Особенности становления и развития биотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. История возникновения биотехнологии

1.1 «Допастеровская эра» - биотехнология процессов брожения

1.2 «Послепастеровская эра» - раскрытие многообразия форм

1.3 Эра антибиотиков

1.4 Эра управляемого биосинтеза

1.5 Эра новой биотехнологии

2. Роль биотехнологии в процессе науки о пище и индустрии продуктов питания

2.1 Роль биотехнологии в получении пищевых продуктов

2.2 Производство молочных продуктов

2.3 Производство хлебопродуктов

2.4 Бродильное производство

2.5 Получение белковых продуктов, пищевых добавок и ингредиентов

3. Генная и клеточная инженерия

3.1 Генная инженерия

3.2 Клеточная инженерия

4. Трансгенные культуры и модифицированные продукты питания

Заключение

Список литературы



Введение

Биотехнология - это сравнительно молодая наука, возникшая на стыке разнообразных технических, химических и биологических дисциплин. Достижениями биотехнологии человек с успехом пользуется во многих сферах своей деятельности.

Биотехнологические методы широко внедряются в различные отрасли промышленности (фармацевтическая, нефтеперерабатывающая, пищевая и др.), энергетики (топливные элементы), в сферу защиты окружающей среды (переработка отходов, очистка сточных вод), и, наконец, в медицину. Биотехнологии, применяемые в медицине, являются одними из самых наукоемких технологий, поскольку здесь их реализация напрямую связана с жизнью человека, его здоровьем. Особенно это касается деятельности, связанной с поиском новых эффективных методов и средств лечения социально значимых заболеваний [1].

Термин «биотехнология» был впервые применен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки для описания 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».

Однако это определение, абсолютно точно отражающее сущность биотехнологии, не получило широкого распространения. Долгое время термин «биотехнология» относился к двум очень разным дисциплинам. С одной стороны, его употребляли, говоря о промышленной ферментации, с другой - применительно к той области, которая сейчас называется эргономикой. Такой двойственности пришел конец в 1961 г., когда шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала «Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии», специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на «Биотехнология и биоинженерия». С этого момента биотехнология оказалась четко и необратимо связана с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов» и встала на прочный фундамент микробиологии, биохимии и химической инженерии [2].

Удивительными открытиями в науке и грандиозным научно-техническим прогрессом ознаменовался XX век, однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны: исчерпание ископаемых ресурсов, загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов растений и животных, глобальное изменение климата, появление озоновых дыр над полюсами Земли и т.д. Ясно, что такой путь ведёт в тупик. Нужно принципиальное изменение вектора развития. Биотехнология может внести решающий вклад в решение глобальных проблем человечества. В широком смысле «биотехнология» - использование живых организмов и биологических процессов, а также способов их изменения для более полного удовлетворения человеческих потребностей.

Биотехнологии основаны на последних достижениях многих отраслей современной науки: биохимии и биофизики, вирусологии, физико-химии ферментов, микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, селекционной генетики, химии антибиотиков, иммунологии и др. [3].

Сам термин «биотехнология» новый: он получил распространение в 1970-е гг., но человек имел дело с биотехнологиями и в далеком прошлом.

Некоторые биотехнологические процессы, основанные на применении микроорганизмов, человек использует еще с древнейших времен: в хлебопечении, в приготовлении вина и пива, уксуса, сыра, различных способах переработки кож, растительных волокон и т.д. Современные биотехнологии основаны главным образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток, методах генной инженерии [4]. Понятие биотехнологий, несмотря на его научную принадлежность, сегодня широко используется в лексиконе современных людей. Оно звучит с экранов телевизоров, об этом пишут в газетах, Интернет полон статей по проблематике биотехнологий, с этим понятием знакомы даже школьники. Это обусловлено активным развитием и замечательными перспективами использования биотехнологий, их ролью в жизни широких масс населения.

Помимо очевидной научной ценности, биотехнологии стали занимать значительную нишу в экономике развитых стран, в том числе и в России. Развитие биотехнологий наше государство обоснованно считает важнейшей задачей как с точки зрения развития наукоемких и конкурентных отраслей экономики, так и с точки зрения безопасности. Развитие биотехнологий поддерживается в рамках реализуемой в настоящее время Федеральной целевой программы «Научно-технологическая база России» на 2007--2012 годы [5].

Актуальностью данной темы является то, что развитие биотехнологий позволяет по-новому посмотреть на природу и роль человека в ней. Именно поэтому значимым аспектом освоения данной научной области становится нравственный аспект, заключающийся в определении границ вмешательства человека в природу. На наш взгляд, формирование таких границ одна из значимых задач современной педагогики, воспитывающей нового человека - человека будущего. Цель данной работы: рассмотреть особенности становления и развития современной биотехнологии. В данном реферате мы рассмотрим историю возникновения, основные направления развития современных биотехнологий и рынок биотехнологий в современном мире.

Задачи: 1. рассмотреть понятие науки биотехнологии;

2. охарактеризовать этапы развития биотехнологии;

3. охарактеризовать особенности развития современной биотехнологии.



1. История возникновения биотехнологии

Биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов.

Корни биотехнологии уходят в далёкое прошлое и связаны с хлебопечением, виноделием и другими способами приготовления пищи, известными человеку еще в древности. Например, такой биотехнологический процесс, как брожение с участием микроорганизмов, был известен и широко применялся еще в древнем Вавилоне, о чем свидетельствует описание приготовления пива, дошедшее до нас в виде записи на дощечке, обнаруженной в 1981 г. при раскопках Вавилона.

