Lektsia_1

ЛЕКЦИИ 1-2
ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ.
ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БИОТЕХНОЛОГИЮ
Понятие о биотехнологии
2. Значение биотехнологии для различных отраслей народного хозяйства
3. Этапы развития биотехнологии
4. Экологическая биотехнология как раздел общей биотехнологии

– совокупность способов (приемов) для получения из исходного материала (субстрата) практически ценного продукта
Основные классы технологий:
физико-механические технологии
исходный материал (сырье) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние, но не изменяет химического состава;
химические технологии
исходный материал (сырье) претерпевает изменение химического состава;
биотехнологии
целенаправленное получение ценных для народного хозяйства и практической деятельности человека соединений с использованием биохимической деятельности микроорганизмов, клеток растений и животных, и их компонентов
ТЕХНОЛОГИЯ

ОСОБЕННОСТИ БИОТЕХНОЛОГИИ
– использование биологических систем (микроорганизмов, клеток растений и животных, клеточных компонентов)
получение настойки женьшеня из корня женьшеня и из каллусной культуры;
получение глюкозы из крахмала кислотным и ферментативным гидролизом;
целенаправленность
очищение загрязненной нефтью почвы с помощью естественной биологической активности аборигенной микробиоты и внесения специально подобранных высокоактивных микроорганизмов-нефтедеструкторов.

ВИДЫ БИОХИМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ,
используемые в биотехнологии
– наращивание биомассы
получение пекарских дрожжей, кормовых дрожжей, пробиотиков, заквасок;
биосинтез (de novo) в процессе роста практически ценных соединений (внеклеточные и внутриклеточные продукты)
получение витаминов, антибиотиков, органических кислот;
микробиологическая биотрансформация
получение уксуса из этанола, диоксиацетона из глицерина, превращение глюкозы во фруктозу;
утилизация микроорганизмами веществ, являющихся загрязнителями
биологическая очистка сточных вод, биоремедиация почв;
микробное выщелачивание
перевод в растворенное, доступное для извлечения, состояние ценных металлов (медь, цинк, уран) из руд;
использование биохимической деятельности микроорганизмов для образования газов
создание пористых металлов, хлебопечение, получение пива и шампанского.

возможность получения уникальных природных соединений, которые не могут быть синтезированы химически или их химический синтез не рентабелен (ДНК, белки, др.);
высокая специфичность микробных ферментов позволяет осуществлять тонкие перестройки молекул с использованием простых технологических схем, в то время как аналогичные химические превращения многостадийны, трудоемки или невозможны (1,2-дегидрирование и 11β-гидроксилирование стероидов при синтезе лекарственных препаратов);
«мягкие» условия протекания реакций: водные среды, относительно невысокие температуры (не выше 100 °С) и давление (атмосферное);
высокие скорости роста, протекания метаболических процессов и накопления биомассы микроорганизмов (за сутки в ферментере объемом 300 м3 можно наработать 1 т белка (365 т/год) = 30 000 голов крупного рогатого скота = бобовые с площади 5 400 га);
возможность использования в качестве сырья отходов сельского хозяйства и промышленности;
экологическая безопасность: образование небольшого количества вредных для биосферы отходов и побочных продуктов
ПРЕИМУЩЕСТВА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
по сравнению с химическими технологиями

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ
Допастеровский период (до 1865 г.)
приготовление хлеба, молочных продуктов (сыры, йогурт), получение спиртосодержащих напитков (вино, пиво) и других продуктов (уксус) на основе процессов брожения
Пастеровский период (1865-1940 гг.)
промышленное культивирование микроорганизмов с целью получения продуктов брожения (этанол, бутанол, ацетон, органические кислоты)
Эра антибиотиков (1940-1960 гг.)
промышленное производство пенициллина, стрептомицина, хлортетрациклина, микробное превращение стероидов (кортизона, тестостерона, эстрогена).

