ІСТОРИЧНІ ПЕРІОДИ І ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ БІОТЕХНОЛОГІЇ
ПЛАН
1. Визначення, напрями, міждисциплінарна природа біотехнології.
2. Історичні періоди і перспективи розвитку біотехнології
3. Особливості біотехнологічних процесів.
4. Основні типи біотехнологічних реакторів.
ВИЗНАЧЕННЯ, НАПРЯМИ, МІЖДИСЦИПЛІНАРНА ПРИРОДА БІОТЕХНОЛОГІЇ
Новий термін «біотехнологія» з’явився близько 30 років тому. Замість нього вживалися слова «промислова (прикладна) мікробіологія», «технічна (прикладна) біохімія» та ін. Це було пов’язано з великим науковим стрибком в галузях мікробіології, ензимології, молекулярної біології і молекулярної генетики. Нові відкриття об’єднали розрізнені прикладні напрями. У результаті біотехнологія стала наукою про практичне використання біології в цілому, а не окремих її частин, як це було раніше.
Ще з кінця ХІХ століття мікроорганізми стали основою виробництва цілого ряду корисних продуктів (органічних кислот, етанолу, ферментів, вітамінів, антибіотиків і т.п.). Перспективи їх використання зростають, адже з великого розмаїття мікроорганізмів людиною використовується дуже незначна їх частина, і до того ж, не досить ефективно, так як знань в генетиці і біохімії мікроорганізмів часто не вистачає.
Недавно почали використовувати в практиці біотехнології рослинні клітини, а тваринні, внаслідок великої вартості їх культивування використовуються дуже обмежено, наприклад для отримання моноклональних антитіл.
|
|
|
Уже використовуються в біологічній промисловості різноманітні біомолекули, зокрема ферменти, насамперед амілази і протеази (пивоваріння, СМЗ).
І все ж перше місце в сучасній біотехнології належить генній інженерії (технології рекомбінантних молекул ДНК). Вона надала дослідникам нову цінну можливість — змінювати генетичну програму бактеріальних, рослинних, тваринних клітин і цим самим завершила формування біотехнології як науки. Біотехнологія — це наука про використання в промисловості біологічних систем або процесів.
В її основі лежить унікальність біологічних систем у розпізнаванні інших біологічних систем або сполук і здатності каталізувати багато хімічних реакцій в звичайних умовах. Навіть сьогодні хімікам не вдається створити каталізатори досконаліші за своєю ефективністю і специфічністю за біологічні. Але, знання про механізми ферментативного каталізу залишаються обмеженими.
Людина використовує біотехнологію багато тисяч років (пивоваріння, хліб, способи зберігання і переробки продуктів шляхом ферментації: виробництво сиру, оцту, соєвого соусу, мила, ліків, переробка відходів). Але тільки розробка методів генної інженерії, що базуються на створенні рекомбінантних ДНК призвела до «біотехнологічного буму». Ці методи не лише відкривають можливість покращення уже освоєних процесів і продуктів, але дають нам оригінальні способи одержання нових, раніше недоступних речовин.
|
|
|
До біотехнології найбільше з усіх наук підходять слова «Нет и ещё 1000 раз нет: я не знаю такой науки, которую можно было-бы назвать прикладной. Есть наука, и есть области её применения, и они связаны друг с другом, как плод с взрастившим его деревом» (Пастер, 1871 р.)
Біотехнологія — наука про методи і засоби здійснення промислових процесів одержання і обробки речовин, що здійснюються з участю мікроорганізмів і ферментів.
Вона є міждисциплінарною наукою, яка базується на досягненнях багатьох інших дисциплін і тісно взаємопов’язана з ними.
Міждисциплінарна природа біотехнології
| Електроніка | Мікробіологія | Генетика | Біохімія Хімія |
| Біохімічна технологія |
БІОТЕХНОЛОГІЯ | Технологія харчової промисловості | |
| Хімічна технологія | Наукові основи одержання харчових продуктів | Механічна технологія | |
У здійснення певного біотехнологічного процесу або одержання якогось продукту вносять вклад не всі галузі, але, як правило, декілька.
|
|
|
Можна виділити 4 основні напрями, об’єднані поняттям „біотехнологія”. Насамперед, це найбільш «стара» галузь — промислова мікробіологія. На сучасному етапі саме мікробіологічні процеси найбільше розвинуті до рівня промислового використання. Це: виробництво мікробної біомаси, антибіотиків та ін. ліків, амінокислот, органічних кислот, ферментів і т. п.
