Методи біотехнології (стр. 1 из 3)
Реферат
На тему: «Методи біотехнології»
Зміст
1. Короткий історичний екскурс та етапи становлення біотехнології як науки
2. Біологічні об'єкти і методи біотехнології
3. Біотехнологічні прийоми в подоланні продовольчих проблем людства
4. Біотехнологічні прийоми в подоланні сировинних та енергетичних проблем людства
5. Біотехнологічні прийоми в подоланні екологічних та економічних проблем людства
1. Короткий історичний екскурс та етапи становлення біотехнології як науки
Біотехнологія - це наука про використання хіміко-біологічних процесів і біологічних об'єктів (мікроорганізмів, культур клітин і тканин рослинного і тваринного походження, ферментних препаратів та інших біологічно активних речовин) у промисловому виробництві. Назва її походить від грецьких слів bios - життя, teken - мистецтво, logos - наука.
Відповідно до визначення Європейської федерації біотехнологів (ЄФБ, 1984) біотехнологія базується на інтегральному використанні біохімії, мікробіології, молекулярної біології, клітинної та генетичної інженерії з метою промислової реалізації властивостей мікроорганізмів, культур клітин і тканин. Уже у самому визначенні предмета відображено його місцерозташування як прикордонного, завдяки чому результати фундаментальних досліджень у сфері біологічних, хімічних і технічних дисциплін набувають прикладного значення.
Біотехнологія - одна з найдавніших і водночас одна з наймолодших наук і галузей промисловості.
Людство здавна опанувало на практиці різні процеси біотехнології. Ще з біблейських часів було відоме виноробство, випікання хліба, а дещо пізніше - одержання кисломолочних продуктів, квашеної капусти, медових алкогольних напоїв, силосування кормів тощо. Стародавні народи інтуїтивно використовували прийоми і способи виготовлення продуктів, які сьогодні ми відносимо до біотехнологічних.
Значний поштовх у розвитку біотехнології пов'язаний з видатними дослідженнями великого французького вченого Луї Пастера (1822-1895) - основоположника наукової мікробіології. Він розкрив мікробну природу бродіння, довів можливість життя у безкисневих умовах, експериментально спростував уявлення про самовільне зародження живих істот, створив наукові основи вакцинопрофілактики і вакцинотерапії, запропонував метод стерилізації, названий його ім'ям, - пастеризацією тощо. Починаючи з другої третини XX століття розпочалось впровадження крупномасштабного герметизованого обладнання, яке забезпечує проведення процесів у стерильних умовах. Особливо потужний поштовх у розвитку промислового біотехнологічного обладнання був відмічений у період становлення і розвитку виробництва антибіотиків (період Другої світової війни 1939-1945 pp., коли виникла гостра необхідність у протимікробних препаратах для лікування хворих з інфікованими ранами). У цей час були вирішені основні завдання з конструювання, створення і впровадження у практику біореакторів, які використовуються й нині.
Однак термін «біотехнологія» прижився лише з середини 70-х років XX ст., коли біотехнологія пережила своє друге народження у зв'язку з появою генетичної інженерії. Власне становлення біотехнології як самостійної науки розпочалося з 1972 p., коли П. Берг зі співробітниками у США створили першу рекомбінантну молекулу ДНК.
Звичайно, без фундаментальної роботи Ф. Кріка і Дж. Уотсона (1953) щодо встановлення структури ДНК було б неможливо досягнути сучасних результатів у сфері біотехнології. З'ясування механізмів функціонування і регуляції ДНК, виділення і вивчення специфічних ферментів привело до формування чіткого наукового підходу, до розробки біотехнологічних процесів на основі генно-інженерних робіт.
Уже в 1982 р. надійшов у продаж людський інсулін, синтезований кишковими паличками, які містили штучно вмонтовану інформацію про цей гормон. Згодом з'явились інші генно-інженерні препарати: інтерферони, соматотропний гормон людини, інтерлейкін-2 та ін.
У цей період були одержані суперпродуценти антибіотиків, ферментів, амінокислот, вітамінів; розроблені та впроваджені екологічно чисті безвідходні технології; розроблена і впроваджена у практику спеціальна апаратура; здійснена автоматизація і комп'ютеризація біотехнологічних процесів тощо.
Протягом останніх 10-15 років минулого століття проходив бурхливий розвиток біотехнології, визначались сфери пріоритетного впровадження конкретних результатів технологічних розробок.
2. Біологічні об'єкти і методи біотехнології
До хіміко-біологічних процесів належать ті з них, в яких використовують біологічні об'єкти різної природи (мікробної, рослинної або тваринної), наприклад, при виробництві продукції різноманітного призначення - антибіотиків, вакцин, ферментів, кормового і харчового білка, гормонів, амінокислот, біогазу, органічних добрив тощо.
