Біологічні агенти та методи біотехнології

Різноманітні біологічні агенти (об'єкти), які застосовують у галузі біотехнології, характеризуються рівнем структурної організації, здатністю до розмноження (або репродукції), наявністю або відсутністю власного метаболізму при культивуванні за належних умов. До біооб'єктів належать молекули (ферменти, імуномодулятори, нуклеозиди, оліго- і поліпептиди тощо), організовані частинки (віруси, фаги), одноклітинні (бактерії, дріжджі) і багатоклітинні особини (нитчасті вищі гриби, рослинні тканини, одношарові культури клітин ссавців), організми рослин і тварин. Але навіть за умови використання біомолекули, як об'єкта біотехнології, її початковий біосинтез здійснюється здебільшого відповідними клітинами. Нині більшість об'єктів біотехнології становлять різноманітні мікроорганізми. Це усі прокаріоти – бактерії, актиноміцети, рикетсії, синьо-зелені водорості й частина еукаріот – дріжджі, нитчасті гриби, мікроскопічні найпростіші та водорості.

Для реалізації біотехнологічних процесів основними параметрами біологічних агентів є активність і стабільність біомолекул або біосистем, а також чистота, швидкість розмноження клітин і репродукції вірусних частинок.

Перспективними біологічними агентами є термофільні мікроорганізми та їхні ферменти. При використанні ферментів (в ізольованому або імобілізованому стані) як біокаталізаторів, виникає необхідність їхнього захисту від деструкції банальною сапрофітною мікрофлорою, яка може проникати у сферу біотехнологічного процесу ззовні внаслідок нестерильності системи, наприклад, при негерметичності обладнання. Швидкість розмноження клітин і репродукція вірусних частин прямо пропорційні збільшенню біомаси й утворенню метаболітів. Найважливішими показниками придатності для тривалого використання в біотехнології є перебування біооб'єктів в активному стані та їхня стабільність.

Таким чином, головною ланкою біотехнологічного процесу, який визначає його сутність, є клітина. Саме в ній синтезується цільовий продукт. За влучним висловом Овчиннікова Ю.А., «…клітина - це мініатюрний хімічний завод, який працює з колосальною продуктивністю, з граничною узгодженістю і за заданою програмою. У ній щохвилинно синтезуються сотні найскладніших сполук, у т. ч. гігантські біополімери, насамперед білки».

Біотехнології притаманні свої специфічні методи. Це широкомасштабне глибинне культивування біооб'єктів у періодичному, напівбезперервному 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.

Особливо потрібно виділити методи клітинної і генетичної інженерії, які покладено в основу сучасної біотехнології. Для інтенсифікації селекції ефективним є використання таких біотехнологічних методів: культура ізольованих тканин, клітин та органів рослин, клітинна селекція та генна інженерія. Вони дають можливість за короткий термін створити та розмножити цінний вихідний високопродуктивний матеріал, гетерозисні гібриди та сорти сільськогосподарських рослин. Низка методів, які використовують у біотехнології, є спільними з мікробіологічними та біохімічними дослідженнями.

Особливістю методів біотехнології є те, що вони повинні виконуватись переважно в асептичних умовах, тобто з уникненням можливості потрапляння патогенних і сапрофітних мікроорганізмів у середовище, де культивується біооб'єкт (табл. 8).

Промислового впровадження заслуговують переважно біотехнологічні процеси, які відповідають наступним умовам: продукт реакції практично неможливо отримати без участі біологічного агента; вартість продукту настільки перевищує вартість вихідної сировини, що отримана продукція може покрити витрати на отримання білогічного агента; отримання продукту за рахунок біотехнологічного процесу – єдина екологічна альтернатива; речовини (вітаміни, незамінні амінокислоти тощо) містяться в організмі людини у незначних кількостях.

Таблиця 8