Биотехнология (Bioteh)

Посмотреть архив целиком

27



Министерство образования Российской Федерации

Сибирский Государственный Технологический Университет


Кафедра Физиологии










РЕФЕРАТ


На тему: Биотехнология.











Выполнил: Студент гр.32-6

Мулява Владимир Валерьевич

Проверила:Сунцова Людмила Николаевна





Красноярск 2001г.


Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3

БИОТЕХНОЛОГИЯ НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ 5

1. Биотехнология и сельское хозяйство 5

Биотехнология и растениеводство 5

Биотехнология и животноводство. 10

2. Технологическая биоэнергетика 11

Получение этанола как топлива. 11

Получение метана и других углеводородов. 12

Получение водорода как топлива будущего. 13

Пути повышения эффективности фотосинтетических систем. 14

Биотопливные элементы. 14

3. Биотехнология и медицина 15

Антибиотики. 15

Гормоны. 17

Интерфероны, интерлейкины, факторы крови. 18

Моноклокальные антитела и ДНК-или РНК-пробы. 19

Рекомбинантные вакцины и вакцины-антигены. 20

Ферменты медицинского назначения. 21

4. Биотехнология и пищевая промышленность 21

5. Биогеотехнология 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25

Список используемой литературы. 27



ВВЕДЕНИЕ

С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в различных сферах практической дея­тельности человека. К ним относятся хлебопечение, виноделие, приготовление кисло-молочных продуктов и т. д. Однако биоло­гическая сущность этих процессов была выяснена лишь в XIX в., благодаря работам Л. Пастера. В первой половине XX в. сфера приложения биотехнологии пополнилась микробиологическим производством ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка.

Немаловажный вклад в биотехнологические разработки внесли советские исследователи: в СССР в 30-е годы были построены первые заводы по получению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках, под руководством В. Н. Шапошникова успешно внедрена технология микробиологического производства ацетона и бутанола. Большую роль в создание основ отече­ственной биотехнологии внесло учение Шапошникова о двухфаз­ном характере брожения. В 1926 г. в СССР были исследованы биоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами. В последующие годы биотехнологические разработки широко использовались в нашей стране для расши­рения «ассортимента» антибиотиков для медицины и животно­водства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов.

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 (Главное управление микробиологической промыш­ленности при Совете Министров СССР — Главмикробиопром). Имеются ценные разработки по получению новых источников энергии биотехнологическим путем (технологическая биоэнерге­тика), отметим большое значение биогаза - заменителя топлива, получаемого из недр земли.

Значительные успехи, достигнутые во второй половине XX в. в фундаментальных исследованиях в области биохимии, био­органической химии и молекулярной биологии, создали предпо­сылки для управления элементарными механизмами жизнедея­тельности клетки, что явилось мощным импульсом для развития биотехнологии. Выяснение роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации, расшифровка генетического кода, раскрытие механизма индукции и репрессии генов, совершен­ствование технологии культивирования микроорганизмов, клеток и тканей растений и животных позволили разработать методы

генетической и клеточной инженерии, с помощью которых можно искусственно создавать новые формы высокопродуктивных орга­низмов. Генетическая и клеточная инженерия рассматривается как принципиально новое направление биологической науки, которое сегодня ставят в один ряд с расщеплением атома, прео­долением земного притяжения и созданием средств электроники (Ю. А. Овчинников, 1985).

В разработку генноинженерных методов советские исследова­тели включились в 1972 г. Следует указать на успешное осу­ществление проекта «Ревертаза» — получение в промышленных масштабах обратной транскриптазы в СССР.

С 1970 г. в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции культур для непрерывного культивирования в про­мышленных целях.

Развитие методов для изучения структуры белков, выяснение механизмов функционирования и регуляции активности фермен­тов открыли путь к направленной модификации белков и привели к рождению инженерной энзимологии. Иммобилизованные фер­менты, обладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструментом для осуществления каталитических реакций в раз­личных отраслях промышленности.

Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уро­вень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами. В современном звучании биотехнология — это промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высоко­эффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами.

Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов. Многоэтапность процесса обусловли­вает необходимость привлечения к его осуществлению самых различных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и кле­точных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов био­технологического оборудования и др.

В Комплексной программе научно-технического прогресса стран — членов СЭВ в качестве первоочередных задач биотехно­логии определены создание и широкое народнохозяйственное освоение:

новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста человека, моноклональных антител и т.д.), позволяющих осуществить в здравоохранении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний — сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфекционных, в том числе вирусных;

микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблаго­приятным факторам внешней среды сортов и гибридов сельско­хозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;

ценных кормовых добавок и биологически активных ве­ществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов и др.) для повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженерии для эффективной профилактики, диагностики и терапии основных болезней сель­скохозяйственных животных;

новых технологий получения хозяйственно ценных продук­тов для использования в пищевой, химической, микробиологи­ческой и других отраслях промышленности;

технологий глубокой и эффективной переработки сельско­хозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использова­ния сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

По оценкам специалистов, мировой рынок биотехнологиче­ской продукции уже к середине 90-х годов достигнет уровня 130—150 млрд. руб. (Ю. А. Овчинников, 1985).

