Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

§ 44. Сучасна біотехнологія

Для отримання потрібних результатів у біотехнології використовують елементи живої природи

Термін «біотехнологія» вперше було вжито в 1917 році інженером Карлом Ерекі для описання процесу великомасштабного вирощування свиней із використанням як корму цукрового буряка. Ерекі визначив біотехнологію як усі види робіт, під час яких із сировинних матеріалів за допомогою живих організмів виробляють продукти. Вочевидь, що під таке визначення потрапляло величезне різноманіття технологічних процесів, які вже існували на той час: виноробство й пивоваріння, виробництво силосу1 й оцту тощо.

Але успіхи біологічної науки у XX ст. дозволили значно розширити межі застосування живих організмів у виробництві. Тому зараз біотехнологію визначають ширше — як будь-яке технологічне використання біологічних систем, живих організмів або їхніх похідних для виробництва та зміни продуктів і процесів із заздалегідь визначеною метою. Тобто будь-яка дія, під час якої свідомо використовують компоненти живої природи, буде біотехнологічною: чи то вирощування картоплі, чи то генна терапія людини.

Нині біотехнологія перетворилася на самостійну галузь біології. У багатьох університетах усього світу біотехнологію викладають як окрему дисципліну. Проте варто пам'ятати, що вона є сукупністю методів і підходів, а не цілісною наукою, оскільки не створює нові фундаментальні теорії, що покликані пояснити природні явища. Завданням біотехнології є використання знання про функціонування живих організмів для отримання необхідних продуктів або зміни природних процесів.

Фундаментом біотехнології є різні біологічні науки

Біотехнологія заснована на успіху різноманітних біологічних дисциплін і тісно переплетена з ними. Вона широко використовує досягнення фундаментальних біологічних наук. Здобутки молекулярної біології слугують основою для створення генетично модифікованих організмів. Біосинтез нових ліків, промислове застосування ферментів ґрунтується на даних біохімії, а клітинна біологія необхідна для розвитку технологій трансплантації тканин і органів та репродуктивних технологій. Фізіологія людини використовується в медичній біотехнології, мікробіологія — під час роботи з мікроорганізмами, а ботаніка й зоологія — із макроорганізмами. Крім того, знання багатьох технічних наук і дисциплін знайшли своє застосування під час створення виробничих процесів і установок. Знання хімії важливі у фармацевтичній та інших галузях хімічної промисловості, де використовується біотехнологія, а багато аспектів медицини стали фундаментом розвитку медичної та харчової біотехнології.

1 Силос (від ісп. silos — підземне зерносховище) — соковитий корм для сільськогосподарських тварин, який отримують шляхом заквашування зелених частин рослин і коренеплодів.

Біотехнологія є сукупністю галузей

Біотехнологія в сучасному вигляді складається з багатьох незалежних галузей, що виокремлені залежно від сфери діяльності й мети використання живих організмів (рис. 44.1). Варто відразу зазначити, що такий поділ на галузі є умовним. Так, сільськогосподарська біотехнологія може розглядатися як галузь харчової (чи навпаки), а водна біотехнологія (використання водних організмів) — як частина харчової, якщо вона виробляє продукти харчування, або промислової, якщо виробляє біопаливо.

Рис. 44.1. Основні галузі сучасної біотехнології

Харчова й сільськогосподарська біотехнологія займаються підвищенням урожайності й покращенням властивостей їжі

Харчова біотехнологія — це найдавніша з галузей біотехнології. До неї належить значна кількість традиційних біотехнологічних процесів отримання їжі, що включають використання мікроорганізмів під час виробництва продуктів харчування: випікання хліба, пивоваріння, виноробства, сироваріння.