Об'єкти біотехнології дуже різноманітні й діапазон їх розповсюджується від організованих частин (вірусів) до людини.
Біооб'єкти характеризуються такими показниками, як рівень структурної організації, здатність до розмноження (або репродукції), наявність або відсутність власного метаболізму при культивуванні у належних умовах. Що стосується характеру біооб'єктів, то під цим слід розуміти їх структурну організацію. В такому випадку біооб'єкти можуть бути молекулами (ферменти, імуномодулятори, нуклеозиди, оліго- і поліпептиди тощо), організованими частинами (віруси, фаги), одноклітинним; (бактерії, дріжджі) і багатоклітинними особинами (нитчасті вищі гриби, рослинні тіканини, одношарові культури клітин ссавців), цілими організмами рослин і тварин. Але навіть при використанні біомолекули як об'єкта біотехнології її початковий біосинтез здійснюється у більшості випадків відповідними клітинами. Отже, можна стверджувати, що об'єкти біотехнології належать або до мікробів, або до рослинних і тваринних організмів.
Таким чином, незалежно від систематичного положення біооб'єкта на практиці використовують або природні організовані частинки (фаги, віруси) і клітини з природною генетичною інформацією, або клітини з штучно заданою генетичною інформацією, тобто у будь-якому випадку використовують клітини - чи то мікроорганізм, рослина, тварина або людина.
Нині більшість об'єктів біотехнології становлять мікроби, світ яких дуже великий і різноманітний. До них належать усі прокаріоти - бактерії, актиноміцети, рикетсії, синьо-зелені водорості й частина еукаріот - дріжджі, нитчасті гриби, простіші й водорості. Мікробами серед рослин є мікроскопічні водорості, а серед тварин - мікроскопічні найпростіші.
Основою сучасного біотехінологычного виробництва є мікробіологічний синтез, тобто синтез різноманітних речовин за допомогою мікроорганізмів. Об'єкти рослинного і тваринного походження ще не знайшли широкого розповсюдження через їх високу вимогливість до умов культивування, що значно здорожчує виробництво.
Для реалізації біотехнологічних процесів важливими параметрами біооб'єктів є: чистота, швидкість розмноження клітин і репродукції вірусних частий, активність і стабільність біомолекул або біосистем.
При використанні ферментів (в ізольованому або іммобілізованому стані) як біокаталізаторів нині ікає необхідність охорони їх від деструкції банальною сапрофітною мікрофлорою, яка може проникати у сферу біотехнологічного процесу ззовні внаслідок нестерильності системи, наприклад, через негерметичність обладнання.
Швидкість розмноження клітин і репродукція вірусних частин прямо пропорційно відбиваються на збільшенні біомаси і утворенні метаболітів.
Активність і стабільність перебування біооб'єктів в активному стані - найважливіші показники їх придатності для тривалого використання в біотехнології.
Головною ланкою біотехнологічного процесу, який визначає його сутність, є клітина. Саме в ній синтезується цільовий продукт. За влучним висловом Овчіннікова Ю.А. , клітина - це мініатюрний хімічний завод, який працює з колосальною продуктивністю, з граничною узгодженістю і за заданою програмою. В ній щохвилинно синтезуються сотні найскладніших сполук, включаючи гігантські біополімери, у першу чергу білки.
Методи біотехнології. Біотехнології притаманні свої специфічні методи. Це крупномасштабне глибинне культивування біооб'єктів у періодичному, напівбсзперервному або безперервному режимі та вирощування клітин рослинних і тваринних тканин в особливих умовах. Біотехнологічні методи культивування біооб'єктів виконуються у спеціальному обладнанні, наприклад, у ферментерах вирощують бактерії і гриби при одержанні антибіотиків, ферментів, органічних кислот, деяких вітамінів тощо.
У подібних ферментерах вирощують деякі клітини людини (бласти) для одержання білка-інтерферону, а також деякі види рослинних клітин. Однак останні частіше вирощують у стаціонарних умовах на середовищі з ущільненою (наприклад, агаризованою) підкладкою у скляних або поліетиленових ємностях.
Інші методи, які використовують у біотехнології, є спільними, наприклад з методами в мікробіології, біохімії, органічній хімії й інших науках. Особливо потрібно виділити методи клітинної і генетичної інженерії, які покладено в основу сучасної біотехнології.
Відмінністю методів, які використовуються у біотехнології, є те, що вони повинні виконуватись, як правило, в асептичних умовах (від грецького а - ні, septicos - гнилісний), тобто з уникнення можливості потрапляння у середовище, де культивується біооб'єкт, патогенних і сапрофітних мікроорганізмів.