Елинов Н.П. Основы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к раз-

ряду биотехнологических. Кризис охотничьего промысла (хозяй-

ства) стал побудительным мотивом революции в изготовлении

продуктов питания. Эта революция началась около 8000 лет назад

и привела к изобретению техники земледелия — началу произво-

дительного ведения хозяйства (неолит и бронзовый века.) Стали

формироваться так называемые приречные цивилизации Месопо-

тамии, Египта, Индии и Китая. Шумеры — первые жители Месо-

потамии (на территории современного Ирака) создали цветущую

в те времена цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста,

владели искусством готовить пиво. В этом следовали им ассирийцы

и вавилоняне, жившие также в Месопотамии, египтяне и древние

индусы.

течение нескольких тысячелетий известен уксус, издрев-

ле приготавливавшийся в домашних условиях, хотя о микробах —

индукторах этого процесса мир узнал в 1868 г. благодаря работам

Пастера, и это несмотря на существование с XIV

в.

так называемого

"Орлеанского способа" приготовления уксуса; первая дистилляция

вина осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков получили в

XVI в.; шампанское известно с XVIII в., но получение почти

абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду

Луллию (ок. 1235 — 1315) благодаря перегонке вина с негашеной

известью.

В те древние времена продукты питания растительного и

животного происхождения использовались не только в пищу, но

и для лечебных целей. Например, в ассирийской столице Ниневии

(8 — 7 века до н. э.) была царская библиотека, насчитывавшая

более 30 000 клинописных табличек, из которых в 33 имелись

сведения о лекарственных средствах и их рецептуре, и в самом

городе размещался сад лекарственных растений.

К| тому же эмпирическому периоду относятся: получение кис-

ломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных

напитков, силосование кормов, мочка лубоволокнистых растений.

Длительное накопление фактов происходило и в области ми-

кологии (от греч. myxes — гриб). Сведения о грибах можно найти

в писаных источниках древности, а Луций Лициний Лукулл (106

— 56 гг. до н. э.), славившийся богатством, роскошью и пирами("лу-

куллов пир"), предпочитал всем съедобным грибам кесарев гриб

(Amanita cesarea, L.). Древние евреи хорошо знали ржавчину

хлебных злаков и головню. В IV — I веках до н. э. были собраны

интересные материалы о грибах, нашедшие отражение в работах

Аристотеля, Диоскорида, Плиния Младшего, Теофраста. В после-

дующие века нашей эры микология стала самостоятельной наукой

— велика роль в этом Д. Персоона и Э. М. Фриза, по праву

считающихся отцами систематической микологии.

Таким образом, народы исстари пользовались на практике

микробиологическими процессами, ничего не зная о микробах.

Эмпиризм также был характерен и в практике использования

полезных растений и животных.

Второй, этиологический (от греч. aitia — причина) период в

развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX века и

первую треть XX века (1856 — 1933 гг.). Он связан с выдающимися

исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822

— 1895) — основоположника научной микробиологии и ряда

микробиологических дисциплин (промышленной, медицинской,

химической, санитарной). С аналитической микробиологией не-

посредственно связано открытие Пастером молекулярной ассимет-

рии (стереоизомерии). Это, по существу, бриллиантовый век мик-

робиологии. Пастер вскрыл микробную природу брожений, дока-

зал возможность жизни в бескислородных условиях, эксперимен-

тально опроверг ходячее тогда представление о самопроизвольном

зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопро-

филактики и вакцинотерапии; предложил метод стерилизации,

называемый по его имени пастеризацией и т. д.

Немеркнущая слава Пастера не затмила имен его выдающихся

учеников и сотрудников: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш. Э. Шамберлана, Ж.

А. Вильемена, И. И. Мечникова. В этот же период творили Р. Кох,

Д. Листер, Ш. Китазато, Г. Т. Риккетс, Д. И. Ивановский, А. Лаверан

и другие.

Параллельно с Пастером трудился в Германии, а позднее — во

Франции, выдающийся миколог А. де Бари (1831 — 1888) —

основоположник физиологической микологии. Изучив стадии раз-

множения и историю индивидуального развития грибов (онтоге-

нетический метод), с учетом их взаимоотношений с другими

видами, а также цитологических и биологических особенностей,

де Бари создал классификацию, которая и сегодня лежит в основе

современных классификационных схем микро- и макромицетов.

