Некоторые новые направления, развивающиеся на основе биотехнологии, и продукты,

Глава 1

ПУТИ РАЗВИТИЯ И СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

Под «биотехнологией» следует понимать использование в про­мышленности биологических систем или процессов. В основе ее лежит уникальность биологических систем в отношении узнавания и катализа. Это проявляется при распознавании других биологических систем или определенных химических соединений, а также в удивительной способности ферментов катализировать широкий спектр химических реакций в мягких условиях.

Человек использовал биотехнологию много тысяч лет назад — варил пиво, пек хлеб. В результате многолетних наблюдений были разработаны способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), научились перерабатывать отходы. Однако только развитие методов генной инженерии, основанных на создании рекомбинантных ДНК, полученных вне живой клетки, путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться в клетке, привело к «биотехнологическому буму». Одна из целей биотехнологии — получить клоны трансформированных клеток, способных к экспрессии чужеродной генетической информации и образованию специфических белков в больших количествах.

Технология иммобилизованных ферментов получила свое развитие в конце 60-х годов (по этому методу ферменты связывают с пористым гелем или фиксируют на поверхности твердой подложки) и с успехом применялась не только в промышленном производстве полусинтетических пенициллинов, получении концентратов глюкозы из крахмала зерновых культур, но и при проведении несложных биохимических анализов.

Развитие биотехнологии в огромной степени определяется ис­следованиями в области микробиологии, биохимии, энзимологии и генетики микроорганизмов, а также наличием коллекций культур, надлежащим образом учтенных и постоянно изучаемых. Биотехнологические разработки базируются на глубоком знании таксономных микроорганизмов.

Таким образом, биотехнологические процессы прежде всего связаны с микробиологией и энзимологией.

Рис. 1.1. Междисциплинарная природа биотехнологии

Использование научных достижений в биотехнологии тесно связано с фундаментальными исследованиями (рис. 1.1).

До тех пор пока всеобъемлющий термин «биотехнология» не стал общепринятым, для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий использовали такие названия, как «прикладные микробиология и биохимия», «технология ферментов», «биоинженерия», «прикладные генетика и биология».

В течение тысячелетий наши предки успешно использовали метод микробиологической ферментации для сохранения пищи, улучшения вкуса и производства спиртных напитков.

Среди огромного разнообразия одноклеточных организмов дрожжи (хлебопекарные, пивные, винные, спиртовые) занимают особое место. Именно дрожжи были одними из первых микроорганизмов, используемых для практических целей. Первое упоминание о применении дрожжей для производства кислого пива «бузы» в Египте при сбраживании пасты из проросшего ячменя относят к 6000 г. до н. э. В том же Египте в 1200 г. до н. э. использовали кислое тесто для заквашивания свежезамешанного теста и соков для получения вина. Позже технология хлеба и пива из Египта перекочевала в Грецию, Древний Рим и Римскую империю. В Китае дрожжи использовали в 1000 г. до н. э. для получения напитков. В Европе дрожжи были открыты в 1680 г.

Технологии хлебобулочных изделий и пива до сих пор являются важными отраслями биотехнологии. В основе всех этих производств лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении микроорганизмов в анаэробных условиях. В конце XIX в. благодаря трудам французского ученого Луи Пастера были созданы реальные предпосылки для дальнейшего развития биотехнологии. В 1876 г. он впервые продемонстрировал биохимические возможности дрожжей в процессе превращения глюкозы в этанол. Луи Пастер установил, что микробы играют ключевую роль в процессах брожения и что в образовании отдельных продуктов участвуют разные их виды. В этих процессах микробы в анаэробных условиях осуществляют превращение углеводов растений в ценные продукты. С тех пор дрожжи стали важными биологическими моделями для изучения строения, химического состава, биохимических свойств клетки и физиологических процессов, протекающих в ней. В качестве источника энергии для роста микробы в этих условиях используют изменения энтропии при превращении веществ.

В аэробных процессах при контролируемом окислении химических веществ до диоксида углерода и воды микроорганизмы извлекают гораздо больше энергии.

Процессы, в которых биомасса использовалась для получения химических веществ, играли ведущую роль на первом этапе развития современной биотехнологии. В тех случаях, когда некоторые химические соединения, например цитрат, ацетат и итаконат, широко использовались при производстве пищевых продуктов, их получали путем брожения — самым выгодным с экономической точки зрения способом.

Естественный метаболизм дрожжевых клеток при образовании ими этанола может быть модифицирован (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Использование спиртового брожения дрожжей

Для образования глицерола

Как видно из рис. 1.2, при введении бисульфита в сбраживаемую среду ацетальдегид не может выступать в роли акцептора восстановительных эквивалентов, образующихся в реакции Эмбдена—Мейергофа. В результате таким акцептором служит дигидроксиацетонфосфат, а вместо этанола образуется глицерол.

