БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006

Частина І. Загальна біотехнологія

Розділ 1. БІОТЕХНОЛОГІЯ - НАУКОВА ДИСЦИПЛІНА

1.2.БІОЛОГІЧНІ ОБ’ЄКТИ І МЕТОДИ БІОТЕХНОЛОГІЇ

До хіміко-біологічних процесів належать ті з них, в яких використовують біологічні об’єкти різної природи (мікробної, рослинної або тваринної), наприклад, при виробництві продукції різноманітного призначення — антибіотиків, вакцин, ферментів, кормового і харчового білка, гормонів, амінокислот, біогазу, органічних добрив тощо.

Об’єкти біотехнології дуже різноманітні й діапазон їх розповсюджується від організованих частин (вірусів) до людини (рис. 1.1.).

Біооб’єкти характеризуються такими показниками, як рівень структурної організації, здатність до розмноження (або репродукції), наявність або відсутність власного метаболізму при культивуванні у належних умовах. Що стосується характеру біооб’єктів, то під цим слід розуміти їх структурну організацію. В такому випадку біооб’єкти можуть бути молекулами (ферменти, імуномодулятори, нуклеозиди, оліго- і поліпептиди тощо), організованими частинами (віруси, фаги), одноклітинними (бактерії, дріжджі) і багатоклітинними особинами (нитчасті вищі гриби, рослинні тканини, одношарові культури клітин

ссавців), цілими організмами рослин і тварин. Але навіть при використанні біомолекули як об’єкта біотехнології її початковий біосинтез здійснюється у більшості випадків відповідними клітинами. Отже, можна стверджувати, що об’єкти біотехнології належать або до мікробів, або до рослинних і тваринних організмів.

Таким чином, незалежно від систематичного положення біооб’єкта на практиці використовують або природні організовані частинки (фаги, віруси) і клітини з природною генетичною інформацією, або клітини з штучно заданою генетичною інформацією, тобто у будь-якому випадку використовують клітини — чи то мікроорганізм, рослина, тварина або людина.

Рис 1.1. Класифікація об’єктів біотехнології

(за Єліновим Н.П., 1995)

Нині більшість об’єктів біотехнології становлять мікроби, світ яких дуже великий і різноманітний. До них належать усі прокаріоти — бактерії, актиноміцети, рикетсії, синьо-зелені водорості й частина еукаріот — дріжджі, нитчасті гриби, простіші й водорості (рис. 1.2). Мікробами серед рослин є мікроскопічні водорості, а серед тварин — мікроскопічні найпростіші.

Рис. 1.2. Класифікація мікроорганізмів

(за Дж. Бейлі, Д. Олліс, 1989)

Основою сучасного біотехнологічного виробництва є мікробіологічний синтез, тобто синтез різноманітних речовин за допомогою мікроорганізмів. Об’єкти рослинного і тваринного походження ще не знайшли широкого розповсюдження через їх високу вимогливість до умов культивування, що значно здорожчує виробництво.

Для реалізації біотехнологічних процесів важливими параметрами біооб’єктів є: чистота, швидкість розмноження клітин і репродукції вірусних частин, активність і стабільність біомолекул або біосистем.

При використанні ферментів (в ізольованому або іммобілізованому стані) як біокаталізаторів виникає необхідність охорони їх від деструкції банальною сапрофітною мікрофлорою, яка може проникати у сферу біотехнологічного процесу ззовні внаслідок нестерильності системи, наприклад, через негерметичність обладнання.

Швидкість розмноження клітин і репродукція вірусних частин прямо пропорційно відбиваються на збільшенні біомаси і утворенні метаболітів.

Активність і стабільність перебування біооб’єктів в активному стані — найважливіші показники їх придатності для тривалого використання в біотехнології.

Головною ланкою біотехнологічного процесу, який визначає його сутність, є клітина. Саме в ній синтезується цільовий продукт. За влучним висловом Овчіннікова Ю.А. (1985), клітина — це мініатюрний хімічний завод, який працює з колосальною продуктивністю, з граничною узгодженістю і за заданою програмою. В ній щохвилинно синтезуються сотні найскладніших сполук, включаючи гігантські біополімери, у першу чергу білки.

Узагальнена схема одержання біотехнологічної продукції наведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Приблизна узагальнена схема процесів у біотехнології

(за Єліновим Н.П., 1995)

Методи біотехнології. Біотехнології притаманні свої специфічні методи. Це крупномасштабне глибинне культивування біооб’єктів у періодичному, напівбезперервному або безперервному режимі та вирощування клітин рослинних і тваринних тканин в особливих умовах. Біотехнологічні методи культивування біооб’єктів виконуються у спеціальному обладнанні, наприклад, у ферментерах вирощують бактерії і гриби при одержанні антибіотиків, ферментів, органічних кислот, деяких вітамінів тощо.

У подібних ферментерах вирощують деякі клітини людини (бласти) для одержання білка-інтерферону, а також деякі види рослинних клітин. Однак останні частіше вирощують у стаціонарних умовах на середовищі з ущільненою (наприклад, агаризованою) підкладкою у скляних або поліетиленових ємностях.

Інші методи, які використовують у біотехнології, є спільними, наприклад з методами в мікробіології, біохімії, органічній хімії й інших науках. Особливо потрібно виділити методи клітинної і генетичної інженерії, які покладено в основу сучасної біотехнології.

Відмінністю методів, які використовуються у біотехнології, є те, що вони повинні виконуватись, як правило, в асептичних умовах (від грецького а — ні, septicos — гнилісний), тобто з уникнення можливості потрапляння у середовище, де культивується біооб’єкт, патогенних і сапрофітних мікроорганізмів.

Патогенні види становлять безпосередню небезпеку для за- діяних у виробництві людей і для споживачів кінцевих продуктів; сапрофітні види можуть виступати конкурентами за поживні субстрати, антагоністами, продуцентами токсичних речовин, включаючи пірогени.