Биотехнология как наука

ВВЕДЕНИЕ

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.

Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к эффективному их использованию в науке и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого максимальный экономический эффект. По прогнозам, уже в начале 21 века биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции. 

В нашей стране значительное расширение научно-исследовательских работ и внедрение их результатов в производство также было достигнуто в 80-е годы. В этот период в стране была разработана и активно осуществлялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы межведомственные биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные кадры специалистов-биотехнологов, организованы биотехнологические лаборатории и кафедры в научно-исследовательских учреждениях и вузах.

Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехнологии в стране ослабло, а их финансирование сокращено. В результате развитие биотехнологических исследований и их практическое использование в России замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня, особенно в области генетической инженерии.

Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Современная биотехнология — это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Промышленная биотехнология, где рассматриваются общие принципы осуществления биотехнологических процессов, происходит знакомство с основными объектами и сферами применения биотехнологии, рядом крупномасштабных промышленных биотехнологических производств, использующих микроорганизмы.

Клеточная инженерия. Основная цель этого раздела – знакомство с методами ведения культур клеток и практическим использованием этих объектов. В рамках этого раздела выделяют культивирование растительных клеток и  методы культивирования животных клеток, так как подходы к культивированию этих объектов различаются в силу их принципиальных биологических различий. Клеточная биотехнология обеспечила ускоренное получение новых важных форм и линий растений и животных, используемых в селекции на устойчивость, продуктивность и качество; размножение ценных генотипов, получение ценных биологических препаратов пищевого, кормового и медицинского назначения.

Генная инженерия. Высшим достижением современной биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать коренные задачи селекции биологических объектов на устойчивость, высокую продуктивность и качество продукции при оздоровлении экологической обстановки во всех видах производств. Однако для достижения этих целей предстоит преодолеть огромные трудности в повышении эффективности генетической трансформации и прежде всего в идентификации генов, создании их банков клонирования, расшифровке механизмов полигенной детерминации признаков и свойств биологических объектов, обеспечении высокой экспрессии генов и создании надежных векторных систем.

Современная биотехнология тесно стыкуется с рядом научных дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их основным инструментом (рисунок 1).

Рисунок 1. Связь биотехнологии с другими науками ( по В.И.Кефели, 1989)

В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.  Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др.                                     Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным            соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост.

В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

1. СОВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ И ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ НАУКИ БИОТЕХНОЛОГИЯ

   Современное развитие биотехнологии. С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в сферах практической деятельности человека. К ним относятся хлебопечение, виноделие, пивоварение, приготовление кисломолочных продуктов и т. д. Наши предки не имели представления о сути процессов, лежащих в основе таких технологий, но в течение тысячелетий, используя метод проб и ошибок, совершенствовали их. Биологическая сущность этих процессов была выявлена лишь в XIX в. благодаря научным открытиям Л. Пастера. Его работы послужили основой  для развития производств с использованием разнообразных видов микроорганизмов. В первой половине XX в. стали применять микробиологические процессы для промышленного получения ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка. Успехи, достигнутые во второй половине XX в. в области цитологии, биохимии, молекулярной биологии и генетики, создали предпосылки для управления элементарными механизмами жизнедеятельности клетки, что способствовало бурному развитию биотехнологии. Благодаря селекции высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, эффективность биотехнологических процессов увеличилась в десятки и сотни раз.

1. Перспективы развития биотехнологии

     Все шире на промышленной основе применяется метод вегетативного размножения сельскохозяйственных растений культурой ткани. Он позволяет не только быстро размножить новые перспективные сорта растений, но и получить незараженный вирусами посадочный материал. Биотехнология позволяет получать экологически чистые виды топлива путем биопереработки отходов промышленного и сельскохозяйственного производств. Например, созданы установки, в которых используются бактерии для переработки навоза и других органических отходов. Из 1 т навоза получают до 500 м3 биогаза, что эквивалентно 350 л бензина, при этом качество навоза как удобрения улучшается. Биотехнологические разработки находят все большее применение в добыче и переработке полезных ископаемых.    

      В основе промышленного использования достижений биологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами. В частности, возможно управление процессом фиксации атмосферного азота и перенос соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном растительной клетки.

