Основные этапы развития биотехнологии

Для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий раньше использовали такие наименования, как «прикладная микробиология», «прикладная биохимия», «технология ферментов», «биоинженерия», «прикладная генетика», «прикладная биология».

Наши предки в течение тысячелетий успешно использовали метод микробиологической ферментации для сохранения и улучшения вкуса пищи, производства спиртных напитков. Так, пивоварение до сих пор остается наиболее важной (в денежном исчислении) отраслью биотехнологии: в мире ежегодно производится свыше 1011 л пива на сумму порядка 175 млн долларов. В основе процесса пивоварения лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых микроорганизмов в анаэробных условиях.

Благодаря трудам Л. Пастера в конце XIX в. были созданы условия для дальнейшего развития прикладной (технической) микробиологии, а также в значительной мере и биотехнологии. Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные их виды. Это послужило основой развития в конце XIX — начале XX в. бродильного производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола, изопропанола) и других химических веществ, где использовались разнообразные виды микроорганизмов.

Процессы, в которых биомасса, т. е. возобновляемый источник сырья, используется для получения химических веществ, играли ведущую роль на первом этапе развития современной биотехнологии. По мере становления нефтехимии на смену многим из них пришли химические процессы.

В тех случаях, когда некоторые химические соединения (например, цитрат, ацетат и итаконат) широко применяли при производстве пищевых продуктов, их продолжали получать и путем брожения — самым выгодным с экономической точки зрения. В некоторых странах (например, в Италии) таким способом вырабатывали даже технический этиловый спирт. Сегодня под влиянием энергетического кризиса производство спирта из растительного сырья получает все более широкое распространение в США, Бразилии и других странах.

Следующим важным этапом в развитии биотехнологии хозяйственно ценных веществ была организация промышленного производства антибиотиков, основой которого стало открытие в 1940 г. А. Флемингом, X. Флори и Э. Чейном химиотерапевтической активности пенициллина. Сегодня годовой оборот этой отрасли составляет около 3,5 млрд долларов.

Как получение химических соединений и пищевых добавок путем брожения, так и синтез антибиотиков всегда велись в асептических условиях, но некоторые современные процессы (например, образование белка одноклеточными организмами) осуществляют в еще более жестком режиме. Обеспечение таких особых условий — многоплановая задача, и она решается инженерами-химиками и микробиологами.

Вместе с тем переработка отходов, например, не требует стерильных условий; напротив, чем больше разных микроорганизмов принимает участие в процессе, тем лучше. В наше время все более широко применяют переработку стоков в анаэробных условиях смешанной микрофлорой, в результате чего попутно образуется биогаз (он состоит в основном из метана и С02). Этот способ энергетически высокоэффективен, позволяет сохранять и концентрировать энергию, содержащуюся в различных компонентах стоков (с газом регенерируется более 80 % свободной энергии), а в сельской местности с его помощью можно получать значительную часть столь необходимой энергии. Так, в Китае построено более 18 млн генераторов биогаза. В развитых странах с высоким потреблением энергии превращение отходов

в биогаз может покрыть лишь несколько процентов их энергетических потребностей. На отдельных крупных заводах по переработке отходов биогаз часто сжигают в тепловых машинах, которые приводят в действие электрогенераторы. В последние годы созданы также небольшие установки, предназначенные для переработки отходов сельского хозяйства.

Направления биотехнологии и получаемые с ее помощью продукты

Таблица 1

Отрасль

Примеры

Сельское хозяйство

Получение новых штаммов; новые методы селекции растений и животных (включая клонирование)

Производство химических веществ

Получение органических кислот (например, лимонной, итаконовой); использование ферментов в составе моющих средств

Энергетика

Увеличение потребления биогаза; крупномасштабное производство этанола как жидкого топлива

Контроль за состоянием окружающей среды

Совершенствование методов тестирования и мониторинга;

прогнозирование превращений ксенобиотиков;

улучшение методов переработки отходов, особенно промышленных

Пищевая

промышленность

Создание новых методов переработки и хранения пищевых продуктов; получение пищевых добавок; использование белка, синтезируемого одноклеточными организмами; получение ферментов для переработки пищевого сырья

