
белгілеріне əсерін тигізеді. Адамда қатерлі ісікке жауап беретін жасушалар |
|
|||||||||||
пайда болатын гендер болады. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Бұдан да басқа, экожүйе де өздігімен тұтас жүйе, сондықтан оның əрбір |
|
|||||||||||
компонентін өзгерту оның басқа компоненттеріне əсерін тигізеді. Плазмида |
|
|||||||||||
арқылы дақыл өсімдігіне күткен генді транспланттау арқылы ол арам шөптерге |
|
|||||||||||
де берілуі мүмкін. Мұндай да болуы мүмкін. |
|
|
|
|
|
|||||||
Гендік манипуляциялар нəтижесінде дақыл өсімдігі өздігімен арам шөпке |
|
|||||||||||
айналып кете алама? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Сонымен, биотехнологияның алдына қойылған талаптарына жету жолында |
|
|||||||||||
бірнеше қиындықтар күтіп тұр. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Қарапайым биологиялық |
жүйеде, прокариот ағзаларында генетикалық |
|
||||||||||
жəне жасушалық инженерия |
саласындағы |
жетістіктер |
осы қиындықтардан |
|||||||||
өтуде сенім тудырады. Ал өте күрделі жүйеде, атап айтқанда, эукариот |
|
|||||||||||
ағзасында тек алдыңғы қадамдар жасалуда, іргелі білімнің жинақталуы жүріп |
|
|||||||||||
жатыр. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Генетикалық жəне жасушалық инженерия биологиялық ғылымдағы жаңа |
|
|||||||||||
бағыт түрінде қарастырылады, оны бүгін атомның ыдырауымен, электроника |
|
|||||||||||
құралдарын жасауда бір қатарға қояды. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Қазіргі |
таңда |
жаңа |
кезең |
басталды: өзіміздің |
нарық |
кезеңінде |
||||||
биотехнологиялық өңдеулерді алға қою. Қазіргі кезде өзіміздің генетикалық |
|
|||||||||||
модифицирленген картоп сорттары, алма, алмұрт, құлпынай жəне ортаның |
|
|||||||||||
түрлі |
факторларына |
тұрақты |
жəне |
|
жақсартылған |
қасиеттері |
бар басқа |
да |
||||
дақылдар бар.
Бірақ биотехнологияның ары қарай дамуы инновациялық саясаттың қалыптасуын, қазіргі заңдылықтарды жаңа жолмен іске асыруын, тіркеу жүйесін мүлде жетілдіруін талап етеді.
БҰҰ ресми түрде биотехнологияныXXI ғасырдың технологиясы – жаңа ғылыми техникалық революцияның бір басқаратын күші ретінде мойындады. Ол биосаясаткерлердің, бизнесмендердің, саясаттанушылардың, түрлі мамандар ғалымдарының ықыласын арттыру саласында тұр.
Соңғы кезде ғылымда жаңа бағыт пайда болды– биоинформатика, бағдарламаны іздеп табу жəне интерпретациялау арқылы қамтамасыз ету.
15
Биоинформатика |
– бұл биологиялық |
жүйені |
зерттеуде |
қолданбалы |
|||
математиканы, информатиканы, статистиканы |
жəне компьютерлік |
ғылымды |
|||||
қолдану. Ғылыми |
|
зерттеулердің |
|
негізгі |
саласына |
генді , өздігіментабу |
|
жүйелілікті жасау, геномды құрастыру, ақуыз құрылысын жасау. |
|
||||||
Биоинженерияда |
қолданылатын |
əдістер. |
Организм |
дамуының |
|||
бағдарламасын |
зерттеу, қадағалау |
жəне «коррекциялау» мақсатымен |
|||||
биотехнологияның |
|
организмге |
молекулалық, ядролық, клеткалық |
жəне |
|||
организмдік деңгейлерде əсер ететін əдістерін қолданады. Осылардың ішінде ең негізгілеріне қысқаша тоқталсақ:
Молекулалық деңгейде неғұрлым танымал əдістеріне келесі əдістерді жатқызуға болады:
1.Секвенирлеу – геннің нуклеотидтік кезектілігі жайында ақпарат алуға мүмкіндік беретін жəне оның молекулалық, функционалдық мəнін ашуға мүмкіндік беретін əдіс.