Следующим важным этапом в развитии биотехнологии была организация промышленного производства антибиотиков.

Как получение химических соединений и пищевых добавок путем брожения, так и синтез антибиотиков всегда вели в асептических условиях, но некоторые процессы, например образование белка одноклеточными организмами, осуществляют при более жестком режиме.

Помимо постоянного усовершенствования процессов, о которых говорилось выше, в последние 50 лет разработан ряд новых, некоторые из них приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Некоторые новые направления, развивающиеся на основе биотехнологии, и продукты,

Получаемые с ее помощью

В последнее время производство аминокислот в аэробных микробиологических процессах получило более широкое распространение. В большом количестве вырабатывают два продукта: глутамат натрия, который служит усилителем вкуса, и лизин как пищевую добавку.

Микроорганизмы могут превращать растительную биомассу с низким содержанием белка в пищевые продукты с высоким его содержанием. В крупных промышленных масштабах этот процесс использовался в Германии еще в годы Первой мировой войны: выращивали дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые добавляли главным образом в колбасу и супы. Таким путем удавалось компенсировать около 60 % довоенного импорта пищевых про­дуктов. Сходные процессы на основе пищевых дрожжей Candida arborea и Candida utilis использовались и во времена Второй мировой войны. В 60-х годах ряд нефтяных и химических компаний начали исследования и разработки по созданию новых процессов получения белка одноклеточных организмов (БОО), предназначенного для добавления в пищу людям и животным. В какой-то мере это было связано с недостатком белковой пищи в мире. В качестве субстратов использовали нефть, метан, метанол и крахмал. Большинство продуктов вырабатывали для добавления в корм животным.

Недавно были получены новые результаты, способствующие развитию биотехнологии в области генной инженерии (технология рекомбинантных ДНК); биокатализа (выделение, иммобилизация, стабилизация ферментов; иммобилизация и стабилизация целых клеток микро- и макроорганизмов); иммунологии, биоэлектрохимии; производстве ферментных препаратов и переработке сырья с их применением.

Положительные результаты были получены при производстве белка прутина (Ptuteen) из метанола при участии метанолпотребляющих бактерий Methylophilus methylotrophus. При помощи технологии рекомбинантных ДНК (дезоксирибонуклеиновых кислот) модифицированы механизмы ассимиляции азота этими бактериями, что привело к увеличению выхода продукта. Это было одним из первых доказательств практической значимости и по­тенциальных возможностей генной инженерии. В СССР ежегодно производилось более 1 млн т БОО в основном из углеводородов и отходов растениеводства.

В последние годы возрос интерес к использованию ферментов в промышленности. Но набор используемых сегодня препаратов весьма невелик, и применяются они в основном в пищевой промышленности. Это объясняется нестабильностью ферментов, сложностью выделения и проблемами, связанными с добавлением или заменой Ко-факторов. Однако эти сложности в некоторых случаях удается обойти путем использования интактных клеток микроорганизмов, особенно при производстве лекарственных препаратов стероидной природы. Так, микромицет Rhizopus arrhizus способен стереоспецифически, по 11-му положению атома углерода гидроксилировать женский половой гормон прогестерон, что существенно упростило производство кортизона, применяемого при лечении артрита.

В химической промышленности возрос интерес к разработке аналогичных процессов получения дешевых продуктов на основе микробиологического окислительного катализа.

Ряд производств, например, получение вакцин, стал гораздо эффективнее после освоения методов культивирования растительных и животных клеток в большом объеме.

В будущем благодаря расширению сферы своего применения биотехнология сделает весомый вклад в повышение уровня жизни населения планеты.

Сфера применения методов биотехнологии

Создание приборов для аналитической химии.

Разработка процессов биосинтеза и биодеградации.

Применение углеродсодержащего сырья для химической про­мышленности.

Химическая переработка (очистка) продукта.

Использование химических продуктов в быту.

Источники энергии.

Контроль за состоянием окружающей среды (воздух, вода и почва).

Сельскохозяйственное производство и переработка (пища и напитки) растительного и животного сырья.

Борьба с болезнями растений, диагностика и лечение животных.

Добыча минерального сырья на суше и в море.

С учетом направленности учебного пособия ниже мы вкратце обсудим некоторые последние достижения этой науки в производстве пищевых продуктов и т. д.

Ключевая роль при производстве продуктов питания принадлежит микробиологии, при этом микробы могут играть как положительную, так и отрицательную роль. Последняя, видимо, более выражена; не случайно меры предосторожности против нежелательной деятельности микробов занимают такое важное место при производстве пищи и ее потреблении. Размножение микробов может вызвать нежелательные изменения качества пищевых продуктов или их внешнего вида. При этом образуются вещества, обладающие токсическим действием, что является наиболее опасным следствием размножения микробов в пищевых продуктах. Некоторые микроорганизмы об­разуют токсины, вызывающие серьезные заболевания или даже смерть.