Наукой биотехнология стала благодаря исследованиям и работам французского ученого, основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера (1822-1895).

В ХХ веке происходило бурное развитие молекулярной биологии и генетики с применением достижений химии и физики. Важнейшим направлением исследований явилась разработка методов культивирования клеток растений и животных. И если еще совсем недавно для промышленных целей выращивали только бактерии и грибы, то сейчас появилась возможность не только выращивать любые клетки для производства биомассы, но и управлять их развитием, особенно у растений. Таким образом, новые научно-технологические подходы воплотились в разработку биотехнологических методов, позволяющих манипулировать непосредственно генами, создавать новые продукты, организмы и изменять свойства уже существующих. Главная цель применения этих методов - более полное использование потенциала живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. В 70-е годы появились и активно развивались такие важнейшие области биотехнологии, как генетическая (или генная) и клеточная инженерия, положившие начало «новой» биотехнологии, в отличие от «старой» биотехнологии, основанной на традиционных микробиологических процессах. Так, обычное производство спирта в процессе брожения - это "старая" биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта, - "новая" биотехнология [6].

За последние 20 лет биотехнология, благодаря своим специфическим преимуществам перед другими науками, совершила решительный прорыв на промышленный уровень. Этим она в немалой степени обязана также развитию новых методов исследований и интенсификации процессов, открывших ранее неизвестные возможности в получении биопрепаратов, способов выделения, идентификации и очистки биологически активных веществ.

Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода.

1. Эмпирический период или доисторический - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. К эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов. Таким образом, народы исстари пользовались на практике биотехнологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных.

2. Этиологический период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 - 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822 - 95) - основоположника научной микробиологии. Пастер установил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.

3. Биотехнический период - начался в 1933 г. и длился до 1972 г. 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).

4. Геннотехнический период начался с 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возможность направленных манипуляцией с генетическим материалом бактерий. Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК было бы невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и репликации ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций [7].

Голландский ученый Е. Хаувинк (1984) историю биотехнологии условно разделил на пять периодов (эр):

1. Допастеровская эра (до 1865)

2. Послепастеровская эра (1866-1940)

3. Эра антибиотиков (1941-1960)

4. Эра управляемого биосинтеза (1961-1975)

5. Эра новой биотехнологии (после 1975) [8].



1.1 «Допастеровская эра» - биотехнология процессов брожения

Допастеровская эра (до 1865 г.) - в этот период биотехнология базировалась на процессах брожения: получении пива, вина, сыра, хлеба. Биотехнология возникла в древности (примерно 6000-5000 лет до н.э.), когда люди научились, используя процесс брожения, выпекать хлеб, варить пиво, готовить сыр и вино. При этом наши предки действовали скорее интуитивно, ничего не зная о причинах брожения и о том, как оно осуществляется. Опыт получения ферментированных продуктов передавался человеком из поколения в поколение на протяжении тысячелетий, хотя о причинах брожения и о том, как оно осуществляется, ему еще ничего не было известно.

Только в XIX в. французский ученый Луи Пастер указал на специфическое воздействие микроорганизмов на субстрат, что послужило основой для изучения физиологии микробов. Он доказал, что представители микромира отличаются не только внешним видом, но и особенностями обмена веществ.

Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные их виды, которые отличаются не только морфологически, но и особенностями обмена веществ. Таким образом, Луи Пастер заложил основы сознательного управления технологическими процессами, в которых микроорганизмы играют ведущую роль. Он по праву считается одним из отцов современной биотехнологии.

Известно, что шумеры - первые жители Месопотамии (на территории современного Ирака) создали цветущую в те времена цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. Приобретенный опыт передавался из поколения в поколение, распространялся среди соседних народов (ассирийцев, вавилонян, египтян и древние индусов). В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях. Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в. Всё это относится к эмпирическому периоду.

К эмпирическому периоду относятся и получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов. Таким образом, народы пользовались биотехнологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных. В 1796 г. произошло важнейшее событие в биологии - ученым Э. Дженнером были проведены первые в истории прививки человеку коровьей оспы [8].

1.2 «Послепастеровская эра» - раскрытие многообразия форм жизни; биохимическое единство этого многообразия

Послепастеровская эра (1866-1940 г.г.) - именно в этот период освоение новых биологических методов определило развитие биохимии, вирусологии, генетики, цитологии, биофизики и других наук. Налажено производство этанола, бутанола, ацетона, глицерола, органических кислот и вакцин. Освоено производство кормовых дрожжей из углеводородов с использованием микроорганизмов, разработана аэробная очистка канализационных вод.

В.С. Буткевич и С.П. Костычев выявили общие для дыхания и брожения стадии превращения глюкозы до пировиноградной кислоты. Доказали, что органические кислоты образуются в результате жизнедеятельности грибов, что позволило создать промышленное производство лимонной кислоты.

С.А. Королев и А.Ф. Войткевич разработали теоретические основы сущности микробиологических процессов при выработке, хранении и созревании молочных продуктов, значительно расширив представление о физиологии молочнокислых бактерий. Благодаря исследованиям В.Н. Шапошникова появилась возможность промышленного производства молочной кислоты, органических растворителей.