На пути решения поставленных задач биотехнологию подсте­регают немалые трудности, связанные с исключительной слож­ностью организации живого. Любой биообъект — это целостная система, в которой нельзя изменить ни один из элементов, не меняя остальных, нельзя произвольно перекомбинировать их, придавая организму то или иное желаемое свойство, например бактерии — способность к сверхсинтезу требуемой аминокислоты, сельскохозяйственному растению — устойчивость к фитопатоген-ным грибкам. Любое воздействие на объект вызывает не только желаемые, но и побочные эффекты; перестройка генома сказы­вается сразу на многих признаках организма. У человека суще­ствуют гены, отвечающие за злокачественное перерождение клеток. Высказывалось немало идей о необходимости превентив­ных генетических операций, пока не было установлено, что эти гены необходимы и для нормального роста. Помимо этого, экосистема также представляет собой целостную систему и изме­нения каждого из ее компонентов сказываются на остальных компонентах. Не исключено, что плазмида, с помощью которой трансплантирован желаемый ген культурному растению, будет далее передаваться сорнякам. Не будет ли в результате генных манипуляций превращаться в сорняк само культурное растение?

Успехи, достигнутые в области генетической и клеточной инженерии на простейших биологических системах, прокариотных организмах, вселяют уверенность в преодолимость рассмот­ренных трудностей. Что касается более сложных систем, а имен­но эукариотных организмов, то здесь делаются лишь первые шаги, идет накопление фундаментальных знаний.


БИОТЕХНОЛОГИЯ НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ

Биотехнологические разработки могут внести немаловажный вклад в решение комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения и науки.

Для удовлетворения пищевых потребностей необходимо уве­личить эффективность растениеводства и животноводства. Имен­но на это, в первую очередь, нацелены усилия биотехнологов. Кроме того, биотехнология предлагает как источник кормового (возможно, и пищевого) белка клеточную массу бактерий, гри­бов и водорослей.

Во-вторых, повышение цен на традиционные источники энер­гии (нефть, природный газ, уголь) и угроза исчерпания их запа­сов побудили человечество обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотехнология может дать ценные возобнов­ляемые энергетические источники: спирты, биогенные углеводо­роды, водород. Эти экологически чистые виды топлива можно получать путем биоконверсии отходов промышленного и сельско­хозяйственного производства.

В-третьих, уже в наши дни биотехнология оказывает реаль­ную помощь здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина, гормона роста, интерферонов, факторов свер­тывания крови и иммунной системы, тромболитических фермен­тов, изготовленных биотехнологическим путем. Помимо получе ния лечебных средств, биотехнология позволяет проводить ран­нюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, моноклональных антител, ДНК/РНК-проб. С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.

В-четвертых, биотехнология может резко ограничить масшта­бы загрязнения нашей планеты промышленными, сельскохозяй­ственными и бытовыми отходами, токсичными компонентами ав­томобильных выхлопов и т. д. Современные разработки нацелены

на создание безотходных технологий, на получение легко раз­рушаемых полимеров (в частности, биогенного происхождения: поли--оксибутирата, полиамилозы) и поиск новых активных микроорганизмов-разрушителей полимеров (полиэтилена, поли­пропилена, полихлорвинила). Усилия биотехнологов направлены также на борьбу с пестицидными загрязнениями — следствием неумеренного и нерационального применения ядохимикатов.

Биотехнологические разработки играют важную роль в добы­че и переработке полезных ископаемых, получении различных препаратов и создании новой аппаратуры для аналитических целей.

1. Биотехнология и сельское хозяйство

Биотехнология и растениеводство

Культурные растения стра­дают от сорняков, грызунов, насекомых-вредителей, нематод, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов, неблагоприятных погодных и климатических условий. Перечисленные факто­ры наряду с почвенной эрозией и градом значительно снижают урожайность сельскохозяйственных растений. Известно, какие разрушительные последствия в картофелеводстве вызывает коло­радский жук, а также гриб Phytophtora — возбудитель ранней гнили (фитофтороза) картофеля. Кукуруза подвержена опустоши­тельным «набегам» южной листовой гнили, ущерб от которой в США в 1970 г. был оценен в 1 млрд. долларов.

В последние годы большое внимание уделяют вирусным за­болеваниям растений. Наряду с болезнями, оставляющими види­мые следы на культурных растениях (мозаичная болезнь табака и хлопчатника, зимняя болезнь томатов), вирусы вызывают скрытые инфекционные процессы, значительно снижающие уро­жайность сельскохозяйственных культур и ведущие к их вырож­дению.

Биотехнологические пути защиты растений от рассмотренных вредоносных агентов включают: 1) выведение сортов растений, устойчивых к неблагоприятным факторам; 2) химические сред­ства борьбы (пестициды) с сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды), нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, ви­русами; 3) биологические средства борьбы с вредителями, ис­пользование их естественных врагов и паразитов, а также ток­сических продуктов, образуемых живыми организмами.

