Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І. та ін. Біотехнологія

Подождите немного. Документ загружается.

здійснено у напрямку з’ясування біохімічних механізмів функ

ціонування ДНК, привели до повного розуміння молекулярних

основ біологічної специфічності.

Найвидатнішим досягненням біотехнології на початку но

вого XXI століття стало завершення створення детальної карти

генома людини, що дозволить краще зрозуміти взаємозв’язок

людини з іншими організмами нашої планети, збагнути, що ро

бить людей схожими один з одним і що відрізняє нас від інших

організмів, озброїть нас більш досконалими підходами для з’я

сування причин виникнення хвороб і пошуку нових методів лі

кування.

Викликає подив той факт, що довжина послідовності ну

клеотидів у ДНК людини лише втричі перевершує цей пара

метр у черв’яка Caenorhabditis elegans і водночас свідчить про

складність механізмів контролю розвитку, які необхідно вивчи

ти для пояснення такого складного явища, як поява людини

(Дей П., 2002).

Упродовж 60 останніх років, які охоплюють час від відкрит

тя Ейвері О., крім згаданого вище, в біології зроблено надзви

чайно важливі відкриття: розроблено технологію одержання ре

комбінантних молекул ДНК, яка є основою генної інженерії,

гібридомну технологію, секвенування геномів бактерій, дріж

джів, нематоди, рослинного організму арабідопсиса, а також

людини. Зроблено перші кроки генної терапії і успішні спроби

клонування тварин, конструювання штучних хромосом, розро

блено умови і створено можливості для перенесення генів, що

дозволяє долати видові бар’єри, які обмежують можливості кла

сичної селекції, розшифровано структуру нуклеосоми і комп

лексу РНК — полімерази.

Понад 30 років тому розроблено методи локалізації генів з

елементами, які контролюють експресію, а ще важливішим є

розробка прийомів перенесення цих елементів будьякому

мікроорганізму або рослині, що дає можливість модифікувати

організми таким чином, щоб одержати нові лінії зі зміненими

властивостями, які відповідають нашим бажанням. У свою чер

гу, функціонування модифікованого організму дозволить отри

мати інформацію про поведінку в геномі конкретного гена, тоб

то ідентифікувати функції генів (функціональна геноміка), про

взаємодію генів і контролюючих експресію цих генів послідов

Біотехнолоія

ностей, що дає можливість використати нові властивості для за

безпечення потреб людства.

Важливим досягненням, яке дозволяє здійснювати генно

інженерні маніпуляції, є відкриття ферментів, за участю яких

здійснюються операції «розрізання» і «зшивання» фрагментів

ДНК.

Вражаючими також є швидкість і розмах, з якими наукові

дослідження трансформуються у процес одержання нових фар

мацевтичних препаратів або сільськогосподарських продуктів.

Ліки, одержані завдяки біотехнології, наприклад, інсулін, сома

тотропний гормн, інтерферони або вакцина проти поліомієліту,

дають можливість створення більш ефективних препаратів з

меншими побічними діями, оскільки вони будуть спрямовані на

специфічні молекулимішені, які зазнали змін у процесі захво

рювання.

У сільському господарстві вражає швидкість сприйняття

американськими фермерами генетично модифікованих (ГМ)

культур сільськогосподарських рослин для виробництва про

дуктів харчування і підвищення їх якості. Яскравим прикладом

є розробка біотехнології синтезу вітаміну А у «золотому рисі».

Близько двох третин усіх продовольчих товарів торгової мережі

США містять ГМінгредієнти. Однак у багатьох розвинених

країнах (зокрема країнах ЄС) використання ГМпродукції

зустрічає сильну опозицію. Натомість діабетики, не задумую

чись, використовують для лікування інсулін, одержаний завдя

ки модифікованим мікроорганізмам.

Використання генетичної інженерії дасть можливість отри

мати ГМрослини не тільки для виробництва продуктів харчу

вання, але й для вирішення екологічних проблем — для очищен

ня забруднених хімічними речовинами і токсичними металами

територій (фіторемедітація) та використання ГМрослин як

«фабрик» або «реакторів» для виробництва фармацевтичних

білків (у першу чергу вакцин) та інших біологічно активних ре

човин.