Де Бари — основоположник микофитопатологии — науки о

грибных болезнях растений (от греч. fiton — растение, pathos —

болезнь), под его руководством сформироваласьплеядавыдающих-

ся ученых (в том числе — из России): Ф. М Бальфур, И. В.

Баранецкий, М. Бейеринк, О. Брефельд, М. С. Воронин, А. Кох, А.

С. Фаминицин и др.

В биотехнологии важными являются питательные среды для

культивирования ряда биообъектов. Уже Л. Пастер приготовил

первую жидкую питательную среду в 1859 году, метод выращива-

ния грибов на желатине предложил

О.

Брефельд в 1864 г., Ж. Ролен

сообщил о жидких средах для выращивания нитчатых грибов в

1870 г., Р. Коху в 1876 г. удалось вырастить бациллы сибирской

язвы в капле водянистой влаги, извлеченной из глаза погибшей

коровы. В 80-е годы XIX столетия Р. Кох предложил метод культи-

вирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и затем

— на агаризованных питательных средах.

В настоящее время, предлагая самые сложные и необычные в

каком-либо отношении среды для выращивания биообъектов, мы

опираемся на основополагающие результаты этих выдающихся

ученых. Аналогичным образом можно сказать и о вариантах

способов стерилизации питательных сред, имея в виду тиндализа-

цию,

кипячение, дробную стерилизацию и др. Все они основыва-

лись на необходимости уничтожения посторонней микрофлоры,

которая попадала в среды в процессе их изготовления.

В ряду открытий всемирного значения стоит обнаружение в

1892 г. вируса мозаичной болезни табака Д. И. Ивановским (1864

— 1920). Последовавшие за этим обнаружения других вирусов

обеспечили становление новой научной дисциплины — вирусоло-

гии: Ф. Леффлер и П. Фрош в 1898 г. открыли вирус ящура, Д.

Кэррол в 1901 г. — вирус желтой лихорадки, ф. Туорт в 1915 г. и

Ф. д'Эрелльв 1917 г. — вирусы бактерий (бактериофаги). Большой

вклад в вирусологию был внесен отечественными и зарубежными

учеными — Л. А. Зильбером, А. А. Смородинцевым, М. П. Чума-

ковым, А. Борелем, К. Левадити, К. Ландштейнером, В. Стэнли, П.

Лейддоу, П. Руа, П. Ф. Эндерсом и многими другими-

Этиологический период знаменателен

тем,

что удалось доказать

индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах.

Более

того,

каждый вид мог быть размножен на питательных средах

и использован в целях воспроизведения соответствующих процес-

сов (бродильных, окислительных и

др.).

Например, маслянокислые

бактерии и вызываемое ими маслянокислое брожение, лактобак-

терии и молочнокислое брожение, дрожжи — сахаромицеты и

спиртовое брожение, уксуснокислые бактерии и окисление этано-

ла до уксусной кислоты и т. д. В этот период было начато

изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также некото-

рых продуктов обмена (метаболизма) — ацетона, бутанола, лимон-

ной и молочной кислот; во Франции приступили к созданию

биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Знание причин биологических процессов еще не исключало

нестерильные операции, хотя и стремились к использованию

чистых культур микроорганизмов.

Для всестороннего изучения морфолого-физиологических

свойств и продуктов обмена, прежде всего, микробов все ранее

предложенные способы их выращивания оказались малопригод-

ными. Более того, накопление однородной по возрасту большой

массы клеток оставалось исключительно трудоемким процессом.

Вот почему требовался принципиально иной подход для решения

многих задач в области биотехнологии. В 1933 году А Клюйвер и

Л.

X. Ц. Перкин опубликовали работу "Методы изучения обмена

веществ у плесневых грибов", в которой изложили основные

технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации

получаемых результатов при глубинном культивировании грибов.

С этого времени начинается третий период в развитии биологи-

ческой технологии — биотехнический. Началось внедрение в

биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудо-

вания, обеспечившего проведение процессов в стерильных усло-

виях. Особенно мощный толчок в развитии промышленного био-

технологического оборудования был отмечен в период становления

и развития производства антибиотиков (время второй мировой

войны 1939 — 1945 гг., когда возникла острая необходимость в

противомикробных препаратах для лечения больных с инфициро-

ванными ранами). Все прогрессивное в области биологических и

технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое

отражение в биотехнологии. Следует отметить, что уже в 1869 г.,

Ф. Мишер получил "нуклеин" (ДНК) из гнойных телец (лейкоци-

тов);

В. Оствальд в 1893 г. установил каталитическую функцию

ферментов; Т. Леб в 1897 г. установил способность к выживанию

вне организма (в пробирках с плазмой или сывороткой крови)

клеток крови и соединительной ткани; Г. Хаберланд в 1902 г.