Наряду с защитой растений ставится задача повышения про­дуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормо­вой) ценности, задача создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах. Раз­работки нацелены на повышение энергетической эффективности различных процессов в растительных тканях, начиная от погло­щения кванта света и кончая ассимиляцией СО2 и водно-солевым обменом.

Выведение новых сор­тов растений. Традицион­ные подходы к выведению новых сортов растений — это селекция на основе гибридизации, спонтан­ных и индуцированных мутаций. Методы селекции не столь отда­ленного будущего включают гене­тическую и клеточную инженерию.

Генетическую инженерию пред­лагают использовать для выведе­ния азотфиксирующих растений. В природных услови­ях азотфиксирующие клубенько­вые бактерии, представители рода Rhizobium, вступают в симбиоз с бобовыми. Комплекс генов азотфиксации (nif) из этих или иных бактерий предлагают вклю­чить в геном злаковых культур. Трудности связаны с поиском подходящего вектора, поскольку широко используемые для подоб­ных целей Agrobacterium с плазмидами Ti и Ri не заселяют злаки. Планируют модификацию генома Agrobacterium, чтобы бакте­рия могла вступать в симбиоз со злаками и передавать им гене­тическую информацию. Другим решением проблемы могла бы быть трансформация растительных протопластов посредством ДНК. К компетенции клеточной инженерии относят создание но­вых азотфиксирующих симбиотических ассоциаций «растение — микроорганизм».

В настоящее время выделены и клонированы гены sym, от­вечающие за установление симбиотических отношений между клубеньковыми азотфиксаторами и растением-хозяином. Путем переноса этих генов в свободноживущие азотфиксирующие бак­терии (Klebsiella, Azotobacter) представляется возможным за­ставить их вступить в симбиоз с ценными сельскохозяйственными культурами. Методами генетической инженерии предполагают также повысить уровень обогащения почвы азотом, амплифици-руя гены азотфиксации у Klebsiella и Azotobacter.

Разрабатываются подходы к межвидовому переносу генов asm, обусловливающих устойчивость растений к нехватке влаги, жаре, холоду, засоленности почвы. Перспективы повышения эф­фективности биоконверсии энергии света связаны с модифика­цией генов, отвечающих за световые и темновые стадии этого процесса, в первую очередь генов cfx, регулирующих фиксацию СО2 растением. В этой связи представляют большой интерес

разработки по межвидовому переносу генов, кодирующих хлоро­филл а/b-связывающий белок и малую субъединицу рибулозо-бис-фосфаткарбоксилазы — ключевого фермента в фотосинтети­ческой фиксации СО2.

Гены устойчивости к некоторым гербицидам, выделенные из бактерий и дрожжей, были успешно перенесены в растения таба­ка. Разведение устойчивых к гербицидам растений открывает возможность их применения для уничтоже­ния сорняков непосредственно на угодьях, занятых сельскохозяй­ственными культурами. Проблема состоит, однако, в том, что массивные дозы гербицидов могут оказаться вредными для при­родных экосистем.

Некоторые культурные растения сильно страдают от нематод. Обсуждается проект введения в растения новых генов, обуслов­ливающих биосинтез и выделение нематоцидов корневыми клет­ками. Важно, чтобы эти нематоциды не проявляли токсичности по отношению к полезной прикорневой микрофлоре. Возможно также создание почвенных ассоциаций «растение — бактерия» или «растение — гриб (микориза)» так, чтобы бактериальный (грибной) компонент ассоциации отвечал за выделение немато­цидов.

Важное место в выведении новых сортов растений занимает метод культивирования растительных клеток in vitro. Регенери­руемая из таких клеток «молодая поросль» состоит из идентич­ных по генофонду экземпляров, сохраняющих ценные качества избранного клеточного клона. В Австралии из культивируемых in vitro клеточных клонов выращивают красные камедные де­ревья (австралийские эвкалипты), отличающиеся способностью расти на засоленных почвах. Предполагается, что корни этих растений будут выкачивать воду из таких почв и тем самым по­нижать уровень грунтовых вод. Это приведет к снижению засо­ленности поверхностных слоев почвы в результате переноса мине­ральных солей в более глубокие слои с потоками дождевой воды. В Малайзии из клеточного клона получена масличная пальма с повышенной устойчивостью к фитопатогенам и увеличенной способностью к образованию масла (прирост на 20—30%). Клонирование клеток с последующим их скринингом и регенерацией растений из отобранных клонов рассматривают как важный метод сохранения и улучшения древесных пород умеренных широт, в частности хвойных деревьев. Растения-регенеранты, выращенные из клеток или тканей меристемы, используют ныне для разведения спаржи, земляники, брюссельской и цветной капусты, гвоздик, папорот­ников, персиков, ананасов, бананов.

