Биотехнология и ее направления

Ключевые слова: биотехнология, направления биотехнологии, иммобилизованные ферменты, инженерная энзимология.
Раздел ЕГЭ: 3.9. Биотехнология, ее направления…

Читайте также конспект по химии в 10 классе «Биотехнологии»



Изучение процессов жизнедеятельности клетки и организма, выяснение природы наследственности и способов получения искусственных мутаций послужили основой для развития биотехнологии (от греч. bios — жизнь, techne — искусство и logos — учение) — прикладной науки, использующей биологические системы и процессы в различных областях сельского хозяйства, промышленности и медицины. Термин «биотехнология» был предложен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки, однако человек издавна использовал для своих нужд различные биотехнологические процессы: хлебопечение, квашение овощей, приготовление кефира, сыра, вина, пива и т. п.

Основные направления биотехнологии

Начало разработки научных основ биотехнологии связано с именем французского учёного Луи Пастера, который в середине XIX в. исследовал свойства микроорганизмов. Так, выясняя причину прокисания вина, Пастер обнаружил микроорганизм — Mycoderma aceti, превращающий вино в уксус. Рекомендация Пастера предотвращать порчу вина путём его прогревания в течение 30 мин при температуре 55—60 °С под названием «пастеризация» получила широкое применение в пищевой промышленности. В современной биотехнологии ведущее место занимают биохимические реакции, протекающие под действием иммобилизованных ферментов (энзимов). С их помощью получают важнейшие компоненты для пищевой и медицинской промышленности. Другое важное направление биотехнологии — микробиологическая технология — связано с культивированием штаммов микроорганизмов, плесневых и дрожжевых грибов для производства в промышленных масштабах кисломолочных продуктов, антибиотиков, витаминов, синтетических белков и т. п.

Благодаря открытиям и успехам молекулярной биологии и генетики в биотехнологии со второй половины XX в. бурно развивается биоинженеринг, представленный тремя направлениями: клеточной, хромосомной и генной инженерией. Клеточная инженерия связана с генетическими экспериментами с изолированными клетками, благодаря которым получают новые генотипы многоклеточных организмов с хозяйственно ценными признаками. Предпосылкой для развития клеточной инженерии стала клеточная технология — выращивание отдельных соматических клеток на питательных средах. Хромосомная инженерия является одним из методов комбинационной селекции, так как связана с выделением и переносом отдельных хромосом с известным набором генов в клетки другого организма, которые приобретают в результате этого новые свойства. Это направление биотехнологии связано с другим направлением — генной инженерией, использующей лабораторные методы in vitro (в пробирке), которые заключаются в переносе генов от одного организма к другому. Одной из задач генной инженерии является создание бактериальных клеток, способных в промышленных масштабах синтезировать защитные белки и гормоны.

Инженерная энзимология

Как вам уже известно, ферменты (энзимы) — вещества белковой природы, поэтому они неустойчивы при хранении и не могут быть использованы в биохимических реакциях многократно (из-за трудностей, связанных с разделением реагентов и продуктов реакции). Решить эти проблемы технологического характера позволяет применение иммобилизованных ферментов, созданием которых занимаются учёные, работающие в области инженерной энзимологии.

Начало применению иммобилизованных ферментов было положено в 1916 г., когда американские учёные Дж. Нельсон и Е. Гриффин адсорбировали на древесном угле фермент инвертазу и показали, что при этом он сохраняет свою каталитическую активность. Сам термин «иммобилизованные ферменты» был введён в науку значительно позже, в 1971 г. Им стали обозначать любые ограничения свободы передвижения фермента в пространстве, где протекает биохимическая реакция, которая лежит в основе получения необходимого ферментативного продукта.

Основные преимущества использования иммобилизованных ферментов перед природными заключаются в следующем:

  1. иммобилизованные ферменты легко отделимы от реакционной среды, что даёт возможность использовать их повторно, а также получать чистый (без примесей) продукт ферментативной реакции;
  2. ферментативный процесс с использованием иммобилизованных ферментов можно проводить непрерывно, регулируя скорость катализируемой реакции и выход конечного продукта;
  3. иммобилизованные ферменты можно модифицировать, целенаправленно изменяя их свойства, например специфичность действия;
  4. можно регулировать каталитическую активность иммобилизованных ферментов путём изменения свойств носителя.
Способы иммобилизации ферментов

Способы иммобилизации ферментов

Носителями для иммобилизованных ферментов служат некоторые органические и неорганические вещества. Они должны иметь высокую химическую прочность, быть проницаемыми для фермента и субстратов, легко активироваться и являться доступными для получения в виде удобных в технологическом отношении форм (гранул, мембран), иметь невысокую стоимость (рис. 262). Существует достаточно большой набор носителей, пригодных для иммобилизации ферментов в биотехнологических процессах. Рассмотрим вначале органические полимерные носители ферментов.

Органические носители иммобилизованных ферментов могут быть природного или синтетического происхождения. Среди природных полимерных органических носителей различают полисахаридные, белковые и липидные, а среди синтетических — полиметиленовые, полиамидные и полиэфирные. Использование природных полимеров в качестве носителей для иммобилизации объясняется их доступностью и наличием реакционно-способных функциональных групп, легко вступающих в химические реакции. Наиболее часто для иммобилизации ферментов применяют такие природные полимеры, как целлюлоза, декстран и агар.

В биотехнологии используются и синтетические полимерные носители, например полученные на основе стирола, акриловой кислоты, поливинилового спирта. В качестве неорганических носителей для иммобилизации ферментов применяют материалы из стекла, глины, керамики, силикагеля.

Сочетание уникальных каталитических свойств ферментов с преимуществами их иммобилизации позволило создать в биотехнологии новые промышленные процессы. Большинство из них применяют в пищевой промышленности — например, при производстве глюкозо-фруктозных сиропов, получении диетического безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки, аспарагиновой, уксусной, яблочной кислот и др.


Это конспект по биологии для 10-11 классов по теме «Биотехнология и ее направления». Выберите дальнейшее действие:

Добавить комментарий

На сайте используется ручная модерация. Срок проверки комментариев: от 1 часа до 3 дней