Несомненно, эта эра связана с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822-1895 г.г.) - основоположника научной микробиологии.

Пастер установил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.

Всё это относится к этиологическому периоду. В этот же период творили его выдающиеся ученики, сотрудники и коллеги: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, И.И. Мечников, Р. Кох, Д. Листер, Г. Риккетс, Д. Ивановский и др.

В 1859 г. Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881 г. предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, 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.) [8].

Среди достижений второго периода особо стоит отметить следующие:

- 1856 - чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирования признаков и ввел понятие единицы наследственности в виде дискретного фактора, который передается от родителей потомкам;

- 1869 - Ф. Милер выделил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов;

- 1883 - И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета;

- 1984 - Ф. Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии;- 1892 - Д. Ивановский открыл вирусы;

- 1893 - В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов;

- 1902 - Г. Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах;

- 1912 - Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения;

-1913 - Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику ферментативных реакций;

- 1926 - X. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности;

- 1928 - Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бактерий;

- 1932 - М. Кнолль и Э. Руска изобрели электронный микроскоп.

В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также продуктов их метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.

Исследования Л. Пастера послужили основой развития в к. XIX - н. XX вв. бродильного производства органических растворителей (этанола, бутанола, ацетона и др.) и других химических веществ, при синтезе которых использовались разные виды микроорганизмов. Во всех этих процессах микробы в анаэробной (бескислородной) среде осуществляют превращение углеводов растений в ценные продукты. В этот период было освоено производство кормовых дрожжей с участием микроорганизмов, где в качестве субстрата использовали углеводороды. Также была разработана аэробная очистка канализационных вод. Были изучены теоретические основы специфики микробиологических процессов при выработке, хранении и созревании молочных продуктов. Создано промышленное производство лимонной кислоты (после того, как советские ученые доказали, что в процессе жизнедеятельности грибов происходит образование органических кислот). В 1919 г. в печати впервые появилось слово «биотехнология», введенное венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. В 1928 г. А. Флеминг открыл пенициллин как антибиотик. Большой вклад в биотехнологические разработки внесли советские исследователи: В.Н. Шапошников, В.С. Буткевич, С.П. Костычев и др. [8].

1.3 Эра антибиотиков

Эра антибиотиков (1941-1960 г.г.). Спустя 12 лет после открытия зеленой кистевидной плесени Penicillium notatum, продуцирующей антибиотик, Александр Флеминг - автор открытия писал: «Не стоит трудиться ради того, чтобы получить пенициллин». Однако с началом Второй мировой войны возникла острая потребность в этом препарате. Англичане X. Флори и Э. Чейн (Оксфордский университет) получили очищенный от примесей желтый порошок пенициллина и успешно испытали его на мышах, предварительно зараженных патогенными бактериями. Получение пенициллина (в 1945 г. его производство достигло уже 0,5 т) стало важным этапом в становлении современной биопромышленности, а главные лица (А. Флеминг, X. Флори и Э. Чейн), участвовавшие в его создании, получили в 1945 г. Нобелевскую премию.

Вместе с тем, хотя биотехнологические процессы в основном связаны с микроорганизмами, уже в эти годы не менее существенную роль сыграло использование клеток животных и растений.

С начала 50-х годов XX в. вирус полиомиелита для производства вакцины выращивается в культурах клеток млекопитающих. Именно в эти годы линии культур клеток человека стали незаменимыми для выделения и выращивания ряда других вирусов, при производстве высокоспецифических белков (антител и интерферонов), в исследованиях рака и в противовирусной химиотерапии.

В этот же период широко используется культура растительной ткани, техника которой была значительно усовершенствована в 1937 г. В том же году Р. Готре разработал метод культивирования недифференцированной ткани моркови. Отделенный от родительского растения каллюс он фрагментировал и культивировал в новой культуральной среде, содержащей гормон роста - ауксин. Такие культуры тканей можно сохранять в течение десятилетий. В 1954 г. в Германии получена культура из отдельных растительных клеток. Позже подобные методы получили должное развитие. В 1957 г. специалисты добились образования у культуры корней и стеблей, предварительно обработав каллюс растительными гормонами.

В 1960 г. Э. Коккинг разработал метод ферментативного получения протопластов, слияние которых, минуя половое размножение, позволяет получать разнообразные гибриды (соматическая гибридизация).

В 1943 г. С.Э. Лурия и М. Дельбрук определяют наличие настоящих мутантов и мутаций среди бактерий. Этот год является годом становления генетики бактерий зарождения, а впоследствии - развития генной инженерии.

Начиная с 30-х годов XX в. в Советском Союзе активно работают научные школы академиков Н.П. Дубинина, С.И. Алиханяна, И.А. Раппопорта, Ю.А. Овчинникова, К.Г. Скрябина, Е.Д. Свердлова, И.Г. Атабекова, В.Г. Дебабова, Г.К.Скрябина и др., исследующие вопросы генетики популяций, эволюционной, радиационной и космической генетики, генетические основы селекции, различные аспекты химического мутагенеза и его применение для изучения строения гена, а также в области селекции сельскохозяйственных культур и промышленных микроорганизмов.