Сільськогосподарська біотехнологія ж займається покращенням агропромисловості й продуктів, що отримують завдяки їй. Розвиток методів генної модифікації дозволив створювати рослини й тварин, які мають заздалегідь задані властивості: пришвидшений ріст і більшу масу, вищу стійкість до шкідників та інфекцій, знижену алергенність, багатші на вітаміни або менш жирні. Також стало можливим створення фруктів та овочів, які повільніше псуються й довше зберігаються (рис. 44.2). Так, першим дозволеним до вживання генетично модифікованим продуктом були томати Flavn Savr, розм'якшення під час зберігання яких відбувалося повільніше, ніж звичайних. Це зменшувало втрати від невчасного збору врожаю або під час тривалої доставки з поля на полиці магазинів. У § 42 ми вже розглянули значну кількість прикладів генетично модифікованих тварин і рослин, створених для потреб харчової промисловості.

Рис. 44.2. Зовнішній вигляд генетично модифікованого (вгорі) і звичайного (внизу) помідора на 15-ий день зберігання

Використання живих організмів та їхніх компонентів під час отримання палива й матеріалів є основою промислової біотехнології

Під час отримання багатьох біотехнологічних продуктів у промисловості використовують мікроорганізми. Їх неперервне вирощування здійснюється в спеціальних установках — біореакторах (рис. 44.3). Ці прилади потрібні для постійного перемішування рідкого середовища і його неперервного оновлення: свіжі порції з поживними речовинами безперервно надходять до біореактора, а «готове» середовище з продуктами метаболізму і власне мікроорганізмами постійно залишає його. При цьому біомаса залишається сталою, бо її відтік із середовищем компенсується швидким розмноженням мікроорганізмів усередині біореактора. Для цього в ньому підтримують оптимальні умови росту культури. У біореакторах виробляють антибіотики, етиловий спирт, лимонну й оцтову кислоти, чужорідні білки (про інші продукти йшлося у § 41 і 42).

Рис. 44.3. Промисловий біореактор

А. Зовнішній вигляд. Б. Будова аеробного біореактора.

Одним із перспективних напрямків промислової біотехнології є виробництво біогазу. Біогаз — це суміш метану з іншими газами, яку отримують шляхом анаеробного перероблення органічних відходів метаногенними археями. Він є альтернативою природному газу, запаси якого вичерпуються, і може використовуватися як паливо. Для отримання біогазу органічні відходи поміщають до особливих установок — метантенків — великих чанів із пристроями для збирання газу (рис. 44.4).

Нині біогаз уже використовується в деяких країнах для опалення приміщень, а також як паливо для автомобілів. Данія покриває біогазом п'яту частину своїх енергетичних потреб, у Швейцарії та Норвегії громадський транспорт працює на біогазі. В Індії, Китаї, Непалі та В'єтнамі широко розповсюджені малі метантенки, що забезпечують енергією одну або декілька селянських родин і працюють на гної та інших відходах (рис. 28.6). Такий спосіб утилізації дозволяє раціональніше використовувати природні ресурси. Понад те, збирання метану дозволяє скоротити його викиди до атмосфери й запобігти розвиткові парникового ефекту (його було схарактеризовано у § 24).

Рис. 44.4. Промислові біогазові установки

Ще одним напрямом промислової біотехнології є використання білкових каталізаторів — ферментів — для прискорення хімічних перетворень. Властивістю ферментів, яка надає їм перевагу над іншими каталізаторами, є їхня висока специфічність. Ба більше, методом спрямованої еволюції ферментів1 можна змінювати їхню будову, покращуючи якості каталізатора або надаючи можливості прискорювати перетворення нових субстратів. Ферменти використовують у різних галузях промисловості та науки (табл. 44.1).

Рис. 44.5. Синтетичний павучий шовк і кросівок, виготовлений із нього

Завдяки промисловій біотехнології одержують нові матеріали для легкої промисловості. З найдавніших часів люди використовують тварин і рослини для отримання текстилю. Наприклад, із одомашненого в Китаї тутового шовкопряда й досі отримують шовк. Проте в природі є полімери, що перевершують традиційний шовк за своїми параметрами. Один із них — павучий шовк (із якого павуки плетуть павутиння): легкий матеріал, міцність якого на розрив вища, ніж у сталі та кевлару! Однак шовк, зібраний із павуків, вирощених на фермах, коштує дорого. Тому зараз компанії, які виготовляють синтетичну версію павучого шовку (рис. 44.5), отримують необхідні білки павутиння в генномодифікованих бактеріях.

