Принципы биотехнологии и выбор объектов
Промышленная биотехнология опирается на тесную интеграцию передовых научных разработок и реальных производственных мощностей. В основе лежат такие процессы, как брожение (ферментация), биоконверсия (трансформация одного вещества в другое), культивирование биообъектов и генетические манипуляции.
Несмотря на колоссальное природное биоразнообразие (более 100 тыс. видов бактерий и 250 тыс. грибов), в реальном биотехнологическом производстве задействовано около 100 видов. Это жесткое ограничение продиктовано слабой изученностью подавляющего большинства представителей микромира. Для успешной работы со штаммом требуется специализированное оборудование, строгий контроль на всех стадиях и глубокое понимание физиологии продуцента.
Бактерии и грибы как биологические фабрики
В промышленности разные роды микроорганизмов решают узкоспециализированные задачи:
- Род Acetobacter: окисляет этанол для получения уксусной кислоты (с выделением углекислого газа и воды).
- Род Bacillus: служит источником ферментов (на примере B. subtilis) и основой для средств защиты растений (B. thuringiensis).
- Род Clostridium: применяется для сбраживания сахаров с образованием растворителей — бутанола, ацетона и этанола.
- Молочнокислые бактерии (Lactobacillus): незаменимы в пищевой промышленности.
- Псевдомонады (P. denitrificans): используются для синтеза витамина B12.
- Коринебактерии (C. glutamicum): продуцируют аминокислоты.
Среди грибов важнейшую роль играют плесени (Penicillium chrysogenum, Cephalosporium acremonium) и актиномицеты (Streptomyces spp.) — главные продуценты антибиотиков. Дрожжи активно применяются в хлебопечении, пивоварении и виноделии, для синтеза кормового белка, а также выступают важным компонентом лабораторных питательных сред.
Медицинское и генно-инженерное применение
Прорыв в фармакологии связан с использованием рекомбинантных штаммов, куда методами генной инженерии внедрен чужеродный генетический материал.
- Кишечная палочка (E. coli) стала универсальным продуцентом: она вырабатывает интерфероны, инсулин, гормоны роста и различные антигены.
- Сенная палочка (B. subtilis) также эффективно производит интерферон.
- Дрожжевые культуры используются для промышленного синтеза интерлейкинов и антигенов вируса гепатита B.
- Рекомбинантные вирусы (например, вирус осповакцины) выступают платформой для получения вирусных антигенов.
Помимо модифицированных, применяются и нативные патогенные, условно-патогенные или вакцинные штаммы. Они необходимы для производства диагностикумов, иммуноглобулинов, пробиотиков и фаговых препаратов.
Культуры клеток растений и животных
Когда микроорганизмы не могут синтезировать сложные молекулы, используют культуры изолированных клеток.
Клетки растений стали масштабируемой альтернативой сбору дикорастущего сырья (например, отработана технология выращивания клеток женьшеня). Они синтезируют опиаты, алкалоиды, витамины и ферменты, а также препараты различных групп (мочегонные, сердечные, противоопухолевые). Полученные вещества полностью биологически эквивалентны компонентам из целых растений.
Животные клетки применяют для получения клеточных продуктов и в качестве субстрата для репродукции вирусов при создании вакцин. Используются первичные и перевиваемые линии, полученные из опухолевых тканей или нормальных тканей (костный мозг, почки, легкие, кожа, соединительная ткань). Для сохранения свойств штамма и предотвращения генетических мутаций количество пассажей (пересевов) сводят к минимуму, а культуры хранят в жидком азоте.
Типовые стадии производства
Технологическая цепочка биотехнологического синтеза строго унифицирована и включает пять базовых этапов:
- Выбор продуцента: подбор наиболее продуктивного и генетически стабильного штамма.
- Подготовка среды: поиск оптимальной и экономически рентабельной питательной базы.
- Культивирование: масштабное наращивание биомассы на промышленном оборудовании.
- Выделение: очистка целевого продукта из биомассы или культуральной жидкости.
- Стандартизация: придание полученному веществу финальной лекарственной формы.
Для быстрого запоминания бактерий-продуцентов: E. coli (Кишечная палочка) — это «фабрика» гормонов (инсулин, гормон роста), а Penicillium (Плесень) — классическая «фабрика» антибиотиков.
Вопросы с занятий и экзамена
Почему в биотехнологии используется лишь около 100 видов микроорганизмов?
Несмотря на то, что в природе существуют сотни тысяч видов бактерий и грибов, большинство из них пока очень слабо изучено, что делает их непригодными для строго контролируемого промышленного производства.
Зачем в биотехнологии нужны клетки животных?
Они служат незаменимым субстратом для размножения вирусов. На основе этих культур производят многие современные вирусные вакцины и диагностические препараты.
Отличаются ли вещества, полученные из культур клеток растений, от природных?
Нет, продукты клеточного синтеза обладают абсолютной биологической эквивалентностью и оказывают то же действие, что и вещества, экстрагированные из нативных растений.
Что ещё разобрать по теме
- Методы генной инженерии при создании рекомбинантных штаммов
- Специфика биоконверсии и процессов брожения в биореакторах
- Процесс криоконсервации и пассирования культур животных клеток
- Механизмы выделения и очистки целевого продукта из культуральной жидкости
- Особенности промышленного культивирования растительных клеток (на примере женьшеня)
Разберите тему целиком в курсе «Микробиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Объекты промышленной биотехнологии» и ещё 4 383 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 141 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Биотехнология. Генетическая инженерия»
Весь раздел «Биотехнология. Генетическая инженерия»Бесплатные видеоуроки: микробиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.