Открытие А. Флемингом, Х. Флори и Э. Чейном химиотерапевтической активности пенициллина стало важным этапом в развитии биотехнологии хозяйственно ценных веществ. Началась интенсивная работа по поиску активных продуцентов антибиотиков, получению мутантов с измененным наследственным материалом, обладающих способностью к сверхсинтезу, а также разработка методов культивирования грибов, создания технологических схем крупномасштабного производства. Кроме того, существенную роль в эти годы сыграло использование клеток животных и растений. Например, культуры клеток человека при выращивании ряда вирусов для производства вакцин; при производстве высокоспецифических белков (антител и интерферонов); в исследованиях рака и в противовирусной химиотерапии.

В 1953 г. Сенгер установил полную структуру белка инсулина, а Дж. Уотсон и Ф. Крик установили модель двойной спирали молекулы ДНК, был расшифрован механизм действия генетического аппарата.

В 1957 г. А. Айсакс и И. Линдеман открыли интерферон. Широко используется культура растительной ткани: получение культуры из отдельных растительных клеток, обработка каллюса растительными гормонами.

В 1958 г. молекула ДНК была впервые синтезирована в лаборатории. Эти открытия заложили фундамент молекулярной биологии и генной инженерии.

Все прогрессивное в области биотехнологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии:

- 1936 - были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореактора (ферментера, аппарата-культиватора);

- 1938 - А. Тизелиус разработал теорию электрофореза;

- 1942 - М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели вирусы с помощью электронного микроскопа;

- 1943 - пенициллин произведен в промышленных масштабах;

- 1949 - Дж. Ледерберг открыл процесс конъюгации у Е.colly;

- 1950 - Ж. Моно разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов, которые развили в своих исследованиях М. Стефенсон, И. Молек, М. Иерусалимский, И. Работнова, И. Помозгова, И. Баснакьян, В. Бирюков;

-1951 - М. Тейлер разработал вакцину против желтой лихорадки;

- 1952 - У. Хейс описал плазмиду как внехромосомный фактор наследственности;

-1953 - Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровали структуру ДНК. Это стало побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения для получения клеточных продуктов и самих клеток;

- 1959 - японские ученые открыли плазмиды антибиотикоустойчивости (К-фактор) у дизентерийной бактерии [9].

1.4 Эра управляемого биосинтеза

Эра управляемого биосинтеза (1961-1975 г.г.). Производство аминокислот посредством микробных мутантов имеет наибольшее значение среди возможных способов их получения.

Советский Союз производил свыше 1 млн. т микробного белка. Была создана целая микробиологическая индустрия под руководством В. А. Быкова. Это позволяло выпускать полноценные сбалансированные корма для выращивания птицы и скота.

Химический синтез аминокислот достаточно эффективен. В нем, как правило, используется непищевое сырье, достигается высокая концентрация продукта, возможна организация непрерывного производства при высокой автоматизации. Однако наряду с преимуществами синтез имеет ряд недостатков. Для его проведения необходима сложная аппаратура, ему свойственна многостадийность процесса. Кроме того, в результате синтеза образуются рацемические формы аминокислот. При микробном синтезе перечисленные недостатки устраняются.

Не менее важным достижением биотехнологии в этот период было получение чистых ферментов, промышленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Первые шаги в этом направлении были сделаны значительно раньше: Дж. Нельсон, Е. Гриффин (1916) адсорбировали инвертазу на угле; Дж. Пфанмюллер, Г. Шлейх (1939) для обработки шкур адсорбировали протеолитические ферменты на древесных опилках; Н. Грубхофер, Д. Шмейтон (1953) впервые применили ковалентное связывание. Термин «иммобилизованные ферменты» был узаконен в 1971 г. на первой конференции по инженерной энзимологии, состоявшейся в Хенникере (США). Немалый вклад в этом направлении внесли советские ученые И. В. Березин, К. Мартинек, В. В. Можаев, Р. В. Петров, В. Т. Иванов и др.

Впервые с помощью биотехнологии в эти годы был получен биогаз, налажено производство бактериальных полисахаридов.

Производство аминокислот посредством микробных мутантов является наиболее перспективным среди других способов их получения. Аминокислоты - это не только питательные вещества, но также ароматические и вкусовые агенты, и потому они широко используются в пищевой промышленности. Например, как питательную добавку в пищу чаще всего вносят лизин и метионин. Глутамат натрия и глицин употребляют как ароматические вещества для усиления и улучшения вкуса пищи. У глицина освежающий, сладкий вкус. Его вводят в сладкие напитки, и, кроме того, он проявляет там бактериостатическое действие. Цистеин предотвращает подгорание пищи, улучшает пекарские процессы и качество хлеба. Производство микробного белка позволяет выпускать полноценные сбалансированные корма для выращивания птицы и скота. При этом микроорганизмы можно выращивать на различных питательных средах: на газах, нефти, отходах угольной, химической, пищевой, винно-водочной, деревообрабатывающей промышленности. Не менее важным достижением биотехнологии в этот период было получение чистых ферментов, промышленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Впервые был получен биогаз, налажено производство полисахаридов, открыты ферменты рестриктазы и лигазы, позволяющие разрезать и сшивать молекулу ДНК в нужных местах.

Также были такие открытия:

- 1960 - С. Очоа и А. Корнберг выделили белки, которые могут «сшивать» или «склеивать» нуклеотиды в полимерные цепочки, синтезируя тем самым макромолекулы ДНК. Один из таких ферментов был выделен из кишечной палочки и назван ДНК-полимераза;

- 1961 - М. Ниренберг прочитал первые три буквы генетического кода для аминокислоты фенилаланина;

- 1962 - X. Корана синтезировал химическим способом функциональный ген;

- 1969 - М. Беквит и С. Шапиро выделили ген асоперона у Е.colly;

- 1970 - выделен фермент рестриктаза (рестриктирующая эндонуклеаза) [9].