Материаловедение

Выщелачивание руд; контроль биоразложения

Отрасль

Примеры

Медицина

Применение ферментов для усовершенствования диагностики; создание датчиков на основе ферментов; использование микроорганизмов и ферментов при производстве сложных лекарств (например, стероидов); синтез новых антибиотиков; применение ферментов в терапии

Широкое распространение получило производство аминокислот в аэробных микробиологических процессах. В основном это глутамат натрия (ежегодное производство в мире — около 150 тыс. т), который является усилителем вкуса, и лизин (ежегодное производство в мире — 15 тыс. т), который служит пищевой добавкой. За год в мире продается аминокислот на сумму 1,75 млрд долларов, причем большую часть поставляют японские фирмы.

В промышленных масштабах уже в течение многих десятилетий используется способность микроорганизмов превращать растительную биомассу с низким содержанием белка в пищевые продукты с высоким его содержанием. В Германии в период Первой мировой войны выращивали дрожжи Saccaharomyces cerevisiae, которые добавляли в колбасу и супы, что компенсировало около 60 % довоенного импорта пищевых продуктов. Во время Второй мировой войны осуществляли сходные процессы, но уже на основе пищевых дрожжей Candida arborea и Candida utilis.

В 1960-х гг. некоторые нефтяные и химические компании начали проводить исследования с целью получения из одноклеточных организмов белка, предназначенного для добавления в пищу людям и животным. В какой-то мере это было связано с недостатком белковой пищи в мире. В качестве субстратов использовали нефть, метан, метанол и крахмал. Наиболее конкурентоспособными оказались процессы на основе метанола и крахмала. Основная масса полученных продуктов предназначалась для добавления в корм животным.

В западных странах компанией ICI был построен самый крупный завод, где в одном ферментере при участии мета- нолпотребляющей бактерии Methylophilus methylotrophus из метанола получают около 70 тыс. т белка прутина (Pruteen) в год. Модификация механизмов ассимиляции азота этими бактериями, достигнутая с помощью технологии рекомбинантных ДНК, привела к еще большему увеличению выхода продукта. Это стало одним из первых доказательств практической значимости и потенциальных возможностей генетической инженерии.

В России ежегодно производится более 1 млн т белка одноклеточных водорослей, в основном из углеводородов и отходов растениеводства.

Возрастает интерес к применению ферментов в медицинской промышленности (главным образом для диагностики), хотя в целом их использование остается сравнительно небольшим. Это обусловлено нестабильностью ферментов, сложностью выделения продуктов переработки и проблемами, связанными с добавлением или заменой кофакторов.

Однако в некоторых случаях эти сложности удается обойти путем использования интактных (целых) клеток микроорганизмов. Такой способ применили при крупномасштабном производстве лекарственных препаратов стероидной природы. Было установлено, что многие микроорганизмы способны строго направленно и стереоспецифически гидроксилировать сложные молекулы стероидов. Например, плесневый гриб Rhizopus arrhizus способен стереоспецифически (по 11-му положению) гидроксилировать женский половой гормон прогестерон.

Существенно упростилось производство кортизона, который применяют для лечения артрита. До внедрения нового способа данное соединение получали с помощью химического синтеза, включавшего 37 стадий; при этом выход вещества составлял 0,02 %, а стоимость 1 г достигала 200 долларов. Благодаря введению в процесс получения кортизона этапа биотрансформации, синтез стал проще, а цена препарата составила 68 центов за 1 г.

Впоследствии был обнаружен еще ряд микроорганизмов, способных специфически гидроксилировать другие углеродные атомы стероидного кольца. Микробные системы сейчас используют для превращения фитостероидов в С-19- стероидные гормоны с менее громоздкими молекулами. Они находят широкое применение, в частности как пероральные противозачаточные средства.

Освоение методов культивирования растительных и животных клеток в большом объеме повысило эффективность получения вакцин. Разработка метода слияния клеток различных линий позволила получить новые клоны масличных пальм, не только более урожайные, но и дающие продукцию более высокого качества.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >