История развития, достижения в биотехнологиях
ВВЕДЕНИЕ
1.1. Общие положения
Законом Российской Федерации О ветеринарии определены оснновные задачи ветеринарной медицины в области научных знаний и практической деятельности, направленные на предупреждение бонлезней животных и их лечение, выпуск полноценных и безопасных в ветеринарном отношении продуктов животноводства и защиту насенления от болезней, общих для человека и животных.
Решение целого ряда этих задач осуществляется методами биотехнологии.
Определение биотехнологии в довольно полном объеме дано Европейской биотехнологической федерацией, основанной в 1978 г. По этому определению биотехнология - это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии, приборо<- и машиностроения использует биологические объекты (микроорганизмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, глеводы и др.) для промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов.
До тех пор, пока всеобъемлющий термин лбиотехнология не стал общепринятым, для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий использовали такие названия, как прикладная микробиология, прикладная биохимия, технология ферментов, биоинженерия, прикладная генетика и прикладная биология.
Использование научных достижений в биотехнологии осуществляется на самом высоком ровне современной науки. Только биотехннология создает возможность получения разнообразных веществ и соединений из сравнительно дешевых, доступных и возобновляемых материалов.
В отличие от природных веществ и соединений, искусственно синтезируемые требуют больших капиталовложений, плохо сваиваются организмами животных и человека, имеют высокую стоимость.
Биотехнология использует микроорганизмы и вирусы, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают естественным путем необходимые нам вещества - витамины, ферменты, аминокислоты, органические кислоты, спирты, антибиотики и др. биологически активные соединения.
Живая клетка по своей организационной структуре, слаженности процессов, точности результатов, экономичности и рациональности превосходит любой завод.
В настоящее время микроорганизмы используются, в основном, в трех видах биотехнологических процессов:
- для производства биомассы;
- для получения продуктов метаболизма (например, этанола, аннтибиотиков, органических кислот и др.);
- для переработки органических и неорганических соединений как природного, так и антропогенного происхождения.
Главная задача первого вида процессов, которую сегодня призванно решать биотехнологическое производство - ликвидация белкового дефицита в кормах сельскохозяйственных животных и птиц, т.к. в белках растительного происхождения имеется дефицит аминокиснлот и, прежде всего, особо ценных, так называемых незаменимых.
Основным направлением второй группы биотехнологических процессов в настоящее время является получение продуктов микробнонго синтеза с использованием отходов различных производств, включая пищевую, нефте<- и деревоперерабатывающую промышленности и т.д.
Биотехнологическая переработка различных химических соединений направлена, главным образом, на обеспечение экологического равновесия в природе, переработку отходов деятельности человечества и максимальное снижение негативного антропогенного воздейнствия на природу.
В промышленном масштабе биотехнология представляет индустнрию, в которой можно выделить следующие отрасли:
- производство полимеров и сырья для текстильной промышленности;
- получение метанола, этанола, биогаза, водорода и использование их в энергетике и химической промышленности;
- производство белка, аминокислот, витаминов, ферментов и т.д. путем крупномасштабного выращивания дрожжей, водорослей, бактерий;
- увеличение продуктивности сельскохозяйственных растений и животных;
- получение гербицидов и биоинсектицидов;
- широкое внедрение методов генной инженерии при получении новых пород животных, сортов растений и выращивания тканевыха клеточных культур растительного и животного происхождения;
- переработка производственных и хозяйственных отходов, сточных вод, изготовление компостов с применением микроорганизмов;
- утилизация вредных выбросов нефти, химикатов, загрязняющих почву и воду;
- производство лечебно-профилактических и диагностических препаратов (вакцин, сывороток, антигенов, аллергенов, интерферонов, антибиотиков и др.).
Практически все биотехнологические процессы тесно связаны с жизнедеятельностью различных групп микроорганизмов - бактерий, вирусов, дрожжей, микроскопических грибов и т.п., и имеют ряд характерных особенностей:
1. Процесс микробного синтеза, как правило, является частью многостадийного производства, причем целевой продукт стадии биосинтеза часто не является товарным и подлежит дальнейшей переработнке.
2. При культивировании микроорганизмов обычно необходимо поддерживать асептические словия, что требует стерилизации оборудования, коммуникаций, сырья и др.
3. Культивирование микроорганизмов осуществляют в гетерогеых системах, физико-химические свойства которых в ходе процесса могут существенно изменяться.
4. Технологический процесс характеризуется высокой вариабельнностью из-за наличия в системе биологического объекта, т.е. популяции микроорганизмов.
5. Сложность и многофакторность механизмов регуляции роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма.
6. Сложность и в большинстве случаев отсутствие информации о качественном и количественном составе производственных питательнных сред.
7. Относительно низкие концентрации целевых продуктов.
8. Способность процесса к саморегулированию.
9. словия, оптимальные для роста микроорганизмов и для биосинтеза целевых продуктов, не всегда совпадают.