показал возможность культивирования клеток различных тканей

растений в простых питательных растворах; Ц. Нейберг В 1912 г.

раскрыл механизм процессов брожения; Л. Михаэлис и М. Л.

Ментен в 1913 г. разработали кинетику ферментативных реакций,

а А. Каррел усовершенствовал способ выращивания клеток тканей

животных и человека и впервые применил экстракт эмбрионов

для ускорения их роста; Г. А. Надсон и Г. С. Филлипов в 1925 г.

доказали мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи, а

в 1937 г. Г. Кребс открыл цикл трикарбоновых кислот (ЦТК); в 1960

г. Ж. Барски и др. впервые обнаружили соматические гибриды

опухолевых клеток мыши. Следовательно, накопленные научные

факты стали побудительным мотивом для разработки способов

крупномасштабного культивирования клеток различного проис-

хождения. Это.необходимо было для получения различных клеточ-

ных продуктов и самих клеток для нужд человека, и, прежде всего,

в качестве или в составе лечебных и профилактических средств:

пенициллина, стрептомицина, тетрациклинов, декстрана, ряда ами-

нокислот и многих других веществ. К 1950 г. Ж. Моно (Франция)

разработал теоретические основы непрерывного управляемого

культивирования микробов; в 50-е годы вопросам практической

реализации непрерывного культивирования микроорганизмов по-

святили свои исследования М. Стефенсон, И. Малек, Н. Д. Иеру-

салимский и др.

Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные

задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику

необходимого оборудования, в том числе главного из них —

биореакторов. Это оборудование используют и в настоящее время.

Четвертый период в биотехнологии — генотехнический (от

греч. genesis — происхождение, возникновение, рождение) начал-

ся с 1972 г. В этом году П. Берг со своими сотрудниками в США

создали первую рекомбинантную молекулу ДНК. Однако следует

отметить, что в

1969

г.

Дж. Бекуит

коллегами выделил в химически

чистом виде лактозный ген из кишечной палочки, показав тем

самым возможность направленных манипуляций с генетическим

материалом бактерий.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж.

Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было невозмож-

ным достигнуть современных результатов в области биотехноло-

гии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК,

выделение и изучение специфичных ферментов привело к фор-

мированию строго научного подхода к разработке биотехнологи-

ческих процессов на основе генно-инженерных работ. В этом суть

генотехнического периода.

Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин,

выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусст-

венно встроенную генетическую информацию об этом гормоне.

На таком же уровне или с близким к тому заделом находятся

следующие генно-инженерные препараты: интерфероны, фактор

некротизации опухоли (TNF), интерлейкин-2, соматотропный гор-

мон человека и аналог его соматомеднн Ц и другие^

_ _

•"""**"

I f .Я" •":.::'• А

;:..-,-•;-.- :• L :, '..-'/•' - т с

•:

н и ой

•-;.,,;:,, '•... с i '.'.':;. с кой л", л ;л хл-м

Зная строение аппарата наследственности у разных организ-

мов,

удается манипулировать не только нуклеиновыми кислотами,

но и целыми хромосомами (хромосомная инженерия) и клетками

(клеточная инженерия).

Для генотехнического периода характерны: разработка интен-

сивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных

фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков,

ферментов, аминокислот, витаминов), получение суперпродуцен-

тов;

создание продуцентов, несущих в себе бессмысленную гене-

тическую информацию (например, гены интерферона человека в

клетках Pseudomonas aeruginosa); создание необычных организ-

мов,

ранее не существовавших в природе (неклубеньковых расте-

ний, несущих гены азотобактерий, ответствейные за способность

фиксировать молекулярный азот из воздуха); разработка и внед-

рение экологически чистых и, по возможности, безотходных тех-

нологий; разработка и внедрение в практику специальной аппара-

туры блочного (сменного) типа для различных биотехнологических

схем; автоматизация и компьютеризация биотехнологических про-

цессов; создание экономически оптимальных производственных

процессов при максимальном использовании сырья и минималь-

ном потреблении энергии. Вот почему инженер — биотехнолог в

современном пониманикгдолжен быть широко и глубоко подготов-

ленным специалистом, в распоряжении которого оказываются

сложнейшие биологические системы (или аналоги их), синхронно

работающие в заданном направлении. В любом биотехнологиче-

ском процессе наиважнейшим звеном является биообъект, "кап-

ризы" которого по любому поводу могут пагубно сказаться на

результатах этого процесса.

