Биотехнология – междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических, технических знаний и призванная к созданию новых биотехнологических процессов, в которых живые организмы образуют различные органические вещества. Сегодня научные основы биотехнологических процессов используются при создании: новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов в медицине и ветеринарии; микробиологических средств защиты сельскохозяйственных растений от возбудителей заболеваний и вредителей, а также бактериальных удобрений, регуляторов роста растений и животных, новых сортов растений и пород животных; ценных кормовых добавок для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных; новых технологий создания и получения ценных продуктов для пищевой, химической, микробиологической и других отраслей промышленности; технологии глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов для получения продуктов, которые используются в хозяйственной деятельности человека.
Главным звеном биотехнологического процесса является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии могут выступать клетки микроорганизмов, растений и животных, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и отдельные ферменты.
Основой большинства современных биотехнологических производств является синтез разнообразных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. Независимо от природы объекта, первичным этапом разработки любого биотехнологического процесса является получение чистых культур оганизмов, если это микробы, а также культур тканей, если это растения или животные.
Мир микроорганизмов очень разнообразен. В настоящее время известно более 100 тысяч различных видов микроорганизмов. Это в первую очередь прокариоты – бактерии, актиномицеты, риккетсии, цианобактерии и часть эукариот – дрожжи, нитчатые грибы, некоторые простейшие и водоросли, которые востребованы в микробиологической промышленности.
Из большого разнообразия микроорганизмов в биотехнолоических процессах используется хорошо изученные виды, которые классифицируются как GRAS –generally recognized as safe. К таким микроорганизмам относятся бактерии различных видов рода Bacillus и Laktobacillus, виды Streptomyces. Сюда же относятся виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mukor, Rhizopus и дрожжей Saccharomuces и другие. GRAS – микроорганизмы не патогенны и нетоксичны.
Микробиологическая промышленность сегодня использует тысячи штаммов из сотен видов микроорганизмов, которые первично были выделены из природных источников на основании их полезных свойств, а затем улучшены с помощью различных генно-молекулярных методов. В связи с расширением производства и ассортимента выпускаемой продукции в микробиологическую промышленность вовлекаются новые виды микроорганизмов.
Многие биотехнологические процессы имеют три составные части: первая состоит в получении оптимальных катализаторов специфических процессов, вторая часть сводится к обеспечению оптимальных условий для осуществления требуемого каталитического процесса и третья связана с отделением и очисткой целевого продукта или продуктов из ферментационной среды. Существенным моментом первой части биотехнологического процесса является улучшение объекта(микроорганизма) с помощью различных селекционно-генетических методов, а в последнее время с использованием высокоэффективных приемов молекулярной биологии. В большинстве случаев наиболее эффективной, стабильной и удобной формой для катализа биотехнологических процессов являются цельные организмы, в результате чего в биотехнологии широко используются микробиологические процессы, а также культуры растительных и животных клеток. Вторая часть биотехнологического процесса связана с системами, обеспечивающих функционирование организмов-продуцентов. Сюда относятся также инженерное обеспечение этих систем — конструирование, изготовление и монтаж. Третья часть биотехнологического процесса представляет собой довольно сложную и дорогую процедуру – это выделение и очистка целевого продукта.
Многоэтапность биотехнологических процессов определяет необходимость привлечения специалистов самого различного профиля: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков и вирусологов, микробиологов и клеточных физиологов, инженеров-технологов и конструкторов биотехнологического оборудования.
Главным критерием при выборе микроорганизма-продуцента является способность быстро синтезировать целевой продукт. Такие организмы должны обладать высокой скоростью роста, использовать необходимые для их жизнедеятельности дешевые субстраты, быть резистентными к посторонней микрофлоре и обладать высокой конкурентной способностью.
Микроорганизмы необходимые для биотехнологического процесса выделяют из природной среды. Из естественных мест обитания предпологаемого продуцента отбирают образцы материала и производят посев в элективную среду, обеспечивающую преимущественное развитие интересуещего микроорганизма, то есть получают так называемые накопительные культуры. Следующим этапом является выделение чистой культуры с дальнейшим дифференциально-диагностическим изучением изолированного микроорганизма. Существует другой подбор микрооганизмов-продуцентов, это выбор нужного вида из уже имеющихся коллекций, хорошо изученных и охарактирозованных микроорганизмов. Неотъемлемым компонентом в процессе создания наиболее ценных и активных продуцентов, является селекция микроорганизмов. Селекция микроорганизмов для микробиологической промышленности и создания новых штаммов направлены на улучшение их продуктивности.
Особое внимание представляют фотосинтезирующие, а также термофильные микроорганизмы. Ферменты, синтезируемые термофильными микроорганизмами, характеризуются повышенной устойчивостью к нагреванию, к некоторым окислителям, детергентам, органическим растворителям и другим факторам. Как правило, изменения скорости биохимических реакций у бактерий может осуществляться несколькими путями. Один из них очень быстрый и заключается в изменении каталитической активности индивидуальных молекул фермента. Второй, более медленный, состоит в изменении скоростей синтеза ферментов. В обоих механизмах используется принцип обратной связи. Самый простой способ регуляции метаболитического пути основывается на доступности субстрата или наличие фермента.
При ферментационной технологии можно использовать цельные живые клетки микроорганизмов, клетки тканей растений и животных или какие-нибудь клеточные компоненты, например, ферменты с целью физических или химических преобразований органических веществ. Преимущества производства органических продуктов биотехнологичсекими способами достаточно многогранны и протекают при нормальных условиях среды.
Для каждого биотехнологического процесса должна быть разработана подходящая схема, а сам процесс должен постоянно наблюдаться и тщательно контролироваться. Для большинства биотехнологических процессов такими системами являются ферментеры или биореакторы, которые обеспечивают необходимые физические условия, способствующие наилучшему взаимодействию катализатора со средой и поставляемым материалом. Биореакторы варьируют от простых сосудов до весма сложных систем с различным уровнем компьютерного оснащения. Процессы переодического культивирования включают: стерилизацию сред и всего оборудования; загрузку биореактора питательной средой; внесение посевного материала – клеток или спор; выращивание культуры; синтез целевого продукта; отделение и очистку готового продукта. Продукты биотехнологических процессов получают по индивидуальным технологиям со своими биологическими агентами, сырьем, числом производственных стадий и техническими режимами.
Питательные среды для выращивания микроорганизмов-продуцентов, могут быть определенного состава и включать различные биогенные добавки – мясной экстракт, кукурузную муку, морские водоросли и другие. Компонентный состав сред определяется питательными потребностями продуцента. Питательные среды призваны обеспечивать жизнеспособность, рост и развитие микроорганизмов-продцентов, а также синтез целевого продукта с максимальным выходом. Для приготовления питательных сред в биотехнологии, используются разнообразные субстраты, которые должны соответствовать определенным критериям. Субстрат представляет собой сырье для получения целевого продукта и должен быть дешевым и легкодоступным. Для биотехнологических целей необходимы достаточно хорошо утилизируемые источники углерода.
Биотехнология на современном этапе своего развития ориентируется на различные виды быстро возобновляемого сырья, наиболее значимым из которого является растительная масса. При конверсии субстратов в биотехнологических процессах основное внимание уделяется созданию безотходных производств, когда побочные продукты одного процесса служат питательными субстратами для последующего.
.
Юсуп Мамедов,
кандидат биологических наук.
Комментарии