Микроорганизмы потребляют из окружающей среды вещества, растут, размножаются, выделяют жидкие и газообразные продукты метаболизма, тем самым реализуя те изменения в системе (накопление биомассы или продуктов метаболизма, потребление загрязняющих веществ), ради которых проводят процесс культивирования. Следовательно, микроорганизм можно рассматривать как центральный элемент биотехнологической системы, определяющий эффективность ее функционирования.
1.2. История развития биотехнологии
За последние 20 лет биотехнология, благодаря своим специфическим преимуществам перед другими науками, совершила решительнный прорыв на промышленный ровень, что в немалой степени обязано также развитию новых методов исследований и интенсификации процессов, открывших ранее неизвестные возможности в получении биопрепаратов, способов выделения, идентификации и очистки биологически активных веществ.
Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие словно можно подразделить на 4 периода.
1. Эмпирический период или доисторический - самый длительный, охватывающий примерно 8 лет, из которых более 6 лет до н.э. и около 2 лет н.э. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических.
Известно, что шумеры - первые жители Месопотамии (на территории современного Ирака) создали цветущую в те времена цивилинзацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством гонтовить пиво. Приобретенный опыт передавался из поколения в поколение, распространялся среди соседних народов (ассирийцев, вавинлонян, египтян и древние индусов). В течение нескольких тысячелентий известен ксус, издревле приготавливавшийся в домашних словиях. Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XV в.
К эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, синлосование кормов.
Таким образом, народы исстари пользовались на практике бионтехнологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полезнных растений и животных.
В 1796 г. произошло важнейшее событие в биологии - Э. Дженнером были проведены первые в истории прививки человеку коровьей оспы.
2. Этиологический период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 - 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ченого Л. Пастера (1822 - 95) - основоположника научной микробиологии.
Пастер становил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных словиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.
В этот же период творили его выдающиеся ченики, сотрудники и коллеги: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, И.И. Мечников; Р. Кох, Д. Листер, Г. Риккетс, Д. Ивановский и др.
В 1859 г. Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881 г. предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, далось 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 процессов (бродильных, окислительных и др.).
Среди достижений 2-й периода особо стоит отметить следующие:
- 1856 - чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирования признаков и ввел понятие единицы наследственности в виде дискретного фактора, который передается от родителей потомкам;
- 1869 - Ф. Милер выделил лнуклеин (ДНК) из лейкоцитов;
- 1883 - И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета;
- 1984 - Ф. Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии;
- 1892 - Д.Ивановский открыл вирусы;
- 1893 - В. Оствальд становил каталитическую функцию ферментов;
- 1902 - Г. Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах;
- 1912 - Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения;
-1913 - Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику ферментативных реакций;
- 1926 - X. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности;
- 1928 - Ф. Гриффит описал явление трансформации у бактерий;
- 1932 - М. Кнолль и Э. Руска изобрели электронный микроскоп.
В этот период было начато изготовление прессованных пищевых
дрожжей, также продуктов их метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.
Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.
3. Биотехнический период - начался в 1933 г. и длился до 1972 г.
В 1933 г. А. Клюйвер и А.Х. Перкин опубликовали работу Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов, в которой изложили основные технические приемы, также подходы к оценке получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных словиях.
Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнонлогического оборудования был отмечен в период становления и разнвития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939-1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами).
Все прогрессивное в области биотехнологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии:
- 1936 - были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореактора (ферментера, аппарата-культиватора);
- 1938 - А. Тизелиус разработал теорию электрофореза;
- 1942 - М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые видели вирусы с помощью электронного микроскопа;
- 1943 - пенициллин произведен в промышленных масштабах;
-
1949 - Дж. Ледерберг открыл процесс конъюгации у Е. - 1950 - Ж. Моно разработал теоретические основы непрерывного правляемого культивирования микробов, которые развили в своних исследованиях М. Стефенсон, И. Молек, М. Иерусалимский, -1951 - М. Тейлер разработал вакцину против желтой лихорадки; - 1952 - У. Хейс описал плазмиду как внехромосомный фактор наследственности; -1953 - Ф. Крик и Дж. отсон расшифровали структуру ДНК. Это стало побудительным мотивом для разработки способов крупномаснштабного культивирования клеток различного происхождения для получения клеточных продуктов и самих клеток; -
1959 - японские ченые открыли плазмиды антибиотикоустойчивости (К-фактор) у дизентерийной бактерии; -
1960 - С. Очо и А. Корнберг выделили белки, которые могут сшивать или склеивать нуклеотиды в полимерные цепочки, синнтезируя тем самым макромолекулы ДНК. Один из таких ферментов был выделен из кишечной палочки и назван ДНК-полимераза; -