Одержання всіх цих речовин супроводжується хімічними реакціями, що каталізуються ферментами. Другий напрям біотехнології — інженерна ензимологія (enzyme від англ. - фермент) – це використання у промислових процесах виокремлених молекул ферментів і ферментних препаратів.
Третій напрям – використання культивованих рослинних і тваринних клітин і тканин. Із цих культур одержують цінні речовини, які в наш час неможливо отримати мікробним синтезом. Але перспективи генетичної інженерії багатообіцяючі.
Інший напрям біотехнології — генна інженерія і клітинна інженерія — самі молоді і дуже перспективні галузі біотехнології. Перша полягає у штучному конструюванні молекул ДНК, що несуть всю генетичну інформацію про даний організм, тобто містять в собі всю програму його росту і розвитку. Спрямований вплив на ДНК дає можливість змінити спадковість і одержувати нові види організмів з необхідними властивостями. Друга – це різні маніпуляції з іншими складовими клітини, які теж містять спадкову інформацію та впливають на неї. Хоча деякі вчені під клітинною інженерією розуміють використання клітин вищих організмів (рослин і тварин). Серед маніпуляцій з генетичною інформацією розрізняють генну, генетичну і геномну інженерію. Розрізненість поглядів щодо термінології свідчить про період становлення і пошуків у цій новій галузі. Яка на нашу думку є підґрунтям сучасної біотехнології.
|
|
|
Всі ці напрями біотехнології тісно пов’язані. Так, методами генної інженерії можна створити спеціальні види мікроорганізмів, що містять підвищену кількість тих або інших ферментів, необхідних для цілей інженерної ензимології. Остання може використовувати як каталізатори не лише виділені ферменти, а безпосередньо і клітини мікроорганізмів.
ІСТОРИЧНІ ПЕРІОДИ І ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ БІОТЕХНОЛОГІЇ
На ІІІ з’їзді Європейської асоціації біотехнологів (Мюнхен, 1984 р.) голландський вчений Е. Хаувінк розділив історію біотехнології на п’ять періодів.
| 1.Допастерівська ера (до 1865 р.) | Використання спиртового і молочнокислого бродіння у виробництві пива, вина, сиру. Одержання ферментованих продуктів і оцту, хлібопекарських і пивних дріжджів |
| 2.Післяпастерівська ера (1866 — 1940 рр.) | Виробництво етанолу, бутанолу, ацетону, гліцеролу, органічних кислот і вакцин. Аеробна очистка стічних вод. Виробництво кормових дріжджів з вуглеводів |
| 3.Ера антибіотиків (1941 — 1960 рр.) | Виробництво пеніциліну та інших антибіотиків шляхом глибинної ферментації. Культивування рослинних клітин і одержання вірусних вакцин. Мікробіологічна трансформація стероїдів |
| 4.Ера керованого біосинтезу (1961 — 1975 рр.) | Виробництво амінокислот за участю мікробних мутантів; одержання чистих ферментів; промислове використання іммобілізованих ферментів і клітин. Анаеробна очистка каналізаційних вод і одержання біогазу. Виробництво бактеріальних полісахаридів |
| 5.Ера нової біотехнології (після 1975 р.) | Використання генної і клітинної інженерії з метою одержання агентів біосинтезу. Одержання гібридів, моноклональних антитіл, гібридів з протопластів і мерістемних культур. Трансплантація ембріонів. Клонування. Біолектрохімія |
Наші предки не мали уявлення про процеси, які лежали в основі технологій, які використовували тисячоліттями (діяли інтуїтивно) — це метод мікробіологічної ферментації для зберігання їжі (одержання сиру або оцту), покращення смаку (хліба і соєвого соусу), виробництва спиртних напоїв. Пивоваріння до цього часу залишається найбільш важливою у фінансовому аспекті галуззю біотехнології. У світі виробляється близько 1011 л пива на рік. В основі всіх цих виробництв лежать реакції обміну речовин, що відбуваються при рості і розмноженні мікроорганізмів в анаеробних умовах.
