Е.В. МАКАРЕВИЧ

ПРОМЫШЛЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ

И ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Федеральное агентство по рыболовству

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Мурманский государственный технический университет»

Е.В. МАКАРЕВИЧ

ПРОМЫШЛЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ

И ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Допущено Ученым Советом МГТУ в качестве учебного пособия

для студентов по дисциплине «Микробиология»

для специальностей 020201.65 «Биология», 020803.65 «Биоэкология»,

020209.65 «Микробиология»

Мурманск, 2009

УДК

ББК

Рецензенты:

Заведующая испытательной лабораторией микробиологии ФГУ Мурманского центра стандартизации, метрологии и сертификации Молчановская Т.И.; заведующий кафедрой географии и экологии Мурманского государственного педагогического университета, канд. биол. наук Николаев А.В.

Макаревич, Е.В. Промышленная микробиология и основы биотехнологии: Учебное пособие для студентов вузов/Елена Викторовна Макаревич. – Мурманск: МГТУ. – 2009. – с.

Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальностям 020201.65 «Биология», 020803.65 «Биоэкология», 020209.65 «Микробиология».

В основу настоящего учебного пособия положены сведения из ряда отраслей наук, описывающих функционирование и перспективы развития современных отраслей промышленной микробиологии и биотехнологии. Учебное пособие содержит сведения о становлении биотехнологии как науки и сферах использования микроорганизмов в промышленности. В учебном пособии отражены представления о биообъектах и основах генетической модификации микрообъектов, об эндогенной и экзогенной регуляции их продуктивности и управлении биосинтезом; предоставлены научные основы и технологические аспекты применения микроорганизмов, сведения о способах решения проблем медицины, сельского хозяйства, экологии и охраны окружающей среды методами биотехнологии.

The data from the different scientific branches about functioning and prospects of development of the modern fields of industrial microbiology and biotechnology are put in the basis of the manual. The manual consists of the data about history of biotechnology and the industrial using of microorganisms. The manual also keeps the data about bioobject's and the bases of microobject's genetic updating, about endogenous and exogenous regulation of their efficiency and biosynthesis management; scientific bases and technological aspects of microorganism's application; the decision of medicine, agriculture, ecology and environmental protection problems by using biotechnological methods.

Учебное издание

Макаревич Елена Викторовна

ПРОМЫШЛЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ И ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

ВВЕДЕНИЕ

В основе промышленной микробиологии лежат закономерности жизнедеятельности прокариотных и эукариотных микроорганизмов, как основных объектов технологий. Промышленная микробиология, объединяющая фундаментальную науку (получение новых генно-инженерных штаммов сверхпродуцентов) и технологию (крупномасштабное выращивание микроорганизмов), исследует микроорганизмы и процессы, приводящие к образованию полезных веществ или продуктов с их помощью. К задачам промышленной микробиологии можно также отнести разработку принципов использования микроорганизмов для организации технологических процессов пищевых производств (хлеба, пива, вина, молочнокислых продуктов и т.д.), для очистки окружающей среды от различных антропогенных загрязнений, в биометаллургии.

Промышленная микробиология является частью общей науки биотехнологии. Термин биотехнология включает составляющие «bios», «technos», «logos» греческого происхождения (от греч. «биос» – жизнь, «техне» – искусство, мастерство, умение и «логос» – понятие, учение) и является более широким понятием. Биотехнология (biotechnology) – наука, изучающая возможности использования организмов, биологических процессов и систем в производстве, включая превращение различных видов сырья в высококачественные продукты. В основе современной биотехнологии лежит перенос единиц наследственности (генов) из одного организма в другой, осуществляемый методами генной и клеточной инженерий в сочетании с микробиологическим синтезом и широким набором методов биохимии, биоорганической химии и биопроцессорной инженерии. Целью переноса генов из одного организма в другой является создание нового продукта или получение уже известного продукта в промышленных масштабах. Биотехнология на самом деле не что иное, как название, данное набору технических приемов (подходов) и процессов, основанных на использовании для этих целей биологических объектов. Современная биотехнология основана главным образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток.

Использование свойств микроорганизмов, важных для человеческой практики, не является чем-то новым, ранее не известным, и представляет собой набор технологических приемов, корни которых появились тысячи лет тому назад.

Практика применения механизмов микробного метаболизма включает многие традиционные процессы, давно известные и используемые человеком. К одним из самых древних областей человеческой деятельности относятся хлебопечение, виноделие и пивоварение, которые в основе своей имеют не что иное, как жизнедеятельность микроорганизмов – хлебопекарных и винных дрожжей. Сюда же можно отнести разнообразные способы утилизации отходов, получение кисломолочных продуктов, сыров с помощью молочнокислых бактерий, пищевого уксуса с помощью уксуснокислых бактерий, а также различных органических кислот и растворителей, производство которых долгое время осуществлялось только помощи бактерий и не имело дублера в химической промышленности. Все перечисленные процессы на протяжении многих лет использовались и совершенствовались эмпирически без достаточных теоретических знаний о них.

