Биотехника
Биотехнологияның мәні және пайда болу себептері
Биотехнологияның дамуына негізгі түрткі болған себеп — қоғамға қажет өнімдерді қолжетімді әрі арзан бағамен өндіру: ауыл шаруашылығы өнімдері, медицина мен ветеринарияға қажетті препараттар, сондай-ақ жаңа технологиялар. Биотехнология ұғымы грек тіліндегі «шеберлік», «біліктілік» мағынасымен байланысады және тірі жүйелерді (жасушаларды, микроорганизмдерді, ұлпаларды) өндірістік мақсатта қолдануды білдіреді.
Биотехнологияда негізгі идея қарапайым: биологиялық объектіні «биофабрика» ретінде пайдаланып, адамның өміріне қажетті құнды заттарды қысқа мерзімде синтездеу. Мұндай өнімдерге белоктар, майлар, витаминдер, аминқышқылдары, антибиотиктер, гормондар, антиденелер, антигендер, ферменттер, спирттер және басқа да қосылыстар жатады.
Биотехнологиялық объектілер: не қолданылады?
Жануар және адам текті биологиялық материалдар
- Иммундық препараттар алу: мысалы, вакцинацияланған адамның немесе жылқының сарысуынан иммуноглобулиндер дайындау.
- Донор қанынан әртүрлі препараттар дайындау.
- Ірі қара немесе шошқа ұйқы безінен инсулин гормонын бөліп алу (тарихи тұрғыда маңызды бағыт).
Микроорганизмдер мен жасуша дақылдары
Іс жүзінде ең кең қолданылатын объектілер — біржасушалы микроорганизмдер (бактериялар, ашытқылар, саңырауқұлақтар) және жануар мен өсімдік жасушаларының дақылдары. Оларды таңдаудың негізгі себебі: олар тез көбейеді, басқарылатын ортада өсіріледі және белгілі бір өнімді тұрақты синтездей алады.
Жасуша тіршілігі барысында ассимиляция және диссимиляция процестері жүреді: жаңа өнімдер түзіледі, метаболиттер бөлінеді. Бұл метаболиттердің химиялық-физикалық қасиеттері әртүрлі және көп жағдайда биологиялық белсенділікке ие.
Жасуша түзетін өнімдер: негізгі жіктелім
1) Жасуша биомассасы
Қоректік ортада өсірілген жасушалардың өздері де өнім болуы мүмкін. Мысалы, бактериялар мен вирустарды өсіру арқылы вакциналар өндірісіне қажетті биоматериал алынады.
2) Макро/микромолекулалық синтез өнімдері
Өсіру барысында жасушалар ферменттер, токсиндер, антиденелер, пептидогликандар сияқты биополимерлерді синтездей алады.
3) Біріншілік метаболиттер
Бұл — жасушаның өсуіне тікелей қажет төмен молекулалы заттар: аминқышқылдары, витаминдер, нуклеотидтер, органикалық қышқылдар.
4) Екіншілік метаболиттер
Өсуге міндетті емес, бірақ биологиялық белсенділігі жоғары қосылыстар: антибиотиктер, токсиндер, алкалоидтар, гормондар және т.б. Технологияда жасушаларды құрғақ күйінде өңдеу арқылы да сапалы өнім алуға болады.
Экономикалық және технологиялық тұрғыдан көптеген жағдайларда биохимиялық (биотехнологиялық) процестер химиялық синтезге қарағанда тиімді болуы мүмкін: өндіріс масштабы, жабдықтың түрі, аппараттардың мүмкіндігі және шикізаттың қолжетімділігі шешуші рөл атқарады.
Қолданылу бағыттары
Медицина және фармацевтика
- Антибиотиктер, витаминдер, ферменттер, аминқышқылдары, гормондар.
- Вакциналар, антиденелер, қан компоненттерінен препараттар.
- Иммуномодуляторлар, антитоксиндер, ісікке қарсы және қабынуға қарсы биопрепараттар.
- Нуклеин қышқылдары, нуклеозидтер, нуклеотидтер, липидтер және т.б.
Ауыл шаруашылығы және ветеринария
- Жемдік белоктар, ферменттер, витаминдік қоспалар.
- Вакциналар және диагностикалық препараттар.
- Өсімдіктің биологиялық қорғанышы: биоинсектицидтер және басқа биоқорғау құралдары.
Тағам өндірісі
- Аминқышқылдары, органикалық қышқылдар, тағамдық белоктар.
- Ферменттер, липидтер, қант өндірісіне арналған биокатализаторлар.
- Ашытқылар, спирттер және ашыту өнімдері.
Химия, энергетика және экология
- Химиялық өнімдер биосинтезі: ацетон, этилен, бутанол және т.б.
- Энергетика: биоэтанол, биогаз.
- Экологиялық бағыт: биологиялық әдістер арқылы қалдықтарды өңдеу және қауіпсіздендіру.
Биотехнология салаларының жіктелуі
Қазіргі биотехнологияны шартты түрде медицинаға бағытталған, ауыл шаруашылығына бағытталған, өндірістік және экологиялық бағыттарға бөлуге болады. Медициналық бағыттың ішінде фармацевтикалық және иммунобиологиялық салалар ерекшеленеді. Ауыл шаруашылығында — өсімдік және мал биотехнологиясы. Өндірісте өнім сипатына қарай тағам, жеңіл өнеркәсіп және энергетикалық биотехнология деп жіктеледі.