1.5 Эра новой биотехнологии

Эра новой биотехнологии (после 1975 г.). Новая эра биотехнологии отсчитывает свое время с открытия Д. Уотсоном и Ф. Криком строения молекулы ДНК (1953). Только после этого началось использование генной и клеточной инженерии для получения агентов биосинтеза. Главными объектами исследований становятся живая клетка и молекула ДНК. Учеными различных стран созданы искусственные генетические структуры, запрограммированные на конкретные признаки. Первые работы с рекомбинантными молекулами ДНК в бывш. СССР были проведены в 1974 г. группой ученых во главе с академиком А. А. Баевым, а затем получили известность труды академиков Ю. И. Овчинникова и М. В. Иванова и их учеников. Первые публикации по результатам этих работ появились в 1975 г. Созданы бактериальные штаммы-продуценты всех типов интерферонов, продуценты гормона роста человека и ряда сельскохозяйственных животных, проинсулина человека, интерлейкина-2 и т. д. Не менее важное направление, сформировавшееся в эти годы, - получение гибридов, моноклональных антител, гибридов из протопластов и меристемных культур, трансплантация эмбрионов. В 1975 г. Дж. Эдельман и Р. Портер путем гибридизации соматических клеток получили гибридомы, секретирующие моноклональные антитела. В Болгарии разработан метод выращивания фруктов и овощей без косточек.

Метод слияния клеток открывал возможность слить воедино даже совершенно различные микроорганизмы, включая клетки растений, животных и человека. Фузия (соматическая гибридизация) клеток, а именно так был назван метод их «слияния», создала перспективу для получения самой разной комбинации генов «родительских» пар. Так, клетки человека, синтезирующие антитела, но неспособные к быстрому росту и размножению, сливали с активно растущими раковыми клетками. В результате были получены новые клетки, способные к интенсивному росту и синтезу антител. Поскольку результаты подобных экспериментов хотя и прогнозируемы, но не всегда предсказуемы, в 1974 г. было наложено вето на проведение экспериментов, которые могли бы привести к возникновению опасных для человека последствий; многие из запретов позже удалось снять. Однако в 1975 г. было подписано международное соглашение, запрещающее разработку и внедрение «биологического оружия».

Едва развившись, дерево генной инженерии начало давать плоды. Так, выделение и внедрение генов карликовости обеспечило стремительное распространение по всему миру короткостебельных неполегающих сортов злаков, способных давать урожай зерна до 100 т/га. С помощью методов генной инженерии удалось создать ряд трансгенных растений (кукуруза, соя, сорго, рис, подсолнечник) и др. Одним из приоритетных направлений биотехнологии становится создание более продуктивных штаммов микроорганизмов для традиционных микробиологических процессов. Интенсивно развивается новое направление в биотехнологии - иммобилизация ферментов и клеток на специальных носителях, что обеспечивает многократное их использование.

Крупным международным событием стал конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», успешно прошедший в Москве в 2002 г. и приобретший статус постоянно действующего. Итоги I и II (2003) Международных конгрессов по проблемам биотехнологии показали явный прогресс в развитии этой науки, которая все больше приобретает отраслевое значение. Но, несмотря на эти успехи, эра новой биотехнологии только начинается. То, что ей подвластно, поражает, ибо она в состоянии изменить саму жизнь. Объектами биотехнологических исследований являются клетки и ткани, а также биополимеры участвующие в процессах метаболизма и передачи наследственной информации.

В настоящее время в биотехнологии выделяют медико-фармацевтическое, продовольственное, сельскохозяйственное и экологическое направления. В соответствии с этим биотехнологию можно разделить на медицинскую, сельскохозяйственную, промышленную и экологическую.

Перспективы развития биотехнологии в различных отраслях:

- в промышленности (пищевая, фармацевтическая, химическая, нефтегазовая): использование биосинтеза и биотрансформации новых веществ на основе сконструированных методами генной инженерии штаммов бактерий и дрожжей с заданными свойствами;

- в сельском хозяйстве: разработка в области растениеводства трансгенных агрокультур, биологических средств защиты растений, бакудобрений и регуляторов роста, микробиологических методов рекультивирования почв; в области животноводства - получение вакцин и сывороток, создание эффективных кормовых препаратов из растительной, микробной биомассы и отходов сельского хозяйства, репродукция животных на основе эмбриогенетических методов;

- в медицине: разработка медицинских биопрепаратов, моноклональных антител, диагностикумов, вакцин, развитие иммунобиотехнологии;

- в экологии: разработка экологически безопасных технологий очистки сточных вод, утилизация отходов АПК, конструирование экосистем;

- в энергетике: применение новых источников биоэнергии, биоконверсия биомассы в биогаз и биотопливо.

Наиболее важные достижения биотехнологии в 4-ом периоде:

1. Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов).

2. Получение суперпродуцентов.

3. Создание различных продуктов, необходимых человеку, на основе генноинженерных технологий.

4. Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе.

5. Разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры биотехнологических систем.