1961 - М. Ниренберг прочитал первые три буквы генетического -
1962 - X. Корана синтезировал химическим способом функциональный ген; -1969 - М. Беквит и С. Шапиро выделили ген
1ас-оперона у Е. - 1970 - выделен фермент рестриктаза (рестриктирующая эндонуклеаза). 4. Геннотехнический период начался с 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возможнность направленных манипуляцией с генетическим материалом бактерий. Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. отсона по становлению структуры ДНК было бы невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и репликации ДНК, выделенние и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций. Создание новых методов исследований явилось необходимой предпосылкой развития биотехнологии в 4-ом периоде: -
1975 - Г. Келлер и Ц. Мильштейн опубликовали в журнале Ка1иге статью Длительноживущие культуры гибридных клеток, секретирующие антитела предопределенной специфичности, в которой описали метод получения моноклональных антител; -
1977 - М. Максам и У. Гилберт разработали метод анализа первичной структуры ДНК путем химической деградации, Дж. Сэнгер -
1981
- разрешен к применению в США первый диагностичеснкий набор моноклональных антител; 1982 - поступил в продажу человеческий инсулин, продуцируенмый клетками кишечной палочки;
разрешена к применению в Европейских странах вакцина для животных, полученная по технологии -1986 - К. Мюллис разработал метод полимеразной цепной реакции (ПЦР); -
1988 - началось широкомасштабное производство оборудования и диагностических наборов для ПЦР; -
1997 - клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированной соматической клетки. Такие выдающиеся отечественные ченые как Л.С. Ценковский, С.Н. Вышелесский,
М.В. Лихачев, Н.Н. Гинзбург, С.Г. Колесов, Я.Р. Коляков, Р.В. Петров, В.В. Кафаров и др. внесли неоценимый вклад в развитие биотехнологии. Наиболее важные достижения биотехнологии в 4-ом периоде: 1. Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуценнтами антибиотиков, ферментов,
аминокислот, витаминов). 2. Получение суперпродуцентов. 3. Создание различных продуктов, необходимых человеку, на осннове генноинженерных технологий. 4. Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе. 5. Разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры биотехнологических систем. 6. Автоматизация и компьютеризация биотехнологических производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии. Вышеперечисленные достижения биотехнологии реализуются в настоящее время в народное хозяйство и будут внедряться в практинку в последующие 10-15 лет. В обозримом будущем будут определены новые краеугольные камни биотехнологии и нас ждут новые открытия и достижения. 1.3. Биосистемы, объекты и методы в биотехнологии Одним из терминов в биотехнологии является понятие биосистемы. Обобщенные характеристики биологической (живой) системы могут быть сведены к трём присущим им основным признаками: 1. Живые системы являются гетерогенными открытыми системами, которые обмениваются с окружающей средой веществами и энергией. 2. Эти системы являются самоуправляемыми,
саморегулирующими, идактивными, т.е. способными к обмену информацией с окружающей средой для поддержания своей структуры и правления процессами метаболизма. 3. Живые системы являются самовоспроизводящимися
(клетки, организмы). По структуре биосистемы делятся на элементы (подсистемы), свянзанные между собой, и характеризуются сложной организацией (атомы, молекулы, органеллы, клетки, организмы, популяции,
сообщества). Управление в клетке представляет собой сочетание процессов синтеза молекул белков-ферментов, необходимых для осуществления той или иной функции, и непрерывных процессов изменения активности в ходе взаимодействия триплетных кодов ДНК в ядре и макромолекул в рибосомах. силение и торможение ферментативной активности происходит в зависимости от количества начальных и конечных продуктов соответствующих биохимических реакций. Благоданря этой сложной организации биосистемы отличаются от всех нежинвых объектов. Поведение биосистемы является совокупностью ее реакций в ответ на внешние воздействия, т.е. наиболее общей задачей правляющих систем живых организмов является сохранение его энергетической основы при изменяющихся словиях внешней среды. Н.М. Амосов делит все биосистемы на пять иерархических ровней сложности: одноклеточные организмы,
многоклеточные организнмы, популяции, биогеоценоз и биосферу. Одноклеточные организмы - это вирусы, бактерии и простейшие. Функции одноклеточных - обмен веществом и энергией со средой, рост и деление, реакции на внешние раздражители в виде изменения обмена и формы движения. Все функции одноклеточных поддерживаются за счет биохимических процессов ферментативной природы и за счет энергетического обмена - начиная от способа получения энернгии и до синтеза новых структур или расщепления существующих. Единственным механизмом одноклеточных, обеспечивающим их приспособление к окружающей среде, является механизм изменений в отдельных генах ДНК и, как следствие, изменение белков-ферментов и изменение биохимических реакций. Основой системного подхода к анализу структур биосистем является ее представление в виде двух компонентов
- энергетической и правляющей. На рис. 1. показана обобщенная принципиальная схема потоков энергии и информации в любой биосистеме. Основным, элементом является энергетическая составляющая, обозначенная через МС (ментаболическая система), и правляющая, обозначенная через(генетическое и физиологическое правление) и передающая сигналы правленния на эффекторы
(Э). Одной из главных функций метаболической системы является снабжение биосистем энернгией. Рис. 1. Потоки энергии и информации в биосистеме. Структура биосистем поддерживается механизмами генетическонго правления.
