Введение. Биотехнология (гр. bios – живой, teken – искусство, logos – наука) – наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве

Биотехнология (гр. bios – живой, teken – искусство, logos – наука) – наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве. Биологические процессы – процессы, в которых применяются биологические агенты (организмы, органеллы, а также биополимеры (нуклеиновые кислоты, ферменты)).

Европейская Федерация Биотехнологов (European Federation of Biotechnology), 1984 год: биотехнология как использование биохимии, микробиологии и инженерных наук (например, электроники) в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток, тканей и их частей для того, чтобы снабдить биологическое сообщество тербуемыми продуктами и услугами.

Биотехнология – междисциплинарная область знаний, базирующихся на микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, биоорганической химии, биофизике, вирусологии, иммунологии, генетике, инженерных науках и электронике.

Основные направления биотехнологических исследований в настоящее время представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Основные направления биотехнологических исследований

Следует назвать следующие продукты и услуги, получаемые биотехнологическими методами:

в здравоохранении: антибиотики, вакцины, ферменты, гормоны. Средства доставки медицинских препаратов к месту локализации болезни для лечения и диагностики заболеваний;

в растениеводстве и животноводстве: биопестициды, биогумус, кормовые антибиотики, белково-витаминные концентраты (БВК), трансгенные растения с целью повышения продуктивности сельского хозяйства и животноводства и улучшения качества продуктов питания;

в технологиях окружающей среды и биоконверсии отходов: биологическая очистка сточных вод, воздуха. Компостирование. Биоремедиация почв и водоемов. Выщелачивание металлов из отходов промышленности и руд;

в области ферментных технологий: селективные биохимические реакции для получения L-активных форм биологически активных веществ (БАВ). Иммобилизованные ферменты. Биосенсоры для биохимических анализов;

в технологиях возобновляемых ресурсов: получение этанола из лигноцеллюлозы, пектинов из грибов, кормовых трав, белка одноклеточных водорослей ( р.р. Chlorella, Spirulina);

в направлении получения новых перспективных продуктов биотехнологии: полигидроксибутират (ПГБ) – биополимерный материал (биопласт), не ксенобиотик, поэтому подвергается биодеградации;

пуллулан – биополимер, получаемый микробным синтезом из крахмала. Растворяется в горячей воде. Съедобен (как крахмал), поэтому применяется для изготовления тонких пленок для герметичной упаковки пищевых полуфабрикaтов с дальнейшим приготовлением пищи без распаковывания;

микробные текстиль и бумага на основе гифов микромицетов, которые тоньше и прочнее, чем х/б волокна. Микробный текстиль используют в неотложной медицинской помощи в качестве искусственной кожи для закрытия обширных ран;

микробные жидкие кристаллы. Бактерии р. Nocardia накапливают в клетках вещества-аналоги жидких кристаллов с более быстрой реакцией на внешние сигналы с перспективой их использования для производства особо плоских мониторов и телевизоров;

биоклей – белковый продукт (биссус) съедобных мидий (Mytilis edulis) и др. моллюсков, сохраняющий многолетнюю твердость в морской воде. Получают с использованием генно-инженерных штаммов E. coli и дрожжей. Находит применение в зубоврачебной практике.

Важнейшие области применения биотехнологии представлены на рисунке 2. В качестве наиболее наглядных примеров в каждой из этих областей можно назвать следующие:

в области продуктов питания: хлебопечение, пивоварение, виноделие, сыроделие, квашение капусты, получение микробного и растительного белка, спиртовое брожение. Известно, что синезеленая водоросль Spirulina platensis, биомассу которой использовали в питании ацтеки, а также африканские племена, живущие на берегах озера Чад, образует в 10 раз больше белковой массы, чем пшеница на равновеликих площадях. В качестве искусственной пищи в Японии используются продукты на основе грибного мицелия р. Fusarium. Со времен 1-й мировой войны в 1914-1917 г.г. налажено промышленное производство дрожжевого белка. Позднее было освоено производство пищевых кислот – лимонной, молочной, янтарной, уксусной, а также организовано производство глюкозо-фруктозных сиропов, превосходящих по сладости сахарозу;