6. Автоматизация и компьютеризация биотехнологических производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

Вышеперечисленные достижения биотехнологии реализуются в настоящее время в народное хозяйство и будут внедряться в практику в последующие 10-15 лет. В обозримом будущем будут определены новые краеугольные камни биотехнологии и нас ждут новые открытия и достижения [10].



2. Роль биотехнологии в процессе науки о пище и индустрии продуктов питания

2.1 Роль биотехнологии в получении пищевых продуктов

биотехнология генный клеточный инженерия

Пища должна быть разнообразной и содержать белки, жиры, углеводы и витамины. Источники энергии -- жиры и углеводы в определенных пределах взаимозаменяемы, причем их можно заменить и белками, но белки нельзя заменить ничем. Проблема питания людей в конечном счете заключается в дефиците белка. Там, где сегодня люди голодают, не хватает, прежде всего, белка. Установлено, что ежегодный дефицит белка в мире, по самым скромным подсчетам, оценивается в 15 млн. т. Наибольшую популярность как источники белка приобрели семена масличных культур -- сои, семян подсолнечника, арахиса и других, которые содержат до 30 процентов высококачественного белка. По содержанию некоторых незаменимых аминокислот он приближается к белку рыбы и куриных яиц и перекрывает белок пшеницы. Белок из сои широко уже используется в США, Англии и других странах как ценный пищевой материал.

Эффективным источником белка могут служить водоросли. Увеличить количество пищевого белка можно и за счет микробиологического синтеза, который в последние годы привлекает к себе особое внимание. Микроорганизмы чрезвычайно богаты белком -- он составляет 70--80 процентов их веса. Скорость его синтеза огромна. Микроорганизмы примерно в 10--100 тысяч раз быстрее синтезируют белок, чем животные. Здесь уместно привести классический пример: 400-килограммовая корова производит в день 400 граммов белка, а 400 килограммов бактерий -- 40 тысяч тонн. Естественно, на получение 1 кг белка микробиологическим синтезом при соответствующей промышленной технологии потребуется средств меньше, чем на получение 1 кг белка животного. Да к тому же технологический процесс куда менее трудоемок, чем сельскохозяйственное производство, не говоря уже об исключении сезонных влияний погоды -- заморозков, дождей, суховеев, засух, освещенности, солнечной радиации и т. д.

Применяя обычные технологические линии по производству синтетических волокон, можно получать из искусственных белков длинные нити, которые после пропитки их формообразующими веществами, придания им соответствующего вкуса, цвета и запаха могут имитировать любой белковый продукт. Таким способом уже получены искусственное мясо (говядина, свинина, различные виды птиц), молоко, сыры и другие продукты. Они уже прошли широкую биологическую апробацию на животных и людях, и вышли из лабораторий на прилавки магазинов США, Англии, Индии, стран Азии и Африки. Только в одной Англии их производство достигает примерно 1500 тонн в год. Интересно, что белковую часть школьных обедов в США уже разрешено на 30 процентов заменять искусственным мясом, созданным на основе соевого белка [11].

При производстве пищевых продуктов нужен большой выход продукта и простая технология. По этим причинам главными в биотехнологии пищевой промышленности являются методы крупномасштабного производства продуктов.

Спектр продуктов питания, получаемых при помощи микроорганизмов, обширен: от вырабатываемых с древних времен за счет брожения хлеба, сыра, йогурта, вина и пива до новейшего вида пищевого продукта - грибного белка микопротеина. Микроорганизмы при этом играют важную роль: используются продуцируемые ими ферменты или другие метаболиты, с их помощью сбраживается пищевое сырье, а некоторые из них выращиваются для непосредственного потребления.

В пищевой промышленности для осуществления процессов применяют как культуры микроорганизмов, так и дикие формы, содержащиеся в значительном количестве в сырье, которые размножаются при создании надлежащих условий. Последний способ особенно характерен для традиционных бродильных производств, зародившихся во времена, когда о микробах еще ничего не знали. В промышленном производстве такие процессы обычно ведутся под гораздо более строгим контролем. Особенно это относится к выбору штамма и чистоте культур используемых микроорганизмов.

До недавнего времени биотехнология использовалась в пищевой промышленности с целью усовершенствования освоенных процессов и более умелого использования микроорганизмов, но будущее здесь принадлежит генетическим исследованиям по созданию более продуктивных штаммов для конкретных нужд, внедрению новых методов в технологии брожения.

Таким путем можно повысить выход и качество выпускаемой продукции и освоить производство новых ее разновидностей [12].

2.2 Производство молочных продуктов

В пищевой промышленности ферментацию применяют главным образом для получения молочных продуктов. В сквашивании молока обычно принимают участие стрептококки и молочнокислые бактерии; лактоза при этом превращается в молочную кислоту. Путем использования иных реакций, которые сопутствуют главному процессу или идут при последующей обработке, получают и другие продукты переработки молока: сметану, йогурт, сыр и др. Свойства конечного продукта зависят при этом от характера и интенсивности реакций ферментации.