С клонированием клеток связывают надежды на устранение вирусных заболеваний растений. Разработаны методы, позволя­ющие получать регенеранты из тканей верхушечных почек расте­ний. В дальнейшем среди регенерированных растений проводят отбор особей, выращенных из незараженных клеток, и выбраковку больных растений. Раннее выявление вирусного заболевания, необходимое для подобной выбраковки, может быть осуществ­лено методами иммунодиагностики, с использованием моноклональных антител или методом ДНК/РНК-проб. Предпосылкой для этого является получение очищенных препаратов соответ­ствующих вирусов или их структурных компонентов.

Клонирование клеток — перспективный метод получения не только новых сортов, но и промышленно важных продуктов. При правильном подборе условий культивирования, в частности при оптимальном соотношении фитогормонов, изолированные клетки более продуктивны, чем целые растения. Иммобилизация растительных клеток или протопластов нередко ведет к повыше­нию их синтетической активности. Табл. 6 включает биотехно­логические процессы с использованием культур растительных клеток, наиболее перспективные для промышленного внед­рения.

Коммерческое значение в основном имеет промышленное про­изводство шиконина. Применение растительных клеток, которые являются высокоэффективными продуцентами алкалоидов, терпе­нов, различных пигментов и масел, пищевых ароматических до­бавок (земляничной, виноградной, ванильной, томатной, сельде­рейной, спаржевой) наталкивается на определенные трудности, связанные с дороговизной используемых технологий, низким выходом целевых продуктов, длительностью производственного процесса.

Таким образом, биотехнология открывает широкие перспективы в области выведения новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным внешним воздействиям, вредителям, патогенам, не требующих азотных удобрений, отличающихся высокой продуктивностью.



Таблица 1. Примеры клеточных культур — высокоэффективных проду­центов ценных соединений (по О. Sahai, M. Knuth, 1985. К. Hahlbrock. 1986)


Вид растения


Целевой продукт


Предполагаемое применение


Lithospermum erithrorhizon (воробейник)


Шиконин и его производные


Красный пигмент, используемый в косметике как «биологическая губная помада», антибактериаль­ный агент, используемый при ле­чении ран, ожогов, геморроя


Nicotiana tabacum (та­бак)


Убихинон- 10


Важный компонент дыхательной и фотосинтетической цепей пере­носа электронов, применяемый как витамин и в аналитических целях


To же


Глутатион


Участник многих окислительно-восстановительных реакций в клет­ке, приравнивается к витамину


Morinda citrifolia


Антрахиноны


Сырье для лакокрасочной про­мышленности


Coleus blumei


Розмариновая кислота


Жаропонижающее средство, проходящее клинические испытания


Berberis stolonifera (барбарис)


Ятрорризин


Спазмолитическое лекарственное средство



Биодеградация пестицидов. Пестициды облада­ют мощным, но недостаточно избирательным действием. Так, гербициды, смываясь дождевыми потоками или почвенными во­дами на посевные площади, наносят ущерб сельскохозяйствен­ным культурам. Помимо этого, некоторые пестициды длительно сохраняются в почве, что тоже приводит к потерям урожая. Воз­можны разные подходы к решению проблемы: 1) усовершенство­вание технологии применения пестицидов, что не входит в ком­петенцию биотехнологии; 2) выведение растений, устойчивых к пестицидам; биодеградация пестицидов в почве.

К разрушению многих пестицидов способна микрофлора поч­вы. Методами генетической инженерии сконструированы штаммы микроорганизмов с повышенной эффективностью биодеградации ядохимикатов, в частности штамм Pseudomonas ceparia, разру­шающий 2, 4, 5-трихлорфеноксиацетат. Устойчивость того или иного пестицида в почве меняется при добавлении его в сочета­нии с другим пестицидом. Так, устойчивость гербицида хлорпро-фама увеличивается при его внесении совместно с инсектицидами из группы метилкарбаматов. Оказалось, что метилкарбаматы ингибируют микробные ферменты, катализирующие гидролиз хлорпрофама.

Микробная трансформация пестицидов имеет и оборотную сторону. Во-первых, быстрая деградация пестицидов сводит на нет их полезный эффект. Во-вторых, в результате микробного превращения могут образоваться продукты, сильно ядовитые для растений. При использовании гербицида тиобенкарба в Япо­нии наблюдали подавление роста и развития риса. Установлено, что подавляет не сам гербицид, а его дехлорированное производ­ное S-бензил-N,N-диэтилтиокарбамат. Чтобы предотвратить об­разование такого производного, тиобенкарб применяют в ком­бинации с метоксифеном, ингибитором дехлорирующего фермен­та микроорганизмов.

Биологическая защита растений от вреди­телей и патогенов. Из широкого спектра биологических средств защиты растений ограничимся рассмотрением средств борьбы с насекомыми-вредителями и патогенными микроорга­низмами. Именно в этих областях имеются наибольшие перспек­тивы.

К традиционным биологическим средствам, направленным против насекомых, принадлежат хищные насекомые. В последние годы арсенал «оружия» инсектицидного действия пополнен гриба­ми, бактериями, вирусами, патогенными для насекомых (энтомо-патогенными). Многие виды насекомых-вредителей (тля, коло­радский жук, яблоневая плодожорка, озимая совка и др.) восприимчивы к заболеванию, вызываемому грибом Beauveria bussiana. Препарат боверин из лиофильно высушенных конидий гри­ба сохраняет энтомопатогенность в течение года после обработки почвы или растений. Препарат пецилолин из гриба Poecilomyces fumoso-roseus применяют для борьбы с вредителями кустарни­ков, например смородины.