Таблиця 44.1. Біотехнологічне використання ферментів

Галузь

Ферменти

Застосування

Харчова промисловість

Целюлази, пектинази

Освітлення соків

Амілази, протеази

Підготовка солоду для пивоваріння

Хімозин

Звурджування молока під час виготовлення сиру

Паперова промисловість

Геміцелюлази, лінгін пероксидази

Освітлення паперу

Виробництво мийних засобів

Протеази, ліпази, амілази

Компоненти мийних засобів

Фармацевтична промисловість

Лактатдегідрогенази, альдолази

Синтез лікарських препаратів

Молекулярна біологія

Рестриктази, лігази, полімерази

Генетична (генна) інженерія

1 У 2018 році біохімкиня й інженерка Френсіс Арнольд отримала Нобелівську премію з хімії за розробку цього методу.

Важливою віхою в боротьбі з глобальним засміченням Світового океану пластиком є розробка нових біодеградабельних матеріалів на основі природних полімерів. Наприклад, біопластик виробляють із целюлози й крохмалю. На відміну від звичайного пластика, він легко розкладається мікроорганізмами без утворення токсичних відходів. Упровадження такого біопластика дасть можливість значно зменшити несприятливу дію на навколишнє середовище.

Біотехнології дозволяють зменшувати забруднення й визначати стан довкілля

Біотехнології можуть бути використані людиною, щоб зменшити негативний вплив на довкілля. Екологічні біотехнології дозволяють боротися з різними видами забруднень, а також розробляють індикатори для оцінки стану довкілля.

Наразі мікроорганізми повсюдно знаходять практичне застосування в очищенні стічних вод. У всіх розвинених країнах стічні води, що виробляються у великих містах, проходять багатоступеневе очищення перед тим, як дістатися до природних водойм. Це дозволяє не лише вберегти природні екосистеми від забруднення, але й мінімізувати ризик розвитку епідемій або самоотруєння населення. Очищення включає кілька етапів: механічне очищення, хімічне й біологічне. Останній вид очищення полягає в тому, що мікроорганізми, поміщені до спеціальних резервуарів, здійснюють руйнування токсичних речовин і різноманітних забруднювачів до нейтральних сполук: води, вуглекислого газу тощо. Аеробне очищення може здійснюватися на полях фільтрації — спеціальних ділянках ґрунту, населених аеробними бактеріями, які оксинюють забруднювачі. Аналог полів фільтрації — біоставки — неглибокі штучні водойми, у яких схожу функцію виконують водні аеробні бактерії (рис. 25.6). Суттєвим недоліком полів фільтрації й біоставків є неможливість їхнього використання в країнах із суворими зимами.

Перспективним є використання закритих ємностей — біофільтрів і аеротенків (рис. 44.6). У разі використання аеротенка очищення відбувається в насиченій киснем водній фазі, а біофільтра — під час проходження вод крізь зернистий пористий матеріал, населений мікроорганізмами.

Рис. 44.6. Установки з очищення води закритого типу

У тих випадках, коли стічні води багаті на мертву органічну речовину (наприклад, каналізаційні води ферм), важливу роль відіграє анаеробне біологічне очищення. Значна кількість організмів, що зброджують, дозволяє ефективно утилізувати органіку, а наявність метаногенів — ще й отримувати біогаз. Унаслідок цього кількість органіки суттєво зменшується, а вирощені живі організми чи метан можуть бути використані з користю. Тож таке очищення має не лише екологічну доцільність, але й економічну вигоду.