Микроорганизмдер: өндірістің негізгі «жұмыс күші»
Табиғатта микроорганизмдердің алуан түрі кездеседі. Олардың көпшілігі түрлі реакцияларды жүргізіп, пайдалы өнімдерді синтездей алады, сондықтан биотехнология үшін аса құнды. Дегенмен микроорганизмдердің көптеген түрі әлі толық зерттелмеген.
Ашытқылар
Нан пісіруде, сыра мен шарап өндірісінде кең қолданылады. Өндірісте жиі қолданылатын өкілдер: Saccharomyces тұқымдасы.
Бактериялар
Мысалы, Acetobacter сірке қышқылын өндіру процестерінде маңызды. Bacillus (мысалы, B. subtilis) ферменттер алуда және өсімдікті биологиялық қорғауда қолданылады.
Саңырауқұлақтар және актиномицеттер
Антибиотик өндіруде маңызды топ. Мысалы, Streptomyces туыстастары көптеген антибиотиктердің продуценті.
Генетикалық инженерия және рекомбинантты штаммдар
Биотехнологияда микроорганизмдер, ашытқылар және вирустар генетикалық материал көзі және өндірістік платформа ретінде пайдаланылады. Генетикалық инженерия арқылы рекомбинантты штаммдар алынып, олардан маңызды биопрепараттар өндіріледі: интерферон, инсулин, өсу гормоны, әртүрлі вирустарға антигендер және т.б.
Вакцина және диагностика үшін биологиялық жүйелер
Вакцина мен диагностикалық препараттарды алу мақсатында патогенді микроорганизмдер де қолданылуы мүмкін (мысалы, көкжөтел, сіреспе сияқты инфекциялар бойынша өндірістік штаммдар мен антигендік компоненттер). Мұндай өндірістерде биологиялық қауіпсіздік пен стандарттау талаптары ерекше қатаң сақталады.
Жануар және өсімдік жасушаларының дақылдары
Жануар және өсімдік жасушаларының құрылысы бактериялық жасушаларға қарағанда күрделірек. Сондықтан олардың дақылдарынан алынатын өнімдер де жиі күрделі әрі жоғары құнды болады. Алайда мұндай дақылдарды өсіру қымбат: қоректік орта күрделі, технологиялық режимдер нәзік және бақылауды қажет етеді.
Өсімдік жасушалары
Дақылдандыру арқылы медицинада қолданылатын қосылыстар алынады: алкалоидтар, қабынуға қарсы және ісікке қарсы заттар, жүрек-қантамыр және бүйрекке әсер ететін биобелсенді компоненттер.
Жануар жасушалары
Вирустарды өсіру және күрделі белоктарды синтездеу үшін қолданылады. Нәтижесінде вакциналар мен диагностикалық препараттар, сондай-ақ биологиялық белсенді молекулалар өндіріледі.
Өндірістік биотехнология: өнім сапасына әсер ететін факторлар
1) Өнімді (продуцент) штаммның белсенділігі
Жоғары сапалы өнім алу үшін ең алдымен штаммның өнімділігі жоғары болуы қажет. Әр штамм белгілі бір өнімді (фермент, витамин, аминқышқылы, антиген, алкалоид және т.б.) әртүрлі мөлшерде және сапада түзеді. Өнім белсенділігі мен шығымы өндірістің экономикалық тиімділігіне тікелей ықпал етеді.
2) Қоректік ортаны дұрыс таңдау
Қоректік орта биомассаның максималды өсуін қамтамасыз етуі, әрі мүмкіндігінше арзан және қолжетімді болуы керек. Ірі өндірісте жиі қолданылатын шикізаттарға меласса, әртүрлі өндірістік гидролизаттар, сірке қышқылы және кейбір жағдайларда табиғи газ негізіндегі субстраттар жатады.
Жануар жасушаларын өсіруде қоректік орта күрделірек: аминқышқылдары, тұздар, өсу факторлары қажет болуы мүмкін. Соңғы жылдары кей өндірістерде казеин гидролизаты, ашытқы экстракттары, ет және қан негізіндегі компоненттер пайдаланылуы мүмкін.
3) Өсіру режимдерін дәл бақылау
- Егу дозасы (инокулюм мөлшері)
- рН деңгейі
- Өсіру уақыты
- Аэрация және араластыру
- Қоректік орта құрамы
4) Асептика және тазалық
Таза микроорганизмдер мен таза жасуша дақылдарын сақтау үшін өндірістің барлық кезеңінде асептикалық режим қатаң сақталуы тиіс. Контаминация өнім сапасын төмендетіп қана қоймай, бүкіл партияны жарамсыз етуі мүмкін.
Өнімді бөліп алу және дәрілік қалыпқа келтіру
Өсіру аяқталғаннан кейін биомассадан дақылдық сұйықтық бөлінеді. Белсенді заттар (витаминдер, аминқышқылдары, антиденелер, антигендер, ферменттер және т.б.) қажетіне қарай биомассаның өзінен де, сұйық фракциядан да алынуы мүмкін. Одан кейін физикалық және химиялық тазарту әдістері қолданылады.
Тазартудан кейінгі негізгі қадам
Белсенді субстанция алынған соң препарат дайындалады және дәрілік қалыпқа келтіріледі: сұйық ерітінді, суспензия, ұнтақ, немесе жақпа (мазь) түрінде. Қолдану жолына қарай препараттар парентералды, энтералды немесе аэрозольді түрде берілуі мүмкін.
Стандарттау және регламент
Әр препарат сериясы өндірістік стандарттар мен технологиялық регламентке сай құжатталады: технологиялық жағдайлар, сапа көрсеткіштері, бақылау нүктелері және шығарылым талаптары нақты бекітіледі.