Предмет, цели и задачи биотехнологии микроорганизмов.
Биотехнология - это наука об использовании биотехнологических процессов в технике и промышленном производстве.
Термин «биотехнология» был введен в 1917 году венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, биотехнология - это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Однако этот термин в те годы не получил широкого распространения. Только в 1961 году к нему вновь вернулись после того, как шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала «Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology», (журнал микробиологической и химической инженерии, и технологии), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии, и промышленной ферментации. На «Biotechnology and Bioengineering», (Биотехнология и биоинженерия). С этого момента биотехнология оказалась четко и необратимо связана с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов».
Понятие биотехнология может быть представлено многими определениями:
Термин биотехнология включает составляющие «биос», «техне», «логос» греческого происхождения (от греческого «биос» - жизнь, «техне» - искусство, мастерство, умение и «логос» - понятие, учение). Таким образом, как это явствует из приведенных определений, биотехнология по существу сводится к использованию микроорганизмов, животных и растительных клеток или же их ферментов для синтеза, разрушения или трансформации (превращения), различных материалов с целью получения полезных продуктов для различных нужд человека.
Вклад микробиологии, биохимии, молекулярной биологии и молекулярной генетики в развитие биотехнологии.
В последние десятилетия биология бурно развивается и создаёт новые научные направления. Новое комплексное направление - физико-химическая биология, включающая в себя биохимию, биофизику, молекулярные биологию и генетику, биоорганическую химию и некоторые другие дисциплины, не только помогает решать задачи, которые давно ставила перед биологией производственно-техническая практика, но и намечает пути принципиально нового биологического производства.
Само собой разумеется, что такие комплексные задачи требуют интеграции различных отраслей научных и технических знаний и характеризуют биотехнологию как ряд перспективных технологий, которые найдут применение в самых разнообразных индустриальных направлениях. Интеграция биологии, химии и инженерных приемов в биотехнологии осуществляется таким путем, чтобы обеспечить максимальное использование потенциальных возможностей всех входящих в нее областей знаний. И все же, несмотря на комплексность биотехнологии, ее нельзя рассматривать как нечто единое целое, наподобие микроэлектроники. Скорее она должна рассматриваться как ряд перспективных технологий, сочетания которых будут постоянно варьировать в зависимости от конкретных практических задач.
Биотехнология - междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических знаний и призванная к созданию новых биотехнологических процессов, которые в большинстве случаев будут осуществляться при низких температурах, требовать небольшого (меньшего), количества энергии и будут базироваться преимущественно на дешевых субстратах, используемых в качестве первичного сырья. Однако следует отдавать себе отчет в том, что биотехнология не является чем-то новым, ранее не известным, а представляет собой развитие и расширение набора технологических приемов, корни которых появились тысячи лет тому назад.
Исторические предпосылки для развития биотехнологии.
Биотехнология как наука формировалась и эволюционировала по мере развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 5 периодов:
Человек во все времена, так или иначе, умел использовать живую материю для поддержания собственной жизнедеятельности сначала в простых, потом во все более сложных формах. Еще ничего не ведая о существовании микроорганизмов, он заставил «работать» на себя бактерии и дрожжи в процессах хлебопечения, сыроварения, виноделия или при силосовании кормов. Создавал путем отбора и скрещивания новые сорта растений и породы животных.
Древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления вина, обнаруженное в 1981 году при раскопках Вавилона (6-ое тысячелетие до н.э). Шумеры готовили до двух десятков видов вина. Египтяне стали применять дрожжи для выпечки хлеба в четвертом тысячелетии до н.э. Человечество познакомилось с микроорганизмами косвенным путем, даже не догадываясь об их существовании. С незапамятных времен наблюдали брожение теста, готовили спиртные напитки, сквашивали молоко, делали сыры.
Впервые огромную роль микроорганизмов, как первопричину разнообразных химических превращений и заболеваний живых существ, установил французский ученый Луи Пастер (1822-1895 г.г.), который занимался выяснением природы различных брожений и доказал, что спиртовое брожение вызывается дрожжами, а молочнокислое брожение - молочнокислыми бактериями. Важным достижением этого же периода является приготовление жидких и твердых питательных сред для культивирования микроорганизмов (Р. Кох), поскольку удалось доказать индивидуальность микробов и получать их в чистых культурах. В этот же период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также продуктов метаболизма бактерий - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот. Во Франции приступили к микробиологической очистке сточных вод.
Вторая половина 20 века ознаменовалась невиданным расцветом биологических наук. Значительные успехи, достигнутые в фундаментальных исследованиях в области биохимии, вирусологии, бактериологии, молекулярной биологии и генетики 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, углубленное изучение бактериофагов и плазмид, совершенствование технологии культивирования микроорганизмов, клеток и тканей растений и животных позволили разработать методы генетической и клеточной инженерии, с помощью которых стало возможным искусственно создавать новые формы высокопродуктивных организмов.
Сегодня биотехнология стремительно выдвигается на передний край научно-технического прогресса. В настоящее время биотехнология представляет собой уже биоиндустрию. Все отрасли биотехнологии объединяет одно общее свойство - все вышеупомянутые процессы основаны на использовании природных систем, а именно различных прокариотических и эукариотических организмов.
Основа современного биотехнологического производства - биотехнология микробного синтеза, т.е. синтез различных веществ с помощью микроорганизмов. В крупнотоннажных производствах - производство дрожжей и напитков, этанола, большинства органических кислот и аминокислот, растворителей, ферментов, полисахаридов и т.д. Культуры микроорганизмов применяют также при тонком биосинтезе антибиотиков, витаминов, гормонов. Широкие перспективы открывает возможность микробиологического синтеза белков человека (инсулина, соматотропина, интерферона), создание генно-инженерных вакцин.
Основные направления, перспективы и значение биотехнологии микроорганизмов для народного хозяйства.
Благодаря расширению сферы применения биотехнология вносит весомый вклад в повышение уровня жизни человека. Сфера применения методов биотехнологии широка и разнообразна:
По анализу специалистов быстрее всего применение биотехнологии дает хорошие результаты в медицине, химической промышленности и сельском хозяйстве.
Развитие микробиологической промышленности, выпускающей ценные продукты биосинтеза, позволило накопить очень важный опыт конструирования, производства и эксплуатации принципиально нового промышленного оборудования. Современное микробиологическое производство - производство очень высокой культуры. Технология его очень сложна и специфична, обслуживание аппаратуры требует овладения специальными навыками, ведь всё производство работает только в условиях строжайшей стерильности. Стоит лишь одной клетке микроорганизма другого вида попасть в ферментер, как всё производство может остановиться - «чужак» размножится и начнёт синтезировать совсем не то, что нужно человеку.
В настоящее время с помощью микробиологического синтеза производят антибиотики, ферменты, аминокислоты, полупродукты для дальнейшего синтеза разнообразных веществ, феромоны (вещества, с помощью которых можно управлять поведением насекомых), органические кислоты, кормовые белки и другие. Технология производства этих веществ хорошо отработана, получение их микробиологическим путём экономически выгодно.