5. 3. Объекты и процессы в биотехнологии

Основными технологическими принципами, используемыми в биотехнологии, являются: а) брожение (ферментация); б) био­конверсия (превращение одного вещества в другое); в) куль­тивирование бактерий, вирусов, растительных и животных клеток;

г) генетическая инженерия. Объектами биотехнологии служат, как уже указывалось, бактерии, вирусы, животные и расти­тельные клетки, органы и ткани животных и человека, расте­ния и другие биообъекты.

Простейшим способом получения биотехнологической про­дукции является использование животных и их органов и тка­ней. Например, иммунные сывороточные препараты получают из крови иммунизированных животных (лошадей, кроликов); гормон инсулин — из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней. Гормон роста получают из гипофиза умерших людей; для получения препаратов крови используют донорс­кую, плацентарную и абортную кровь.

Для получения многих лекарственных средств (сердечных, мочегонных, противовоспалительных и т.д.) используют расте­ния.

Любая животная, растительная и микробная клетка является своего рода биофабрикой, синтезирующей огромное число мак­ромолекул, химических соединений, служит своеобразным хра­нилищем веществ, обладающих биологической активностью и представляющих ценность как продукты для использования в медицине, ветеринарии, пищевой промышленности и других сферах народного хозяйства Например, микробная клетка син­тезирует и содержит более 2500 белков, ферментов, олиго- и полисахаридов, липиды, витамины и другие вещества.

Преимущество получения этих веществ из микробной клетки по сравнению, например, с химическим синтезом или другими технологиями очевидно, так как: а) микробные клетки можно выращивать в больших объемах в короткие сроки на недефи­цитных питательных средах и по сравнительно простой техно­логии; б) большинство химически сложных веществ, получа­емых из микробов, пока недоступны для синтеза другими способами; в) для микробиологической промышленности не требуется сложной аппаратуры и в ней в основном применима аппаратура, используемая в химической промышленности.

В биотехнологии нашли применение десятки видов бактерий, дрожжей, вирусов. Обычно используются виды микробов, об­ладающие высокой синтетической способностью, интенсивным ростом и накоплением целевого продукта, а также безопасно­стью и безвредностью при массовом культивировании в про­изводственных условиях. Чаще всего в производственных усло­виях применяют актиномицеты и грибы для получения антиби­отиков; дрожжи — в хлебопечении, виноделии, пивоварении, для получения кормового белка, питательных сред; бациллы — для получения ферментов; клостридии — для сбраживания сахаров в ацетон, этанол, бутанол; псевдомонады — для полу­чения витамина В, молочнокислые бактерии — в пищевой про­мышленности и т.д.

Кроме того, многие микроорганизмы (бактерии, дрожжи, ви­русы) используются в качестве реципиентов генов целевых про­дуктов для получения рекомбинантных штаммов — продуцентов биотехнологической продукции (гормонов, интерферонов, им­муномодуляторов, вакцин и др.).

Производственная схема получения биотехнологической про­дукции состоит из следующих основных этапов; 1) культиви­рование микробов; 2) выделение, концентрирование и очистка целевого продукта (микробной массы, ферментов, антибиоти­ков, интерферонов, гормонов и др.); 3) приготовление, стан­дартизация и контроль готового целевого продукта (препарата).

Микробов культивируют на жидких, реже на плотных сба­лансированных питательных средах в аппаратах (ферментерах) различной емкости (от 2 л до 400 м³) при оптимальном тем­пературном режиме и физико-химических условиях (pH, масс- обменные характеристики), поддерживаемых автоматически. В ка­честве питательных сред используют дешевое, доступное, неде­фицитное сырье, например, рыбо-костную муку, отходы сахар­ного производства (меласса), дрожжевой экстракт, в некоторых случаях гидролизаты казеина и другого белкового сырья.

Время выращивания большинства бактерий при определен­ных условиях составляет 1—3 сут. Из 1 т культуры за это время получается примерно 50 кг биомассы. Для повышения выхода продукции используют высокопродуктивные промышленные штаммы микробов. Из культуральной жидкости выделяют и кон­центрируют биомассу бактерии с помощью различных методов (сепарирование, центрифугирование, седиментация, выпарива­ние, ультрафильтрация, хроматография). Дальнейшей обработке подвергают или биомассу, или освобожденный от биомассы фильтрат культуральной жидкости, содержащий целевой про­дукт. Очистку и концентрирование целевого продукта (антиби­отика, антигена, фермента и др.) осуществляют одним из известных физико-химических методов: изоэлектрическое и кислотное осаждение, осаждение кислотами, спиртами, высали­вание, хроматография и др. Затем очищенному и концентриро­ванному продукту или культуре бактерий (например, при из­готовлении живых и убитых вакцин) придают конечную форму в виде жидкого, сухого, таблетированного препарата, который стандартизуют и контролируют по активности, физико-хими­ческим и медико-биологическим параметрам.

По изложенной выше схеме получают биотехнологическую продукцию и при культивировании животных и растительных клеток. Растительные клетки используют для получения фарма­цевтических веществ (женьшень, мочегонные, сердечно-сосуди-

ДНК 2

Рис. 6.1. Получение рекомбинантных ДНК и рекомбинантных штам­мов микроорганизмов.

стые и другие препараты), а животные клетки — для выращи­вания вирусов с целью получения вакцин, антигенов, гормо­нов, эндогенных иммуномодуляторов и других биологически ак­тивных веществ. Однако культивирование животных и расти­тельных клеток значительно сложнее и дороже, чем культиви­рование бактерий, так как выращивание этих клеток в отличие от бактерий требует сложных по составу питательных сред, специальной аппаратуры и условий культивирования. Поэтому в биотехнологии интенсивно разрабатываются и уже использу­ются рекомбинантные штаммы бактерий, способные синтезиро­вать продукт растительной и животной природы.