Ферментація в біотехнології
Ферментація в біотехнології
Традиційна біотехнологія заснована на ферментації. За останні 30 років виник ряд нових виробництв, що базуються на використанні різних міцеліальних грибів, дріжджів, бактерій, рідше водоростей. За допомогою мікроорганізмів отримують такі лікарські препарати як кортизон, гідрокортизон і деякі інші, які відносяться до групи стероїдів.
Мікроорганізми використовують для отримання деяких нуклеотидів і цитохромів. Вони є продуцентами вітамінів В2 і В12, які використовують для синтезу бета-каротину. Широко використовують полісахариди, отримані в значній кількості завдяки ряду мікроорганізмів. Їх застосовують в медицині, наприклад, як замінник плазми крові – декстран, в харчовій, текстильній, парфумерній промисловості і для збільшення добутку нафти. Розширюється можливість масового виробництва на застосуванні вірусних та бактеріальних препаратів для профілактики захворювань сільськогосподарських тварин.
Також мікроорганізми використовують в хлібопеченні, для отримання оцту, молочнокислих продуктів, етанолу, гліцерину, ацетону, бутанолу та ряду органічних кислот.
Одним з найбільш перспективних напрямків традиційної біотехнології є використання мікроорганізмів як один з засобів захисту рослин від шкідників.
Засоби захисту рослин
Розвиток цього напрямку зумовлюється багатьма вадами пестицидів та інших засобів захисту рослин.
По-перше, абсолютна більшість пестицидів є сильними біологічними активними речовинами і негативно впливають на рослини. Це може виразитись в погіршенні росту, розвитку і загального стану рослини.
По-друге, дуже часте використання пестицидів може знищити всю мікрофлору, в першу корисну, так як вона є дуже чутливою до пестицидів. Цим порушуються нормальні мікробіологічні процеси в грунті, в тому числі симбіотичні і асоціативні, що часто призводить до зниження супротивлення рослин шкідникам, хворобам, бур’янам. Це може проявитись і в період зберігання врожаю, коли відбувається зміна мікрофлори поля на мікрофлору сховища. Приклад – збільшення псування картоплі збуджувачами м’якої гнилі, внаслідок багаторазових опрацювань пестицидами проти колорадського жука і фіофтори, особливо на фоні надлишку органічних і азотних добрив.
По-третє, невміле використання пестицидів може сприяти появі нових стійких форм організмів-шкідників.
В ситуації, що склалась в сільському господарстві одним з виходів є заміна пестицидів на мікроорганізми (бактерії, актиноміцети, гриби), живі організми (хижаки і паразити шкідників і збуджувачів хвороб), або продукти їхньої життєдіяльності.
Для цієї заміни зроблено чимало.
Вже зараз отримані препарати мікроорганізмів, відібрані комахи-хижаки, кліщі та нематоди, паразитичні організми різного рівню організації. Опрацьовані методи вирощування таких тварин і мікроорганізмів і їх застосування в полі і закритому грунті. Препарати для боротьби з фітофагами надходять в продаж з інструкцією по використанню.
Набагато важче склались справи з біозахистом рослин від хвороб. Не дивлячись на багаточисленні розробки біопрепаратів для захисту рослин від хвороб поки тільки деякі з них рекомендовані для використання.
Це перш за все антибіотики, які мають деякі переваги в порівнянні з фунгицидами: вони в основному добре розчиняються в воді, досить стійкі до навколишнього середовища, досить легко проникають в тканини рослини. Ці їхні ознаки дозволяють використовувати їх для придушення збуджувачів хвороби. Майже всі антибіотики спроможні придушувати широке коло патогенів: гриби, бактерії і мікоплазми. Проводяться пошуки і антивірусних антибіотиків. В деяких країнах дозволено використовувати антибіотики медицинського призначення або синтезовані для захисту рослин в чистому вигляді або в суміші з фунгицидами.
Деякі зарубіжні фірми вже випускають препарати антибіотиків спеціально для захисту рослин: бластоцидин, касугиміцин, поліоксин, валідаміцин та інші. В нашій країні найбільш поширенішими антибіотиками є трихотецин, фітобактеріоміцин і фітолавін-100.
