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

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