2.Полимеразалық тізбекті реакция – бұл шектелмеген мөлшерде (in vitro
жағдайында амплификациялау) in vitro жағдайында нуклеотидтерді алуға мүмкіндік беретін əдіс.
3.Генді клондау – гендік клондарды жасап шығару əдісі.
Жануарлар клеткасындағы ядролармен жұмыс істеуге жол ашатын биотехнология əдістері:
1.Ядроларды клондау – клондарды алу əдісі.
2.Трансгеноз – генеративті трансгенді индивидуумдарды алу мақсатында геномға бөгде генді трансформациялау əдісі.
Клеткалық технологияны қолдануға мүмкіндік беретін əдістер:
1.Культивирлеу – генотиптердің көбеюін in vitro қамтамсыз ететін əдіс.
2. Экстракорпоралды ұрықтандыру – in vitro жағдайында гаметалар ұрықтанатын əдіс.
3.Криоконсервация – генотиптердің дамуына төменгі температураның əсерін зерттейтін əдіс.
4.Клондау – клондарды алу əдісі.
5. |
Эмбриондарды |
трансплантациялау – |
ұрғашы-донорлардың |
||
репродуктивтік |
аппаратынан |
эмбриондарды |
жуып, ұрғашыалып- |
||
реципиенттердің репродуктивтік аппаратына тасымалдайтын əдіс.
Негізгі əдебиеттер: 2 [7-9], 4 [1-16], 9 [3-7]
Қосымша əдебиеттер: [12-14] Бақылау сұрақтары:
1.Биоинженерия – бұл ғылым саласы ма, əлде өндіріс саласы ма?
2.Биоинженерия алдында қандай мақсаттар жəне міндеттер тұр?
3.Сіз қалай ойлайсыз, Биоинженерия – беталды ғылым ба, əлде ғылыми пəндердің «симбиозы» ма?
4.Биоинженерияның ең маңызды жетістіктерін атап шығыңыз.
5. Қашан |
жəне |
қандай |
жетістіктердің |
негізінде |
гендік |
инженерия |
қалыптасты? |
|
|
|
|
|
|
16
6.Бионженерия қандай мəселелерді шешеді?
7.Биоинженерияда қолданылатын əдістерді атап шығыңыз.
2-дəрістің тақырыбы: Биотехнологиялық процестердің негізі.
Биотехнологиялық процестері. Кез келген биотехнологиялық процестің
аса қажетті міндеті ғылыми негізделген |
технологияны дамыту жəне оған |
|||||
қажетті |
аппаратураны |
жетілдіру |
болып |
табылады. Биотехнологиялық |
||
өндірістерді құру кезінде химиялық технология тəжірибелері де қолданылды. |
||||||
Дегенмен, |
биотехнологиялық процестер химиялық технологияға қарағанда |
|||||
айқын |
басымдықпен |
ерекшеленеді, яғни |
биотехнологияда |
материяның |
||
айтарлықтай күрделі ұйымын – биологиялық ұйымды қолданады.
Əр бір биологиялық объект(жасуша, организм, фермент жəне т.б.) – бұл автономиялық өзін өзі реттеуші жүйе. Биологиялық процестер табиғаты өздеріңіз білетіндей, əлі толық зерттелмеген, өте күрделі процесс. Мысалы, микробтық популяция үшін белгілері бойынша гетерогенділік –тəжасн мөлшері, физиологиялық белсенділік, ортаның қолайсыз жағдайларына төзімділігі, т.б. Олар сондай-ақ, жиілігі 104 -тен 108 –ге дейінгі аралықта болып келетін мутацияға да жиі ұшырайды. Гетерогендік фазалар бөлімдерінің жəне орта факторларының біртектілігі бұзылғандықтан болуы да мүмкін.
