Биотехнология
Биотехнология — использование живых организмов и биологических процессов в производстве.
В развитии биотехнологии можно выделить три этапа. Начало первого относится к древнему каменному веку. В то время пюди не подозревали о существовании микроорганизмов и ферментов, хотя и использовали их в своей хозяйственной деятельности. Первыми «биотехнологами» были древние земледельцы, обнаружившие, что, добавив дрожжи в тесто, можно выпекать пышный и мягкий хлеб, а виноградный сок подобным образом превращать в вино. Здесь человек использовал реакцию гликолиза — бескислородного расщепления углеводов на углекислый газ и этиловый спирт или молочную кислоту.
Второй этап — этап промышленной микробиологии — начинается с середины XIX века работами, в первую очередь, великого французского химика и микробиолога Луи Пастера. Люди уже знали о дрожжах и бактериях, культивировали и отбирали их полезные штаммы. Но биотехнологические методы по-прежнему применялись лишь в пищевой промышленности (приготовление хлеба, сыра, творога, вина, пива, простокваши, кефира, кумыса, уксуса), реже — в сельском хозяйстве (силосование, мочение льна).
Третий этап начинается с середины 70-х годов XX века. Биотехнология приобретает свое теперешнее название.
Первой характерной особенностью данного этапа является то, что для проведения исследований биотехнологи все чаще используют не сами клетки микроорганизмов, а выделенные из них ферменты. Речь идет о применении их в качестве катализаторов промышленных процессов. Поэтому примерно 20 лет назад в науке о ферментах возникло новое направление —
инженерная энзимология.
Одно из главных занятий инженеров- энзимологов — разработка методов закрепления ферментов на зернах твердого носителя. Таким носителем могут быть керамика, стекло, целлюлоза, а чаще всего синтетические полимеры. Закрепить, или, как говорят, иммобилизовать, белок на носителе можно разными способами: благодаря физической адсорбции, путем химического пришивания (образования ковалентной связи между функциональными группами белка и носителя) или посредством включения (захвата) его в полимерные гели, проницаемые для воды и низкомолекулярных веществ, но не проницаемые для белка.
Иммобилизованный фермент в десятки или даже сотни раз стабильнее фермента в растворе. Кроме того, можно легко отделять его от продуктов реакции или сам биохимический процесс вести непрерывно, прокачивая, например, раствор реагентов через колонку (проточный реактив), заполненную зернами носителя с закрепленным на них ферментом. Представьте себе реакционную колонку высотой в пять метров, заполненную иммобилизованной глюкозо-изомеразой. Сверху в колонку поступает раствор глюкозы (полученный, например, при гидролизе картофельного крахмала), а снизу вытекает ценный глюкозо-фруктовый сироп.
Еще пример. Молочный сахар, или лактоза, для большинства людей полезен. Однако некоторые взрослые люди вообще не могут пить молоко из-за того, что содержащаяся в нем лактоза не расщепляется из-за отсутствия у этих людей Ь-галактозидазы. Безлактозное молоко можно легко получить с помощью иммобилизованного фермента — лактазы. Производство такого молока налажено, например, в Италии.
Часто вместо очищенного фермента выгоднее иммобилизовать на полимерном носителе целые клетки, производящие этот фермент. С помощью таких клеток-катализаторов производят сейчас аминокислоты, антибиотики, сахара, стероидные гормоны. Их используют при очистке сточных вод, обезвреживая от таких химических ядов, как бензол, фенолы или даже от радиоактивных веществ.
Вторая особенность современной биотехнологии — расширение сферы ее деятельности. Биотехнологическими методами сейчас изготовляются не только пищевые продукты, но и витамины, антибиотики, гормоны и ряд других лекарств, а также незаменимые аминокислоты. Производство последнего продукта имеет важное значение в животноводстве, особенно в производстве кормов для свиней и домашней птицы. Организм животных не может сам синтезировать некоторые аминокислоты, он должен получать их с пищей. Человек, например, не может существовать, не потребляя триптофана, фенилаланина, лизина, валина, лейцина, метионина, треонина и изо лейцина.
Растительные белки хлеба, картофеля, овощей и фруктов не сбалансированы по этим аминокислотам. Их там, как правило, меньше, чем в животных белках. Но свиней и кур кормить животным белком невыгодно. Выходов из этого положения два: добавлять в корм или животный белок (например, дрожжи), или незаменимые аминокислоты, недостающие в растительном корме. Второй путь выгоднее, поэтому биотехнологи работают над выведением бактерий-продуцентов лизина и триптофана. Сейчас экономия растительного корма достигается чаще добавками дрожжевого белка, получаемого из гидролиза древесины и отходов сахарной и рыбной промышленности. Но производство незаменимых аминокислот перспективнее.
