Современные биотехнологии

Выведение новых сортов растений. Традиционные подходы к выведению новых  сортов растений — это селекция на основе гибридизации, спон-танных и индуцированных мутаций. Методы селекции не столь отда-ленного будущего включают генетическую и клеточную инженерию.

С клонированием  клеток связывают надежды на устранение вирусных за-болеваний растений. Разработаны методы, позволяющие получать реге-неранты из тканей верхушечных почек растений. В дальнейшем среди ре-генерированных растений проводят отбор особей, выращенных из неза-раженных клеток, и выбраковку больных растений. Раннее выявление ви-русного заболевания, необходимое для подобной выбраковки, может быть осуществлено методами иммунодиагностики, с использованием мо-ноклональных антител или методом ДНК/РНК-проб. Предпосылкой для этого является получение очищенных препаратов соответствующих виру-сов или их структурных компонентов. Клонирование клеток — перспек-тивный метод получения не только новых сортов, но и промышленно важ-ных продуктов. При правильном подборе условий культивирования, в час-тности при оптимальном соотношении фитогормонов, изолированные клетки более продуктивны, чем целые растения. Иммобилизация рас-тительных клеток или протопластов нередко ведет к повышению их син-тетической активности.

Таким образом,  биотехнология открывает широкие  перспективы в облас-ти выведения новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным внешним воздействиям, вредителям, патогенам, не требующих азотных удобрений, отличающихся высокой продуктивностью.

2. Биотехнология и животноводство.

Большое значение в связи с интенсификацией  животноводства отводится профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных живот-ных с применением рекомбинантных живых вакцин и генно-инженерных вакцин-антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с помощью мо-ноклональных антител и ДНК/РНК-проб.

Для повышения  продуктивности животных нужен полноценный  корм. Ми-кробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов — бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одноклеточных организмов с высокой эффекти-вностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т кормо-вых дрожжей позволяет получить 0,4- 0,6 т свинины, до 1,5 т мяса птиц, 25—30 тыс. яиц и сэкономить 5—7 т зерна. Это имеет большое народно-хозяйственное значение, поскольку 80% площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.

Одноклеточные организмы характеризуются высоким  содержанием белка — от 40 до 80% и более. Белок одноклеточных  богат лизином, незаме-нимой аминокислотой, определяющей его кормовую ценность. Добавка биомассы одноклеточных к недостаточным по лизину растительным кор-мам позволяет приблизить их аминокислотный состав к оптимальному. Недостатком биомассы одноклеточных является нехватка серосодер-жащих аминокислот, в первую очередь метионина. У одноклеточных его приблизительно вдвое меньше, чем в рыбной муке. Этот недостаток при-сущ и таким традиционным белковым кормам, как соевая мука. Питатель-ная ценность биомассы одноклеточных может быть значительно повыше-на добавкой синтетического метионина.

Производство  кормового белка на основе одноклеточных — процесс, не-требующий посевных площадей, не зависящий от климатических и погод-ных условий. Он может быть осуществлен в непрерывном и автоматизи-рованном режиме.

В нашей  стране производится биомасса одноклеточных, в особенности на базе углеводородного сырья. Достигнутые успехи не должны заслонять проблемы, возникающей при использовании углеводородов как суб-стратов для крупномасштабного производства белка, — ограниченность их ресурсов. Важнейшими альтернативными субстратами служит метанол, этанол, углеводы растительного происхождения, в перспективе водород.

Очищенный этанол на мировом рынке стоит  почти вдвое дороже мета-нола, но этанол отличается очень высокой эффективностью биоконверсии. Из 1 кг этанола можно получить до 880 г дрожжевой массы, а из 1 кг мета-нола-до 440 г. Биомасса из этанола особенно богата лизином — до 7%.

Большое значение для животноводства имеет обогащение растительных кормов микробным белком. Для этого широко применяют твердофазные процессы.

Перспективными  источниками белка представляются фототрофные микро-организмы, в особенности цианобактерии рода Spirulina и зеленые одно-клеточные водоросли из родов Chlorella и Scenedesmus. Наряду с обыч-ными аппаратами для их выращивания используют искусственные водое-мы. Добавление к растительным кормам биомассы Scenedesmus позволя-ет резко повысить эффективность усвоения белков животными.

Таким образом, существуют разнообразные источники  сырья для полу-чения биомассы одноклеточных. Некоторые субстраты (этанол) дают столь высококачественный белок, что он может быть рекомендован в пищу. Цианобактерии рода Spirulina издавна используют в пищу ацтеки в Цент-ральной Америке и племена, обитающие на озере Чад в Африке.

3. Технологическая биоэнергетика.

Технологическая биоэнергетика — одно из направлений  биотехнологии, связанное с эффективным  использованием энергии, запасаемой при  фото-синтезе. Это может быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, на-копленной в результате фотосинтеза в дешевое и высококалорийное топ-ливо — метан и другие углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации са-мого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с макси-мальной эффективностью используется на образование водорода или дру-гого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО₂ и синтеза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосред-ственного преобразования энергии Солнца в электрическую (био-фотоэлектрические преобразователи энергии).

Получение этанола как топлива.

Этанол —  экологически чистое топливо, дающее при  сгорании СО2 и Н2О. Он используется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10—20%-ная добавка к бензину (газохол). В Бразилии уже к 1983 г. 75% ав-томобилей работали на 95%-ном этаноле, а остальные — на газохоле. В США предполагают заменить на этанол 10% потребляемого бензина. Ши-рокое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.

