Введение (стр. 3 )

Современные биотехнологические процессы предусматривают выпуск рекомбинантных вакцин и вакцин антигенов. Вакцины обоих типов основаны на генноинженерном подходе.

Для получения рекомбинантных вакцин обычно используют хорошо известный геном вируса коровьей оспы (осповакцины). В его ДНК встраивают чужеродные гены, кодирующие иммунногенные белки различных возбудителей (гриппа, гепатита, молярийного плазмодия и др.). Для получения рекомбинантных ДНК используют специальные векторы на основе плазмид с хорошо изученной последовательностью и рестрикционной картой. Появилась возможность создания поливалентных вакцинных препаратов на основе объединения участков ДНК различных патогенов под эгидой ДНК вируса осповакцины.

Современная биотехнология применяется в получении ферментов медицинского назначения. Их используют для растворения тромбов, лечения наследственных заболеваний. Яркий пример спасения жизни больных с тромбозом конечностей, легких, сосудов сердца при помощи тромболитических ферментов (стрептокиназы и урокиназы).

Энергетика

В связи с тем, что запасы ископаемого топлива ограничены, а его потребление растет из года в год, возможен энергетический кризис во многих странах мира. Поэтому обсуждаются перспективы использования ядерной энергии.

Около 99,4 % в год доступной нам неядерной энергии мы получаем от Солнца, и часть ее аккумулируется в биомассе, хотя и с малой эффективностью, порядка 1-2 %.

По этой причине биомасса представляет собой постоянно возобновляемый источник энергии. Ее можно сжигать или довольно простыми способами превращать при помощи микроорганизмов в жидкое или газообразное топливо (метан, этиловый спирт, водород). Со временем биомасса будет все больше использоваться при производстве сырья для химической промышленности. В последнее время пробудился интерес к разработке биотопливных элементов, с помощью которых можно с высокой эффективностью получать из ряда видов топлива и биомассы электрическую энергию. Поскольку солнечный свет является мощным источником энергии, а количество имеющейся биомассы ограничено, некоторые биотехнологи, работающие над проблемами энергии, заняты разработкой двух проблем, решение которых позволило бы повысить эффективность использования солнечной энергии.

Во - первых, пытаются найти фактические способы повышения эффективности конверсии солнечного света в биомассу, например, путем выращивания водорослей при высокой концентрации СО2 и ограниченной освещенности в биореакторах со строго контролируемыми условиями роста.

Во-вторых – изучается возможность получения водорода путем расщепления воды при участии фотосистемы фотосинтезирующих организмов, то есть путем биофотолиза. Технически проще всего получать водород, используя сине-зеленные водоросли или процессы ферментации (брожения).

Биотехнология стала играть все возрастающую роль при добыче нефти. Предполагается, например, вводить подходящие микроорганизмы непосредственно в нефтяной пласт, чтобы ускорить отток нефти из пористых пород и для добычи остаточной нефти.

Окружающая среда

По мере того, как увеличивается население Земли и развивается промышленность, все более серьезной становится проблема охраны окружающей среды. В решении такого рода задач биотехнология играет все возрастающую роль, в частности, в том, что касается разработки новых или усовершенствования существующих способов переработки отходов.

Новейшие процессы переработки необычных отходов основываются на использовании микроорганизмов, обладающих новыми, неизвестными ранее или искусственно созданными катаболическими способностями.

Окружающая среда является как бы общим знаменателем для всех видов деятельности. Например, расширение использования биотехнологии в химической промышленности должно привести к созданию новых ее отраслей, лучше совместимых с окружающей средой. Такие же надежды возлагаются и на биоинженерию.

Сельское хозяйство

Применение биотехнологии в сельском хозяйстве весьма многообразно. Продукция сельского хозяйства может использоваться в промышленности, например для производства этилового спирта из излишков низкокачественного вина. Такой подход получил дальнейшее развитие: для выработки спирта сельскохозяйственные культуры начали выращивать специально.

Большая часть продукции современного сельского хозяйства служит сырьем для развития пищевой промышленности. В качестве сырья могут быть использованы и отходы сельского хозяйства.

С помощью биотехнологии разрабатываются новые способы улучшения сельскохозяйственных культур как по урожайности, так и по качеству. Можно будет использовать полученные с ее помощью заменители дорогостоящих химических удобрений или пестицидов, или же добавки к ним. Так, потребности в азоте удастся удовлетворить путем внедрения биологической фиксации азота, основанной на симбиозе, а в фосфоре – путем вмешательства в процессы, происходящие в микоризах. Задачей отдаленного будущего является передача способности к фиксации азота непосредственно отдельным сельскохозяйственным культурам путем введения в них гена нитрогеназы; в результате такие растения приобретут способность к синтезу фермента, катализирующего реакцию фиксации азота. Это позволит сэкономить энергию, затрачиваемую сегодня при химическом синтезе аммиака.