В молоке при ферментации могут протекать шесть основных реакций, и в результате образуются молочная, пропионовая или лимонная кислота, спирт, масляная кислота или же происходит газообразование. Главная цель этих реакций - образование молочной кислоты. На ней основаны все способы ферментации молока. Лактоза молока гидролизуется при этом с образованием галактозы и глюкозы. Обычно галактоза превращается в глюкозу еще до сквашивания. Имеющиеся в молоке бактерии преобразуют глюкозу в молочную кислоту. Различные процессы ферментации молока проводятся в контролируемых условиях. В течение многих тысячелетий они осуществлялись при участии бактерий, исходно присутствующих в молоке. В наше время для этого используют разнообразные закваски, позволяющие получать молочные продукты нужного качества и типа. Применяющиеся при этом культуры бактерий могут представлять либо один какой-то штамм определенного вида, либо несколько штаммов или видов.

Один из древнейших способов ферментации молока - сыроварение. При производстве сыра сохраняется питательная ценность молока. Известны самые разнообразные сыры - от очень мягких до твердых. Различия между ними определяются тем, что все натуральные мягкие сыры содержат много воды (50-60%), а твердые - всего лишь 13-34%. Хотя свойства сыров разнообразны, в процессе выработки всех их есть много общего. Первый этап - это подготовка культуры молочнокислых бактерий и засев ею молока. Затем молоко створаживают, для чего обычно применяют фермент ренин. После отделения водянистой жидкости (сыворотки) полученную творожную массу подвергают термообработке и прессуют в формах. Далее сгусток солят и ставят на созревание.

Древним продуктом, получаемым путем ферментации является йогурт. После термообработки молоко заквашивают добавлением 2-3% закваски йогурта. Главную роль здесь играют бактерии Streptococcus thermophillus и Lactobacillus bulgaricus. Для получения желаемой консистенции продукта, вкуса и запаха эти организмы должны содержаться в культуре приблизительно в равных количествах.

Кислоту в начале заквашивания образует в основном Streptococcus thermophillus. Смешанные закваски нужно часто обновлять, поскольку повторные пересевы неблагоприятно сказываются на соотношении видов и штаммов бактерий. Из молочных продуктов проще всего получать масло. В зависимости от сорта производимого масла используют сливки с концентрацией от 30 до 40 %. При их сбивании образуется масло.

При производстве масла для улучшения вкуса и лучшей сохранности используют особые культуры бактерий. Улучшение вкуса было достигнуто путем создания специальных штаммов бактерий, отобранных по способности синтезировать нужные вещества, влияющие на вкус. Первыми для этой цели были использованы штаммы Streptococcus lactis и близких видов, а затем - смешанные культуры [13].

2.3 Производство хлебопродуктов

Для производства хлеба применяют в основном дрожжи Saсcharomyces cerevisiae. Обычно их растят в ферментерах периодического действия.

В простейшем случае готовят тесто, смешивая при комнатной температуре муку, воду, дрожжи и соль. При замесе слои теста перемещаются, создаются условия для образования пузырьков газа и подъема теста. Замешанному тесту дают возможность «подойти», а затем режут на куски нужного веса, формуют и выдерживают во влажной атмосфере. При выдержке образовавшиеся газовые пузырьки заполняются углекислым газом. Он выделяется в ходе анаэробного сбраживания глюкозы и мальтозы муки. Помимо углекислого газа при анаэробном брожении образуются разнообразные органические кислоты, спирты и эфиры. Все они влияют на формирование вкуса хлеба. Поднявшееся тесто выпекают. В ходе этого термического процесса крахмал желатинизируется, дрожжи погибают и тесто частично обезвоживается.

При выпечке некоторых сортов хлеба из пшеничной муки к тесту добавляют предварительно сброженную смесь ржаной муки и воды, заквашенную смешанной культурой лактобактерий. Содержащаяся в этой закваске кислота придает хлебу особый вкус [13].



2.4 Бродильное производство

Одно из древнейших бродильных производств - получение напитков путем спиртового брожения. Первыми из таких напитков были вино и пиво.

Алкогольные напитки получают путем сбраживания сахарсодержащего сырья, в результате которого образуются спирт и углекислый газ. Сбраживание осуществляется дрожжами рода Saсcharomyces. В одних случаях используется природный сахар (например, содержащийся в винограде, из которого делают вино), в других сахара получают из крахмала (например, при переработке зерновых культур в пивоварении). Наличие свободных сахаров обязательно для спиртового брожения при участии Saсcharomyces, так как эти виды дрожжей не могут гидролизовать полисахариды.

Пиво. Для осуществления спиртового брожения прежде всего необходимо, чтобы в пивоваренном сырье образовался сахар. Традиционным источником нужных для этого полисахаридов всегда был ячмень, но в качестве дополнительных используются и другие виды углеводсодержащего сырья. Ячмень и другие компоненты измельчают и смешивают с водой при температуре 67 °С. В ходе перемешивания природные ферменты ячменного солода разрушают углеводы зерна.

На заключительной стадии раствор, называемый суслом, отделяют от нерастворимых остатков. Добавив хмель, его кипятят в медных котлах. Для производства пива с определенным содержанием алкоголя сусло после кипячения доводят до нужной плотности. Удельная плотность сусла определяется содержанием экстрагированных сахаров, подлежащих сбраживанию. По истечении определенного времени брожение заканчивается, дрожжи отделяют от пива и выдерживают его некоторое время для созревания. После фильтрации и других необходимых процедур пиво готово. Вина. В производстве вина используется сахар виноградного сока. Почти все вино в мире делают из винограда одного вида, Vitis vinifera. Сок этого винограда - прекрасное сырье для производства вина. Он богат питательными веществами, служит источником образования приятного запаха и вкуса, содержит много сахара; его природная кислотность подавляет рост нежелательных микроорганизмов.