Получая от остальных систем энергию и информацию в виде продуктов обмена веществ (матаболитов),
а в период формирования - в виде гормонов, генетическая система управляет процессом синтеза необходимых веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма, причем процессы в этой системе протекают достаточно медленно. Несмотря на многообразие биосистем, отношения между их биологическими свойствами остаются инвариантными для всех организнмов. В сложной системе возможности к адаптации значительно больше, чем в простой. В простой системе эти функции обеспечиваются малым количеством механизмов, при этом они более чувствительны к изменениям во внешней среде. Для биосистем характерна качественная неоднородность, проявляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональной бионсистемы совместно и слаженно работают подсистемы с качественно различными адекватными правляющими сигналами
(химическими, физическими, информационными). Иерархичность биосистем проявляется в постепенном сложнении функции на одном ровне иерархии и скачкообразном переходе к качественно другой функции на следующем ровне иерархии, также в специфическом построении различных биосистем, их анализа и правления в такой последовательности, что итоговая выходнная функция нижележащего ровня иерархии входит в качестве элемента в вышележащий уровень. Постоянное приспособление к среде и эволюция невозможны без единства двух противоположных свойств: структурно-функциональной организованности и структурно-функциональной вероятности, стохастичности и изменчивости. Структурно-функциональная организованность проявляется на всех ровнях биосистем и характеризуется высокой стойчивостью биологического вида и его формы. На ровне макромолекул это свойство обеспечивается репликацией макромолекул, на ровне клетки -делением, на ровне особи и популяции - воспроизведением особей путем размножения. В качестве биологических объектов или систем, которые использует биотехнология,
прежде всего необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами: 1. Клетки являются своего рода биофабриками, вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, глеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимые в жизни человека, пока недоступны для получения небиотехнологическими< способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья 2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20 - 60 мин,
дрожжевая - через каждые 1,5 - 2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешёвых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток. Например, в биореакторе ёмкостью 100 м3 за 2 - 3 сут можно вырастить 10'6-
1018 микробных клеток. В процессе жизннедеятельности клеток при их выращивании в среду поступает большое количество ценных продуктов, сами клетки представляют собой кладовые этих продуктов; 3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки,
антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырьё для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырьё для других 4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах,
т.е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технологии переработки и т.д. Таким образом,
природа дала в руки исследователям живую систему, содержащую и синтезирующую уникальные компоненты, и, в первую очередь, нуклеиновые кислоты, с открытием которых и начала бурно развиваться биотехнология и мировая наука в целом. Объектами биотехнологии являются вирусы,
бактерии, грибы, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, вещества биологического происхождения (например, ферменты, простагландины,
лектины, нуклеиновые кислоты), молекулы. В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относятся либо к микроорганизмам, либо к растительным и животным клетнкам. В свою очередь организм можно охарактеризовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, целенаправленного синтеза,
устойчиво и активно протекающего при оптимальном поддержании всех необходимых параметров. Методы, применяемые в биотехнологии,
определяются двумя ровнями: клеточным и молекулярным. Тот и другой определяются биобъектами. В первом случае дело имеют с бактериальными клетками (для получения вакцинных препаратов), актиномицетов (при получении антибиотиков), микромицетов (при получении лимонной кислоты), животных клеток (при изготовлении противовирусных вакцин), клеток человека (при изготовлении интерферона) и др. Во втором случае дело имеют с молекулами, например с нуклеиновыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный ронвень трансформируется в клеточный. Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты разнообразного физико-химического состава и биологического действия. При росте клетки в ней осуществляется огромное число катализируемых ферментами реакций, в результате которых образуются промежуточные соединения, которые в свою очередь превращаются в структуры клетки. К промежуточным соединениям, к строительным кирпичикам относятся 20 аминокислот, 4 рибонуклеотида, 4 дезоксирибонуклеотида, 10 витаминов, моносахара, жирные кислоты, гексозамины.
