Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Превращение информации в активный белок происходит на рибосоме. Мы уже встречались с этим механизмом в первой главе.

Для нормального развития и функционирования клетки ей необходимо поддерживать постоянный обмен веществ с внеш ней средой, получая из среды различные субстраты и выводя в нее некоторые продукты жизнедеятельности.

В качестве субстратов используются, в основном, различ ные углеродсодержащие соединения17 – глюкоза, крахмал, спир ты и органические кислоты, углекислота, метан, парафины и т. д., широко распространенные в природе.

А вот в качестве продуктов, как оказалось, микроорганиз мы способны синтезировать многие чрезвычайно полезные ве щества – различные белки, ферменты, аминокислоты, витами ны, гормоны, антибиотики и прочие биологически активные соединения. Другими словами, бактерии являются настоящи ми молекулярными фабриками по производству необходимых человеку веществ.

Эти свойства микробов легли в основу множества биотех нологических производств, начало которым положило широ комасштабное производство антибиотика пенициллина в 40 х годах ХХ столетия.

Общая схема биотехнологического производства

Центральное звено любого биотехнологического процесса

– штамм, то есть совокупность микроорганизмов одного вида, обладающих специфическими физиолого биохимическими признаками.

Биотехнологическое производство может быть направлено либо на получение максимально возможного количества био массы (например, производство хлебопекарных дрожжей), ли бо на достижение максимума выхода продуктов жизнедеятель ности клеток. В естественных условиях обмен веществ в клет ках осуществляется по принципам строжайшей экономии, что

17. Углеводы – обширная группа органических соединений, входящих в состав всех живых организмов. Представители этого класса веществ по составу отвечают общей формуле CmH2nOn, то

есть углерод + вода (отсюда название). Примерами углеводов являются глюкоза: C6H12O6, сахароза

C12H22O11, крахмал C6H10O5 и др.

Углеводороды – органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода. Углеводороды являются основным компонентом большинства нефтей и природных газов. Общая формула для предельных углеводородов: CnH2n+2 Например, метан СH4, этан С2H6,

пропан С3H8, бутан С4H10 и т. п.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

обеспечивается сложной системой его регуляции. Поэтому за дача промышленных микробиологов состоит в создании мута нтных форм микроорганизмов – сверхпродуцентов соответ ствующих веществ.

Биотехнологи добиваются сверхсинтеза необходимого продукта метаболизма, что достигается как путем изменения генетической программы организма, так и посредством нарушения его регуляторных систем.

Для выделения из природных популяций сверхпродуктив ных штаммов используются разнообразные методы.

Селекция – это искусственный отбор организмов с лучши ми в своем поколении показателями. Главный недостаток этого метода – его чрезвычайная длительность.

Более эффективен индуцированный мутагенез, основанный на мутагенном воздействии рентгеновского и УФ излучения или некоторых химических соединений. Мутагены вызывают изменения ДНК, приводящие к сдвигу метаболических реак ций, в результате чего часть обычных клеток превращаются в сверхпродуцентов.

Как правило, методы мутагенеза и селекции используются в совокупности. Например, так были получены высокопродук тивные штаммы бактерий Bacillus subtilis, способные выделять до 75 кг витамина В2 из тонны питательной смеси.

Достижения в области генетики и молекулярной биологии позволили биотехнологам начиная с 70 х гг. прошлого века, пе рейти от слепого отбора штаммов мутантов к сознательному конструированию геномов, используя для этой цели технологию рекомбинантной ДНК – основу современной генной инженерии. Подробнее об этих механизмах будет рассказано чуть позже, а пока ознакомимся с общей схемой микробиологического про изводства и вкратце «пройдемся» по достигнутым результатам.

Общая схема микробиологического производства состоит из следующих основных этапов:

1. Подготовка питательной среды Питательная среда служит источником органического угле

рода – основного строительного элемента жизни. Микроорга низмы поглощают широкий спектр органических соединений

– от метана (СH4), метанола (СH3OH) и углекислоты (СO2) до

284

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

природных биополимеров. Кроме углерода клетки нуждаются в азоте, фосфоре и других элементах (K, Mg, Zn, Fe, Cu, Mo, Mn и др.) Важный элемент подготовки питательных сред – стери* лизация с целью уничтожения всех посторонних микроорганиз мов. Ее проводят термическим, радиационным, фильтрацион ным или химическим методами.