При изготовлении красного вина гребни, косточки и кожица до конца брожения находятся в виноградном сусле, а белое вино делают из чистого сока.

Различные вкусовые оттенки появляются при выдержке вина; хорошо известно, что свой вклад вносит взаимодействие с древесиной и воздухом при хранении в деревянных бочках [13].

2.5 Получение белковых продуктов, пищевых добавок и ингредиентов

Микроорганизмы начали использовать в производстве белковых продуктов задолго до возникновения микробиологии. Это всевозможные разновидности сыра, а также продукты, получаемые путем ферментации соевых бобов. И в первом, и во втором случае питательной основой является белок. При выработке данных продуктов с помощью микробов происходит глубокое изменение свойств белоксодержащего сырья. В результате получают пищевые продукты, которые можно дольше хранить (сыр). Микробы играют роль и в производстве некоторых мясных продуктов, предназначенных для хранения. Например, при изготовлении некоторых сортов колбасы (salami) используется кислотное брожение, обычно при участии молочнокислых бактерий. Образовавшаяся кислота способствует сохранению продукта и вносит вклад в формирование его особого вкуса. Кислотообразующие бактерии используются и при засоле мяса. Ряд блюд восточной кухни получают путем ферментации рыбы. Для этого применяют плесневые грибы и дрожжи. В целом использование микроорганизмов в переработке белков ограничено. Исключением является сыроделие и выращивание микробной массы, перерабатываемой в пищевые продукты.

Для микробного белка придумано специальное название - белок одноклеточных организмов (БОО). Производство его связано с крупномасштабным выращиванием определенных микроорганизмов, которые собирают и перерабатывают в пищевые продукты. В основе лежит технология ферментации - ветвь бродильной промышленности и производства антибиотиков. Чтобы осуществить, возможно, более полное превращение субстрата в биомассу микробов, требуется многосторонний подход.

Особенность БОО заключается в том, что этот продукт, во-первых, практически целиком состоит из микробной биомассы, и, во-вторых, в его производстве нередко принимают участие микробы, опыт использования которых мал и которые ранее в пище отсутствовали.

Единственный официально разрешенный вид белковой пищи микробного происхождения - это микопротеин.

Микопротеин - это пищевой продукт, состоящий в основном из мицелия гриба. При его производстве используется штамм Fusarium graminearum, выделенный из почвы.

Подкислители. Применяются в основном как вкусовые добавки для придания продуктам «острого» вкуса. В практику они вошли скорее всего в результате широкого использования органических кислот для сохранения пищи. Самым популярным подкислителем в пищевой промышленности является лимонная кислота. Сначала этот продукт получали отжимая сок из лимонов, сегодня лимонную кислоту получают сбраживая содержащие глюкозу гидролизаты.

Аминокислоты. В мире производится примерно 200 тыс. тонн аминокислот в год; их используют главным образом как добавки к кормам и пищевым продуктам. Главными продуктами, получаемыми по технологии ферментации является глутаминовая кислота и лизин.

Витамины и пигменты. Основные потребности промышленности в этих соединениях удовлетворяются за счет природных источников и химического синтеза, но два из них в-каротин и рибофлавин, получают методами биотехнологии.

Усилители вкуса. Главным усилителем вкуса считается натриевая соль глутаминовой кислоты: ее можно получить при помощи Micrococcus glutamicus. Пионером использования усилителей вкуса является Япония, но сам принцип применялся при создании рецептов многих блюд во всем мире [14].



3. Генная и клеточная инженерия

3.1 Генная инженерия

Развитие молекулярной биологии в конце XX в. привело к ряду открытий, имеющих важное практическое значение. К числу таких достижений принадлежит создание методов синтеза и выделения генов, положивших начало генной инженерии.

Гены представляют собой участки ДНК, которые кодируют ферменты, белковые гормоны, защитные, транспортные и иные белки. Многие из этих белков, синтезируемых в клетках бактерий, животных или растений, представляют большую практическую ценность для медицины, сельского хозяйства, промышленности. Однако чаще всего они производятся клетками в малых количествах, и поэтому широкое использование их затруднено или невозможно. Так, важное значение для медицины имеет производство белкового гормона роста. Он вырабатывается гипофизом и контролирует рост человеческого тела, его недостаток приводит к карликовости. Введение этого гормона детям, страдающим карликовостью, обеспечивает им нормальное развитие.

Если бы мы научились вводить в клетки растений новые гены, кодирующие полноценные белки, то такие растения не отличались бы по пищевой ценности от продуктов животного происхождения. Недостаток животных продуктов (молока, яиц, мяса, рыбы), которые содержат все необходимые аминокислоты, испытывает более половины населения Земли.

В клетках некоторых бактерий есть белки, которые способны с высокой эффективностью превращать световую энергию Солнца в электрическую энергию. Если бы мы могли производить такие белки в больших количествах, то на их основе можно было бы создать промышленные установки для получения дешевой электроэнергии. Эти и многие другие задачи позволяет решать генная инженерия.

Сегодня известно несколько способов получения генов, кодирующих необходимые белки. Так, разработаны методы химического синтеза молекул ДНК с заданной последовательностью нуклеотидов. Более того, уже синтезирован таким способом ряд генов, кодирующих белковые гормоны и интерфероны -- белки, защищающие человека и животных от вирусов.

...