Прогнозные объемы производства и уровни затрат, которых необходимо достичь в XXI в (Россия)

Биоконверсия и биоэнергетика.

Около половины валовой продукции растениеводства - солома и ботва сельскохозяйственных растений, около 300 млн. т навоза составляют органические отходы сельскохозяйственного производства. Только половина соломы и не более 30 % ботвы используется на корм скоту. Остальная солома и ботва практически не используется, сжигается или сгнивает на полях, в местах временного хранения.

Биотехнологи и инженеры предложили способы их биоконверсии – преобразования в биогаз. Из одной тонны сухого вещества навоза можно получить в специальных конверсионных установках до 400 м³ метана. Каждый кубометр метана при сжигании дает 8 тыс. мгДж энергии. Оставшиеся после биоконверсии навоза органические отходы содержат углерод, фосфор, калий, кальций, микроэлементы и могут быть использованы в виде органического удобрения. Биоконверсия навоза и других органических отходов может быть постоянным возобновляемым источником энергии и давать до 5 % от общего количества потребляемой энергии в сельском хозяйстве. Экспериментальные биоконверсионные установки в нашей стране созданы во Всероссийском институте электрификации и используются в ряде сельскохозяйственных предприятий, а также предприятий коммунального хозяйства.

Биотехнология как наука и отрасль производства переживает сегодня в мире период ускоренного развития. Россия, к сожалению, значительно отстает в этом отношении.

Общие масштабы развития биотехнологии в мире в XXI в. определяются глобальными проблемами по обеспечению необходимого уровня жизни людей и всех видов безопасности. Есть разные методы и подходы к определению потребности всего населения земного шара в ХХI в. в основных ресурсах. В обобщенном виде прогноз их роста можно представить в виде таблицы.

Продовольствие	— увеличение в 2-3 раза
Энергообеспечение	— увеличение в 5-6 раз
Пресная вода (за счет опреснения)	— увеличение в 5-6 раз
Затраты на экологию	— рост в 10 раз
Затраты на регулирование климата	— в 20 раз
Затраты на поддержание здоровья населения	— в 20 раз
Затраты на восстановление и повышение плодородия почв	— в 10 раз
Затраты на восстановление лесов, лугов и пастбищ	— в 20 раз
Затраты на восстановление фауны (животного мира)	— в 10 раз
Затраты на освоение космоса	— в 20 раз
Затраты на предотвращение техногенных катастроф	— в 20 раз

С учетом реально сложившейся ситуации с ресурсами для жизнеобеспечения человечества, а также ближайшего и перспективного прогноза возможных изменений в количественных и качественных характеристиках на первое место по значимости должны быть поставлены глобальные меры по увеличению объемов потребляемой энергии в текущем столетии, как минимум, в 5-6 раз, продовольствия - в 2-3 раза, а увеличение затрат на экологическую безопасность - не менее чем в 10 раз, по сравнению с объемами и показателями конца XX - начала XXI вв.

Спорными являются цифры роста затрат на увеличение производства продовольствия - в 2-3 раза и освоение космоса в 20 раз. Масштабы продовольственного фонда ограничиваются нерегулируемыми факторами производства и прежде всего площадью пахотнопригодных земель и резервами поливной воды для орошения.

Исходя из экономической значимости биотехнологии и сегодня, и в перспективе правительства почти всех стран мира утвердили национальные программы по развитию биотехнологии и, в первую очередь, биоинженерии, и обеспечили высокий уровень их государственной поддержки и прежде всего бюджетного финансирования.

Таким образом, биопромышленность производит кормовые и пищевые белки пептиды, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, этанол, регуляторы роста растений, лечебные и иммунные препараты. В перспективе решение проблем связывания азота, синтеза белков и жиров, окисления серы в SO₂ и SO₃ и др. По мнению американских экспертов, биотехнология в наибольшей степени изменит жизнь человека в 21 веке.

Биологические процессы имеют существенные достоинства: они используют возобновляемое сырье, происходят в мягких условиях, их отходы доступны переработке. Применение биотехнологических процессов особенно выгодно экономически и технологически при производстве относительно дорогих малотоннажных продуктов.

Ферменты. Подавляющее большинство продуктов биопромышленности получают ферментацией с помощью микроорганизмов (главным образом, бактерий и грибов). Микроорганизмы очень разнообразны по строению и физиологическим свойствам, они переносят высокую кислотность, быстро размножаются. Хотя ферментация осуществляется живыми клетками, она основана на биохимическом превращении исходного субстрата под действием биологических катализаторов – ферментов.