        Биотехнологии, основанные на достижениях микробиологии, наиболее экономически эффективны при комплексном их применении и создании безотходных производств, не нарушающих экологического равновесия. Их развитие позволит заменить многие огромные заводы химической промышленности экологически чистыми компактными производствами.

Центральная проблема биотехнологии - интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине.

        В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение будут приобретать воспроизводимые ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза), органических удобрений.

         Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей растениеводства и животноводства с одной стороны, и микробного синтеза - с другой, в формировании продовольственной базы человечества.

         Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является изучения участия микроорганизмов в биосферных процессах и направленная регуляция их жизнедеятельности с целью решения проблемы охраны окружающей среды от техногенных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений.

         С этой проблемой тесно связаны исследования по выявлению роли микроорганизмов в плодородии почв (гумусообразовании и пополнении запасов биологического азота), в борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации пестицидов и др. химических соединений в почве. Имеющиеся в этой области знания свидетельствуют о том, что изменение стратегии хозяйственной деятельности человека от химизации к биологизации земледелия оправдывается как с экономической, так и с экологической точек зрения. В данном направлении перед биотехнологией может быть поставлена цель регенерации ландшафтов.

         Ведутся работы по созданию биополимеров, которые будут способны заменить современные пластмассы. Эти биополимеры имеют существенное преимущество перед традиционными материалами, так как нетоксичны и подвержены биодеградации, то есть легко разлагаются после их использования, не загрязняя окружающую среду.

2. Биотехнология сельскохозяйственных растений. Перспективы

     Биотехнологические подходы позволяют современным селекционерам выделять отдельные гены, отвечающие за желаемые признаки, и перемещать их из генома одного растения в геном другого. Этот процесс гораздо более точен и избирателен, чем традиционное скрещивание, в ходе которого тысячи генов, обладающих неизвестными функциями, перемещаются из одного сорта или вида растений в другой.

     Биотехнология позволяет и то, что не под силу природе - перемещение генов между растениями, животными и микроорганизмами. Это открывает огромные возможности для улучшения качества урожая. Например, мы можем взять бактериальный ген, токсичный для болезнетворного грибка, и встроить его в геном растения. Растение при этом начинает синтезировать фунгицидный белок и в борьбе с грибком не нуждается в помощи извне.

2. ПРИМЕНЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ

Статистические данные ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства свидетельствуют о том, что проблема обеспечения населения нашей планеты продуктами питания внушает серьезные опасения. По этим данным, более половины населения Земли не обеспечено достаточным количеством продуктов питания, примерно 500 млн. людей голодают, а около 2 млрд. питаются недостаточно или неправильно. К концу XX в. население нашей планеты с учетом контроля рождаемости составило 7,5 млрд. человек. Следовательно, тяжелое уже сейчас положение с продуктами питания может принять в недалеком будущем для некоторых народов угрожающие масштабы.

 Пища должна быть  разнообразной и содержать белки, жиры, углеводы и витамины. Источники  энергии — жиры и углеводы  в определенных пределах взаимозаменяемы, причем их можно заменить и  белками, но белки нельзя заменить  ничем. Проблема питания людей  в конечном счете заключается  в дефиците белка. Там, где сегодня  люди голодают, не хватает прежде  всего белка. Установлено, что ежегодный  дефицит белка в мире, по самым  скромным подсчетам, оценивается  в 15 млн. т. Наибольшую популярность  как источники белка приобрели  семена масличных культур —  сои, семян подсолнечника, арахиса  и других, которые содержат до 30 процентов высококачественного  белка. По содержанию некоторых  незаменимых аминокислот он приближается  к белку рыбы и куриных яиц  и перекрывает белок пшеницы. Белок из сои широко уже  используется в США, Англии и  других странах как ценный  пищевой материал.

 Эффективным источником  белка могут служить водоросли. Увеличить количество пищевого  белка можно и за счет микробиологического  синтеза, который в последние  годы привлекает к себе особое  внимание. Микроорганизмы чрезвычайно  богаты белком — он составляет 70—80 процентов их веса. Скорость  его синтеза огромна. Микроорганизмы  примерно в 10—100 тысяч раз быстрее  синтезируют белок, чем животные. Здесь уместно привести классический  пример: 400-килограммовая корова  производит в день 400 граммов белка, а 400 килограммов бактерий — 40 тысяч  тонн. Естественно, на получение 1 кг  белка микробиологическим синтезом  при соответствующей промышленной  технологии потребуется средств  меньше, чем на получение 1 кг белка  животного. Да к тому же технологический  процесс куда менее трудоемок, чем сельскохозяйственное производство, не говоря уже об исключении сезонных влияний погоды — заморозков, дождей, суховеев, засух, освещенности, солнечной радиации и т. д.