Из этих кирпичиков строятся блоки: примернно 2 белков, ДНК, три типа РНК, полисахариды, липиды, ферменты. Образующиеся блоки идут на строительство клеточных структур:
ядро, рибосомы, мембрана, клеточная стенка, митохонднрии, жгутики и пр., из которых состоит клетка. На каждой стадии лбиологического синтеза клетки можно опренделить те продукты, которые могут быть использованы в биотехнологии. Обычно продукты одноклеточных делят на 4 категории: ) сами клетки как источник целевого продукта. Например, выранщенные бактерии или вирусы используют для получения живой или битой корпускулярной вакцины; дрожжи, как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.; б) крупные молекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены,
антитела, пептидогликаны и др.; в) первичные метаболиты - низкомолекулярные вещества
(менее 1500 дальтон), необходимые для роста клеток, такие как аминокислоты,
витамины, нуклеотиды, органические кислоты; г) вторичные метаболиты (идиолиты)
- низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток: антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны. Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырьё, конторое в результате технологической обработки превращается в конечный, пригодный для использования продукт. Все микрообъекты, используемые в биотехнологии, относят к акариотам, про- или к эукариотам. Из группы эукариот, например,
опенрирует в качестве биообъектов клетками простейших, водорослей и грибов, из группы прокариот - клетками сине-зеленых водорослей и бактерий, акариот - вирусами. Биообъекты из микромира варьируют в размерах от нанометров (вирусы, бактериофаги) до миллиметров и сантиметров (гигантские водоросли) и характеризуются относительно быстрым темпом размножения. В современной Фарминдустрии используется гигантская гамма биообъектов,
группировка которых весьма сложна и лучше всего может быть выполнена на основе принципа их соразмерности. Огромная совокупность биобъектов не исчерпывает всей элементной базы, которой оперирует биотехнология. Последние спехи биологии и генной инженерии привели к появлению совершенно новых биообъектов - трансгенных а(генетически-модифицированных) бактерий, вирусов,
грибов, клеток растений, животных, человека и химер. Несмотря на то, что представители всех надцарств содержат генетический материал,
различные акариоты лишены какого-либо одного типа нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК). Они не способны функционировать (в том числе -
реплицироваться) вне живой клетнки, и, следовательно, правомочно именовать их безъядерными. Панразитизм вирусов развивается на генетическом ровне. Бактерии имеют ленточную организацию и у них имеются нуклениновые кислоты обоих типов
- РНК и ДНК, из которых ДНК представлена в виде одиночной (кольцевидной) хромосомы. Большинство из них размножается на питательных средах (вне организма), если среди бактерий и есть безусловные (облигатные) паразиты, приблинжающиеся по данному признаку к вирусам (хламидии,
микоплазмы, риккетсии), то паразитизм их отличается по своему механизму - его можно назвать клеточным. При целенаправленном обследовании различных экологических ниш выявляются все новые группы микроорганизмов-продуцентов полезных веществ, которые могут быть использованы в биотехнолонгии. Количество видов микроорганизмов, используемых в биотехнонлогии, постоянно растет. При выборе биологического объекта во всех случаях нужно соблюдать принцип технологичности. Так, если в течение многочисленных циклов культивирования свойства биологического объекта не сохраняются или претерпевают существенные изменения, то даый биологический объект следует признать нетехнологичным, т.е. неприемлемым для следующих после стадии лабораторных исследований технологических разработок. С развитием биотехнологии огромное значение приобретают спенциализированные банки биологических объектов, в частности колнлекции микроорганизмов с изученными свойствами, также криобанки клеток животных и растений, которые же сейчас с помощью специальных методов могут быть с спехом использованы для конструирования новых, полезных для биотехнологии организмов. По сути дела, такие специализированные банки культур ответственны за сохранение чрезвычайно ценного генофонда. Коллекции культур играют важную роль в процедуре правовой защиты новых культур и в стандартизации биотехнологических пронцессов. В коллекциях проводится сохранение, поддержание и обеспечение микроорганизмов штаммами, плазмидами, фагами, линиянми клеток как для научных и прикладных исследований, так для и соответствующих производств. Коллекции культур кроме основной задачи - обеспечения жизнеспособности и сохранения генетических свойств штаммов - содействуют развитию научных исследований (в области таксономии, цитологии, физиологии), также служат целям обучения. Они выполняют незаменимую функцию в качестве депозитариев патентуемых штаммов. Согласно международным правилам, патентоваться и депозитироваться могут не только эффективные продуценты, но и культуры, используемые в генетической инженнерии. Большое внимание ченые деляют целенаправленному созданию новых, не существующих в природе биологических объектов. В пернвую очередь, следует отметить создание новых клеток микроорганизмов, растений, животных методами генетической инженерии. Созданию новых биологических объектов, безусловно, способствует совершенствование правовой охраны изобретений в области генетичеснкой инженерии и биотехнологии в целом. Сформировалось направление, занимающееся конструированием искусственных клеток. В настоящее время существуют методы, позволяющие получить искусстнвенные клетки с использованием различных синтетических и биолонгических материалов,
например искусственной клеточной мембраны с заданной проницаемостью и поверхностными свойствами. Некоторые материалы могут быть заключены внутри таких клеток: ферментные системы, клеточные экстракты, биологические клетки,
магннитные материалы, изотопы, антитела, антигены, гормоны и др. Принменение искусственных клеток дало положительные результаты в производстве интерферонов и моноклональных антител, при создании иммуносорбентов и др. Разрабатываются подходы к созданию искусственных ферментов и аналогов ферментов, обладающих повышенной стабильностью и активностью.