Фермент – это белок, состоящий из аминокислот, соединенных в полипептидные цепи различной длины и в разной последовательности

Это так называемая первичная структура фермента, где боковые остатки, или важнейшие функциональные группы белков, возможно, выступают в качестве активных центров ферментов. На эти боковые группы и ложится основная нагрузка при работе фермента, пептидная же цепь играет роль опорного скелета. Согласно структурной модели Полинга - Кори, она свернута в спираль, которая в обычном состоянии стабилизирована водородными связями между кислотными и основными центрами (вторичная структура).

Для некоторых ферментов установлены полный аминокислотный состав и последовательность расположения их в цепи, а также сложная пространственная структура.

Строгая избирательность и высокая скорость - два основных признака ферментативного катализа, отличающие его от лабораторного и производственного катализа. Ни один из созданных руками человека катализаторов не может сравниться с ферментами по силе и избирательности воздействия на органические молекулы.

Активность фермента, как и любого другого катализатора, тоже зависит от температуры: с повышением температуры возрастает и скорость ферментативной реакции. При этом обращает на себя внимание резкое снижение энергии активации Е_А по сравнению к некаталитической реакцией. Правда, это происходит не всегда. Известно много случаев, когда скорость возрастает благодаря увеличению независящего от температуры предэкспоненциального множителя в уравнении Аррениуса.

Активность фермента зависит также от кислотности среды, в которой протекает химическая реакция. Создается впечатление, что ферментам предоставлено право решать, что в данном конкретном случае им выгодно - организовать более прочную связь активного центра с молекулой субстрата или произвести разупорядочение своей структуры.

Трудно сказать, каков механизм выбора пути активации субстрата. Во всяком случае, изучение кинетики ферментативной реакции и термодинамики образования промежуточных комплексов, хотя и дает ценную количественную информацию, не позволяет полностью раскрыть молекулярный и электронный механизм работы фермента. Здесь, как и при изучении обычных химических реакций, приходится идти по пути моделирования - грубо говоря, придумывания таких молекулярных механизмов, которые, по крайней мере, не противоречили бы данным эксперимента и элементарной логике химических реакций.

Анализ зависимостей скорости от рН является весьма эффективным средством идентификации функциональных групп белковой молекулы фермента, участвующих в процессе активации молекул субстрата. Зная природу активных центров, можно представить себе, как они работают. При этом пользуются теми же представлениями о механизме элементарных актов, которые сложились при изучении обычных реакций органической и неорганической химии. Вводить какие-то особые механизмы нет никакой необходимости. Существует твердое убеждение в том, что работа фермента сводится, в конечном счете, к совокупности простых операций, аналогичных тем, которые совершаются при взаимодействии органических молекул в обычных пробирочных условиях.

Таким образом:

1) В ферментативном катализе принимают участие функциональные группы, и механизм ферментативной реакции включает в себя определенную последовательность элементарных актов, которая обеспечивает энергетически более выгодный маршрут, чем неферментативная реакция;

2) активные центры на полипептидной цепи расположены так, чтобы в определенный момент и в определенном месте они могли взаимодействовать с молекулой субстрата и осуществить серию согласованных химических актов.

Несмотря на высокую стоимость ферментов, в биологическом производстве нашли применение амилаза, протеазы, пептин. В таблице представлены группы ферментов, используемых в различных областях биопромышленности.

Фермент	Промышленность	Использование
Амилазы (расщепляют крахмал)	Пивоваренная   Текстильная   Хлебопекарная	Осахаривание содержащегося в солоде крахмала Удаление крахмала, наносимого на нити во время шлихтования Крахмал в глюкозу. Дрожжевые клетки сбраживая глюкозу, образуют CO2, которые разрыхляют тесто.
Протеазы (расщепяют белки)
Папаин	Пивоваренная   Мясная	Этапы процесса пивоварения, регулирующие количество пены Смягчение мяса.
Фицин	Фармацевтическая	Добавки к зубным пастам для удаления зубного налета
Трипсин	Пищевая	Производство продуктов для детского питания

Переворот в промышленном применении ферментов произвела их иммобилизация, т.е. физическое или химическое соединение фермента с твердым носителем (керамика, стекло, синтетические полимеры). При этом сохраняются каталитические свойства ферментов, увеличивается их стабильность, и устраняются трудности их отделения от непрореагировавшего субстрата и продуктов.