В течение последних 10 — 15 лет текущего столетия происхо-

дило бурное развитие биотехнологии, определились сферы при-

оритетного внедрения конкретных результатов биотехнологиче-

ских разработок, и, как следствие, появились такие названия, как

медицинская биотехнология, иммунобиотехнология (от лат.

immunus — невосприимчивый), биогеотехнология (от греч. део —

земля), инженерная энзимология (от греч. en — в, zyme — заква-

ска) . ОДНИ из них прочно входят в лексикон специалистов, напри-

мер,

иммунобиотехнология, инженерная энзимология, другие на-

звания приживаются плохо или с трудом (медицинская биотехно-

логия, биогеотехнология). К медицинской биотехнологии

относили те производственные процессы, которые завершались

созданием с помощью биообъектов средств или веществ медицин-

ского назначения (прежде всего профилактического или лечебного

действия на организм человека). Это — антибиотики, некоторые

витамины, коферменты и ферменты, отдельные микробные пол-

исахариды — как самостоятельные препараты или вспомогатель-

ные вещества при создании различных лекарственных форм,

аминокислоты, нуклеозиды и др.

Иммунобиотехнология объединяет производства

вакцин, иммуноглобулинов крови, иммуномодуляторов, иммуно-

медиаторов, моноклональных антител и некоторых других. Можно

заметить, что на основе иммунобиотехнологических процессов

создаются также профилактические и лечебные средства, объеди-

няемые под эгидой медицинской биотехнологии. Следовательно

иммунобиотехнология представляется здесь частным случаем ме-

дицинской биотехнологии. Вместе с тем, иммунобиотехнологиче-

ские процессы по целевым продуктам вышли за пределы медицин-

ского назначения (например, в иммуноферментном анализе, им-

муноблотинге). В равной мере большинство ферментов (как и

аминокислот или некоторых других продуктов) производится не

для целей здравоохранения. Поэтому термин "Медицинская био-

технология" представляется во многом искусственным и, очевидно,

отсюда плохо приживающимся. Напротив, вычленение иммуноби-

отехнологии в качестве самостоятельной научной субдисциплины

является обоснованным, и производственные процессы здесьчетко

ограничены использованием иммунной системы того или иного

макроорганизма или отдельных компонентов ее (макрофаги, лим-

фоциты, различные иммуноглобулины).

Биогеотехнология — это субдисциплина, ранее

называвшаяся геологической микробиологией. Сущность ее сво-

дится к использованию микроорганизмов для добычи полезных

ископаемых, например, цветных металлов, нефти; для окисления

метана в угольных шахтах и пр. Спектр биогеотехнологических

производственных процессов невелик, но очень важен для жизне-

обеспечения народного хозяйства. Необходимо подчеркнуть, что

не все процессы, относимые ныне к биогеотехнологическим, яв-

ляются сугубо технологическими (например, окисление метана с

помощью специальных микроорганизмов). Обычно принято счи-

тать,

что в результате биотехнологического процесса образуется

какой-то целевой продукт, используемый на практике.

приведен-

ном примере окисления метана преследуется иная цель — сниже-

ние концентрации метана до безопасного (например, для шахте-

ров) уровня. Хотя и в этой реакции образуются конечные продук-

ты,

которые могут быть использованы на практике:

СЩ + 0

—• СО2 + 2Н

Инженерная энзимология — это отрасль

биотехнологии, базирующаяся на использовании каталитических

функций ферментов (или ферментных систем) в изолированном

состоянии или в составе живых клеток для получения соответст-

вующих целевых продуктов. Биообъект здесь — фермент (или

комплекс ферментов). На практике обычно используют иммоби-

лизованные ферменты (реже — иммобилизованные клетки), бла-

годаря чему стабилизируется и пролонгируется их ферментативная

-активность. Иногда инженерную энзимологию отождествляют с

биотехнологией. В этом содержится большая доля истины, так как

все реакции в клетках катализируются ферментами. Однако слово

"инженерная" привносит свою специфику, заключающуюся в

акценте на создание конструкции (от франц. engin — машина), в

данном случае — на конструирование биокатализаторов с задан-

ными свойствами с последующим использованием в биотехноло-

гическом процессе.