Рисунок 2 – Важнейшие области биотехнологии

в области медицинских препаратов: микробное получение человеческих белков и гормонов: инсулина на основе генноинженерного штамма Escherichia coli K12, который в 1981 году поступил на рынок медицинских препаратов; интерферон, полученный на основе селекционной бактериальной культуры рода Pseudomonas в 1978 год в университете г. Цюриха.

Особое место занимает биосинтез антибиотиков, из многообразия которых в повседневной лечебной практике применяются лишь около 100; микробный синтез незаменимых аминокислот, витаминов группы D – на основе пекарских дрожжей, В₂ – бактерий E. ashbii, C – дрожжей p. Candida;

в сельскохозяйственной биотехнологии основной целью разработок является повышение урожайности культур благодаря устойчивости к гербицидам, природным факторам, оптимизации систем биосинтеза. Методами клонирования (гр. clon – ветвь) организмов производятся ценные растительные культуры с закреплением важных свойств морозоустойчивости, невосприимчивости к болезням растений и др. Дальнейший шаг в этом направлении был связан с созданием трансгенных организмов – генно‑модифицированных (ГМ) объектов или источников питания. Практически 100 % сельхозяйственных площадей в мире, используемых под ГМ культуры, относятся к 6 странам: США, Аргентина, Канада, Бразилия, Китай, ЮАР. Основными ГМ культурами являются соя, кукуруза, хлопок, папайя, рис, сахарная свекла, томаты, картофель. Классическими примерами биопестицидов являются бактерия Bacillus thuringiensis для уничтожения личинок моли и гусениц и бактериофаги для борьбы с вредителями растений;

в экологической биотехнологии: использование микроорганизмов и высших растений для защиты окружающей среды и восстановления ее природных свойств.

Разработаны технологии биоремедиации почв и водоемов, особенно в районах нефтедобычи и нефтетранспорта с применением микробных препаратов, включающих бактериальные клетки Pseudomonas putida, Rhodococcus – «Путидойл» «Деворойл», клетки микромицетов р. Fusarium – «Фузарин», с использованием ферментных препаратов, например, «Фаерзайм», а также с помощью высших водных растений – эйхорнии, водной лилии, ириса;

в биогеотехнологии микроорганизмы используются для добычи полезных ископаемых – нефти, цветных и драгоценных металлов. Так, бактерия Thiobacillus ferrooxidans выщелачивает железо, цинк, медь в процессе энергетического обмена при окислении сульфидов до сульфатов:

FeS + H₂O FeО + H₂SO₄

Стоимость продуктов получаемых методами биотехнологии, на мировом рынке оценивается 60 млрд. $. Распределение основных продуктов биотехнологии представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 – Мировой рынок биотехнологических продуктов в 2000 году (Rainer Stuermer, Michael Breuer, 2006 год)

Итак, для получения самых разнообразных продуктов в промышленном масштабе могут успешно использоваться биотехнологические процессы, представляющие собой совокупность последовательных действий специалистов, направленных на достижение необходимых результатов при эксплуатации одноклеточных и многоклеточных организмов.

Обобщенная схема типовых биотехнологических процессов приведена на рисунке 4.

Каждая из основных стадий схемы включает различные биотехнологические процессы, связанные с предварительным накоплением клеток организмов, подготовкой сред и оборудования (предферментация), эксплуатацией (культивированием) организмов (основная ферментация), биообезвреживанием отходов (постферментация). Процессы, связанные с выделением биомассы и продуктов метаболизма на стадии постферментации, носят скорее не биологический, а физико-химический характер.

Рисунок 4 -Обобщенная схема типовых биотехнологических процессов