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ
Постантибиотическая эра (1960-1975 гг.)
расширение круга промышленно производимых микробных продуктов, включая микробиологическое производство аминокислот (глутамин и лизин), производство микробного белка, производство ферментов (протеазы, амилазы, глюкозоизомеразы), промышленное применение иммобилизованных ферментов (глюкозоизомераза), производство бактериальных полисахаридов (ксантан).
Эра новой биотехнологии (после 1975 г.)
Развитие синтетической биотехнологии, включая разработку технологий рекомбинантной ДНК (1974 г.) и получение с ее использованием первых продуктов (1982 г. – инсулин человека)

ДОСТИЖЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

МЕЖДИСЦИПЛИНАРНАЯ ПРИРОДА БИОТЕХНОЛОГИИ

медицина;
пищевая промышленность;
сельское хозяйство;
экология;
энергетика;
химическая промышленность;
нефтедобыча;
получение металлов;
прочие приложения
ЗНАЧЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ХОЗЯЙСТВА

БИОТЕХНОЛОГИЯ В МЕДИЦИНЕ

БИОТЕХНОЛОГИЯ В МЕДИЦИНЕ
Вакцины
живые, «убитые», «химические» обезвреженные токсины
Антибиотики
1929 г. – А. Флеминг открыл пенициллин, 1938 г. – Г. Флори и Э. Чейн выделили пенициллин в чистом кристаллическом виде, 1940-1950 гг. – с помощью пенициллина спасены жизни более 15 млн человек
Витамины
синтез витаминов В2, В12, одна из стадий синтеза витамина С
Инсулин
Гормон роста (соматотропин)
10 чел на 1 млн населения - карлики
Иммуномодуляторы (интерферон, интерлейкины)
Иммунодепресанты (циклоспорин А)
Кровезаменители (полиглюкин)
Стероидные гормоны
Медицинские ферменты (лизоцим, стрептокиназа, β-галактозидаза, протеаза, L-аспарагиназа)
Коферменты (инозин, рибоксин, убихинон)

БИОТЕХНОЛОГИЯ В МЕДИЦИНЕ
Аминокислоты
Подсластители (аспартам)
Пробиотики
Женьшень
Биоразлагаемые полимеры (полигидкорсибутират, полилактат)
Моноклональные антитела
Нуклеотиды и нуклеозиды
ПЦР-диагностика
ИФА-диагностика
Персонифицировання медицина
Нейропептиды
Косметические токсины (ботулинистический токсин)

БИОТЕХНОЛОГИЯ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЕННОСТИ
Вино, пиво, квас, дрожжевой хлеб
продукты естественного брожения известны с давних времен
Кисломолочные продукты
Уксус
из спирта с помощью уксуснокислых бактерий Gluconobacter и Acetobacter
Органические кислоты (подкислители)
лимонная (200 тыс.т/год), молочная (50 тыс.т/год), итаконовая, глюконовая, фумаровая
Глутаминовая кислота (глутамат)
Витамины (β-каротин, витамины группы В)
Спирт (+углекислый газ для газированных безалкогольных напитков)
Глюкозо-фруктозные сиропы (на 30% дешевле сахара);
Пищевой белок (микропротеин – биомасса мицелиальных грибов рода Fusarium)
Ферментированные мясные изделия
Ферменты (протеазы, пектиназы, глюкозоизомеразы, целлюлазы,
β-галактозидазы, глюкозооксидазы)
Пищевые красители
Пищевые загустители (декстран)
Пищевые консерванты (дальвацин, низин)

БИОТЕХНОЛОГИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Вакцины
Антибиотики
Пробиотики
Дезинфектанты
Кормовые витамины
Гормоны роста
Кормовой белок (биомасса дрожжей Сandida maltosa, выращенных на жидких парафинах – отходах нефтепроизводства)
Кормовые аминокислоты (незаменимые – изолейцин, лизин, лейцин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин, гистидин, аргинин + пролин для птицы);
Закваски для силосовая
Антибиотики для растений
Ростовые гормоны (ИУК)
Биоудобрения
Биопестициды
Биоинсектициды
Безвирусная рассада