Биотехнологиялық процестерді орындау нобайы(схемасы) жалпы түрде
биологиялық технологиялардың |
нұсқалары |
қамтылған |
блок-схема |
түрінде |
|||
берілуі мүмкін (2.1-сурет). |
|
|
|
|
|
|
|
Жалпы, кез келген биотехнологиялық процесс |
үш |
негізгі |
кезеңдерден |
||||
тұрады: предферментациялық, ферментациялық |
жəне |
постферментациялық |
|||||
кезеңдер. Берілген |
сұрақты |
жеңіл |
түрде |
шешу |
үшін |
матери |
|
микробиологиялық тұрғыда зерттеген қолайлы болар еді. Предферментациялық кезеңде продуцент (инокулят) культурасын сақтау
жəне дайындау, қоректік орталар мен субстраттарды, ферментациялық аппараттық, технологиялық жəне рециркулирленген суды жəне ауаны алу жəне дайындау жүзеге асырылады.
Биотехнологиялық
өнім
|
Молекулалық |
Клеткалық |
Организмдік |
|
рДНК |
Клеталар |
|
Гендер мен |
Рекомбинантты |
|
культурасы |
генотиптер банкі |
микроорганизмдер |
|
рБелок |
|
|
|
Трансгенді |
|
|
|
|
өсімдіктер |
|
|
|
|
Трансгенді |
|
|
|
|
жануарлар |
2.1-сурет. Биотехнологиялық процестерді орындау схемасы.
17
Продуценттің физиологиялық-биохимиялық сипаты мен қасиеті бүкіл
биотехнологиялық |
процестің |
қарқындылығын |
анықтайтын |
болғандықтан, |
предферментациялық кезеңнің ең қажетті сəтітаза культураны сақтау жəне |
||||
дайындау болып |
табылады. Таза |
культура бөлімінде өндірістік штамдар |
||
сақталады жəне процесті бастау үшін қажетті мөлшерде инокулят дайындалып, реактивацияланады. Инокуляттың егілетін мөлшерін өсіргенде масштабтау принципі қолданылады, яғни продуцент биомассасын колбада, бөтелкелерде, кейінірек ферментерлерде өсіреді. Бұл процестің əр бір кезекті кезеңі көлеміне қарай тəртіп бойынша ерекшеленеді. Стерилденген егу сызығымен алынған
инокулят |
алдағы |
уақытта |
ферментациялық |
кезеңге |
ұласатын |
аппаратқ |
|||
бағытталады. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Қоректік |
орталарды |
араластырғыштармен |
жабдықталған |
арнайы |
|||||
реакторларда дайындайды. Қоректік ортаның ерігіштігіне жəне компоненттердің |
|||||||||
сəйкестігіне қарай жеке реакторлар қолданылуы да ғажап емес. Қоректік ортаны |
|||||||||
дайындау |
технологиясы |
олардың құрамына |
ерімейтін компоненттер |
кіретін |
|||||
болса айтарлықтай қиындай түсетіні белгілі. Əр түрлі биотехнологиялық |
|||||||||
процестерде шығарылымы |
жəне мөлшері əр |
түрлі |
субстраттар қолданылады, |
||||||
сондықтан да оларды дайындау процесі түрленіп отырады. Міне, осыған байланысты қоректік компоненттерді мөлшерлеу əр өндірісте нақты процестің технологиялық регламентіне сай таңдап алынады. Мөлшерлегіш құрал ретінде таразылар жəне азық-түлік, химия өндірістерінде қолданылып жүрген арнайы көлемді заттар қолданылады. Заттарды жел айдағыштармен, ленталық транспортерлермен тасымалдайды. Сусымалы компоненттерді ферментерлерге вакуумды жел айдағыштардың көмегімен тасымалдайды. Қоспа принципі жиі қолданылады, яғни тұздарды алдын ала ерітіп, оларды турбожелілерге көлемі бойынша мөлшерлеп тасымалдайды.