Встановлено можливість елімінації із забруднених ґрунтів

кадмію і свинцю за допомогою окремої лінії індійської гірчиці

(Brassica Juncea); за участю аеробних і анаеробних мікроорга

нізмів здійснювати утилізацію пестицидів, алканів, бензолу, то

луолу, ксилолу, поліциклічних ароматичних вуглеводнів.

ВСТУП

Внаслідок проведених глибоких фундаментальних генноін

женерних досліджень було доведено можливість переміщення

генів від однієї таксономічної групи живих організмів до іншої

попри їх статеву несумісність. Це одна із суттєвих переваг біо

технологічного підходу для вирішення прикладних питань, яка

дозволяє гени, що цікавлять дослідника, з елементами, які кон

тролюють їх експресію, перемістити з одного до іншого організ

му і забезпечити їх експресію. Так, джерелом генів засухо і хо

лодостійкості рослин можуть бути клітини тварин або бактерії.

З урахуванням таких унікальних властивостей хлоропла

стів, як їх спроможність набагато інтенсивніше, ніж E.coli або

рослини з перенесеними в їх ядра генами, синтезувати і накопи

чувати білки, вчені працюють над розробкою відповідної біо

технології (Малига П., 2002).

Створено нові методи і технології генетичної інженерії ро

слин для розробки біотехнології виробництва фармацевтичних

білків, перш за все антитіл (Глеба Ю., 2002), експресії сомато

тропного гормона людини в хлоропластах тютюну, фармацев

тичних і діагностичних препаратів та оральних вакцин рослина

ми (Малига П., 2002).

Існує думка про можливість одержання біологічно актив

них речовин шляхом трансформації рослин вірусами (Блюм Я.,

2002). Рослини тютюну використовуються для виробництва

вакцинального препарату, який має бути специфічним для кож

ного хворого на неходжкиновську лімфому (різновидність ра

ку), шляхом перенесення за допомогою вірусного вектора гена,

що асоційований з лімфомою пацієнта, для синтезу специфіч

ного білка. При цьому слід зазначити, що вартість одержаного

таким чином терапевтичного білка є набагато нижчою, ніж

при використанні для цієї мети культури клітин ссавців

(Ервін Б., 2002).

Використання генів, що кодують біосинтез білкової оболон

ки вірусів, та вбудовування їх в геном рослин забезпечують

ефективний захист останніх від шкідників (Кентлі М., 2002).

На думку Пітера Дея (США), учасника електронного «кру

глого столу» з визнаними у світі науковими авторитетами у

сфері біотехнології і генетики, який був організований в Украї

ні (проф. Блюм Я.Б.) у 2001р., біотехнологія стане одним із най

більш важливих засобів для впровадження стійкого збалансова

Біотехнолоія

ного виробництва, що буде необхідним у новому сторіччі для

того, щоб забезпечити населення Землі, яке швидко зростає,

продуктами харчування. Нині у світі голодують понад 800 млн

чоловік, переважно у країнах Південної Азії і Африки. Бідність

є причиною недоїдання трьох чвертей населення Землі, яке про

живає у сільській місцевості. Біотехнологія дає нам новий по

тужний інструмент, який доповнює уже існуючі способи підви

щення продуктивності сільського господарства і, як наслідок,

стимулювання економічного росту в бідних країнах.

У менш розвинених країнах (порівняно з Європою), в тому

числі в Україні, біотехнологія могла б стати таким же трамплі

ном у світ багатства і добробуту, яким стала для багатьох азіат

ських країн електроніка і комп’ютерна технологія (Блюм Я., Гле

ба Ю., 2002).