Важным источником бактериальных энтомопатогенных препа­ратов служит Bacillus thuringiensis. Эти препараты обладают высокой устойчивостью и патогенны для нескольких сотен видов насекомых-вредителей, в том числе для листогрызущих насеко­мых — вредителей яблонь, винограда, капусты, лесных деревьев. Гены, отвечающие за синтез одного из токсинов В. thuringiensis, были изолированы и перенесены в растения табака. Необходимо, чтобы такие «энтомопатогенные» растения не содержали веществ, токсичных для человека и животных.

Вирусные препараты отличаются высокой специфичностью действия, длительным (до 10—15 лет) сохранением активности, устойчивостью к колебаниям температуры и влажности. Из многих сотен известных энтомопатогенных вирусов наибольшее примене­ние находят вирусы ядерного полиэдроза, обладающие высокой эффективностью действия на насекомых-вредителей. Насекомых выращивают в искусственных условиях, заражают вирусом, из гомогенатов погибших насекомых готовят препараты. При­меняют отечественные препараты вирин-ЭКС (против капустной совки), вирин-ЭНШ (против непарного шелкопряда). В послед­ние годы для культивирования вирусов широко применяю; культуры клеток насекомых.

Комбинация из нескольких биологических средств нередко действует на вредителей более эффективно, чем каждый в от дельности. Смертность соснового шелкопряда резко возрастает, если вирус цитоплазматического полиэдроза применяют в сочета­нии с препаратами из Вас. thuringiensis. Эффективна комбинация биологических и химических средств защиты растений от насекомых.

Среди новых средств защиты растений — вещества биогенного происхождения, ингибирующие откладку яиц насекомыми или стимулирующие активность естественных врагов насекомых вредителей: хищников, паразитов .

Разнообразны средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.

1. Антибиотики. Примерами могут служить триходермин и трихотецин, продуцируемые грибами Trichoderma sp. и Trichotecium roseum. Эти антибиотики используются для борьбы с корневыми гнилями овощных, зерновых и технических культур.

2. Фитоалексины, естественные растительные агенты, инактивирующие микробных возбудителей заболеваний. Эти соединения, синтезируемые в тканях растений в ответ на внедрение фитопатогенов, могут служить высокоспецифичными замените-

лями пестицидов. Фитоалексин перца успешно применяли при фитофторозе. Могут быть использованы также вещества, сти­мулирующие синтез фитоалексинов в растительных тканях.

3. Использование микробов-антагонистов, вытесняющих пато­генный вид и подавляющих его развитие.

4. Иммунизация и вакцинация растений. Вакцинные препара­ты стремятся вводить непосредственно в прорастающие семена.

5. Введение в ткани растений специфичного агента (d-фактора), снижающего жизнеспособность возбудителя.

Биологические средства — важная составная часть комплекс­ной программы защиты растений. Эта программа предусматри­вает проведение защитных мероприятий агротехнического, биоло­гического и химического плана наряду с использованием устой­чивых сортов растений. Задачей комплексной программы явля­ется поддержание численности вредителей растений на экологи­чески сбалансированном уровне, не наносящем ощутимого вреда культурным растениям.

Биологические удобрения. Биологические (бакте­риальные) удобрения применяют для обогащения почвы связан­ным азотом. Большое распространение получили препараты нитрагин и азотобактерин — клетки клубеньковых бактерий и азотобактера, к которым добавляют стабилизаторы (мелассу, тиомочевину) и наполнитель (бентонит, почву). Азотобактерин обогащает почву не только азотом, но и витаминами и фитогормонами, гиббереллинами и гетероауксинами. Препарат фосфо-бактерин из Bacillus megaterium превращает сложные органиче­ские соединения фосфора в простые, легко усвояемые расте­ниями. Фосфобактерин также обогащает почву витаминами и улучшает азотное питание растений.

Растения синтезируют ряд соединений, регулирующих их рост и развитие (фитогормоны, биорегуляторы). К их числу принадле­жат ауксины, гиббереллины, цитокинины. Созревание плодов стимулирует этилен. Эти биорегуляторы находят применение в сельском хозяйстве. К числу новых, обнаруженных в послед­ние годы биорегуляторов относят пептиды, имеются перспек­тивы их применения в сельском хозяйстве.

Биотехнология и животноводство.

Большое значение в связи с интенсификацией животноводства отводится профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных с применением рекомбинантных живых вакцин и генноинженерных вакцин-антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с по­мощью моноклональных антител и ДНК/РНК-проб.

Для повышения продуктивности животных нужен полноцен­ный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кор­мовой белок на базе различных микроорганизмов — бактерий,

грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одно­клеточных организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет получить 0,4- 0,6 т свинины, до 1,5 т мяса птиц, 25—30 тыс. яиц и сэкономить 5—7 т зерна (Р. С. Рычков, 1982). Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80% площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.