Ферментация кезеңі биотехнологиялық процестің негізгі кезеңі десек те
болады. Себебі, бұл |
кезеңде продуценттің субстраттармен өзара əсерлесуі |
жүріп, мақсатты өнім |
түзіледі(биомасса, эндожəне экзоөнімдер). Бұл кезең |
биохимиялық реакторларда (ферментерде) жүзеге асады жəне қолданылып отырған продуценттің ерекшеліктеріне, соңғы өнімнің типі мен сапасына қойылған талаптарға байланысты əр тəсілдермен ұйымдастырылуы мүмкін. Ферментация қатаң асептикалық жағдайда жəне стерилдеу ережесін ұстанбаған жағдайда өтуі мүмкін; сұйық жəне қатты орталарда; анаэробты жəне
аэробты. Аэробты |
ферментация өз кезегінде қоректік ортаның үстіңг |
|
беткеймен немесе терең (қоректік ортаның бүкіл қалыңдығы бойнша) жүреді. |
||
Биологиялық |
объектілерді культивирлеу |
периодты, ағынды жəне |
жартылай үздіксіз режим бойынша жүзеге асады. Культивирлеудің периодты əдісінде ферментер бастапқы қоректік ортамен жəне микроорганизмдер инокулятымен толтырылады (Х0 + S0; 2.2-сурет.). Белгілі бір уақыт аралығында аппаратта микроорганизмдер мен өсіндідегі(культурадағы) өнімнің түзілуімен
болған субстраттың өзара əсерлесуі жүреді (Х + S → P).
Бұл |
аппараттағы биохимиялық өзгерістер ондаған сағаттан бірнеше |
тəулікке |
дейін жалғаса береді. Ферментер ішіндегі реттеу жағдайы– |
18
микроорганизмдерді периодты культивирлеудегі маңызды міндет. Периодты |
|
|||||||||||
ферментация кезінде өсірілген культура бірнеше кезеңдерден өтеді: лаг-фаза, |
|
|||||||||||
экспоненциалды, өсудің |
баяулығы, стационарлық |
жəне |
өлу |
кезеңдері. Бұл |
|
|||||||
жағдайда биообъектінің физиологиялық ахуалында жəне орта параметрлерінде |
|
|||||||||||
айтарлықтай |
өзгерістер |
жүреді. Белгілі мақсаттағы өнімдер |
экспоненциалды |
|
||||||||
(алғашқы |
метаболиттер – ферменттер, |
амин қышқылдары, дəрумендер) |
жəне |
|
||||||||
стационарлы |
(екінші |
|
кезектегі |
метаболиттер– антибиотиктер) фазаларда |
|
|||||||
түзіледі, |
сондықтан |
биотехнологиялық |
процестің |
мақсатына , сайқазіргі |
|
|||||||
заманғы өндірістер процесінде культивирлеудің дифференцияланған режимдегі |
|
|||||||||||
принциптерін қолданады. Осының нəтижесінде барынша өнім алуға жағдай |
|
|||||||||||
тудырылады. Периодты ферментерді, ондағы өнімдерді тазалаған соң жаңа |
|
|||||||||||
цикл басталады. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Микроорганизмдерді культивирлеудің үздіксіз процесі периодты процеске |
|
|||||||||||
қарағанда артықшылығы бар. Үздіксіз ферментация микробты популяция жəне |
|
|||||||||||
оның өнімдері неғұрлым біртекті болса, қойылған режим жағдайында жүзеге |
|
|||||||||||
асырылады. |
Үздіксіз |
|
ферментация |
процесін |
қолдану |
биосинтез |
процесін |
|
||||
басқаруға жəне реттеуге мүмкіндік береді. Үздіксіз ферментация |