 Применяя обычные технологические  линии по производству синтетических  волокон, можно получать из искусственных  белков длинные нити, которые  после пропитки их формообразующимн  веществами, придания им соответствующего  вкуса, цвета и запаха могут  имитировать любой белковый продукт. Таким способом уже получены  искусственное мясо (говядина, свинина, различные виды птиц), молоко, сыры  и другие продукты. Они уже  прошли широкую биологическую  апробацию на животных и людях  и вышли из лабораторий на  прилавки магазинов США, Англии, Индии, стран Азии и Африки. Только  в одной Англии их производство  достигает примерно 1500 тонн в  год. Интересно, что белковую часть  школьных обедов в США уже  разрешено на 30 процентов заменять  искусственным мясом, созданным  на основе соевого белка.

 Используемое в питании  больных Ричмондского госпиталя (США) искусственное мясо получило  высокую оценку главного диетолога. Правда, когда больным давали  антрекот из искусственного мяса, они жаловались на его тестоватость, хотя и не знали и даже  не догадывались о том, что  получали не естественный продукт. А когда мясо подавалось в  виде мелко нарезанных кусочков, нареканий не было. Обслуживающий  персонал также употреблял искусственное  мясо, не догадываясь о подделке. Они воспринимали его как натуральную  говядину. Врачи госпиталя отмечали  также положительное влияние  рациона на здоровье пациентов  и особенно больных атеросклерозом. В состав такого мяса обязательно  включают специально обработанный  искусственный белок, небольшое  количество яичного альбумина, жиры, витамины, минеральные соли, природные  красители, ароматизаторы и прочее, что дает возможность «лепить»  изделие с заданными свойствами, учитывая при этом физиологические  особенности организма, для которого  продукт предназначен. Это особенно  важно в диете детей и людей  пожилого возраста, больных и  выздоравливающих, когда необходимо  лимитировать питание по целому  ряду пищевых компонентов, что  весьма трудно сделать, используя  традиционные продукты. Такое мясо  можно резать, замораживать, консервировать, сушить или прямо использовать  для приготовления различных  блюд. 

 Из 20 аминокислот, входящих  в состав белков, 8 аминокислот  люди не могут синтезировать, и их относят к незаменимым. Это изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин. Аминокислоты — это не только питательные вещества, но также ароматические и вкусовые агенты, и потому они широко используются в пищевой промышленности.

 Как питательную добавку  в пищу чаще всего вносят  лизин и метионин. Глутамат натрия  и глицин употребляют как ароматические  вещества для усиления и улучшения  вкуса пищи. У глицина освежающий, сладкий вкус. Его вводят в  сладкие напитки, и кроме того, он проявляет там бактериостатическое  действие. Цистеин предотвращает  подгорание пищи, улучшает пекарские  процессы и качество хлеба. Благодаря  некоторым бактериям удается  получать около 100 г/л глутаминовой  аминокислоты. Ежегодно в мире  производят микробиологическим  способом 270 000 т этой аминокислоты, основная часть которой идет  в пищевую промышленность. По  объему продукции второе место  после глутаминовой кислоты занимает  лизин — 180 000 т в год. Другие  аминокислоты производят в гораздо  меньших количествах.

 Аминокислоты в большом  количестве применяют как добавку  к растительным кормам, которые  дефицитны по метионину, треонину, триптофану и особенно по лизину. Если в животных белках содержится 7—9 % лизина, то в белках пшеницы  — только около 3 %. Внесение в  корма лизина до содержания 0,3 % позволяет сократить их расход  больше чем на 20 %. За последние 8 лет количество аминокислот, добавляемых  в корма, выросло в 14 раз. Во многих  странах метионин добавляют к  соевой муке — белковой добавке  кормов. Главная область практического  применения аминокислот — обогащение  кормов. Около 66 % общего количества  аминокислот, получаемых в промышленности, используют в кормах, 31 % — в  пище и 4 % — в медицине, косметике  и как химические реактивы. На  основе аминокислот готовят искусственный  подсластитель — метиловый эфир L-аспартил-L-фенилаланина, который в 150 раз слаще, чем глюкоза.

3. ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

     Промышленная биотехнология, находящая применение в таких ключевых направлениях, как медицина и сельское хозяйство, производство химических веществ и пищевых продуктов, биоэнергетика и биоэлектроника, восстановление и защита окружающей среды, материаловедение, биогеотехнология и других, является универсальным инструментарием по борьбе со стихийным развитием цивилизации и обеспечению её управляемого устойчивого непрерывного прогрессирования.

     Принимая во внимание исключительную прикладную ценность биотехнологии, представляется крайне важным проанализировать и систематизировать основные объекты и этапы биотехнологического процесса, комплексно рассмотреть базовые методы и подходы, имеющих место в промышленной биотехнологии, описать технологическое оборудование, схемы ведения работ и, соответственно, продукты, получаемые в результате биотехнологического производства.

     Учитывая, что биобъекты — основополагающий элемент промышленной биотехнологии, видится целесообразным вначале коротко остановиться на их описании. В качестве биобъектов выступают одно- или многоклеточные живые организмы, функциональное предназначение которых — биосинтез необходимого продукта (продуценты) либо катализ ферментативной реакции (биокатализаторы). К биообъектам относятся макромолекулы, микро- и макроорганизмы, в частности:

• вирусы — не имеющие клеточного строения и собственного энергоснабжения мельчайшие организмы, ведущие паразитический образ жизни;
• бактерии — прокариотические (не обладающие ядром и другими мембранными органоидами) и эукариотические (содержащие в своём строении ядро и иные структуры) клетки;
• водоросли (бурые, красные, зелёные, диатомовые, синезелёные и т. п.) — группа одноклеточных, колониальных или многоклеточных организмов, обитающих, в основном, в водной среде, но также в почве, на поверхности растений и в других местах;
• лишайники — симбиотические ассоциации микроскопических грибов (микобионт) и зелёных микроводорослей и / или цианобактерий (фотобионт или фикобионт), образующие слоевища (талломы) определённой структуры;
• грибы — лишённые хлорофилла (пигмента, участвующего в фотосинтезе) организмы, усваивающие минеральные вещества непосредственно из окружающей среды, а органические — только в готовом виде;
• водные растения, пребывающие в солёной, пресной (большей частью) либо солоноватой водных средах;
• культуры клеток животного происхождения, равно как и изолированные ткани, органы или цельные тела животных;
• тотипотентные растительные клетки, сохраняющие генетическую информацию в процессе своего развития и способные, в случае наличия благоприятных условий, полностью восстановить организм.

     При этом низшие растения (вирусы, бактерии, водоросли, миксомицеты, лишайники, грибы), в свою очередь, подразделяются на автотрофы (водоросли и лишайники), синтезирующие органические соединения из неорганических, и гетеротрофы (вирусы и бактерии, большинство миксомицетов и грибов), неспособные к фотосинтезу / хемосинтезу и использующие для питания органические вещества, произведённые другими организмами.

     Рассмотрев объекты, которыми оперирует биотехнология, перейдём к исследованию производственного процесса (заметим, что в практической деятельности, для удобства, он часто иллюстрируется в виде последовательно составленной блок-схемы), предполагающего, в конечном счёте, получение внутри- или внеклеточного целевого продукта биосинтеза. Обычно, в классическом варианте, изучаемый процесс состоит из подготовительной, биотехнологической и заключительной стадий.

     На начальной, подготовительной стадии осуществляется приготовление необходимого сырья с заданными свойствами, подразумевающее, в зависимости от целевой продукции, такие методы, как: заготовка специальной среды с нужными компонентами, стерилизация газов путём очистки от излишних веществ, подготовка посевного материала либо биокатализатора.

     На основной, биотехнологической стадии, с помощью тех или иных перечисленных выше биообъектов, происходит преобразование исходного сырья в желаемый продукт. Данный этап включает в себя синтез новых органических соединений, а также процессы: биотрансформация, ферментация, биокатализ, биоокисление, метановое брожение, биокомпостирование, бактериальное выщелачивание, биосорбция, биодеградация.

