ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

Образования «национально-исследовательский томский политехнический университет»

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик

ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ Учебное пособие

Рекомендовано в качестве учебного пособия

Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

Издательство Томского политехнического университета Томск 2011

УДК 547 + 547.1 '121(076) ББК 24.23я73

С232 Тимощенко Л.В.

Основы биотехнологии: Учебное пособие/ Тимощенко Л.В., С232 Чубик М.В.; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 225

В учебном пособии в доступной форме представлен материал, включающий общие основы микробиологии, химические основы жизни и технологические осно­вы биотехнологических производств с описанием объектов биотехнологии, аппара­турного оформления и продуктов биотехнологических производств. Отдельные гла­вы посвящены основным разделам современной биотехнологии и получению разно­образных биотехнологических биотехнологических продуктов.

УДК 547 + 547.1'121(076) ББК 24.23я73

Рецензенты

Зав. лабораторией биохимии ЦНИЛ СибГМУ, кандидат медицинских наук А.Э. Сазонов

© ГОУ ВПО «Томский политехнический

университет», 2011 © Тимощенко Л.В., Чубик М.В. 2011 © Оформление. Издательство Томского Политехнического университета, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик 1

ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ Учебное пособие 1

O OH 54

(3'_^5') T-A-T-T-C-C-A-G 167

к о д 181

Pi ' 196

1. Новые методы диагностики и исследований 233

2. Генная инженерия и белковая инженерия ферментов 233

3. Получение бактерий для деградации токсикантов и ксено­биотиков 237

5. Биоматериалы 238

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ 244

Аминокислота - целевой продукт 248

h₃n-ch-cooh 252

Бродильные процессы 254

Окислительные процессы 256

Классификация антибиотиков 269

Основные этапы промышленного получения антибиотиков 271

ГЛАВА 6. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ 326

Иммобилизация ферментов адсорбцией: 335

Иммобилизация ферментов путем включения в гели 338

Иммобилизация ферментов микрокапсулированием 339

ГЛАВА 7. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ 360

ГЛАВА 8. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ 368

ЛИТЕРАТУРА 389

ВВЕДЕНИЕ

Биотехнология - это наука об использовании биологических про­цессов в технике и промышленном производстве. Название ее происхо­дит от греческих слов bios - жизнь, teken - искусство, logos - слово, учение, наука.

Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инжене­ром Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выра­щивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, биотехнология - это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».

В соответствии с определением Европейской федерации биотехно­логов (ЕФБ, 1984) биотехнология базируется на интегральном исполь­зовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях про­мышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Уже в самом определении предмета отражено его местоположение как пограничного, благодаря чему результаты фунда­ментальных исследований в области биологических, химических и тех­нических дисциплин приобретают выраженное прикладное значение. Биотехнология непосредственно связана с общей биологией, микробио­логией, ботаникой, зоологией, анатомией и физиологией, биологиче­ской, органической, физической и коллоидной химией, иммунологией, биоинженерией, электроникой, технологией лекарств, генетикой и дру­гими научными дисциплинами.

Возникновение, становление и развитие биотехнологии можно условно разделить на четыре периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический. Эмпирический (от греч. empirikos - опытный) период - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет - до нашей эры и около 2000 лет - нашей эры. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других про­дуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. Так, египтяне выпекали хлеб из кислого теста с 4000 годов до н. э., на восто­ке вино было известно с 2000 годов до н. э. В течение нескольких тыся­челетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях, хотя о микробах-индукторах этого процесса мир узнал в 1868 г. благодаря работам Луи Пастера, несмотря на существование с XIV в. «орлеанского способа» приготовления уксуса; первая дистилляция вина осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII века, но получение абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду Луллию благодаря перегонке вина с негашеной известью.

К тому же эмпирическому периоду относятся получение кисломо­лочных продуктов и сыра, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, восточных продуктов (соевого соуса и темпеха), силосование кормов; мочка лубоволокнистых растений; культивирование грибов.

Таким образом, народы исстари пользовались на практике микро­биологическими процессами, ничего не зная о микробах; эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных.

Второй, этиологический (от греч. aitia - причина), период в раз­витии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. Он связан с выдающимися исследованиями великого фран­цузского ученого Луи Пастера (1822 - 1895) - основоположника науч­ной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин. Пастер вскрыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии; предложил метод стерилиза­ции, называемый по его имени пастеризацией и т. д.

Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и исполь­зован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродиль­ных, окислительных и др.). Например: масляно-кислые бактерии и вы­зываемое ими масляно-кислое брожение, лактобактерии и молочнокис­лое брожение, дрожжи - сахаромицеты и спиртовое брожение, уксусно­кислые бактерии и окисление этанола до уксусной кислоты и т. д. В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также некоторых продуктов обмена (метаболизма) - ацето­на, бутанола, лимонной и молочной кислот; во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Знание причин биологических процессов еще не исключало несте­рильные операции, хотя и стремились к использованию чистых культур микроорганизмов.