жүйесі |
|
||||||||||
толықтай ығысу немесе толықтай араласу принципі бойынша жүзеге асады. |
|
|||||||||||
Ферментация |
процесі |
бір |
жағынан |
қоректік |
компоненттер |
жə |
||||||
инокуляттар |
үздіксіз |
түсіп |
отыратын, ал екінші жағынан дəл сондай |
|
||||||||
жылдамдықпен культуралды сұйықтық ағып жататын ұзын түтікте(трубада) |
|
|||||||||||
жүреді. Ағынды ферментацияның бұл жүйесі гетерогенді болып табылады. |
|
|||||||||||
Үздіксіз |
ферментация |
кезінде |
толықтай |
араласқан |
ферменттер |
|||||||
(гомогенді-ағынды əдіс) ферментациялық аппараттың бүкіл массасында бірдей |
|
|||||||||||
жағдай туады. Ферментацияның мұндай жүйелерін қолдану жеке стадияларды |
|
|||||||||||
басқаруға, |
|
биотехнологиялық |
|
процестерді |
|
басқаруға, кез |
келген |
|
||||
экспериментаторға |
|
немесе |
|
биотехнологқақажет |
продуценттерді |
|
||||||
қалыптастыруға жəне реттеуге мүмкіндік береді. Осы тектес қондырғыларды |
|
|||||||||||
басқару екі əдіс бойынша іске асады: турбидостатты жəне хемостатты. |
|
|||||||||||
Турбидостатты əдіс шыққан ағыстың лайлығын өлшеуінде негізделген. Клеткалардың өсуімен болған микробты суспензияның лайлығын өлшеу биореактордан шыққан микроорганизмдердің өсу жылдамдығын өлшеу болып табылады. Бұл ферментерге түскен жаңа қоректік ортаның жылдамдығын реттеуге мүмкіндік туғызады. Бақылаудың екінші əдісі– хемостатты əдіс жеңілірек.
Хемостаттағы процесті басқару шығатын емес, кіретін ағысты өлшеу арқылы іске асырылады. Мұнда қоректік орта компоненттерінің біреуінің (көміртегі, оттегі, азот) ферментерге түскен концентрациясын басқа қоректік компоненттер шығынға ұшырайтындай деңгейге қояды, яғни тапсырылған биогенді элементтің шектеуші концентрациясы культурадағы жасушалардың көбеюін тоқтатады.
Инженерлік өткізу тұрғысынан алғанда ферментация процесін қамтамасыз ету ферментерге мөлшерленген ағынның ғана(инокулят, ауа немесе газды қоспалар, қоректік биогендер) түсуін жəне одан жылу шығуын, сондай-ақ,
19
процестің негізгі параметрлерін қалыптастыруын, продуценттің барынша |
|
||||||||||||||||
дамуына жəне мақсатты өнімді алу үшін қажет. Ферментация барысында |
|
||||||||||||||||
құрамында |
жасуша, |
жасушааралық |
метаболиттер, |
бастапқы |
субстраттың |
|
|||||||||||
қалдық |
концентрациясы |
|
бар |
күрделі қоспалар түзіледі. Мұндайда |
əдет |
|
|||||||||||
бойынша бұл қоспаның ішінде мақсатты өнім аздаған мөлшерде болып, оның |
|
||||||||||||||||
көбісі бұзылып кетеді. Осының барлығы биологиялық препараттарды құрғату |
|
||||||||||||||||
жəне оларды шығару əдісіне айтарлықтай шек қойып отыр. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Постферментациялық |
кезең |
дайын |
тауарлы |
өнімді |
,алудыжəне |
|
|||||||||||
қалдықтарды зарарсыздандыруды қамтамасыз етеді. Соңғы өнімді (клетка |