Наприкінці ХІХ ст. завдяки працям Пастера стало можливим знайомство людства з мікросвітом, була створена реальна основа для подальшого розвитку прикладної мікробіології, біотехнології. Він установив, що мікроби відіграють головну роль в процесах бродіння і показав, що в утворенні різних продуктів беруть участь різні їх види. Його дослідження стали основою розвитку в кінці ХІХ і на початку ХХ ст. бродильного виробництва органічних розчинників (ацетону, етанолу, бутанолу і ізопропанолу) та інших хімічних речовин.
У всіх цих процесах мікроорганізми в безкисневому середовищі здійснюють перетворення вуглеводів рослин у цінні продукти. Але таке виробництво, де біомаса використовується для отримання хімічних речовин, мало провідну роль на першому етапі розвитку сучасної біотехнології.
З становленням нафтохімії на зміну багатьом прийшли хімічні процеси. Але в тих випадках, коли хімічні сполуки (цитрат, ацетат, ітаконат) широко використовуються при виробництві харчових продуктів, їх продовжують одержувати шляхом бродіння. Сьогодні під впливом енергетичної кризи виробництво спирту з рослинної сировини розповсюджується в США, Бразилії, країнах Далекого Сходу.
Наступним важливим етапом розвитку біотехнології була організація промислового виробництва антибіотиків. Вихідною точкою тут стало відкриття Флемінгом, Флорі і Чейном хіміотерапевтичної активності пеніциліну (1940 р.).
Як одержання хімічних сполук і харчових добавок шляхом бродіння так і синтез антибіотиків завжди велись в асептичних умовах, а деякі сучасні процеси (виробництво білка одноклітинних організмів – БОО) здійснюють ще в жорсткішому стерильному режимі. Забезпечення таких умов — багатопланова задача, що вирішується інженерами-біохіміками і мікробіологами.
З іншого боку, використання мікроорганізмів при переробці відходів не вимагає стерильності (чим більше мікроорганізмів, тим краще), але там виникають проблеми іншого плану. Процес мінералізації органічних відходів, заснований на використанні активного мулу був розроблений у 1914 р. З того часу він модернізований, більш удосконалений використовується в усьому світі для переробки стоків.
У наш час переробка стоків в анаеробних умовах змішаною мікрофлорою з утворенням у результаті цього процесу біогазу, основа якого метан (СН4) і СО2 застосовується . Така переробка відходів енергетично високоефективна, так як дозволяє зберегти і сконцентрувати енергію, яка знаходиться в різних компонентах стоків (більше 80% енергії регенерується з газом). У сільському господарстві так можна отримувати значну частину необхідної енергії з відходів рослинної продукції і тваринництва. Так в Китаї збудовано більше 20 млн. генераторів біогазу. На великих заводах по переробці відходів біогаз спалюють і приводять цим в дію електрогенератори. В останні роки розроблені також невеликі установки, призначені для переробки відходів фермерського сільського господарства.
Нова біотехнологія розпочалась після відкриття Дж. Уотсоном і Ф. Кріком будови генетичного матеріалу — ДНК. Основним об’єктом дослідження сьогодні є жива клітина і маніпуляції з ДНК. Користуючись методами генної інженерії створюють штучні, раніше запрограмовані структури (рекомбінантні ДНК), здійснюють трансплантацію генів між різними видами мікроорганізмів, а також клітинами одно і багатоклітинних організмів. Увагу сучасних дослідників привертають біологічні мембрани. Створена теорія хемоосмотичної циркуляції протонів в біологічних мембранах. Здійснюються також біотехнологічні маніпуляції з клітинними структурами і протопластами. Наприклад, у 1975 р. шляхом гібридизації соматичних клітин (у результаті штучного злиття лімфоцитів і меланомних клітин) одержують гібридоми, які синтезують моноклональні антитіла.
