Генная инженерия и биотехнология

Биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Биотехнология (от греч. bios – жизнь, teken – искусство, мастерство, logos – наука, умение мастерство) – это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов.

Биотехнология возникла в древности, когда люди научились выпекать хлеб, варить пиво, приготовлять сыр и вино. Этот эмпирический этап продолжался до открытия Л.Пастером в XIX веке природы процесса брожения. С этого момента начался второй научный этап традиционной биотехнологии. В этот период получены и выделены ферменты, открыты многие микроорганизмы, разработаны способы их выращивания в массовых количествах. Сформировалась вначале техническая микробиология, а затем биотехнология.

На смену старой традиционной биотехнологии пришла новая биотехнология, основанная на применении искусственно получаемых штаммов – суперпродуцентов, использовании иммобилизованных ферментов, применении культур животных и растительных клеток, широком использовании генетической инженерии для получения клеток-рекомбинантов, моноклональных антител и других БАВ.

В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека. Например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей, получение препаратов из крови доноров. Из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней получают гормон инсулин. Однако в качестве биологических объектов чаще используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки по следующим причинам:

1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты (белки, жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Получение этих продуктов «небиотехнологическими» способами пока недоступно.

2. Клетки быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток.

3. Биосинтез сложных веществ (белков, антибиотиков, антигенов, антител и др.) значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. Коэффициент полезного действия «работы» клетки равен 70%, а самого совершенного технологического процесса – значительно ниже.

4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования и аппаратуры, доступность сырья, технологии переработки и др.

Обычно продукты жизнедеятельности одноклеточных делят на 4 категории:

· Сами клетки как источник целевого продукта. Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи – как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.;

· Крупные молекулы (макромолекулы), которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;

· Первичные метаболиты – низкомолекулярные вещества, необходимые для роста клеток (аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты);

· Вторичные метаболиты (идиолиты) – низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток (антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны).

Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, которое в результате технологической обработки превращается в конечный продукт. С помощью биотехнологии получают множество продуктов, используемых в различных отраслях: медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве, пищевой промышленности, химической промышленности, энергетике.

Необходимо отметить также все возрастающую роль биотехнологии в экологии, так как очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов, их деградация (фенол, нефтепродукты и другие вредные для окружающей среды вещества) осуществляются с помощью микроорганизмов.

Промышленное производство в биотехнологии по сути основано на нескольких принципах: брожении (ферментация), биоконверсии (превращение одного вещества в другое), культивировании растительных и животных клеток, бактерий и вирусов, генетических манипуляциях. Реализация этих научных принципов в производстве потребовала разработки промышленного оборудования и аппаратуры, отработки и оптимизации технологических процессов, разработки способов оценки и контроля продукции на всех ее стадиях.

Практическое применение нашли не более 100 видов микроорганизмов (бактерии, грибы, дрожжи, вирусы, водоросли). Дрожжи широко используют в хлебопечении, пивоварении, виноделии, получении соков, кормового белка, питательных сред для выращивания бактерий и культур животных клеток. Из 500 известных видов используются несколько видов, например, Saccharomyces cerevisiae.

Среди бактерий применяют следующие микроорганизмы: Bacillus – для получения ферментов, средств защиты растений; Clostridium – для сбраживания сахаров в ацетон, этанол, бутанол; молочнокислые бактерии (Lactobacillus, Leuconostoc, Streptococcus); псевдомонады – для получения витамина В₁₂, Corynebacterium glutamatum – для получения аминокислот и др.

Для получения разнообразных антибиотиков в биотехнологии применяют актиномицеты (род Streptomyces), грибы Penicillum chrysogenum, Cephalosporium acremonium и др.

Многие микроорганизмы – бактерии, дрожжи, вирусы используют в качестве реципиентов чужеродного генетического материала с целью получения рекомбинантных штаммов – продуцентов биотехнологической продукции. Получены рекомбинантные штаммы E.coli, продуцирующие интерфероны, инсулин, гормон роста, антигены вируса СПИДа; штаммы B.subtilis, вырабатывающие интерферон; штаммы дрожжей, продуцирующих интерлейкин-2, антиген вируса гепатита В; рекомбинантные вирусы осповакцины, синтезирующие антигены гепатита В, вируса бешенства, клещевого энцефалита и др.

Для получения вакцин и диагностических препаратов используют также патогенные микроорганизмы (брюшного тифа, коклюша, дифтерии, столбняка и др.).

Широкое применение в биотехнологии нашли культуры животных и растительных клеток. Из них получают алкалоиды, противовоспалительные вещества, противолейкозные и противоопухолевые, противобактериальные, сердечные и посечные средства, ферменты, витамины и др.

Основным условием для успешного проведения технологического процесса является выбор или получение высокопродуктивного промышленного штамма-продуцента и поддержание его в активном состоянии. Вторым важным условием является выбор питательных сред. Они должны быть достаточно дешевы и доступны в использовании. Применяют парафины нефти, дрожжи, природный газ и др. Более ограниченное применение находят казеин, препараты крови, среды из мясных гидролизатов в основном для получения медицинских препаратов.

Для получения продукции в максимальных количествах активный штамм-продуцент выращивают на оптимальной питательной среде в оптимальных условиях культивирования (посевная доза, температура, рН, окислительно-восстановительный потенциал, аэрация, массообменные характеристики, питательные и ростовые добавки, сроки культивирования). Выращивание производят в ферментаторах (культиваторах), вместимость которых может варьировать от 2 л до 100-400 м³ в зависимости от потребности в продукте. Биотехнологический процесс ведется в асептических условиях, в автоматическом режиме, с программным обеспечением.

Полученную биомассу микроорганизмов или культуры клеток подвергают затем переработке, сущность которой определяется технологией получения целевого продукта. Наиболее типовыми являются следующие процессы: концентрирование биомассы, высушивание лиофильным способом, сбор центрифугата после отделения биомассы и выделения из него целевого продукта.