В будущем биотехнология, очевидно, освоит производство не только кормового, но и пищевого белка из микроорганизмов, растущих на дешевых отходах. Уже сейчас из такого белка получают искусственное мясо и даже черную икру — вполне доброкачественные продукты. Трудность заключается в том, чтобы научиться искусственно получать те добавки, которые делают вкус этого мяса приемлемым (очищенный белок безвкусен).
Приведем еще пример. Существуют стиральные порошки с ферментными добавками, которые расщепляют жиропот и прочие загрязнения. Получают их из бактериальной массы. Однако здесь есть противоречие: поверхностно-активные вещества — основа всякого стирального порошка — лучше всего работают при высокой температуре (80—90° С), а ферментные добавки в горячей воде теряют активность. Поэтому такими порошками следует стирать при 50° С, не выше. Есть, впрочем, бактерии-термофилы, хорошо себя чувствующие при температурах 90—100°С. Их ферменты — амилазы, протеазы и липазы — устойчивы и в горячей воде остаются активными. Можно было бы, конечно, выращивать на заводах термофилов, но они требуют совсем иной технологии. Английские генетики нашли выход. Они встроили гены нужных, устойчивых к высокой температуре ферментов в геном обычной бактерии-продуцента Bacillus licheniformis, и стиральные порошки «заработали» при высокой температуре.
Биотехнология проникла даже в производство металлов. Корни биометаллургии уходят в седую древность: первое железо было выплавлено человеком из болотных руд — продукта жизнедеятельности железобактерий, которые накапливают железо из воды, переводя его из двухвалентного в трехвалентное. Для бактерий это источник энергии. Побочный же продукт — Fe2Q3 — оседает на дно водоемов. Теперь биотехнология заняла прочное место в металлургической промышленности. Только в США 10% всей меди добывается микробиологическим способом, причем себестоимость ее в 2—3 раза ниже, чем стоимость меди, получаемой обычным путем. В металлургической промышленности ряда стран микроорганизмы используются для выщелачивания урана из руд, в процессе которого они из нерастворимого состояния переходят в растворимое. Разработана технология бактериально-химического способа извлечения золота и серебра из бедных этими металлами пород. Биометаллургия экономически выгодна. Кроме того, она исключает загрязнение окружающей среды.
С каждым годом растет интерес к биотехнологии и со стороны нефтяников. Существуют микроорганизмы, разжижающие нефть или превращающие ее в газ. Есть надежда с их помощью оживить старые и заброшенные нефтяные месторождения. Уже имеются первые результаты: в частности, одна из старых скважин в Башкирии за полтора года с помощью микроорганизмов дала 160 тысяч тонн нефти.
Третья особенность современной биотехнологии — широкое внедрение в нее генной инженерии. Нужные штаммы микроорганизмов теперь получаются не только отбором случайно возникающих мутаций, но и вставкой плазмид с соответствующими генами. Именно генная инженерия необычайно расширила возможности биотехнологии, позволив получать бактерии со свойствами, прежде небывалыми.
У биотехнологии многообещающие перспективы. Используя методы, уже освоенные природой, биотехнологи надеются в ближайшем будущем получать с помощью фотосинтеза органические соединения, водород (экологически чистое топливо будущего), электроэнергию, превращать в аммиак атмосферный азот при обычной температуре и давлении.
ПРОВЕРЬ СЕБЯ:
1 Выберите правильный вариант ответа.
1. Какие способы размножения свойственны животным и какие растениям?
а) половое; б) бесполое; в) вегетативное.
2. Какие формы искусственного отбора применяют в селекции животных?
а) массовый; б) индивидуальный.
3. Для каких целей производят близкородственное скрещивание?
а) получение чистой породы; б) усиление доминантности признака; в) увеличение жизненной силы.
4. В чем выражается гетерозис?
а) увеличение продуктивности гибрида; б) усиление плодовитости гибрида; в) получение новой породы или сорта.
5. Как размножаются гетерозисные гибриды у растений и животных?
а) вегетативно; б) половым путем; в) не размножаются.
6. У каких организмов встречается полиплоидия?
а) растения; б) животные; в) человек.
7. Являются ли триплоидные клетки эндосперма зерновки злака полиплоидными?
а) да; б) нет.
8. С какой целью применяют в селекции растений метод ментора?
а) акклиматизация; б) закаливание; в) усиление доминантности признака; г) воздействие условиями среды.
9. Применяют ли в селекции животных метод ментора?
а) да; б) нет.
10. Какое значение для селекции растений имеет знание центров происхождения культурных растений?
а) подбор исходного материала; б) изучение болезней и вредителей; в) предвидение результатов гибридизации; г) изучение многообразия мутаций.