Работы великого французского ученого Луи Пастера (1822–1895) заложили фундамент практического использования достижений микробиологии и биохимии в традиционных биотехнологиях (пивоварение, виноделие, производство уксуса) и ознаменовали начало нового, научного периода применения микроорганизмов. Для этого этапа характерно развитие промышленной микробиологии, в особенности ферментационных процессов в промышленных масштабах. Были разработаны процессы производства ацетона, глицерина путем ферментации. Интенсивно изучались основные группы микроорганизмов – возбудителей процессов брожения, исследовались биохимические особенности данных процессов.

Развитие современной биологии, внедрение в нее других естественнонаучных дисциплин, таких как физика, химия и математика, сделали возможным описание жизненных процессов на новом качественном уровне – на уровне клетки и молекулярных взаимодействий.

Именно существенные успехи в фундаментальных исследованиях в области биохимии, молекулярной генетики и молекулярной биологии, достигнутые во второй половине прошлого столетия, создали реальные предпосылки управления различными механизмами жизнедеятельности клетки. Сложившаяся благоприятная ситуация в биологии явилась мощным толчком в формировании современной промышленной микробиологии и биотехнологии, весьма важных областей практического приложения результатов фундаментальных наук.

Бурное развитие технологий практического применения свойств микроорганизмов связано, прежде всего, с эрой антибиотиков, которая наступила в 40-50-е годы прошлого столетия. Производство антибиотиков оказалось чрезвычайно наукоемкой отраслью, которая потребовала интеграции усилий микробиологов, биохимиков, генетиков, а также привлечения всех передовых достижений соответствующих отраслей науки. В тот период были созданы микробиологические производства, оснащенные современным оборудованием, разработаны прогрессивные биотехнологии, проведена широкая селекция микроорганизмов – продуцентов антибиотиков и получены мутантные штаммы с гиперпродукцией этих веществ. Расширение знаний об антибиотиках, равно как и развитие антибиотической промышленности, стало отличной школой биотехнологии и привело к существенному повышению культуры микробиологических производств.

Новый импульс биотехнология получила в середине 70-х годов благодаря появлению такой отрасли, как генетическая инженерия. Основой, обеспечивающей благоприятную ситуацию для появления нового этапа биотехнологии, явились революционные открытия и разработки:

• доказательства роли нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации в биологических системах (имеются в виду индивидуальные клетки и отдельные организмы);

• расшифровка универсального для всех живых организмов генетического кода;

• раскрытие механизмов регуляции функционирования генов в процессе жизни одного поколения организмов;

• совершенствование существовавших и разработка новых технологий культивирования микроорганизмов, клеток растений и животных.

Как следствие, явилось создание и развитие методов генетической и клеточной инженерии, с помощью которых искусственно создаются новые высокопродуктивные формы организмов, пригодные для использования в промышленных масштабах.

Началом промышленной генной инженерии принято считать 1980 год, когда в США был выдан первый патент на генно-инженерный штамм микроорганизма, способного разлагать нефть. К настоящему времени в области генной инженерии зарегистрировано около 600 патентов, что отражает интенсивность ее развития.

Внедрения в производство разработок генной инженерии в микробиологические производства вывели биотехнологию на новый уровень ее развития, позволяющий сознательно и целенаправленно управлять сложными клеточными процессами (табл. 1). Во-первых, существенно повысилась продуктивность промышленных микроорганизмов – продуцентов классических продуктов путем введения дополнительных генов, увеличения их количества или активности. Во-вторых, вводя в микробную клетку новые гены, удалось изменить питательные потребности микроорганизма. Далее микроорганизмы «научили» синтезировать несвойственные им вещества и таким образом увеличили разнообразие биотехнологической продукции. Некоторые белки человека, клонированные в микробной клетке, в том числе инсулин, интерфероны, интерлейкины, находят в настоящее время терапевтическое применение. Наконец, подверглась пересмотру вся логика селекции микроорганизмов-продуцентов. Так, если раньше сначала искали активный штамм микроорганизма и затем создавали конкретную биотехнологию с учетом физиологических свойств и питательных потребностей продуцента, то теперь можно взять приспособленный к условиям производства штамм и ввести в него генную конструкцию, которая обеспечит эффективный синтез целевого продукта. Первый коммерческий продукт – человеческий инсулин, продуцируемый бактерией, был разрешен для клинического использования в 1982 г.