Например, проводится синтез полипептидов желаемой стереоконфигурации, ведутся поиски методов направленного мутагенеза с целью замены одной аминокислоты на другую в молекуле фермента. Делаются попытки построения неферментных каталитических моделей. Как наиболее перспективные следует выделить следующие группы биологических объектов: -
рекомбинанты, т.е. организмы,
полученные методами генетической инженерии; -
растительные и животные тканевые клетки; -
термофильные микроорганизмы и ферменты; -
анаэробные организмы; -
ассоциации для превращения сложных субстратов; -
иммобилизованные биологические объекты. Процесс искусственного создания биологического объекта (микнроорганизма, или тканевой клетки) состоит в изменении его генетической информации с целью исключить нежелательные и усилить нужные свойства или придать ему совершенно новые качества. Наинболее целенаправленные изменения можно выполнить путем рекомбинаций - перераспределяя гены или части генов и объединяя в однном организме генетическую информацию от двух и более организмов. Получение рекомбинантных организмов, в частности, можно осуществить методом слияния протопластов, путем переноса природных плазмид и методами генной инженерии. К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе развития биотехнологии относятся растительные и животные тканевые клетки, в том числе гибридомы,
трансплантаты. Культуры клеток млекопитающих же сейчас являются продуцентами интерферона и винрусных вакцин, в недалеком будущем осуществится крупномасштабное получение моноклональных антител, поверхностных антигенов клеток человека, ангиогенных факторов. С развитием методов биотехнологии все большее внимание будет уделяться использованию термофильных микроорганизмов и их ферментов. Ферменты,
продуцируемые термофильными микроорганизмами, характеризуются термостабильностью и более высокой стойчивостью к денатурации по сравнению с ферментами из мезофилов. Проведение биотехнологических процессов при повышенной температуре с использованием ферментов термофильных микроорганизмов обладает рядом достоинств: 1) величивается скорость реакции; 2) повышается растворимость реактивов и за счет этого - продукнтивность процесса; 3) меньшается возможность микробного заражения реакционной среды. Наблюдается возрождение биотехнологических процессов с использованием анаэробных микроорганизмов, которые нередко явнляются также термофильными.
Анаэробные процессы привлекают внимание исследователей в связи с недостатком энергии и возможностью получения биогаза. Так как при анаэробном культивировании не нужна аэрация среды и биохимические процессы менее интенсивны, прощается система теплоотвода, анаэробные процессы можно рассматривать как энергосберегающие. наэробные микроорганизмы спешно используются для перенработки отходов (биомассы растений, отходов пищевой промышленности, бытовых отходов и др.) и стоков (бытовые и промышлеые стоки, навоз) в биогаз. В последние годы расширяется применение смешанных культур микроорганизмов и их природных ассоциаций. В реальной бионлогической ситуации в природе микроорганизмы существуют в виде сообществ различных популяций, тесно связанных между собой и осуществляющих круговорот веществ в природе. Основные преимущества смешанных культур по сравнению с монокультурами следующие: -
способность тилизировать сложные, неоднородные по составу субстраты,
зачастую непригодные для монокультур; -
способность к минерализации сложных органических соединений; - повышенная способность к биотрансформации органических веществ; -
повышенная стойчивость к токсичным веществам, в том числе тяжелым металлам; - повышенная устойчивость к воздействию окружающей среды; - повышенная продуктивность; -
возможный обмен генетической информацией между отдельнными видами сообщества. Следует особо выделить такую группу биологических объектов, как ферменты-катализаторы биологического происхождения, изучением которых в прикладном аспекте занимается инженерная энзимология. Основная ее задача - разработка биотехнологических процессов,
в которых используется каталитическое действие энзимов,
как правило, выделенных из состава биологических систем или находящихся внутри клеток, искусственно лишенных способноснти роста. Благодаря ферментам скорость реакций по сравнению с реакциями, протекающими в отсутствие этих катализаторов, возрастает в 10б- 1012раз. Как отдельную отрасль создания и использования биологических объектов следует выделить иммобилизованные биологические объекты. Иммобилизованный объект представляет собой гармоничную систему, действие которой в целом определяется правильным подбором трех основных компонентов: биологического объекта, носителя и способа связывания объекта с носителем. В основном используются следующие группы методов мобилизации биологических объектов: -
включение в гели, микрокапсулы; -
адсорбция на нерастворимых носителях; -
ковалентное связывание с носителем; -
сшивка бифункциональными реагентами без использования носителя; - самоагрегация< в случае интактных клеток. Основными преимуществами использования иммобилизованных биологических объектов являются: - высокая активность; - возможность контроля за микроокружением агента; возможность полного и быстрого отделения целевых продуктов; -
возможность организации непрерывных процессов с многократнным использованием объекта. Как следует из вышеизложенного, в биотехнологичиеских процессах возможно использование ряда биологических объектов, характеризующихся различными ровнями сложности биологической регуляции, например клеточным, субклеточным,
молекулярным. От особенностей конкретного биологического объекта самым непоснредственным образом зависит подход к созданию всей биотехнолонгической системы в целом. В результате фундаментальных биологических исследований глубляются и расширяются знания о природе и, тем самым, о вознможностях прикладного использования той или иной биологической системы в качестве активного начала биотехнологического процесса.
Набор биологических объектов непрерывно пополняется. 1.4. Основные направления развития методов биотехнологии в ветеринарии За последние 40 - 50
лет произошло скачкообразное развитие большинства наук, что привело к форменной революции в производстве ветеринарных и медицинских биопрепаратов,
созданию трансгенных растений и животных с заданными никальными свойствами. Подобные исследования являются приоритетными направлениями научно-технического прогресса и в XXI в. займут ведущее место среди всех наук. Даже простое перечисление товарных форм биопрепаратов казывает на неограниченные возможности биотехнологии.
Однако этот важный вопрос заслуживает некоторой детализации. На наш взгляд,
возможности биотехнологии особенно впечатляющи в трех основных направлениях. Первое - это крупнотоннажное производство микробного белка для кормовых целей (вначале - на основе гидролизатов древесины, затем - на основе глеводородов нефти). Важную роль играет производство незаменимых аминокислот, необходимых для сбалансированности по аминокислотному составу кормовых добавок. Кроме кормового белка, аминокислот, витаминов и других кормовых добавок, величивающих питательную ценность кормов, быстро расширяются возможности массового производства и применения вирусных и бактериальных препаратов для профилактики болезней птиц и сельскохозяйственных животных, для эффективной борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений. Микробиологические препараты, в отличие от многих химичеснких,
обладают высокой специфичностью действия на вредных насекомых и фитопатогенные микроорганизмы, они безвредны для человека и животных, птиц и полезных насекомых. Наряду с прямым ничтожением вредителей в период обработки они действуют на потомство, снижая его плодовитость, не вызывают образования стойчивых форм вредных организмов. Огромны возможности биотехнологии в области производства ферментных препаратов для переработки сельскохозяйственного сырья, создания новых кормов для животноводства. Второе направление - разработки в интересах развития биологической науки,
здравоохранения и ветеринарии. На основе достинжений генной инженерии и молекулярной биологии биотехнология может обеспечить здравоохранение высокоэффективными вакцинами и антибиотиками, моноклональными антителами, интерфероном, витаминами, аминокислотами, также ферментами и другими биопрепаратами для исследовательских и лечебных целей. Некоторые из этих препаратов уже сегодня с спехом применяются не только в научных экспериментах, но и в практической медицине и ветеринарии. Наконец, третье направление - разработки для промышленности. же сегодня продукцию биотехнологических производств потребнляют или применяют пищевая и легкая промышленность (ферменты), металлургия (использование некоторых веществ в процессах флотации,
точного литья, прецизионного проката), нефтегазовая промышленность (использование ряда препаратов комплексной переработки растительных и микробных биомасс при бурении скважин, при селективной очистке и др.), резиновая и лакокрасочная промышленность (улучшение качества синтетического каучука за счет некоторых белковых добавок), также ряд других производств. К числу активно разрабатываемых направлений биотехнологии относятся биоэлектроника и биоэлектрохимия, бионика, нанотехнология, в которых используются либо биологические системы, либо принципы действия таких систем. Широко в научных исследованиях применяются ферментсодержащие датчики. На их основе разработан ряд стройств, например, дешевые, точные и надежные приборы для проведения анализов. Появляются и биоэлектронные иммуносенсоры, причем в некоторых из них используется полевой эффект транзисторов. На их основе предполагается создавать относительно дешевые приборы, способные определять и поддерживать на заданном ровне концентнрацию широкого круга веществ в жидкостях тела, что может вызвать переворот в биологической диагностике. Достижения ветеринарной биотехнологии. В России биотехнонлогия как наука начала развиваться с 1896 г. Толчком послужила необхондимость создавать профилактические и терапевтические средства против таких болезней как сибирская язва, чума крупного рогатого скота, бешенство, ящур, трихинеллез. В конце XIX в. ежегодно от сибирской язвы гибло более 50 тыс. животных и 20 тыс.
людей. За 1881 - 1906 гг. от чумы пало 3,5 млн коров. Значительный щерб наносил сап, от которого гибло конское поголовье и люди. Успехи отечественной ветеринарной науки и практики в проведении специфической профилактики инфекционных болезней связаны с крупными научными открытиями, сделанными в конце XIX и начале XX столетий. Это касалось разработки и внедрения в ветеринарную практику профилактических и диагностических препаратов при карантинных и особо опасных болезнях животных (вакцины против сибирской язвы, чумы,
бешенства, аллергенов для диагностики туберкулеза, сапа и др). Была научно доказана возможность приготовления лечебных и диагностических гипериммунных сывороток. На этот период приходится фактическая организация в России самостоятельной биологической промышленности. С 1930 г. существующие в России ветеринарные бактериологические лаборатории и институты стали существенно расширяться, и на их базе было начато строительство крупных биологических фабрик и бионкомбинатов по производству вакцин, сывороток, диагностикумов для ветеринарных целей.