Одноклеточные организмы характеризуются высоким содержа­нием белка — от 40 до 80% и более. Белок одноклеточных богат лизином, незаменимой аминокислотой, определяющей его кормовую ценность. Добавка биомассы одноклеточных к недо­статочным по лизину растительным кормам позволяет приблизить их аминокислотный состав к оптимальному. Недостатком био­массы одноклеточных является нехватка серусодержащих аминокислот, в первую очередь метионина. У одноклеточных его приблизительно вдвое меньше, чем в рыбной муке. Этот недостаток присущ и таким традиционным белковым кормам, как соевая мука. Питательная ценность биомассы одноклеточных может быть значительно повышена добавкой син­тетического метионина.

Производство кормового белка на основе одноклеточных — процесс, не требующий посевных площадей, не зависящий от климатических и погодных условий. Он может быть осуществлен в непрерывном и автоматизированном режиме.

В нашей стране производится биомасса одноклеточных, в особенности на базе углеводородного сырья. Достигнутые успехи не должны заслонять проблемы, возникающей при использо­вании углеводородов как субстратов для крупномасштабного производства белка, — ограниченность их ресурсов. Важнейшими альтернативными суб­стратами служит метанол, этанол, углеводы растительного про­исхождения, в перспективе водород.

Очищенный этанол на мировом рынке стоит почти вдвое дороже метанола, но этанол отличается очень высокой эффективностью биоконверсии. Из 1 кг этанола можно получить до 880 г дрожжевой массы, а из 1 кг метанола-до 440 г. Биомасса из этанола особенно богата лизином — до 7%.

Большое значение для животноводства имеет обогащение растительных кормов микробным белком. Для этого широко применяют твердофазные процессы.

Перспективными источниками белка представляются фото-трофные микроорганизмы, в особенности цианобактерии рода Spirulina и зеленые одноклеточные водоросли из родов Chlorella и Scenedesmus. Наряду с обычными аппаратами для их выращи­вания используют искусственные водоемы. Добавление к расти­тельным кормам биомассы Scenedesmus позволяет резко повысить эффективность усвоения белков животными.

Таким образом, существуют разнообразные источники сырья для получения биомассы одноклеточных. Некоторые субстраты (этанол) дают столь высококачественный белок, что он мо­жет быть рекомендован в пищу. Цианобакте­рии рода Spirulina издавна используют в пищу ацтеки в Центральной Америке и племена, обитающие на озере Чад в Африке.

2. Технологическая биоэнергетика

Технологическая биоэнергетика — одно из направлений био­технологии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это может быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, накопленной в результате фотосинте­за в дешевое и высококалорийное топливо — метан и другие углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации самого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО2 и син­теза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования энергии Солн­ца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи энергии).

Рассмотрим вначале путь, пролегающий через использование биомассы, в первую очередь, растительной, ресурсы которой в мире огромны и оцениваются в 100 млрд. т по сухому веществу в год. Лишь незначительная часть ее расходуется человечеством, но и эта часть дает до 14% потребляемой в мире энергии. Биомасса — не только возобновляемый и почти даровой источ­ник энергии, но и альтернатива тающим запасам полезных ископаемых.

Получение этанола как топлива.

Этанол — экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО2 и Н2О. Он исполь­зуется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10—20%-ная добавка к бензину (газохол). В Бразилии уже к 1983 г. 75% автомобилей работали на 95%-ном этаноле, а ос­тальные — на газохоле. В США предполагают заменить на эта­нол 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.

На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотех­нологической переработки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: продо­вольствие или энергия. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным: на каждый литр спирта при-

ходится 12—14 л сточных вод с высокой концентрацией отхо­дов, опасных для природных экосистем. Проблема рациональной переработки этих отходов не решена.

Классическим биообъектом, используемым при получении спирта, являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи име­ют ряд недостатков.

1. Конкуренция брожения и дыхания. Субстрат (например, глюкоза) лишь частично сбраживается до этанола. Оставшаяся часть безвозвратно теряется, превращаясь в результате дыхания в СО2 и Н2О. Процесс необходимо вести в анаэробных условиях или применять мутанты дрожжей, утратившие митохондрии и не способные к дыханию.

2. Чувствительность к этанолу, которая снижает выход целе­вого продукта на единицу объема биореактора. Получены устойчивые к этанолу мутанты, характеризующиеся измененным строением клеточных мембран.

3. Отсутствие ферментов, катализирующих расщепление крахмала, целлюлозы, ксилана. Необходим предварительный гидролиз субстрата или засев биореактора смешанной культурой, содержащей, помимо S. cerevisiae, микроорганизмы с соответ­ствующей гидролитической активностью.

Бактерия Zymomonas molilis, применявшаяся центрально­американскими индейцами для сбраживания сока агавы, более эффективно сбраживает сахара и более устойчива к этанолу. Дальнейшее повышение устойчивости Z. mobilis к этанолу до­стигается добавлением в среду инкубации Mg2+ и ряда нуклео-тидных компонентов.