На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяй-ственные культуры, предназначенные для биотехнологической переработ-ки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает пробле-ма, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилем-мой: продовольствие или энергия. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным: на каждый литр спирта приходится 12-14 л сточных вод с высокой концентрацией отходов, опасных для природных экосистем. Проблема рациональной переработки этих отходов не решена.

Получение метана и других углеводородов.

Получение метана — важный путь утилизации сельскохозяйственных отхо-дов. Он получается в виде биогаза — смеси метана и СО₂. Присутствие СО₂ ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в зависимости от соотношения СН₄/СО₂ составляет 20,9—33,4 кДж/м³. Со-держание метана в биогазе варьирует от 50 до 85%.

Непосредственно к образованию метана способна небольшая  группа мик-роорганизмов, относящихся к архебактериям. Жизнедеятельность метан-образующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях. Суб-стратами для образования метана могут служить муравьиная и уксусная кислоты, метанол, газовые смеси (Н₂ + СО, Н₂ + СО₂). Поскольку биогаз практически получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образова-ния применяют многокомпонентные микробные ассоциации.

Наряду с  метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций вхо-дят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служить метаногенная ассоциация «Methanobacillus Kuzneceovii», образующая ме-тан при разложении биомассы водорослей.

Процесс метанобразования отличается высокой эффективностью: до 90—95% используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с успехом используют для очистки сточных вод от орга-нических загрязнений с одновременным получением высококалорийного топлива. До 5—10% потребленного углерода превращается в биомассу, которая также находит применение. Используют как жидко-, так и твердо-фазные процессы получения биогаза (биогазификации).

Наряду с  биогазом метаногенные ассоциации образуют другие ценные продукты, например витамин В₁₂. После переработки органического суб-страта в биогаз остается материал, представляющий собой ценное мине-ральное (азотное и фосфорное) удобрение.

Получение биогаза — процесс, отличающийся простотой оборудования и доступностью сырья, требует небольших капиталовложений. В Китае, Ин-дии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вмес-тимостью 10—15 л, достаточных для удовлетворения энергетических пот-ребностей семьи из пяти человек.

Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов — продуцентов углеводородов как заменителей топлива. Это микро-водоросли — Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo-ropsis и др. Углеводороды накапливаются в значительных количествах — до 80% сухой массы клеток. В США действует ферма для выращивания водорослей с суммарной пло-щадью водоемов 52 тыс. гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углево-дородов в сутки. Для улучшения топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают гидрированию.

Получение водорода как топлива  будущего.

Получение водорода как топлива пока остается на уровне поисковых раз-работок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г. Химический и электрохимический способы получения Н2 неэко-номичны, поэтому заманчиво использование микроорганизмов, способ-ных выделять водород. Такой способностью обладают аэробные и анаэро-бные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бакте-рии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие. Про-цесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.

4. Биотехнология и медицина.

Нет такого экспериментального подхода или  исследовательского направ-ления в биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему столь многообразны связи между биотехнологией и самой гу-манной из всех наук.

Антибиотики.

Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обла-дающие высокой физиологической активностью по отношению к опреде-ленным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, из-бирательно задерживающих их рост или полностью подавляющих разви-тие. Далеко не все из этих соединений, число которых приближается к 5000, допущены для применения в медицине.

Важной задачей  является повышение эффективности  биосинтеза из-вестных антибиотиков. Значительных результатов удалось добиться за де-сятилетия селекции штаммов-продуцентов с применением инду-цированного мутагенеза и ступенчатого отбора. Например, продук-тивность штаммов Penicillium по синтезу пенициллина увеличена в 300—350 раз. Определенные перспективы открываются в связи с возможностью клонирования генов «узких мест» биосинтеза антибиотика или в случае, если все биосинтетические ферменты кодируются единым опероном.

Вместо антибиотика  в организм человека может вводиться  его продуцент, антагонист возбудителя заболевания. Этот подход берет начало с работ И. И.Мечникова о подавлении гнилостной микрофлоры в толстом кишечнике человека посредством молочнокислых бактерий. Важную роль в возник-новении кариеса зубов играет обитающая во рту бактерия Streptococcus mutans, которая выделяет кислоты, разрушающие зубную эмаль и дентин. Получен мутант Strept. mutans, который при введении в ротовую полость почти не образует коррозивных кислот, вытесняет дикий патогенный штамм и выделяет летальный для него белковый продукт.

Гормоны.

Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли  в пос-ледние годы в направлении синтеза пептидных гормонов.

Раньше гормоны  получали из органов и тканей животных и человека (кро-ви доноров, удаленных при операциях органов, трупного материала). Тре-бовалось много материала для получения небольшого количества продук-та. Так, человеческий гормон роста (соматотропин) получали из гипофиза человека, каждый гипофиз содержит его не более 4 мг. В то же время для лечения одного ребенка, страдающего карликовостью, требуется около 7 мг соматотропина в неделю; курс лечения должен продолжаться нес-колько лет. С применением генно-инженерного штамма Е. coli в настоящее время получают до 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования. Открываются перспективы борьбы не только с карликовостью, но и с низ-корослостью — более слабой степенью дефицита соматотропина.  Сома-тотропин способствует заживлению ран и ожогов, наряду с кальцитонином (гормоном щитовидной железы) регулирует обмен Са²⁺ в костной ткани.