     На последней, заключительной стадии технологического процесса биотехнологического производства получается запроектированная готовая продукция. Однако, целевой продукт на текущем этапе изначально находится в биомассе либо жидкости. Для их разделения можно воспользоваться следующими методами: отстаивание, фильтрация (в том числе микро- и ультрафильтрация), сепарация / центрифугирование и др.

     После указанных выше стадий, наступает время выделения целевого продукта. Это успешно делается экстракцией, осаждением, адсорбцией, ионным обменом и другими известными методами, характерными для внутриклеточных и внеклеточных формирований.

     Полезно отметить, что, в случае необходимости удалить ненужные примеси, в производственный процесс, после стадии выделения, может быть включён этап очистки, который реализуется на основе хроматографии, диализа, кристаллизации, равно как и ректификации, ферментолиза, обратного осмоса и иных методов, приведённых для предыдущей стадии.

     Завершая раздел, посвящённый хронологическим аспектам биотехнологического производственного процесса, стоит упомянуть и о возможности максимизировать выход целевого продукта (до 90—100 %) — это достигается путём его концентрирования (например, выпариванием, сушкой, нано- и гиперфильтрацией).

     Касаемо оборудования, используемого в биотехнологической практике, следует сказать, что при лабораторных исследованиях, главным образом, применяют роллеры и качалки, предотвращающие посредством вращающей конструкции осаждение клеток и обеспечивающие оптимальное количество растворённого кислорода. Чтобы в периодическом и непрерывном режимах выращивать клеточные культуры и микроорганизмы в промышленных масштабах, больше подойдут ферментёры и биореакторы, где перемешивание клеток может происходить за счёт аэрирования воздуха (барботажный тип), создания направленных циркуляционных потоков (эрлифтный тип) или с помощью механических устройств.

      В заключение, хотелось бы акцентировать внимание на том, что, согласно результатам проведённых автором изысканий и мнениям учёных по исследуемой тематике, перспективы промышленной биотехнологии весьма позитивны, поскольку она обладает исключительно важными преимуществами.

     Вот лишь некоторые из них: широкий спектр получаемых продуктов (к примеру: газы — водород, биогаз, диоксид углерода; культуральные жидкости вместе с микроорганизмами — кефир, йогурт; твёрдые субстраты — сырная продукция, ферментированное с заквасками колбасное изделие; жидкости, полученные после отделения биомассы, — квас, вино; биопрепараты — бактериальные удобрения, эффективные средства защиты растений, пекарские дрожжи; различные биопродукты — этанол, антибиотики, аминокислоты и многое другое), экологичность и безопасность производственного процесса, умеренность стоимости подготовки и запуска биотехнологической линии, эвентуальность использования в качестве сырья низких по цене отходов сельского хозяйства и промышленности, а также, что особо ценно, возможность получать чрезвычайно востребованные вещества (белки, ДНК и т. д.), которые сложно либо, более того, вовсе не представляется реальным получить каким-то иным способом в достаточном для людских нужд объёме.

4. ФЕРМЕНТЫ

     Ферменты составляют основу многих тестов, используемых в клинической медицине. Они применяются при автоматизированном анализе и биохимическом исследовании жидкостей организма, которые ведутся в  биохимических лабораториях современных клиник. Примером таких ферментов могут быть  глюкозооксидаза, гексокиназа, эстераза, алкогольдегидрогеназа. Иногда ферменты применяют в терапии (например, струптокиназу или урокиназу, которые оказывают мощное фибринолитическое действие при тяжелом тромбозе сосудов).

     По видимому, основные усилия в ближайшие несколько лет будут направлены на развитие технологии биодатчиков. Ферменты могут оказаться весьма полезными для контроля за концентрацией разнообразных веществ, интересующих клиницистов: промежуточных метаболитов, лекарственных препаратов и гормонов. Свою роль сыграет здесь биотехнология: она предоставит и обычные и редкие ферменты микробов, полученные как путем

крупномасштабного их выращивания, так и с помощью технологии рекомбинантных ДНК.

     В заключение следует отметить, что последние достижения биотехнологии оказывают и будут оказывать революционизирующее воздействие на диагностику, лечение и понимание основ патологии многих тяжелых заболеваний.