По общему мнению, наибольший вклад биотехнологии в сельское хозяйство следует ожидать за счет улучшения свойств самих растений путем использования методов рекомбинативных ДНК и протопластов растений.

Химические соединения

применение биологических систем для производства химических соединений в принципе дает ряд преимуществ, однако сегодня лишь малое их число получают с помощью биотехнологических процессов. К ним относится сравнительно дешевые, но широко используемые в больших количествах как топливо этиловый спирт и метан, а также ряд ценных и довольно дорогих веществ, применяющихся в медицине и для пищевых целей (лимонная кислота, аминокислоты, стероиды и антибиотики).

Производство химических веществ на основе биокатализа имеет следующие преимущества: специфичность, легкость контроля, работа при низких температурах, совместимость с окружающей средой и простота. Так, химическая промышленность органических соединений базируется, в основном, на нефти, а большинство продуктов переработки нефти получают путем частичного окисления сырья. Достичь специфического контролируемого и частичного окисления при помощи существующих катализаторов довольно сложно, а микроорганизмы осуществляют эти типы реакций без труда.

Существуют три главных способа синтеза химических соединений на основе биокатализа:

1.  путем использования культур клеток растений или животных, образующих дорогостоящие вещества.

2.  Путем использования микроорганизмов, при необходимости измененных методами генетической инженерии, для биосинтеза или модификации химических веществ;

3.  Путем использования измененных методами генетической инженерии микроорганизмов в качестве "устройств" для экспрессии генов растений и животных, что позволяет синтезировать в больших количествах особые, присущие только высшим организмам химические соединения.

Материаловедение

Биотехнология может оказать влияние на получение и использование различных материалов по меньшей мере тремя способами. Во-первых, она будет способствовать развитию добычи промышленного сырья, например нефти и других полезных ископаемых. Во-вторых, все более широко станут использоваться продукты микробного происхождения, например для производства разлагаемых с помощью микроорганизмов пластмасс, эмульгаторов и загущающих веществ. В-третьих, будут усовершенствованы способы защиты различных веществ от разрушения их микроорганизмами.

Наиболее многообещающим сырьем для производства биопластмасс является одно из резервных веществ клеток, полигидроксибутират (ПГБ). В настоящее время в промышленности ведутся активные исследования, как самого этого вещества, так и способов его получения.

Весьма актуальной и сложной с технической точки зрения является проблема биоповреждений. Биоповреждения являются неизбежным следствием важнейшей роли микроорганизмов в круговороте элементов в биосфере. Проявления биоповреждений весьма многообразны: от порчи пищевых продуктов до загрязнения смазочных масел и топливных систем, разрушения бетона и развития электрохимических процессов коррозии под влиянием микроорганизмов. Биотехнология поможет создать новые методы борьбы с биоповреждениями благодаря более глубокому пониманию лежащих в их основе процессов. На этой базе могут быть созданы новые биотехнологические процессы. Примером такого рода служит использование ферментов в пищевой промышленности.

Ключевые слова и понятия

активный ил аминокислоты антибиотики белок одноклеточных организмов биогаз биоинженерия

биомасса биотехнология биохимия брожение клонирование микробиология органические растворители

Вопросы для самоконтроля:

1.  Что такое биотехнология?

2.  С какими отраслями науки тесно связана биотехнология?

3.  Роль Пастера в дальнейшем развитии прикладной микробиологии?

4.  Открытие химиотерапевтической активности пенициллина.

5.  Получение белка одноклеточных организмов.

6.  Технология получения ферментов.

7.  Перспективы развития биотехнологии.

8.  Применение достижений биотехнологии в медицине (ферменты, гормоны, катализаторы).

9.  Основные пути превращения энергии в живых системах.

10.  Использование биомассы для получения энергии.

11.  Основные направления развития пищевой промышленности с помощью биотехнологии.

12.  Особенности производства химических веществ на основе биокатализа.

13.  Влияние биотехнологии на получение и использование материалов.

14.  Роль биотехнологии в переработке отходов.

15.  Вклад биотехнологии в развитие сельского хозяйства.

Часть 1

Использование биотехнологических процессов

Лекция 2

Использование биотехнологии

в пищевой промышленности

1 Роль биотехнологии в получении пищевых продуктов.