2. Получение чистых штаммов для внесения в ферментер Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо по лучить чистую высокопродуктивную культуру. Чистую культуру микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в усло виях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность

(обычно это достигается хранением при низкой температуре). Необходимо все время поддерживать чистоту культуры, не

допуская ее заражения посторонними микроорганизмами.

3. Ферментация – основной этап биотехнологического процесса

Ферментация – это вся совокупность операций от внесе ния микробов в подготовленную и нагретую до необходимой температуры среду до завершения биосинтеза целевого продук та или роста клеток. Весь процесс протекает в специальной ус тановке – ферментере.

Рис 186. Схема ферментера

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Обычный ферментер представляет собой закрытый ци линдр, в котором механически перемешиваются среда вместе с микроорганизмами.

Через него прокачивают воздух, иногда насыщенный кис лородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Конструкция фер ментера должна позволять регулировать условия роста: посто янную температуру, pH (кислотность или щелочность) и конце нтрацию растворенного в среде кислорода.

По окончании ферментации образуется смесь рабочих мик роорганизмов, раствора непотребленных питательных компо нентов и продуктов биосинтеза. Ее называют культуральной жидкостью или бульоном.

4. Выделение и очистка конечного продукта По завершении ферментации продукт, который желали по

лучить, очищают от других составляющих бульона. Для этого используют различные технологические приемы: фильтрацию, сепарирование (осаждение частиц взвеси под действием цент робежной силы), химическое осаждение и др.

5. Получение товарных форм продукта Последней стадией биотехнологического цикла является

получение товарных форм продукта. Они представляют собой либо смесь, либо очищенный продукт (особенно если он пред назначен для использования в медицинских целях).

Примеры биотехнологических производств

Получение аминокислот

Среди веществ, получаемых методами биотехнологии, ами нокислоты занимают первое место по объему производства – более полумиллиона тонн в год, однако и это – лишь неболь шая доля от потребности в них.

Аминокислоты – это структурные единицы, из которых ри босомы строят все необходимые белки организма. Природные аминокислоты вовлечены в биосинтез ферментов, гормонов, ви таминов, антибиотиков, токсинов и других азотсодержащих сое динений. Белки, в свою очередь, способны синтезировать раз личные аминокислоты из органического сырья. Но все же поло вина из необходимых аминокислот не синтезируются в организ

286

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

ме человека и животных. Они называются незаменимыми амино* кислотами. Недостаток этих аминокислот в питании приводит к нарушению обмена веществ, замедлению роста и развития.

Табл 10. Потребность человека в незаменимых аминокислотах

Белки яиц и молока обладают высокой пищевой ценностью

– это и неудивительно, ведь растущим детенышам необходим весь спектр аминокислот. Многие белки растительного проис хождения имеют дефицит некоторых незаменимых аминокис лот. Так, белки пшеницы и риса обеднены лизином и треони ном, а белки кукурузы – лизином и триптофаном.

Внесение промышленных аминокислот в кормовые конце нтраты позволяет балансировать корма сельскохозяйственных животных по уровню белка. При добавлении 2 4 кг дефицит ных аминокислот к 1 т. комбикорма общий расход кормов уменьшается на 15 20%, а выход мяса и молока увеличивается на 20%. Это позволило перевести животноводство на промыш ленную основу.

Помимо применения в качестве пищевых добавок, приправ и усилителей вкуса аминокислоты используют как сырье в хи мической, парфюмерной, фармацевтической промышленнос ти и т. п. Промышленное производство аминокислот стало возможным после открытия у некоторых микроорганизмов способности вырабатывать их во внешнюю среду.

Так, штамм Corynebacterium glutamicum является продуцен том глутамата. Его использовали при организации первого в мире крупномасштабного биотехнологического производства самой популярной пищевой добавки, глутаминовой кислоты, в Японии в 1956 году.