Основные направления биотехнологии

Значительную роль в жизни человека играют микроорганизмы, так как они способны производить жизненно важные продукты: аминокислоты, белки, антибиотики, ферменты, спирты, гормоны, полисахариды, бактериальные удобрения. Использование человеком живых организмов и биологических процессов для промышленного получения продуктов называется биотехнологией. Биотехнологические процессы используются человеком с древних времен: молочнокислые бактерии — для получения молочнокислых продуктов, различные штаммы дрожжей — в виноделии, пивоварении, хлебопечении. В последние десятилетия широкое распространение получили антибиотики (пенициллин, стрептомицин, эритромицин, тетрациклин и др.), выделяемые в промышленных установках различными видами грибов.

Природные штаммы микроорганизмов в основном низкопродуктивны. Поэтому в микробиологической промышленности применяют селекционные методы: индуцированный мутагенез и искусственный отбор. Для получения мутаций используют ультрафиолетовые и рентгеновские лучи и химические мутагены. Применение мутагенных факторов и целенаправленного отбора позволило повысить продуктивность штаммов в сотни и тысячи раз.

Микроорганизмы отличаются тремя характерными особенностями, важными для производства:

  • содержат меньше генов, чем клетки высокоорганизованных видов;
  • очень быстро размножаются;
  • их геном гаплоидный, что позволяет проявляться фенотипически любой мутации уже в первом поколении.

Особенно интенсивно начала развиваться микробиологическая промышленность в последнее время. В качестве питательной среды для бактерий начали использоваться непищевые продукты: жидкие парафины нефти, синтетические спирты, отходы деревообрабатывающей промышленности и др. Получаемые таким путем белково-витаминные препараты позволяют решить проблему нехватки кормового белка и повысить продуктивность животноводства. Кроме того, микробиологическая промышленность производит ферменты, антибиотики, гормоны, аминокислоты и другие лечебные препараты, необходимые человеку.

Для создания новых штаммов микроорганизмов в последнее время применяют генную инженерию — конструирование новых генетических структур по заранее намеченному плану. Возникновение генной инженерии стало возможным благодаря развитию молекулярной биологии, генетики, биохимии и микробиологии.

Генная инженерия включает три основных этапа:

  • получение нужного гена (выделение природного или искусственный его синтез);
  • включение этого гена в молекулу ДНК-переносчика — получение рекомбинантной молекулы ДНК;
  • введение рекомбинантной ДНК в бактериальную клетку, где она встраивается в генетический аппарат.

На основе генной инженерии можно наладить промышленное производство витаминов, аминокислот, ферментов, гормонов и т. д. В настоящее время уже освоено промышленное производство белка инсулина (гормона поджелудочной железы для лечения диабета) и интерферонов — белков, подавляющих размножение вирусов.

Генная инженерия позволяет конструировать и эукариотические клетки с новой генетической программой. В настоящее время получают гибриды соматических клеток разных видов и даже животных и растений. Созданы растения, способные усваивать атмосферный азот, что в будущем не только обогатит растительную пищу белками, но сделает ненужным применение азотсодержащих удобрений и благоприятно скажется на чистоте окружающей среды.