Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая рождалась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики, цитологии, химии, биохимии, биофизики электроники позволии получить новые сведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов.

В 1984 г. на Третьем съезде Европейской ассоциации биотехнологов в Мюнхене голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю биотехнологии на пять периодов. Их характеристика приведена в табл. 1.

Современная биотехнология оказывает огромное влияние на все аспекты практической деятельности человека. С ее помощью в настоящее время получают десятки дорогостоящих биологически активных веществ (гормоны, ферменты, витамины, антибиотики, некоторые лекарства).

Огромна роль биотехнологии в медицине. Здесь благодаря применению генной инженерии, позволяющей «встраивать» чужие гены в клетки-продуценты, удается производить такие ценнейшие вещества, как человеческий инсулин, интерфероны и др.

6

Важное значение имеет биотехнология в экологизации промышленных производств на основе создания безотходных процессов; биотехнологические методы применяются для очистки воды; биологические методы подавления вредителей сельскохозяйственных культур уверенно вытесняют химические инсектициды. Благодаря биотехнологии разработаны и внедрены энерго- и ресурсосберегающие производства.

Биотехнологические процессы являются базой для получения кормового и пищевого белка. Биотехнологическим способом получают возобновляемые источники энергии.

Дальнейший прогресс человечества связывают с широким применением во всех сферах жизни электроники и биотехнологии.

Продукты биотехнологической промышленности можно условно разделить на крупнотоннажные (этиловый спирт, дрожжи, органические кислоты, фруктозные сиропы) и медикаменты, аминокислоты, гормоны

идругие продукты тонкого микробного синтеза.

2.КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

2.1. СТРОЕНИЕ МИКРОБНОЙ КЛЕТКИ

Микроорганизмы, применяемые в биотехнологии, принадлежат к разным таксонометрическим группам (бактерии, сумчатые грибы, фикомицеты, актиномицеты и др.) и существенно отличаются друг от друга по морфологии, размерам клеток, отношению к кислороду, по потребностям к ростовым факторам, по способности ассимилировать разные компоненты субстрата и т.д. Наиболее широко используемыми микроорганизмами являются дрожжи, бактерии и микромицеты.

Из более чем 100 тысяч известных видов микроорганизмов в промышленности используют около 100 видов, к которым принадлежат несколько тысяч штаммов.

Из всех микроорганизмов, пожалуй, лучше всего изучена кишечная палочка Escherichia coli (рис. 1). Она открыта венским врачом Теодором Эшерихом.

Кишечные палочки в ограниченных количествах населяют органы пищеварения животных и человека и даже снабжают своих «хозяев» витаминами, которые они могут синтезировать из сахаров.

7

нескольких тысяч до ста тысяч пар оснований. Носителем генетической информации у большинства живых существ является дезоксирибонуклеиновая кислота, только у некоторых бактериальных вирусов и вирусов животных генетическая информация закодирована в рибонуклеиновой кислоте. Плазмиды играют важную роль в обмене генетической информацией между клетками микроорганизмов.

2.2. МЕТАБОЛИЗМ МИКРОБНОЙ КЛЕТКИ

Метаболизм – это вся сумма целенаправленных реакций, протекающих под действием ферментных систем клетки, которые регулируются различными внешними и внутренними факторами. Метаболизм обеспечивает все жизненные процессы в клетке в зависимости от среды обитания. В результате метаболизма происходит увеличение размеров клетки, ее деление. Обмен веществ клетки происходит тремя центральными метаболическими путями:

–из внешней среды в клетку поступает энергия либо в виде химической энергии органических веществ, либо в виде энергии солнечного света;

–из веществ питательной среды, перенесенных в клетку собираются «строительные блоки», которые формируют биополимеры клетки

исинтезируют макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и других клеточных компонентов;

–в клетке происходят постоянные синтез и разрушение биополимеров, выполняющих различные специфические функции.

Сверхсинтез, т. е. способность микроорганизма синтезировать определенный продукт в количествах, превосходящих физиологические потребности, довольно часто встречается в природе. Нередко тот или иной продукт обмена веществ (органические кислоты, спирты, антибактериальные вещества), выделяемый микроорганизмом в окружающую среду, является токсичным для других видов и служит продуценту как средство защиты обитаемого пространства или как резерв питательного вещества.

Обмен веществ у микроорганизмов можно рассматривать как сумму катаболизма и анаболизма. Катаболизм – это ферментативное расщепление крупных органических молекул с выделением свободной энергии. Анаболизм – это построение новых биополимеров клетки из простых соединений с поглощением энергии (рис. 2).

В результате этих двух параллельно протекающих процессов строится «тело» клетки, накапливаются необходимые клеткам запасные вещества, ферменты и промежуточные продукты обмена веществ.

Таким образом, обмен веществ слагается в клетке из конструктивного и энергетического обменов.

9

Катаболизм и анаболизм – это два самостоятельных пути в обмене веществ, но отдельные их участки могут быть общими. Такие участки называют амфиболическими.

В катаболических и анаболических процессах биохимические реакции следуют друг за другом в строжайшей последовательности, так как продукты реакции предыдущей стадии процесса, как правило, являются субстратом для протекания последующей стадии. Такая четкая преемственность возможна благодаря высокой специфичности ферментов, участвующих в обмене веществ.

Скорость протекания метаболических процессов зависит от состава питательной среды, от условий культивирования. Интенсивный обмен веществ между клеткой и средой обеспечивается большой поверхностью тела микроорганизма, через которую происходит поступление питательных веществ и выделение в окружающую среду продуктов обмена. На метаболизм клетки оказывают влияния изменения рН среды, концентрация субстрата, содержание продуктов метаболизма в среде и другие факторы культивирования. Регулирование метаболизма в клетке является очень сложным процессом.

Рис. 2. Схема метаболизма микробной клетки

10