Термофильные бактерии, продуценты этанола характеризу­ются высокой скоростью роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами, необычной для остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и более). Термофилы спо­собны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так, Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellumцеллюлозу, Cl. thermohydrosulfuricum утили­зирует продукты деградации целлюлозы с очень высоким выхо­дом спирта. Перспективно применение экстремально термофиль­ного продуцента спирта Thermoanaerobacter ethanolicus. Пла­нируют использование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и галофильных продуцентов спирта.

Повышение выхода спирта и стабилизация активности его про­дуцентов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так, эффективный синтез этанола осуществлен с применением клеток Z. mobilis, иммобилизованных на хлопчатобумажных во­локнах (S. Prentis, 1984).

Получение метана и других углеводородов.

Получение мета­на — важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Он получается в виде биогаза — смеси метана и СО2. Присут­ствие СО2 ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в зависимости от соотношения СН4/СО2 составляет 20,9—33,4 кДж/м3. Содержание метана в биогазе варьирует от 50 до 85%.

Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жиз­недеятельность метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях. Субстратами для образования ме­тана могут служить муравьиная и уксусная кислоты, метанол, газовые смеси (Н2 + СО, Н2 + СО2). Поскольку биогаз практиче­ски получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образования применяют многокомпонентные микробные ассо­циации.

Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служить метаногенная ассоциация «Methanobacillus Kuzneceovii», образующая метан при разложе­нии биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).

Процесс метанобразования отличается высокой эффективно­стью: до 90—95% используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с успехом используют для очистки сточных вод от органических загрязнений с одновремен­ным получением высококалорийного топлива. До 5—10% потреб­ленного углерода превращается в биомассу, которая также нахо­дит применение. Используют как жидко-, так и твердофазные про­цессы получения биогаза (биогазификации).

Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют дру­гие ценные продукты, например витамин В12 После переработки органического субстрата в биогаз остается материал, представ­ляющий собой ценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение.

Получение биогаза — процесс, отличающийся простотой обо­рудования и доступностью сырья, требует небольших капитало­вложений. В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10—15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потреб­ностей семьи из пяти человек.

Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов — продуцентов углеводородов как заменителей топ­лива. Это микроводоросли — Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo-ropsis и др. Углеводороды накапливаются в значительных коли­чествах — до 80% сухой массы клеток. В США действует ферма для выращивания водорослей с суммарной площадью водоемов 52 тыс. гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углеводородов в сутки. Для улучшения топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают гидрированию (Г Н Чер­нов, 1982).

Получение водорода как топлива будущего.

Получение водо­рода как топлива пока остается на уровне поисковых разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г. Химический и электрохимический способы получения Н2 неэкономичны, поэтому заманчиво использование микроорга­низмов, способных выделять водород. Такой способностью обла­дают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие (Е. Н. Кондратьева, И. Н. Го-готов, 1981). Процесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.

Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры. Она ката­лизирует реакцию

+ + 2е- = Н2

Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной гидрогеназы в состав искусственных Н2-генерирую-щих систем. Сложной проблемой является нестабильность изоли­рованного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение ста­бильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилиза­цией (Чан Динь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. al., 1986). Иммобили­зация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом.

Предложено много вариантов модельных систем, катализирую­щих образование водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированный из них хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторые системы наряду с водо­родом образуют кислород: в этом случае речь идет о биофотолизе воды.

Примером может служить система хлоропласт — ферредоксин — гидрогеназа. Ферредоксин служит промежуточным перенос­чиком электронов от фотосинтетической цепи хлоропластов к до­бавленной гидрогеназе. Серьезной проблемой является поддер­жание низкого парциального давления этих газов, с тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н2. Флавопротеид и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным в детергент ные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена также система с гидрогеназой, иммо­билизованной в агарозном геле, с которым прочно связан поли­мерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла.

Водород получают также с применением целых клеток микро­организмов, стабильность которых возрастает при их иммобили­зации. Высокоэффективными продуцентами Н2 являются пурпур­ные фототрофные бактерии, например Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до 180 мкмоль Н2 за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла (М. Tadashi, A. Akira, 1983). Важное направление работ — поиск продуцен­тов Н2 с устойчивой к О2 гидрогеназой.

Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа. У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина). Ос­новной функцией нитрогеназы является восстановление моле­кулярного азота:

N2 + 8H+ + 8е- + nАТФ -> 2NH3 + Н2 + nАДФ + nфосфорная кислота

В отсутствие основного субстрата (N2) нитрогеназа катали­зирует энергозависимое


восстановление Н+ с образованием Н2. Переключение фермента с одного режима работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения — получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утили­зирующей азот.

В Японии получен штамм Anabaena sp., который осуще­ствляет биофотолиз воды в режиме, не чувствительном к Н2, О2 и N2. Повышению эффективности биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования биообъекта как про­дуцента Н2 и О2 с периодами «отдыха», когда клетки фотоассими-лируют СО2 (вводимый на этот период в среду культивирования). Возможно комбинирование процессов получения Н2 и других ценных продуктов. В частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н2, то наблюдается ингибирование образования Н2 и эффективный синтез бутанола, ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с довольно активным образованием Н2 культура синтезирует лишь этанол. Этот пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического процесса условиями культивирования био­объекта.