В этот период разрабатываются технологические процессы, научно-технологическая документация, также единые ментоды (стандарты) изготовления, контроля и применения препаратов в животноводстве и ветеринарии. В 30-е годы были построены первые заводы по получению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины,
сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках под руководством В.Н.Шапошниконва. спешно внедрена технология микробиологического производнства ацетона и бутанола (рис. 2). Большую роль в создание основ отечественной биотехнологии внесло его чение двухфазном характере брожения. В 1926 г. вбыли исследованы биоэнергетические закономерности окисления глеводородов микроорганизмами. В последующие годы биотехнонлогические разработки широко использовались в нашей стране для расширения лассортимента антибиотиков для медицины и животноводства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов. Рис. 2. Биопредприятие с замкнутым циклом производства, не загрязняющее окружающую среду С момента создания в 1963 г. Всесоюзного научно-исследовательского института биосинтеза белковых веществ в нашей стране налаживается крупнотоннажное производство богатой белками биомассы микроорганизмов как корма. В 1966 г. микробиологическая промышленность была выделена в отдельную отрасль и создано Главное правление микробиологичеснкой промышленности при Совете Министров- Главмикробиопром. С 1970 г. в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции культур микроорганизмов для непрерывного культивирования в промышленных целях. В разработку генно-инженерных методов советские исследователи включились в 1972 г. Следует казать на спешное осуществление впроекта Ревертаза - получение в промышленных масштабах фермента лобратной транскриптазы. Развитие методов изучения структуры белков, выяснение механизмов функционирования и регуляции активности ферментов отнкрыли путь к направленной модификации белков и привели к рождению инженерной энзимологии. Иммобилизованные ферменты,
обнладающие высокой стабильностью,
становятся мощным инструментом для осуществления каталитических реакций в различных отраслях промышленности. Все эти достижения поставили биотехнологию на новый ровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно правлять клеточными процессами биосинтеза. За годы становления промышленного производства биологических препаратов в нашей стране произошли существенные качественные изменения биотехнологических приемов их получения: -
проведены исследования по получению стойких, с наследственно закрепленными свойствами, авирулентных штаммов микроорганизмов, из которых готовят живые вакцины; -
разработаны новые питательные среды для культивирования микроорганизмов,
в том числе и на основе гидролизатов и экстрактов из сырья непищевого назначения; -
получены высококачественные сывороточные питательные среды для лептоспир и других трудно культивируемых микроорганизмов; -
разработан глубинный реакторный способ культивирования многих видов бактерий, грибов и некоторых вирусов; -
получены новые штаммы и линии клеток, чувствительных ко многим вирусам, что обеспечило приготовление и получение стандартных и более активных противовирусных вакцин; -
механизированы и автоматизированы все процессы производства; -
разработаны и внедрены в производство современные методы концентрирования культур микроорганизмов и сублимационной сушки биопрепаратов; -
снижены энергозатраты на получение единицы продукции, стандартизировано и лучшено качество биопрепаратов; -
повышена культура производства биопрепаратов. Уделяя большое внимание разработкам ветеринарных биопрепаратов дня профилактики,
диагностики инфекционных болезней и лечения больных животных, в нашей стране постоянно ведется работа по совершенствованию промышленной технологии, освоению производства более эффективных,
дешевых и стандартных препаратов. При этом основными требованиями являются: -
использование мирового опыта; -
экономия ресурсов; -
сохранение производственных площадей; -
приобретение и монтаж современного оборудования и технологинческих линий; -
проведение научных исследований по разработке и изысканию новых видов биопродуктов, новых и дешевых рецептов приготовления питательных сред; <- изыскание более активных штаммов микроорганизмов в отношении их антигенных, иммуногенных и продуктивных свойств. Федеральное государственное общеобразовательное чреждение высшего профессионального образования Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологий им. К.И.Скрябиан< Реферат по биотехнологии Лекция № 1 Работу выполнила Студентка ФВМ 4 курса, 11 группы Гордон Мария Москва 2006
И. Работнова,
И. Помозгова, И. Баснакьян,
В. Бирюков;
кода для аминокислоты фенилаланина;
<- путем полимеразного копирования с использованием терминирующих аналогов нуклеотидов;
рекомбинантных ДНК; разработаны генно-инженерные интерфероны, фактор некротизации опухоли,
интер-лейкин-2, соматотропный гормон человека и др;
или же сложности технологических процессов;
видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной продукции, пищевой промышленности, растительное сырьё (молочная сыворотка, дрожжи,
древесина, меласса и др.)