Таблица 1

Основные достижения молекулярной биологии и генной инженерии, отразившиеся на формировании современной биотехнологии

Дата	Событие
1944	Эвери, МакЛеод и МакКарти показали, что генетический материал представляет собой ДНК
1953	Уотсон и Крик определили структуру молекулы ДНК
1961	Учрежден журнал "Biotechnology and Bioengineering"
1961–1966	Расшифрован генетический код
1969	Впервые синтезирован фермент
1970	Выделена первая рестрицирующая эндонуклеаза
1972	Корана и др. синтезировали полноразмерный ген тРНК
1973	Бойер и Коэн положили начало технологии рекомбинантных ДНК
1975	Колер и Мильштейн описали получение моноклональных антител
1976	Изданы первые руководства, регламентирующие работы с рекомбинантными ДНК
1976	Разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК
1978	Фирма Genentech выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью E. coli
1980	Верховный суд США, слушая дело Даймонд против Чакрабарти, вынес вердикт, что микроорганизмы, полученные генноинженерными методами, могут быть запатентованы
1981	Поступили в продажу первые автоматические синтезаторы ДНК
1981	Создано первое трансгенное животное (мышь)
1981	Разрешен к применению в США первый диагностический набор моноклональных антител
1982	Разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК
1983	Для трансформации растении применены гибридные Ti-плазмиды
1984	Разработана технология применения анализа ДНК для идентификации человека, с 1985 года она используется в работе правоохранительных органов
1986	Впервые с помощью генной инженерии создана вакцина (гепатит В) и первое лекарство против рака (интерферон)
1987	Первые полевые испытания генетически модифицированных сельскохозяйственных растений (помидор, устойчивый к вирусным заболеваниям)
1988	Создан метод полимеразной цепной реакции (ПЦР)
1990	В США утвержден план испытаний генной терапии с использованием соматических клеток человека
1990	Официально начаты работы над проектом "Геном человека"
1993	Генетически измененные продукты допущены на прилавки магазинов мира. Практически сразу начинается международная кампания, требующая их запрещения
1994–1995	Опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека.
1996	Определена нуклеотидная последовательность всех хромосом Saccharomyces cerevisiae
1997	Клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки – знаменитая шотландская "овечка Долли"
1998	Впервые создана полная генетическая карта животного (дождевой червь).

Примерно к тому же времени относится энергичное развитие клеточной инженерии. Микробный продуцент был пополнен новым источником получения полезных веществ – культурой изолированных клеток и тканей растений и животных. На этой основе были созданы новые приемы биотехнологии, а также разработаны принципиально новые методы селекции эукариот. Особенно больших успехов удалось достичь в области микроклонального размножения растений, а также получения и использования трансгенных растений и животных.

Абсолютно новым направлением является так называемая инженерная энзимология, возникшая вследствие развития современных методов изучения структуры и синтеза белков-ферментов и выяснения механизмов функционирования и регуляции активности этих соединений (важных элементов клетки). Достижения в этой области позволяют направленно модифицировать белки различной сложности и специфичности функционирования, разрабатывать создание мощных катализаторов промышленно ценных реакций с помощью высоко стабилизированных иммобилизованных ферментов.

Условно промышленные микробиологические и биотехнологические процессы можно разделить на шесть типов:

1. основанные на использовании метаболических особенностей живой биомассы микроорганизмов (производство традиционных пищевых продуктов – пива, вина, молочнокислых продуктов и т.д., утилизация отходов агропромышленного комплекса, очистка сточных вод, выделение металлов из руд);

2. основанные на получении и использовании живой и инактивированной биомассы микроорганизмов; например, получение пекарских, винных и кормовых дрожжей, вакцин, белково-витаминных концентратов (БВК), средств защиты растений, заквасок для получения кисломолочных продуктов;

3. основанные на выделении продуктов микробного биосинтеза, к числу которых относятся получение первичных метаболитов (ферментов, аминокислот, витаминов) и вторичных метаболитов (антибиотиков, гормонов, спиртов, органических кислот, растворителей); трансформация веществ с помощью микроорганизмов;

4. основанные на методах инженерной энзимологии (производство иммобилизованных ферментов);

5. основанные на методах генной инженерии (получение рекомбинантных ДНК, трансгенных микроорганизмов, растений и животных, синтез соматотропина, инсулина, интерферонов с помощью генетически модифицированных микроорганизмов);

6. основанные на методах клеточной инженерии (культивирование клеток и тканей растений, клональное размножение растений; использование культур клеток растений в качестве продуцентов биологически активных веществ).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. История развития биотехнологии и основные ее аспекты.

2. Охарактеризуйте полидисциплинарность современных биотехнологий

3. Назовите основные области применения микроорганизмов в современной биотехнологии

4. Назовите основные аспекты современной биотехнологии (биологические, химические, технологические).

5. Какие периоды в развитии промышленной микробиологии и биотехнологии Вам известны?

6. Каков вклад Луи Пастер в формировании современных представлений о возможностях использования микроорганизмов?

7. Развитие каких наук вывело биотехнологию на новый уровень?

8. Охарактеризуйте современный период в развитии биотехнологии.

9. Каковы перспективы развития современной промышленной микробиологии и биотехнологии?

10. Каковы задачи промышленной микробиологии?