Таким образом, предложены разнообразные проекты систем для получения водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного превращения в энергию химической связи в молекуле Н2.

Пути повышения эффективности фотосинтетических систем.

Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е. коэффициент превращения световой энергии в химическую энергию органических веществ, близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктив­ные культурные растения запасают не более 1,5—2% энергии падающего света. Актуальная проблема технологической биоэнер­гетики — повышение эффективности фотосинтеза у культурных растений.

Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы: 1) повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% за счет увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство в системы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование фитогормонов, трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что приведет к повышению их фотосинтетической активности; 4) увеличение числа хлоропластов в клетке на единицу площади листа; 5) установление оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, на­пример, цитохромами; 6) увеличение скорости переноса электро­нов между фотосистемами I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом АТФ.

Радикальным способом максимизации эффективности фотосин­теза было бы создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими десятилетиями.

Биотопливные элементы.

На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток, например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.

Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). По­средником между субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей передачи электронов на



элек­трод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный транспорт электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985). Конструкция биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток, но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в смесь фрук­тозы и глюконовой кислоты.

Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они представляют собой основной компонент биологи­ческих датчиков — биосенсоров, широко применяемых в химиче-

ской промышленности, медицине, при контроле за биотехнологи­ческими процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода. Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают чувствитель­ный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина. Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для измерения кон­центрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro-somonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH4+. На биосенсоре протекают следующие превращения: NH4+Nitrosomonas NO2 Nitrobacter NO3 Раз­работаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.

3. Биотехнология и медицина

Нет такого экспериментального подхода или исследователь­ского направления в биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему столь многообразны связи между биотехнологией и самой гуманной из всех наук. Здесь мы остановимся лишь на основных моментах.

Антибиотики.

Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие высокой физиологической актив­ностью по отношению к определенным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающих их рост или полностью подавляющих развитие (Н. С. Егоров, 1979). Далеко не все из этих соединений, число которых прибли­жается к 5000, допущены для применения в медицине. К важней­шим антибиотикам терапевтического назначения принадлежат следующие их классы (табл. 2).

Приведенные классы антибиотиков не исчерпывают их много­образия, список их пополняется с каждым годом. Причины неос­лабевающего внимания к поиску новых антибиотиков, как видно из табл. 10, связаны с токсичностью существующих антибиоти­ков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастанием устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым пре­паратам и, помимо этого, с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, против которых недостаточно эффектив­ны известные ныне антибиотики. Основные пути поиска вклю­чают:

  1. Испытание новых продуцентов. Так, с начала 80-х годов исследуют миксобактерии, продуцирующие большое количество антимикробных агентов (Н. Thierbach, N. Reichenbach, 1981).

  2. Химическая модификация антибиотиков. Противомикроб-ные макролиды токсичны для человека. Например, гептаен амфо-терицин В, используемый по жизненным показаниям при тяже­лых микозах, вызывает необратимые поражения почек. Получены метиловые эфиры амфотерицина, менее токсичные и сохра­няющие противогрибковую активность. При модификации пенициллинов и цефалоспоринов ис­пользуют иммобилизованные ферменты.







Таблица 2. Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения (по И Г.. Егорову, 1979; Д.Ланчини, Ф Паренти, 1985)

Класс


Типичные антибиотики


Продуценты


На кого действует


Механизм действии


Трудности терапевтического применения


-Лактамные


Пенициллины, це-фалоспорины


Грибы родов Реnicillium, Cephalosporum


Грамположитель-ные и грамотрицательные бактерии


Нарушение синте­за клеточной стенки


Аллергические реакции


Аминогликозидные


Стрептомицин, гентамицин, канамицин, тобрамицин, амикацин


Актиномицеты ро­да Streptomyces, бактерии родов Micromonospora. Bacil­lus


В основном грамотрицательные бак­терии


Необратимое подавление синтеза белка


Токсическое дейст­вие на слуховой нерв и почки


Тетрациклины


Одноименные антибиотики


Актиномицеты ро­да Streptomyces


Грамположительные и грамотрицательные бактерии, риккетсии, хламидии, простейшие


Обратимое подав­ление синтеза белка


Распространение устойчивых штаммов


Макролиды


Антибактериаль­ные: эритромицин Противогрибковые и антипротозойные: полиены


Актиномицеты ро­да Streptomyces То же


Грамположительные бактерии Грибы, некоторые простейшие


То же

Нарушение плаз­матической мемб­раны


Токсичность


Полипептидные и депсипептидные


Полимиксины, грамицидины, бацитрацины


Различные микро-организмы


В основном грамотрицательные бак­терии


Механизм дейст­вия различен


Высокая токсичность



Случайные файлы

Файл
55875.rtf
145820.doc
diplom.doc
162745.rtf
19655.rtf