Новые направления физико-химической биологии значительно расширили возможности биотехнологии. Прежде всего, это относится к генетической биоинженерии, т.е. к использованию клеток, генетическая программа которых целенаправленно изменена введением в них молекул ДНК, созданных в лаборатории и кодирующих синтез нужного продукта. Второе направление развития биотехнологии связано с клеточной инженерией. Пользуясь способностью клеток растений превращаться на специальных средах в сформированное растение, клеточные культуры применяются для получения безвирусных растений, пытаются проводить селекцию форм с нужными свойствами. После этих открытий биотехнология смогла производить различные химические вещества, перерабатывать отходы, удобрения, концентрировать металлы из разбавленных водных растворов и т.д., т.е. биотехнология стала работать под девизом: «Клетки могут все». Подражание живой природе, освоение каталитического опыта живой природы – самое перспективное сегодня направление химической технологии.

Производство антибиотиков. Антибиотики - специальные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и их модификации, которые обладают высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов (вирусам, бактериям, грибам, водорослям) или к злокачественным опухолям. Нужны в очень малых концентрациях (обладают высокой специфичностью).

Применение: в медицине, ветеринарии, с/х, пищевой промышленности как консерванты). В медицинской практике используются около 100 антибиотиков.

Получение: путем химической или биохимической трансформации.

Витамины. Витамины – низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, необходимые для осуществления жизненно важных биохимических и физиологических процессов в живых организмах.

Применение: в профилактических и лечебных целях для коррекции их недостаточного поступления с пищей, профилактики и лечения гипо- и авитаминозов. Витамины и их производные применяют также как лекарственные средства в случаях, не связанных непосредственно с коррекцией витаминного дефицита, например, ретиноевая кислота (витамин А) и ее производные – противоопухолевые средства.

Получение: химическим (витамины А, В₆, тиамин, фолиевая кислота и др.) и микробиологическим (рибофлавин, витамин В₁₂) синтезом или выделяют из природных источников (витамин Е, аскорбиновая кислота и др.).

Однако несмотря на все преимущества, биотехнологии обладают рядом недостатков. Процессы протекают в разбавленных водных растворах, что приводит к низким скоростям протекания процессов. Биотехнологические процессы требуют отдельного производства ферментов, чаще всего, в стерильных условиях, что требует дополнительных затрат.

ЛЕКЦИЯ 11. Генная инженерия.

Генная инженерия – это особый раздел биотехнологий, Генетическая инженерия - это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала. Основа прикладной генетической инженерии - теория гена. Созданный генетический материал способен размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена.

Генетическая инженерия возникла в 1972 году, в Станфордском университете, в США. Тогда лаборатория П. Берга получила первую рекомбинатную (гибридную) ДНК или (рекДНК). Она соединяла в себе фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса SV40.

Строение рекомбинантной ДНК. Гибридная ДНК имеет вид кольца. Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и др. бактерии, дрожжи, животные или растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной ДНК несут два фермента. Первый - рестриктаза рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Этапы генного синтеза. Гены, подлежащие клонированию, могут быть получены в составе фрагментов путем механического или рестриктазного дробления тотальной ДНК. Но структурные гены, как правило, приходится либо синтезировать химико-биологическим путем, либо получать в виде ДНК-копии информационных РНК, соответствующих избранному гену. Структурные гены содержат только кодированную запись конечного продукта (белка, РНК), и полностью лишены регуляторных участков. И поэтому не способны функционировать в клетке-хозяине.

При получении рекДНК образуется чаще всего несколько структур, из которых только одна является нужной. Поэтому обязательный этап составляет селекция и молекулярное клонирование рекДНК, введенной путем трансформации в клетку-хозяина. Существует 3 пути селекции рекДНК: генетический, иммунохимический и гибризационный с мечеными ДНК и РНК.

Практические результаты генной инженерии. В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК, гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее. Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные вещества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности, названная “индустрией ДНК”. Это одна из современных ветвей биотехнологии.

Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления генетической активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных соединений.

Основные этапы решения генно-инженерной задачи:

- Получение изолированного гена.

- Введение гена в вектор для переноса в организм.

- Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.

- Преобразование клеток организма.

- Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.

Дата добавления: 2014-01-04