Для всестороннего изучения морфолого-физиологических свойств и продуктов обмена микробов все ранее предложенные способы их вы­ращивания оказались малопригодными. Более того, накопление одно­родной по возрасту большой массы клеток оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии. В 1933 г. А. Клюйвер и Л .Х. Ц. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации полу­чаемых результатов при глубинном культивировании грибов. С этого времени начинается третий период в развитии биологической техноло­гии - биотехнический. Началось внедрение в биотехнологию крупно­масштабного герметизированного оборудования, обеспечившего прове­дение процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был от­мечен в период становления и развития производства антибиотиков - время Второй мировой войны (1939-1945 гг.), когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами. Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое от­ражение в биотехнологии. Следует отметить, что уже в 1969 г. Ф. Ми- шер получил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов; В. Оствальд в 1893 г. установил каталитическую функцию ферментов; Г. Хаберланд в 1902 г. показал возможность культивирования клеток различных тканей расте­ний в простых питательных растворах; Ц. Нейберг в 1912 г. раскрыл механизм процессов брожения; Л. Михаэлис и М. Л. Ментен в 1913 г. разработали кинетику ферментативных реакций; Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов в 1925 г. доказали мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи и т. д. Следовательно, накопленные научные факты стали побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения. Это необходимо было для получения различных клеточных продуктов и самих клеток для нужд человека, и прежде всего в качестве (или в составе) лечебных и профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрацик- линов, декстрана, ряда аминокислот и многих других веществ. К 1950 г. Ж. Моно (Франция) разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов.

Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные зада­чи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходи­мого оборудования, в том числе главного из них - биореакторов. Это оборудование используют и в настоящее время.

Четвертый период в биотехнологии - генотехнический (от греч. genesis - происхождение, возникновение, рождение) - начался с 1972 г. В этом году П. Берг со своими сотрудниками в США создали первую рекомбинантную молекулу ДНК.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уо- тсона (1953) по установлению структуры ДНК было невозможно до­стигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выясне­ние механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изу­чение специфических ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на осно­ве генно-инженерных работ. В этом суть генотехнического периода.

Для генотехнического периода характерны: разработка интенсив­ных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных фунда­ментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов); получение суперпродуцентов; создание про­дуцентов, несущих в себе бессмысленную генетическую информацию (например, генов интерферона человека в клетках Pseudomonas aeru­ginosa); создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе (например, создание неклубеньковых организмов, несущих ге­ны азотобактерий, ответственных за способность фиксировать молеку­лярный азот из воздуха); разработка и внедрение экологически чистых и по возможности безотходных технологий; разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры блочного (сменного) типа для раз­личных биотехнологических схем; автоматизация и компьютеризация биотехнологических процессов; создание экономически оптимальных производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

В табл. 1 приведены основные факты, характеризующие развитие биотехнологии.

Таблица 1

История развития молекулярной биотехнологии

Дата	Событие
1917	Карл Эреки ввел термин «биотехнология»
1943	Произведен пенициллин в промышленном масштабе
1944	Эвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что генетический материал представлен ДНК
1953	Уотсон и Крик расшифровали структуру молекулы ДНК
1961	Учрежден журнал «Biotechnology and Bioengineering»
1961-1966	Расшифрован генетический код
1970	Выделена первая рестрицирующая эндонуклеаза
1972	Корана и др. синтезировали полноразмерный ген т-РНК
1973	Бойер и Коэн положили начало технологии рекомбинант- ных ДНК
1975	Колер и Мильштейн описали получение моноклональных антител
1976	Изданы первые руководства, регламентирующие работы с рекомбинантными ДНК
1976	Разработаны методы определения нуклеотидной последо-

	вательности ДНК
1978	Фирма Genentech выпустила человеческий инсулин, полу­ченный с помощью E. coli
1982	Разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК
1983	Для трансформации растений применены гибридизован- ные Ti-плазмиды
1985	Создан метод полимеразной цепной реакции (ПЦР)
1985	Разработана ДНК-дактилоскопия
1990	В США утвержден план испытаний генной терапии с ис­пользованием соматических клеток человека
1990	Официально начаты работы над проектом «Геном челове­ка»
1994-1995	Опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека
1996	Ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд. долларов
1996	Клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки
1997	Получена первая искусственная хромосома
1998	Получены первые стволовые клетки
1999	Завершена расшифровка генома дрозофилы
2000	Опубликовано 90 % генома человека
2002	Установлена структура ДНК риса
2003	Появилось в продаже первое генномодифицированое до­машнее животное (рыбка данио)
2004	Излечение травмы спинного мозга с помощью стволовых клеток (Корея)
2011	Полностью расшифрован геном человека. Закрытие про­екта «Геном человека»

В настоящее время биотехнология представляет собой биоинду­стрию, которая включает в себя, с одной стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успехом заменить широко исполь­зуемые традиционные методы, а с другой - отрасли, в которых биотех­нология играет ведущую роль. Среди первых в области химической промышленности относятся синтез искусственных приправ, полимеров и сырья для текстильной промышленности, в области энергетики - по­лучение метанола, биогаза и водорода, в области биометаллургии - из­влечение некоторых металлов из бедных руд. Во второй группе отрас­лей биотехнология охватывает производство продовольствия (широко­масштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получе­ния белков, аминокислот, витаминов и ферментов); увеличение продук­тивности сельского хозяйства (клонирование и селекцию сортов расте­ний, исходя из тканевых и клеточных культур, производство биопести­цидов и биоинсектицидов); фармацевтическую промышленность (раз­работку вакцин, синтез гормонов, интерферонов и антибиотиков); защи­ту окружающей среды и уменьшение ее загрязнения (очистку сточных вод, переработку хозяйственных отходов, изготовление компоста, про­изводство соединений, поддающихся расщеплению микроорганизма­ми).

В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения, можно выделить следующие разделы. Это:

1. Промышленная микробиология.

2. Инженерная энзимология.

3. Сельскохозяйственная биотехнология.

4. Технологическая биоэнергетика.

5. Биогеотехнология металлов.

6. Клеточная и генная инженерия.

7. Экологическая биотехнология.