Іншим важливим напрямом біотехнологій є боротьба із забрудненнями безпосередньо в природних біотопах. У § 41 ми вже обговорювали використання мікроорганізмів для боротьби з розливами нафти: завдяки здатності розкладати нафтопродукти бактерії в природній спосіб очищують середовище від них. Крім цього, їх можна застосовувати для боротьби із забрудненнями середовища важкими металами й токсичними відходами хімічного виробництва: під дією мікроорганізмів ці речовини перетворюватимуться на безпечніші чи швидше виводитимуться з ґрунту. Але таке використання бактерій не повинно суттєво впливати на життєдіяльність ґрунтової мікрофлори.

Урешті-решт компоненти живого й цілі організми1 можуть використовуватися в біосенсорах — компактних пристроях, здатних визначати хімічні параметри середовища (рис. 44.7, А). Так, наприклад, за допомогою антитіл або ферментів можна виявляти пестициди або токсини — коли такі речовини взаємодіють із біокомпонентом сенсора, то відбувається зміна електричних або оптичних параметрів, яка й детектується. Ці сенсори часто мініатюрніші, ніж звичайні, та більш чутливі, що сприяло їх використанню для моніторингу за станом навколишнього середовища, контролю за промисловими процесами й навіть у побуті (рис. 44.7, Б, В).

Рис. 44.7. Побутові біосенсори

A. Завдяки взаємодії речовини, що визначається з біологічним компонентом сенсора, у ньому відбуваються зміни, що перетворюються в електричний чи оптичний сигнал. Б. Глюкометр використовує ферментативну реакцію окиснення глюкози у взятій пробі крові для визначення її концентрації. B. Завдяки зв'язуванню гормону хоріонічного гонадотропіну з антитілами в домашньому тесті на вагітність визначається стан жінки.

1 Для підтвердження відсутності в повітрі небезпечних метану або чадного газу шахтарі брали з собою в шахту клітку з домашньою канарейкою. За наявності цих газів птахи переставали співати й гинули, що слугувало сигналом до евакуації.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Серед наведених тверджень щодо біотехнології та її продуктів оберіть правильне.

  • А у біотехнології використовують лише білкові речовини живих організмів
  • Б завдяки застосуванню аеротенків отримують біогаз
  • В розведення корів для отримання від них молока є прикладом біотехнологій
  • Г вироби з біопластика є джерелом забруднення Світового океану

• 2. Якщо кількість клітин дріжджів, що виводяться з біореактора, буде більшою за ту, що утворюється за цей час у ньому, то з часом у апараті

  • А лишиться лише поживне середовище
  • Б усі дріжджі загинуть
  • В виробництво цільового продукту стане максимальним
  • Г зросте густина популяції дріжджів

• 3. Прикладом дослідження в галузі промислової біотехнології може слугувати

  • А розроблення технології отримання людських гормонів у бактеріях
  • Б збільшення плідності курей
  • В підвищення стійкості картоплі до пестицидів
  • Г створення штамів для очищення ґрунтів від нафтопродуктів

• 4. Метаногенні археї використовуються людиною

  • А для лікування вірусних захворювань
  • Б для отримання антибіотиків
  • В для очищення води
  • Г як компоненти біосенсорів

• 5. Увідповідніть біологічний об'єкт і галузь біотехнології, де він використовується.

  • 1 бактерія Sedum alfredii, що поглинає Кадмій
  • 2 тутовий шовкопряд
  • 3 аденовірус людини
  • 4 «золотий» рис, збагачений β-каротином
  • А харчова біотехнологія
  • Б промислова біотехнологія
  • В медична біотехнологія
  • Г екологічна біотехнологія

У житті все просто

• 6. Доведіть, що різні галузі й напрями біотехнології використовують знання різних біологічних наук.

• 7. Схарактеризуйте вплив біотехнологій на довкілля. Чи варто уникати використання якихось біотехнологічних процесів?

У житті не все просто

• 8. Як використовують морські організми в біотехнології? Чому їхнє застосування може допомогти на шляху до стійкого розвитку?

• 9. Які біотехнологічні виробництва вже є в Україні? У яких є потреба? Які з них ви б запропонували впровадити першочергово?