Основные тенденции развития современной биотехнологии

Технология — это совокупность способов, приемов для получения из исходного материала (сырья) практически ценного продукта.

БИОТЕХНОЛОГИЯ (от греч. bios — жизнь, techne — искусство, мастерство и logos — слово, учение), использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Биотехнология — междисциплинарная область, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. С развитием биотехнологии связывают решение глобальных проблем человечества — ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды.

В последние десятилетия постоянно вырастает потребность в изучении и практическом применении микробиологических процессов, многие из них давно используются в крупномасштабных производствах. (производстве кормового белка, этанола, антибиотиков, витаминов, аминокислот и органических кислот).

Потребности людей в животном белке удовлетворяется лишь на 40%, синтез растительного белка протекает с относительно низкой эффективностью, поэтому на единицу площади сохраняется невысокий уровень продуктивности в сельском хозяйстве, причем на Земле – лишь 10% суши обрабатывается для посевов. Остальные – неудобные горы, пустыни, тундра, каменистые почвы. Очевидные трудности в сельском хозяйстве связанны также с потребностью в воде, к определенному уровню температуры, необходимостью защиты растений от вредных насекомых, болезней, внесения азотных и других видов удобрений, т.к. растения забирают эти элементы из почвы.

Для культивирования микроорганизмов не нужны большие площади и вышеперечисленные условия. Стоимость белковых микробных препаратов не зависит от погоды. Скорость роста микроорганизмов значительно превышает рост других живых организмов при создании им благоприятных условий. При этом микроорганизмы имеют мобильные ферментативные системы, позволяющие им использовать для получения энергии и собственного роста практически любые органические и многие неорганические субстраты, образуя при этом продукты, которые трудно или невозможно получить обычными технологиями.

В мире происходит исчезновение традиционных видов топлива – нефти и природного газа, а с помощью микроорганизмов можно получать дополнительные источники энергии в виде биогаза, этанола, водорода за счет использования ими отходов промышленности и сельского хозяйства, а также солнечной энергии.

Использование научных достижений и практические успехи биотехнологии обеспечиваются фундаментальными исследованиями и реализуется на самом высоком уровне современной науки. В этом плане нельзя не отметить удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и достижения теснейшим образом связаны и зависят от комплекса знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других. Биотехнология связана с молекулярной биологией, генетикой, генной инженерией, биохимической, микробиологической, физико-химической, электрохимической, химической технологией, биохимией, микробиологией, физической химией, электрохимией. Эти технологии базируются на использовании каталитического потенциала различных биологических агентов и систем – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток.

Бурное развитие комплекса наук биологического профиля с расширением практической сферы их применения обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством второй половины ХХ века, как дефицит чистой воды и пищевых веществ (в особенности белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому возникла острая необходимость в разработке и внедрение принципиально новых методов и технологий.

Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25–30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области наследственности и методические усовершенствования, которые приблизили человечество к познанию превращений ее материального субстрата и проложили дорогу новейшим промышленным процессам.

Генетическая инженерия существует немногим более 20 лет. Она блестяще раскрыла свои возможности в области прокариотических организмов. Однако новые технологии, применяемые к высшим растениям и животным, пока не столь значительны. Попытки применения приемов генетической инженерии к высшим растениям и животным сталкиваются с огромными трудностями, обусловленными как несовершенством наших знаний по генетике эукариот, так и сложностью организации высших организмов.

Лидерами биотехнологии считаются сегодня США и Япония, накопившие многолетний опыт биотехнологий для сельского хозяйства, фармацевтической, пищевой и химической промышленности. Прочное положение в производстве ферментных препаратов, аминокислот, белка, медикаментов занимают страны Западной Европы (ФРГ, Франция, Великобритания), а также Россия. Эти страны характеризуются мощным потенциалом новой техники и технологии, интенсивными фундаментальными и прикладными исследованиями в различных областях биотехнологии. Интерес к этой науке и темпы ее развития в последние годы растут очень быстро.

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, получали кисломолочные продукты, применяли ферментации для получения лекарственных веществ и переработки отходов. Но только новейшие методы биотехнологии, включая методы генетической инженерии, основанные на работе с рекомбинантными ДНК, привели к «биотехнологическому буму», свидетелями которого являемся мы в настоящее время. Новейшие технологии генетической инженерии позволяют существенно усовершенствовать традиционные биотехнологические процессы, а также получать принципиально новые, ранее недоступными способами разнообразные ценные продукты.

Современный этап научно-технического прогресса характеризуется революционными изменениями в биологии, которая становится лидером естествознания. Биология вышла на молекулярный и субклеточный уровень, в ней интенсивно применяются методы смежных наук (физики, химии, математики, кибернетики и др.), системные подходы. Большая роль в решение комплекса этих проблем отводится биотехнологии, в рамках которой осуществляется целевое применение биологических систем и процессов в различных сферах человеческой деятельности. В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения целесообразно выделить в качестве самостоятельных разделов следующие:

- Промышленная микробиология.