|
||||||||||||||||
немесе культуралды сұйықтық) локализациялауға (орналастыруға) байланысты |
|
||||||||||||||||
жəне |
оның |
постферментациялық |
|
кезеңінің |
табиғатына |
|
сай |
əр |
т |
||||||||
аппаратураларды |
жəне |
|
шығару |
|
мен |
тазалаудың |
түрлі |
əдіс-тəсілдер |
|||||||||
қолданады. Клеткада жиналып қалған өнімді шығару анағұрлым қиынға соғары |
|
||||||||||||||||
анық. |
Постферментациялық |
стадияның |
бірінші |
кезеңі |
|
культуралдық |
|||||||||||
сұйықтықты фракциялау жəне биомассаны - өлшенген фазаны бөліп алу болып |
|
||||||||||||||||
табылады. Осы мақсаттарға кеңінен таралған ə–діссепарация, |
арнайы |
|
|||||||||||||||
қондырғыда – |
сепараторларда |
жүргізіледі, |
олар |
өңделген |
|
культуралды |
|
||||||||||
сұйықтықтың қасиетіне қарай əр түрлі схема бойынша жасалады. Негізінен |
|
||||||||||||||||
күрделі |
мəселелер 0,5-1,0 |
|
мкм |
жəне одан да (азбактериялы |
клеткалар) |
|
|||||||||||
мөлшердегі ұсақ өлшенген бөлікшелерді шығарып алуда |
жəне |
көптеген |
|||||||||||||||
мөлшердегі сұйықтарды (азықтық ақуызды өндірісінде, амин қышқылдарының |
|
||||||||||||||||
бірқатары) |
қайта |
өңдеу |
кезінде |
|
туындайды. Сепарация |
|
процесінің |
|
|||||||||
қарқындылығын күшейту үшін культураны арнайы өңдеу– рН өзгеруі, ысыту, |
|
||||||||||||||||
химиялық |
агенттерді |
қосу |
қолданылады. Биотехнологиялық |
|
өнімдердің |
|
|||||||||||
жарамдылық мерзімін ұзарту үшін олардың сусыздануын |
жəне |
қалыпқа |
|||||||||||||||
келтірілуін |
іске |
асырады. |
Өнімнің |
қасиетіне қарай |
құрғатудың |
əр түрлі |
|
||||||||||
əдістерін |
қолданады. |
Термостабилді |
препараттар |
ленталық |
конвейерлерде, |
|
|||||||||||
табақтарда жəне қайнап тұрған қабатта құрғатылады. Ысытуға аса сезімтал |
|
||||||||||||||||
препараттарды вакуумды-құрғатқыш шкафтарда төмендетілген қысым мен |
|
||||||||||||||||
температурада |
жəне |
тозаңдатқыш |
бүріккіш |
|
кептіргіштерде |
құрғатады. |
|||||||||||
Биотехнологиялық өнімдердің қасиетін тұрақтандыруға толықтырғыш ретінде |
|
||||||||||||||||
əр түрлі қоспалар енгізілуі мүмкін. Мысалы, ферментті препараттарды |
|
||||||||||||||||
тұрақтандыру үшін ферменттің денатураттануын қамтамасыз ететін глицерин |
|
||||||||||||||||
жəне көмірсутектерді |
қосады, сондай-ақ, |
кобальттың, магнийдің, натрийдің |
|
||||||||||||||
бейорганикалық иондарын, антибиотиктерді жəне басқаларды пайдаланады.
Негізгі əдебиеттер: 4 [16-35], 5 [24, 29], 9 [7-8]
Қосымша əдебиеттер: 2 [157-159] Бақылау сұрақтары:
1.Биотехнологиялық процестің химиялықтан қандай айырмашылығы бар?
2.Кез келген биотехнологиялық процестің негізгі элементтерін, кезеңдерін сипаттаңыз.
3.Биотехнологиялық процестің əрбір кезеңінің ерекшелігін сипаттаңыз.
20