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
использование биотехнологии для охраны окружающей среды.
Биотехнологическая очистка стоков
начало ХХ века – аэробная очистка коммунально-бытовых и промышленных стоков с использованием активного ила.
Биосорбция тяжелых металлов из стоков
аккумуляция в клетках микроорганизмов свинца, меди, никеля, хрома в высокой концентрации → сырье для получения цветных металлов
Биокомпостирование твердых отходов
Смешивание ТБО с микроорганизмами, осуществляющими их деструкцию, и балластным материалом (торф и др.) (для улучшения аэрации)
Метановое сбраживание твердых отходов (получение биогаза)
1776 г. – А. Вольта обнаружил, что в болотном газе содержится метан.
1901 г. – получение биогаза (65% - метан, 30% - углекислый газ) путем анаэробного сбраживания осадка избыточного активного ила, образующего в очистных сооружениях; биогаз накапливается в метантенках под давлением; сброженный осадок – удобрение.
Биологическая очистка газовоздушых выбросов
Биофильтры = специальная насадка + микроорганизмы-деструкторы

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
Биодеградация нефтяных загрязнений в почве и воде
Биодеградация химических пестицидов и инсектицидов
Обессеривание нефти и каменного угля
Микроорганизмы, восстанавливающие серу из сульфидов и меркаптанов в элементарную → повышение экологичности топлива (меньше выбросов диоксида серы в атмосферу)
Борьба с накоплением метана в шахтах
Накопление метана → взрывы → решение: внесение культур микроорганизмов, утилизирующих метан (могут служить источником кормового белка)
Обогащение воздуха кислородом
В замкнутых пространствах (космический корабль, подводная лодка, др.) путем культивирования цианобактерий (хлорелла)
Биоразлагаемые биополимеры
ХХ век – век пластмасс (полипропилен, полиэтилен), замена их на полилактат, полибутират, специальным образом обработанный крахмал в смеси с целлюлозой.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
решение энергетический проблем
Получение биогаза из органических отходов
Китай, Индия. Производство на основе сельскохозяйственных отходов (навоз), установки относительно небольшого размера (1-10 м3).
Получение водорода биофотолизом воды
Водород – экологически чистое топливо, имеющее высокую теплотворную способность (12,8 кДж/м3). Используются фототрофные бактерии.
Биосинтез углеводородов микроорганизмами
Синтез жидких и твердых углеводородов микроводорослями (Botriococcus braunii – до 75%, Dunaliella berdause – до 85% сухой массы клеток).
Получение биотоплива и растворителей
Бутанол, этанол – анаэробное ацетонобутиловое и спиртовое брожение крахмалсодержащего сырья

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Подготовка культуры микроорганизма-продуцента.
Подготовка сырья.
Стадия ферментации.
Выделение и очистка целевого продукта.
Приготовление товарной формы целевого продукта.
ОСНОВНЫЕ СТАДИИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

способность расти в чистой культуре и генетическая стабильность;
отсутствие патогенности и токсичности; высокая скорость роста при массовом культивировании и способность синтезировать продукт в большом количестве и за короткий промежуток времени;
устойчивость к контаминации;
способность расти на простых и дешевых питательных средах.
ТРЕБОВАНИЯ К ШТАММАМ-ПРОДУЦЕНТАМ
бактерии и цианобактерии;
дрожжи;
мицелиальные грибы;
водоросли;
простейшие.
ОБЪЕКТЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

антибиотики (Penicillium spp.);
гиббереллины и цитокинины (Fusarium spp., Botrytis spp.);
каротиноиды (астаксантин, Rhaffia rhodozima,);
белок (Candida, Saccharomycopsis lipolytica);
спирты (Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces fragilis);
сыры типа рокфор и камамбер (Penicillium spp.);
соевый соус (Aspergillus oryzae).
ГРИБЫ
ПРОСТЕЙШИЕ
Противоопухолевые препараты круцин и трепаноза (Trypanosoma (Schizotrypanum cruzi)), астазилид (Astasia longa), парамилон (Astasia spp., Euglena spp.).
Потенциальные продуценты белка и гетерополисахаридов.
кормовой и пищевой белок (Chlorella spp., s Scenedesmuspp);
пищевые и витаминные добавки (Ulva spp., Porfira spp., Undaria spp., Rhodimenia spp., Alaria spp.);
глицерол (Dunaliella bardawil)
ВОДОРОСЛИ