- Медицинская биотехнология.

- Технологическая биоэнергетика.

- Сельскохозяйственная биотехнология.

- Биогидрометаллургия.

- Инженерная энзимология.

- Клеточная и генетическая инженерия.

- Экологическая биотехнология.

Перспективность и эффективность применения биотехнологических процессов в различных сферах человеческой деятельности, от получения пищи и напитков до воспроизводства экологически чистых энергоносителей и новых материалов обусловлены их компактностью и одновременно крупномасштабностью, высоким уровнем механизации и производительности труда. Эти процессы поддаются контролю, регулированию и автоматизации.

Биотехнологические процессы, в отличие от химических, реализуются в «мягких» условиях, при нормальном давлении, активной реакции и невысоких температурах среды; они в меньшей степени загрязняют окружающую среду отходами и побочными продуктами, мало зависят от климатических и погодных условий, не требуют больших земельных площадей, не нуждаются в применении пестицидов, гербицидов и других чужеродных для окружающей среды агентов. Поэтому биотехнология в целом и ее отдельные разделы находятся в ряду наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса и являются ярким примером «высоких технологий», с которыми связывают перспективы развития многих производств.

Все высокоразвитые страны мира относят биотехнологию к одной из важнейших современных отраслей, считая ее ключевым методом реконструкции промышленности в соответствии с потребностями времени, и принимают меры по стимулированию ее развития.

Микробиологические производства могут работать как безотходные, сохранять чистоту окружающей среды, а также трансформировать и подвергать детоксикации ядовитые отходы других производств, необходимо только подобрать условия и технологические решения для конкретных случаев.

С помощью микроорганизмов, обладающих лигнолитическими и целюлозолитическими ферментами возможно превращение этих веществ в белковые продукты, биоэтанол, метан с одновременной очисткой окружающей среды, так как целлюлоза составляет основную часть промышленных и бытовых отходов.

Работы ведутся и в направлении биологической деструкции нефти и нефтепродуктов, как наиболее частого загрязнителя природы, с помощью искусственно созданных сообществ (ценозов) микроорганизмов, способных в естественных условиях разлагать нефть на более низкомолекулярные вещества и утилизировать их до включения в естественный оборот веществ.

Биотехнология по сравнению с химической технологией имеет ряд преимуществ:

• возможность получать вещества, не синтезируемые химическим путем (ферменты, белки, гормоны, ДНК, некоторые аминокислоты);

• все биотехнологические процессы наносят меньший ущерб окружающей среде, так как они близки к естественным процессам;

• микроорганизмы обладают высокой скоростью роста и накопления клеточной массы, по сравнению с другими организмами;

• в качестве сырья для производства можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства или промышленности;

• технология и оборудование биологических производств более просты.

Однако биотехнологические процессы имеют существенное отличие от химических в силу того, что в биотехнологии используют более сложную организацию материи – биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.) – это автономная саморегулирующаяся система.

Природа биологических процессов сложна и далеко не выяснена окончательно. Для микробных популяций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков – возраст, физиологическая активность, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды. Они также подвержены случайным мутациям, частота которых составляет от 10^-4 до 10^-8. Гетерогенность также может быть обусловлена наличием поверхностей раздела фаз и неоднородностью условий среды.

• Принципиальное отличие биотехнологических процессов от чисто химических заключается в следующем:

- чувствительность биологических агентов к физико-механическим воздействиям;

- наличие межфазового переноса веществ (по типу «жидкость – клетки», «газ – жидкость – клетки»);

- требования условий асептики;

- низкие скорости протекания многих процессов в целом;

- нестабильность целевых продуктов;

- пенообразование;

- сложность механизмов регуляции роста и биосинтеза.

Многоликость биотехнологии в целом и ее раздела, имеющего целью решение природоохранных задач, удивительна: она использует достижения наук биологического цикла, изучающих надорганизменный уровень (экология), биологические организмы (микробиология, микология), суборганизменные структуры (молекулярная биология, генетика). Через биологию на биотехнологию влияют химия, физика, математика, кибернетика, механика.

Современные биотехнологии также остро нуждаются в научно обоснованной проработке технологии и аппаратурном оформлении. Поэтому необходима органическая связь с техническими науками – машиностроением, электроникой, автоматикой.

Важнейшей задачей любого биотехнологического процесса является разработка и оптимизация научно-обоснованной технологии и аппаратуры для него. При организации биотехнологических производств частично был заимствован опыт развитой к тому времени химической технологии.

Основными компонентами биологического процесса являются: биологический агент, субстрат, целевой продукт, аппаратура и совместимость методов для управления процессом.

Дата добавления: 2015-10-21