В научной литературе можно встретить и другие названия

биотехнологических процессов, например, "Биотехнология живо-

тной клетки", "Экономическая микробиология", "Ферментация и

биоинженерия", "Промышленная микробиология", "Сельскохозяй-

ственная биотехнология", "Биохимическая инженерия" и

др.

Более

того,

в принципе можно говорить и писать о биотехнологии

каждого индивидуального продукта, образуемого каким-либо мик-

робом, какими-либо клетками растений и животных, или появля-

ющегося под каталитическим воздействием фермента; в равной

мере речь может идти и о биотехнологии продуцентов каких-либо

веществ, например, о Panax ginzeng (жень-шень), о Rauwolfia

serpentina (Раувольфия змеевидная), об Actinomyces spp. (актино-

мицеты) и т. д. Поэтому наиболее рациональным является подраз-

деление биотехнологии на микробную биотехнологию, раститель-

ную,

или фитобиотехнологию, и животную, или зообиотехноло-

гию,

включающую также и биотехнологические процессы, осно-

ванные на использовании клеток человека.

Из приведенной схемы видно, что наибольшее число реализо-

ванных процессов имеет место в микробной биотехнологии. Мно-

гие микроорганизмы обладают заметным преимуществом перед

растительными и животными объектами по таким показателям,

как скорость размножения, лабильность и быстрота адаптации к

изменяющимся условиям среды обитания. Этим и определяется

диапазон применения микробов в различных отраслях производ-

ственной деятельности человека, то есть все то, что составляет

I Биотехнология .

" • .

| I

микробиотехнология фитобиотехиология зообиотехиология

использование

в легкой

промышленности, в

пищевой

промышленности,

в медицинской

промышленности,

в химической

промышленности,

в металлургии,

в нефтедобывающей

промышленности,

в водном хозяйстве,

в защите окружающей

среды,

в энергетике,

в косметической

промышленности

в агропромышленном

комплексе,

в медицинской и

косметической

промышленности

в животноводстве,

в медицинской

промышленности,

в пищевой

промышленности

предмет "Промышленная микробиология". Это можно представить

в следующем виде (таблица 1).

Какие же основные цели и задачи стоят перед биотехнологами?

Во-первых, поддержание и активация путей обмена клеток, веду-

щих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении

других реакций обмена у культивируемого организма; во-вторых,

получение клеток или их составных частей (преимущественно —

ферментов) для направленного изменения сложных молекул (на-

пример, рестриктазы, изомеразы и т. д.); в-третьих, углубление и

совершенствование рДНК-биотехнологии и клеточной инженерии

на предмет получения особо ценных результатов в фундаменталь-

ных и прикладных разработках; в-четвертых, создание безотход-

ных и экологически безопасных биотехнологических процессов;

в-пятых, совершенствование и оптимизация аппаратурного офор-

мления биотехнологических процессов с целью достижения мак-

симальных выходов конечных продуктов при культивировании

естественных видов с измененной наследственностью методами

клеточной и генной инженерии; в-шестых, повышение технико-

экономических показателей биотехнологических процессов по

сравнению с существующими.

Таблица

Процессы

промышленной микробиологии

Характеристика

процесса

Биосинтез

Трансформация

Целевые продукты

Метаболиты:

преметаболиты

первичные

вторичные

Клеточная масса

Неорганические

вещества

Преимущественно

органические

вещества

-ч

Названия целевых

продуктов

или

процессов

Аминокислоты

Нуклеозиды

Нуклеотиды

Нуклеиновые кислоты

Ферменты

Алкалоиды

Антибиотики

Гиббереллины

Гликаны

гликоконъюгаты

Органические кислоты,

кетоны, спирты,

Липиды

Аминокислоты, пептидные

гормоны

Пекарские

пивные дрожжи

Кормовой

пищевой белок

Вакцины

антигенные вещества

Обнаружение металлов

Обогащение металлов

Компостирование отходов,

получение биогаза

Детоксикация, дезодорация

и обезвреживание, например,

ПАВ (поверхностно-активных

в-в)

Определение (анализ) веществ

по

продуктам трансформации

Кисломолочные продукты

сыры

Хлебно-булочные изделия

Квашение

соление овощей

Силосование кормов

Мочка льна

джута

Ферментация

чая,

табака, кофе,

какао, маслин

Пивоварение, виноделие,

винокурение

Глава 2

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы

— микромицеты

макромицеты, протозоиные организмы, клетки