Введение в биотехнологию

Термин «Биотехнология» имеет греческое происхождение, в буквальном переводе bios – жизнь, techne – искусство, мастерство и logos – учение.

Биотехнология - это целенаправленное получение ценных для народного хозяйства и различных областей человеческой деятель­ности продуктов, в процессе, которого используется биохимичес­кая деятельность микроорганизмов, изолированных клеток или их компонентов.

Наиболее часто биотехнологию путают с растениеводством или животноводством.

Например, получение пшеницы из воды и удобрений на пер­вый взгляд - биотехнология. Однако здесь используется биохи­мическая деятельность не изолированных клеток, а целого расте­ния, макроорганизма, относящегося к высшим, многоклеточным организмам. Это - не биотехнология, а растениеводство.

Точно так же получение лекарства из корня женьшеня - не биотехнология. Но когда из этого корня берут отдельные клет­ки, отделяя их с помощью ферментов от многоклеточной расти­тельной ткани, и разводят эти отдельные, изолированные клетки на специальном питательном растворе, как дрожжи, получая биомас­су изолированных клеток женьшеня, из которой путем настаива­ния можно получить столь же ценное лекарство, как из целого корня, - это уже биотехнология.

Другой пример - производство молока. Молоко получают от коровы, овцы или другого млекопитающего животного, т.е. это - работа макроорганизма. Значит, это не биотехнология. А вот полу­чение из молока кефира, йогурта или другого кисломолочного продукта основано на биохимической деятельности молочнокислых бактерий, поэтому этот процесс смело можно назвать биотехнологическим.

Иногда, к биотехнологическим процесса относят процессы воздействия на биологическое сырье.

Например, очень часто производство мясных продуктов отно­сят к биотехнологии, обосновывая это тем, что исходное сырье - туши забитых животных, сырое мясо и так далее являются про­дуктами биологического происхождения.

С этой точки зрения, например, приготовление котлет - это биотехнология, хотя рабочий процесс заключается в измельче­нии мяса и затем в его тепловой обработке, т.е. нет биохимичес­кой деятельности микроорганизмов или клеток, а значит, это не биотехнология. А вот обработка мясного фарша определенными заквасками и последующий режим созревания, используемый при приготовлении дорогих сортов колбас, - это, конечно, био­технология.

На практике часто не делают столь строгих различий, и многие процессы переработки сырья биологического происхождения на­зывают процессами биотехнологическими.

В определении биотехнологии присутствует термин «целенаправленное». Действительно, с точки зре­ния человека микроорганизмы работают в природе не всегда целе­направленно. Например, многие болезни вызываются действием микроорганизмов, и наоборот, многие микроорганизмы, населяю­щие человеческое тело (их масса достигает 2-3 кг), полезны. После лечения антибиотиками, когда эти полезные микроорганизмы уничтожаются наряду с вредными, возникает та­кое заболевание, как дисбактериоз, которое приходится лечить вве­дением в организм бактерий (например, бифидобактерий или молочнокислых бактерий).

Таким образом, биотехнология - это организованная человеком деятельность микроорганизмов, направленная на получение определенного продукта.

Биотехнологическое использование микроорганизмов предполагает :

1. Наращивание клеточной биомассы, которая используется как самостоятельный продукт или для дальнейшего биосинтеза. Сюда относится, например, получение пекарских дрожжей, кормовых дрожжей, многих вакцин.

2. Образование (биосинтез) в процессе роста и развития клеток ценных биохимических продуктов - некоторые из них выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе (внутриклеточные продукты).

3. Биотрансформацию - процесс, в результате которого под воздействием биохимической деятельности микроорганизмов или ферментов происходит изменение химического состава исходного химического вещества. При этом обычно происходят относи­тельно небольшие изменения в химической структуре вещества, оно не синтезируется заново.

Пример процесса биотрансформации - превращение глюкозы во фруктозу под воздействием фермента глюкозоизомеразы. Оба сахара имеют одну формулу C ₆H ₁₂O ₆, но различную простран­ственную структуру молекулы.

Интересно, что подобный процесс в природе осуществляют пчелы (если кормить их глюкозой). Но поскольку здесь в опера­ции принимает участие макроорганизм - пчела, нельзя данный процесс назвать биотехнологическим.

4. Утилизацию примесей. В данном случае по окончании процесса биомасса микроорганизмов в дальнейшем не используется. Такие процессы применяют при биологической очистке сточных вод.

5. Выщелачивание с помощью микроорганизмов, т.е. перевод в растворенное состояние некоторых веществ, находящихся в твер­дых телах. Примером является микробиологическое выщелачива­ние ценных металлов из руд - меди, цинка, урана и др.

6. Особым случаем является использование биохимической дея­тельности микроорганизмов с целью образования газов и за счет это­го создания, например, пористых материалов. Так, для этого ис­пользуют дрожжи при приготовлении хлеба. Одно из назначений дрожжей при получении пива или шампанского - также создать в среде высокую концентрацию растворенного диоксида углерода, чтобы вино или пиво хорошо пенилось.