Введение в Биотехнологию

Целью биотехнологии является получение с помощью биологических объектов какой-либо продукции (органические кислоты, спирты, аминокислоты, белки, жиры, витамины, антибиотики, гормоны и т.п.) либо эффектов (таких как биодеградация различных материалов или отходов, биотестирование, биоиндикация и т.п.).

При этом в качестве биологических объектов могут использоваться:

(1) одноклеточные микроорганизмы и их колонии;

(2) цельные многоклеточные организмы животных, грибов либо растений;

(3) чистые культуры отдельно выделенных животных, растительных либо грибных клеток;

(4) целые органы либо ткани различных многоклеточных организмов;

(5) отдельно выделенные биологические молекулы и их комплексы (такие например, как ферменты).

Биотехнологические процессы, по сравнению с обычными физико–химическими, отличаются:

(1) значительно большей селективностью и избирательностью по целевой продукции (либо например при осуществлении дезактивации и биодеградации различных производственных и бытовых отходов);

(2) значительно большим выходом по целевой продукции;

(3) возможностью проведения технологических процессов в значительно более мягких условиях (по температуре, давлению, кислотности среды и т.п.);

(4) возможностью получения такой продукции, которая в принципе не может быть произведена обычными физико–химическими методами (биомасса, антибиотики, гормоны, ферменты, антитела, антигены);

(5) возможностью осуществления таких биоэффектов (многие из которых также не могут быть произведены обычными физико–химическими методами), как биотестирование, биодеградация, биоиндикация, различные виды диагностики и т.п.

(6) возможностью использования более дешевого сырья, либо меньшей степени предварительной очистки сырья и биодеградируемых отходов; либо даже возможностью вторичного использования отходов в качестве сырья для получения той или иной целевой продукции;

(7) возможностью значительного самопроизвольного увеличения количества биообъектов непосредственно

в ходе осуществления технологического процесса;

(8) кроме того, современная биотехнология не ограничивается использованием только уже имеющихся в природе биообъектов; а с помощью методов клеточной, генной, белковой и т.п. инженерии создаёт новые такие объекты с уникальными свойствами.

Таким образом, в целом, актуальность биотехнологии в настоящее время основывается на следующем.

(1) Живые клетки являются своего рода биофабриками, вырабатывающими в процессе своей жизнедеятельности разнообразные ценные продукты – многие из которых крайне необходимы в жизни человека, и притом, пока недоступны для получения небиотехнологическими способами. К этим продуктам, в частности, относятся: различные белки, жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны, ферменты, антитела, антигены, спирты, карбоновые кислоты и многое другое.

(2) Живые клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, в среднем, бактериальная клетка делится через каждые 20–60 мин, дрожжевая – через каждые 1,5–2 часа, животная – через каждые 24 часа. Это позволяет, в частности, за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах значительные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток.

(3) Биосинтез даже многих простых органических и неорганических веществ (не говоря уже о таких сложных, как белки, антибиотики, антигены, антитела) во многих случаях значительно экономичнее и технологически доступнее, чем другие виды химического синтеза.

При этом даже исходное сырье для биосинтеза, как правило, значительно проще, дешевле и доступнее, чем сырье для других видов синтеза (поскольку в качестве такого сырья чаще всего используются различные отходы сельскохозяйственной, рыбной или иной пищевой промышленности, то или иное растительное сырье и т.п.).

Кроме того, в качестве сырья (которое в результате технологической обработки превращается в конечный, пригодный для использования продукт) в биотехнологических процессах могут быть использованы такие продукты одноклеточных живых организмов, как: во-первых, сами клетки, как источник целевого продукта; а во-вторых, различные низкомолекулярные и макромолекулярные соединения, синтезируемые живыми клетками в процессе их жизнедеятельности.

Причем последние соединения подразделяются, в свою очередь, на первичные метаболиты (необходимые клеткам для дальнейшего роста и развития) и вторичные метаболиты (не требующиеся непосредственно продуцирующим их клеткам для дальнейшего роста и развития). При этом, к первичным метаболитам относятся, в частности, различные аминокислоты, витамины, нуклеотиды, ферменты, липиды, полисахариды и т.п. А ко вторичным – различные антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны, антигены, антитела и т.п.

Также, как уже говорилось, помимо одноклеточных, биотехнология в качестве биологических объектов может использовать различные многоклеточные организмы – как цельные, так и в виде отдельных их органов или тканей. Так, в частности получают инсулин, гормоны роста, иммуноглобулины, различные препараты крови и целый ряд других препаратов.

В результате, используя вышеперечисленные биологические объекты, биотехнология получает огромный ассортимент продукции, применяемой в медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве, пищевой и химической промышленности, а также в целом ряде других отраслей народного хозяйства – включая такую продукцию, без которой немыслимо существование современного человека, как антибиотики, витамины, ферменты, вакцины, гормоны, аминокислоты, нуклеотиды, препараты крови, иммуномодуляторы, антитела, различные диагностические препараты, сердечно–сосудистые, противоопухолевые и множество других фармацевтических препаратов, пищевые и кормовые белки, биологические средства защиты растений, инсектициды, сахара, спирты, липиды, дрожжи, органические кислоты, бутанол, ацетон и многое другое.

Помимо этого биотехнология играет большую роль в оздоровлении окружающей среды. Так, в частности, с помощью биотехнологических процессов проводят очистку от загрязняющих веществ почвы, водоемов, воздушной среды путем их биоконверсии и биодеградации.

Также, в связи со всё большим увеличением в последнее время разнообразия и объемов выпуска различной новой продукции (включая химическую и биотехнологическую) и всё большим уменьшением сроков внедрения этой продукции; а также всё большим увеличением как общего количества и внутривидового многообразия, так и степени агрессивности микроорганизмов по отношению к человеку и другим живым организмам, сопровождающимся не менее значительным увеличением общей численности народонаселения и концентрации его в городских конгломератах – всё более актуальной становится проблема разработки и внедрения новых быстрых, надёжных и доступных для массового применения методов биотестирования и биоиндикации.

И наконец, современная биотехнология не ограничивается использованием только уже имеющихся в природе биообъектов – а с помощью методов клеточной, генной и белковой инженерии создаёт новые трансгенные животные, растения, грибы и микроорганизмы; открывает новые способы диагностики, профилактики и лечения врожденных болезней; позволяет в целом влиять на свойства генома человека и других живых организмов; а также позволяет получать иные уникальные биотехнологические эффекты.