США і ЄС є найпотужнішими світовими центрами науко

вих досліджень в галузі біотехнології. Китай, Бразилія та Індія

стали на шлях прискореного впровадження досягнень генної ін

женерії перш за все у галузі сільськогосподарського виробниц

тва, зокрема рослинництва (Кентлі М., 2002). На сьогодні США

зберігають свої чільні позиції, за ними або поряд іде Західна

Європа, а Китай останнім часом здійснив величезний ривок

вперед, особливо у сфері сільськогосподарської біотехнології.

Сьогодні на Китай припадає 6 % світових посівів генетично мо

дифікованих сільськогосподарських культур.

На думку Блюма Я. (2002), незважаючи на значне відста

вання України від лідерів, у нас поки що зберігається критич

ний потенціал для розвитку знань і технологій та їх впрова

дження у виробництво.

Для використання досягнень нової біотехнології в галузях

агропромислового комплексу України необхідна підготовка ви

сококваліфікованих фахівців з молекулярної біології, генетич

ної і клітинної інженерії для забезпечення наукоємного вироб

ництва. Вирішення цього питання потребує забезпечення

навчального процесу необхідною літературою.

Наразі в Україні немає вітчизняного україномовного підруч

ника з біотехнології у тваринництві і ветеринарній медицині для

студентів аграрних вищих закладів освіти. Навчальний посібник

з біотехнології, виданий 1989 року, не відповідає сучасним вимо

гам, і, крім того, є російськомовним.

ВСТУП

Підготовлений підручник складений згідно з вимогами

Програми з біотехнології і позбавлений недоліків попереднього

видання.

Завданням курсу є вивчення студентами сучасного стану

біотехнології, фундаментальних основ і практичного викори

стання її розробок у ветеринарній медицині, тваринництві, еко

логії та суміжних галузях народного господарства.

Під час вивчення курсу загальної біотехнології студенти за

своюють основи клітинної і генетичної інженерії як метод кон

струювання, спрямований на одержання нової генетичної ін

формації за допомогою гібридизації і реконструкції клітин,

створення гібридних (рекомбінантних) ДНК, а також практич

ні напрями використання культури клітин, рекомбінантних

ДНК для отримання біологічно активних речовин.

Важливим розділом спеціальної біотехнології є інженерна

ензимологія, яка базується на використанні іммобілізованих

ферментів. Шляхом іммобілізації одержано нові форми препа

ратів біологічно активних речовин з пролонгованою дією, які

використовуються як для виробництва біотехнологічної про

дукції, так і самостійно як профілактичні та лікувальні засоби.

У спеціальній біотехнології вивчаються промислові біотех

нології одержання профілактичних, діагностичних, лікарських,

кормових і біологічно активних речовин — антибіотиків, гормо

нів, інтерферонів, білків, незамінних амінокислот тощо, які ви

користовуються у ветеринарній і гуманній медицині, тварин

ництві та харчовій промисловості.

При вивченні курсу біотехнології передбачено також за

своєння біоконверсних технологій, які забезпечують утилізацію

та біоконверсію відходів тваринництва і рослинництва у біогаз,

високоякісне органічне добриво і білкововітамінні кормові до

бавки, сприяють захисту навколишнього середовища від антро

погенного забруднення та дозволяють підтримувати санітарно

гігієнічне й екологічне благополуччя довкілля.

Знання, які одержать студенти при вивченні як фундамен

тальних основ біотехнології, так і діючих біотехнологій, дадуть

можливість підготувати конкурентоспроможного фахівця для

роботи в умовах агропромислового виробництва, для приско

рення входження України у світове освітнє співтовариство, сві

тову організацію торгівлі, Євросоюз тощо.

Біотехнолоія

Розділ 1.

БІОТЕХНОЛОГІЯ — НАУКОВА

ДИСЦИПЛІНА

1.1. ПРЕДМЕТ БІОТЕХНОЛОГІЇ, ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ

Біотехнологія — це наука про використання хімікобіоло

гічних процесів і біологічних об’єктів (мікроорганізмів, культур

клітин і тканин рослинного і тваринного походження, фермент

них препаратів та інших біологічно активних речовин) у проми

словому виробництві. Назва її походить від грецьких слів bios —

життя, teken — мистецтво, logos — наука.

Відповідно до визначення Європейської федерації біотех

нологів (ЄФБ, 1984) біотехнологія базується на інтегральному

використанні біохімії, мікробіології, молекулярної біології, клі

тинної та генетичної інженерії з метою промислової реалізації

властивостей мікроорганізмів, культур клітин і тканин. Уже у

самому визначенні предмета відображено його місцерозташу

вання як прикордонного, завдяки чому результати фундамен

тальних досліджень у сфері біологічних, хімічних і технічних

дисциплін набувають прикладного значення.

Біотехнологія — одна з найдавніших і водночас одна з най

молодших наук і галузей промисловості.

Частина

Людство здавна опанувало на практиці різні процеси біо

технології. Ще з біблейських часів було відоме виноробство, ви

пікання хліба, а дещо пізніше — одержання кисломолочних про

дуктів, квашеної капусти, медових алкогольних напоїв,

силосування кормів тощо. Стародавні народи інтуїтивно вико

ристовували прийоми і способи виготовлення продуктів, які

сьогодні ми відносимо до біотехнологічних.

Значний поштовх у розвитку біотехнології пов’язаний з ви

датними дослідженнями великого французького вченого Луї

Пастера (1822–1895) — основоположника наукової мікробіоло

гії. Він розкрив мікробну природу бродіння, довів можливість

життя у безкисневих умовах, експериментально спростував уяв

лення про самовільне зародження живих істот, створив наукові

основи вакцинопрофілактики і вакцинотерапії, запропонував

метод стерилізації, названий його ім’ям, — пастеризацією тощо.

Починаючи з другої третини ХХ століття розпочалось

впровадження крупномасштабного герметизованого обладнан

ня, яке забезпечує проведення процесів у стерильних умовах.

Особливо потужний поштовх у розвитку промислового біотех

нологічного обладнання був відмічений у період становлення і

розвитку виробництва антибіотиків (період Другої світової

війни 1939–1945 рр., коли виникла гостра необхідність у проти

мікробних препаратах для лікування хворих з інфікованими ра

нами). У цей час були вирішені основні завдання з конструю

вання, створення і впровадження у практику біореакторів, які

використовуються й нині.

Однак термін «біотехнологія» прижився лише з середини

70х років ХХ ст., коли біотехнологія пережила своє друге наро

дження у зв’язку з появою генетичної інженерії. Власне стано

влення біотехнології як самостійної науки розпочалося з 1972 р.,

коли П. Берг зі співробітниками у США створили першу реком

бінантну молекулу ДНК.

Звичайно, без фундаментальної роботи Ф. Кріка і Дж. Уот

сона (1953) щодо встановлення структури ДНК було б немож

ливо досягнути сучасних результатів у сфері біотехнології.

З’ясування механізмів функціонування і регуляції ДНК, виді

лення і вивчення специфічних ферментів привело до форму

вання чіткого наукового підходу, до розробки біотехнологічних

процесів на основі генноінженерних робіт.

ЧастинаI.Заальнабіотехнолоія

Уже в 1982 р. надійшов у продаж людський інсулін, синте

зований кишковими паличками, які містили штучно вмонтова

ну інформацію про цей гормон. Згодом з’явились інші генноін

женерні препарати: інтерферони, соматотропний гормон

людини, інтерлейкін2 та ін.

У цей період були одержані суперпродуценти антибіотиків,

ферментів, амінокислот, вітамінів; розроблені та впроваджені

екологічно чисті безвідходні технології; розроблена і впрова

джена у практику спеціальна апаратура; здійснена автоматиза

ція і комп’ютеризація біотехнологічних процесів тощо.

Протягом останніх 10–15 років минулого століття прохо

див бурхливий розвиток біотехнології, визначались сфери пріо

ритетного впровадження конкретних результатів технологіч

них розробок.

1.2. БІОЛОГІЧНІ ОБ’ЄКТИ І МЕТОДИ БІОТЕХНОЛОГІЇ

До хіміко&біологічних процесів належать ті з них, в яких

використовують біологічні об’єкти різної природи (мікробної,

рослинної або тваринної), наприклад, при виробництві продук

ції різноманітного призначення — антибіотиків, вакцин, фер

ментів, кормового і харчового білка, гормонів, амінокислот, біо

газу, органічних добрив тощо.

Об’єкти біотехнології дуже різноманітні й діапазон їх роз

повсюджується від організованих частин (вірусів) до людини

(рис. 1.1.).

Біооб’єкти характеризуються такими показниками, як рі

вень структурної організації, здатність до розмноження (або ре

продукції), наявність або відсутність власного метаболізму при

культивуванні у належних умовах. Що стосується характеру

біооб’єктів, то під цим слід розуміти їх структурну організацію.

В такому випадку біооб’єкти можуть бути молекулами (фермен

ти, імуномодулятори, нуклеозиди, оліго і поліпептиди тощо),

організованими частинами (віруси, фаги), одноклітинними

(бактерії, дріжджі) і багатоклітинними особинами (нитчасті

вищі гриби, рослинні тканини, одношарові культури клітин

Розділ1.Біотехнолоія—наовадисципліна

ссавців), цілими організмами рослин і тварин. Але навіть при

використанні біомолекули як об’єкта біотехнології її початко

вий біосинтез здійснюється у більшості випадків відповідними

клітинами. Отже, можна стверджувати, що об’єкти біотехноло

гії належать або до мікробів, або до рослинних і тваринних ор

ганізмів.

Таким чином, незалежно від систематичного положення

біооб’єкта на практиці використовують або природні організо

вані частинки (фаги, віруси) і клітини з природною генетичною

інформацією, або клітини з штучно заданою генетичною інфор

мацією, тобто у будьякому випадку використовують клітини —

чи то мікроорганізм, рослина, тварина або людина.

ЧастинаI.Заальнабіотехнолоія

Морфолоічнаелементарнаодиниця

ОБ’ЄКТИБІОТЕХНОЛОГІЇ

без’ядерні

вір#си

перед’ядерні

ба&терії

ядерні

риби

рослини

тварини

&літина

не&літинна

оранізована

частин&а

ДНКабоРНК

(ні&олиразом)

ДНКіРНК

Типн#&леїнової&ислоти-ДНКі/абоРНК

Рис 1.1. Класифікація об’єктів біотехнології

(за Єліновим Н.П., 1995)

Нині більшість об’єктів біотехнології становлять мікроби,

світ яких дуже великий і різноманітний. До них належать усі

прокаріоти — бактерії, актиноміцети, рикетсії, синьозелені во

дорості й частина еукаріот — дріжджі, нитчасті гриби, простіші

й водорості (рис. 1.2). Мікробами серед рослин є мікроскопічні

водорості, а серед тварин — мікроскопічні найпростіші.

Основою сучасного біотехнологічного виробництва є мік

робіологічний синтез, тобто синтез різноманітних речовин за

допомогою мікроорганізмів. Об’єкти рослинного і тваринного

походження ще не знайшли широкого розповсюдження через їх

високу вимогливість до умов культивування, що значно здо

рожчує виробництво.

Для реалізації біотехнологічних процесів важливими пара

метрами біооб’єктів є: чистота, швидкість розмноження клітин і

репродукції вірусних частин, активність і стабільність біомоле

кул або біосистем.

При використанні ферментів (в ізольованому або іммобілі

зованому стані) як біокаталізаторів виникає необхідність охо

рони їх від деструкції банальною сапрофітною мікрофлорою,

яка може проникати у сферу біотехнологічного процесу ззовні

внаслідок нестерильності системи, наприклад, через негерме

тичність обладнання.

Розділ1.Біотехнолоія—наовадисципліна

Мірооранізми

Проаріоти

Еаріоти

Ба&терії

Синьо-зелені

водорості

Гриби Водорості

Найпростіші

Дріжджі

Цвіль

Рис. 1.2. Класифікація мікроорганізмів

(за Дж. Бейлі, Д. Олліс, 1989)