В останні 50 років розроблено ряд нових процесів
| Галузь | Приклади |
| Сільське господарство | Одержання нових штамів, нові методи селекції рослин і тварин, включаючи клонування. |
| Виробництво хімічних речовин | Одержання органічних кислот (лимонної, ітаконової), використання ферментів в складі СМЗ |
| Енергетика | Збільшення споживання біогазу, великомасштабне виробництво етанолу, як рідкого палива |
| Харчова промисловість | Створення нових методів переробки і зберігання продуктів, одержання харчових добавок (наприклад вітамінів, полімерів продукованих мікроорганізмами, амінокислот), використання БОО, ферментів при переробці харчової сировини |
| Контроль за станом навколиш-нього середовища | Покращення методів тестування і моніторингу, прогнозування перетворення ксенобіотиків завдяки удосконаленню методів переробки відходів та більш глибокому розумінню біохімії мікроорганізмів |
| Матеріалознавство | Вилужування руд, подальше вивчення і контроль біорозкладу |
| Медицина | Використання ферментів для удосконалення діагностики, створення біосенсорів на основі ферментів, використання мікроорганізмів і ферментів при виробництві складних ліків (стероїдів), синтез нових антибіотиків, застосування ферментів в терапії |
Ми повернемось до деяких з них на наступних заняттях. А зараз коротко про деякі з них, найбільш цікаві — виробництво амінокислот, БОО, перетворення стероїдів і культивування клітин тварин і рослин.
За останні 50 р. розширилось виробництво амінокислот в аеробних мікробіологічних процесах. Найбільше виробляється у світі 2 продукти — глутамат натрію (близько 150 000 т на рік), який є підсилювачем смаку і лізин (15 000 т на рік), який використовують як харчову добавку. Чому?(проблема) Більшу частину амінокислот на світовий ринок поставляють японські фірми.
Мікроорганізми можуть перетворювати рослинну біомасу з низьким вмістом білку в харчові продукти з високим його вмістом. У великих промислових масштабах цей процес використовувався в Германії: там ще в часи першої світової війни вирощували дріжджі Saccharomyces cereviseae ( під час другої світової війни Candida arborea і Candida utilis), які додавали в ковбасу і супи. Це компенсувало до 60% довоєнного імпорту харчових продуктів.
У 60-х роках ряд нафтових і хімічних компаній почали дослідження по створенню нових процесів одержання БОО, призначеного для добавляння в їжу людям і корми тваринам. Це було пов’язано з нестачею білкової їжі у світі. Більшість продукції призначалась на корм тваринам. Субстратом для культивування мікроорганізмів були нафта, метан, метанол і крохмаль. Процеси на основі метанолу і крохмалю були найбільш конкурентноздатними.
На Заході найбільший завод компанії ІСІ, в одному ферментері з участю бактерій Methylophilus methylotrophus одержують з метанолу близько 70 000 т на рік білка прутину (Pruteen). За допомогою технології рекомбінантних ДНК були модифіковані механізми асиміляції азоту цими бактеріями, що призвело до збільшення виходу продукту. Це було одним із перших доказів значення і потенційних можливостей генної інженерії. В колишньому СРСР виготовлялося щороку більше 1 млн.т БОО.
Набір ферментів, що використовуються в промисловості невеликий. Основні причини повільного розвитку ензимології — нестабільність ферментів, складність виділення продуктів переробки і проблеми пов’язані з добавлянням і заміною кофакторів. Але в деяких випадках ці негаразди вдається обійти шляхом використання інтактних клітин мікроорганізмів.
Такий спосіб став відігравати особливо важливу роль у 50-х роках при великомасштабному виробництві лікувальних препаратів стероїдної природи. Було встановлено, що багато мікроорганізмів здатні цілеспрямовано і стереоспецифічно гідроксилювати складні молекули стероїдів. Вже на ранніх етапах дослідження цього методу виявилось: що пліснявий гриб Rhizopus arrhizus здатний стереоспецифічно по 11 положенню гідроксилювати жіночий статевий гормон прогестерон. Це суттєво полегшило виробництво кортизону, який використовують для лікування артриту. До введення нового методу його добували хімічним синтезом у 37 стадій, вартість 1 г становила 200$, після введення— 68 центів.
Надалі був виділений ряд інших цінних у біотехнології мікроорганізмів, а недавно мікробні системи почали використовувати для перетворення фітостероїдів в (С-19)-стероїдні препарати з менш громіздкими молекулами. Вони застосовуються як пероральні протизаплідні засоби.
Ряд виробництв, наприклад одержання вакцин, став більш ефективним після освоєння методів культивування рослинних і тваринних клітин у великій кількості. Розроблений також метод злиття клітин різних ліній, що дозволило вченим отримати нові клони олійних пальм, більш врожайних, із продукцією вищої якості.
Дата добавления: 2018-10-27; просмотров: 835; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!