Антибіотики є продуктами біотехнології, але все-таки їх важко визнати засобами біометоду захисту рослин. Принципово вони не відрізняються від звичайних фунгицидів і бактеріоцидів хімічної природи, крім того що вони є продуктами життєдіяльності мікроорганізмів. Це звичайні органічні з’єднання, але синтезовані не в хімічному реакторі, а живою клітиною. Антибіотики володіють всіма перевагами та вадами хімічних пестицидів:
1. Антибіотики активні не тільки проти патогенів, але й проти всієї мікрофлори рослини.
2. Антибіотики токсичні для теплокровних тварин, в тому числі й для людини і погано впливають на рослину. Виняток складають, наприклад, антибіотики пеницилінового ряду, які порушують синтез клітинної стінки бактерій.
3. Застосування антибіотиків призводить до відбору мікроорганізмів, в тому числі й патогенів, стійких до їх дії. Цей фактор робить нереальним застосування більшості антибіотиків в сільському господарстві.
4. Вартість препаратів, виготовлених на основі антибіотиків, вища вартості препаратів хімічної природи.
Зважаючи на ці фактори, можна сказати, що застосування антибіотиків для захисту рослин від хвороб не має перспективи, якщо тільки не будуть знайдені високоспецифічні сполуки, які б вибірково знищували патогени, при цьому не завдаючи шкоди рослинам, тваринам і корисним мікроорганізмам.
Щоб уникнути негативних наслідків застосування антибіотиків були зроблені спроби використовувати мікроорганізми продуценти антибіотиків. Антагонізм характерний для більшості мікроорганізмів, що знаходяться на всіх частинах рослин і всередині тканин рослин. Особливо сильний антагонізм проявляється серед грунтових мікроорганізмів, де мікрофлора дуже різноманітна і густота мікробного населення дуже висока. Властивість антагонізму привернула увагу мікробіологів, що працюють в області медицини фітопатології рослин, харчової промисловості. За останні 40 років дослідниками-мікробіологами зроблена величезна робота по виявленню антагоністів, вивченню їхньої біології, взаємовідносин з патогенами та іншими мікроорганізмами, відношенню до рослин і тварин. В результаті серед грибів, бактерій і більшості актиноміцетів виявлені антагоністи практично до всіх патогенних грибів, бактерій, актиноміцетів і навіть мікоплазма. Знайдені віруси фітопатогенних бактерій і актиноміцетів, виявлені паразити паразитів на різних рівнях організації живого. Таким чином, створений арсенал для розвитку класичного методу біологічного захисту рослин, який передбачає використання живих організмів для контролю числа небажаних (в тому числі патогенних) організмів в агроценозі.
Американські мікробіологи Каліфорнійського університету в місті Берклі звернули увагу на те, що в умовах Каліфорнії більшість цитрусових пошкоджується слабкими заморозками (0оС) за рахунок утворення кристаликів льоду в тканинах рослин. Більш того пошкоджуються не всі рослини підряд, а вибірково, стійкість до заморозків залежить від сорту та виду рослин. Зацікавившись цим явищем, група дослідників під керівництвом Ліндов виявила, що за це явище відповідальні бактерії, що існують на листках і в тканинах рослин. Це бактерії Pseudomonas syringae, які відносяться до великої групи бактерій, що викликають хвороби листків і пагонів рослин, і Erwinia herbicola – бактерії кишечної групи, які викликають ураження коренів рослини. Обидва види бактерій заселяють тканини цитрусових без помітних ознак їх пошкодження, але в той же час не можуть існувати за межами рослини і швидко гинуть в грунті, воді та інших можливих середовищах. В випадку утворення кристалів льоду неважко виділити мутантні клітини, що втратили цю здатність, але не змінили здатність заселяти тканини рослин. При обробці молодих рослин кукурудзи, томатів або полуниці суспензією клітин бактерій Pseudomonas syringae, що втратили здатність утворювати кристали льоду, рослини нормально заселяються бактеріями і не пошкоджуються заморозками. Отже, можна захистити рослини, якщо замінити “нормальну” мікрофлору такою самою, але мутантною, яка втратила здатність до синтезу фактору утворення льоду. Важливим є те, що такі мікроорганізми тісно зв’язані з рослиною і не допускають заселення родинними організмами. Дійсно, рослини, заселені мутантними бактеріями, не в змозі заселяться такими самими клітинами дикого типу, які утворюють кристали. Але якщо рослина вже заселена клітинами бактерій дикого типу, то вона вже не може заселятись мутантними. Таким чином, для успішного захисту рослини цим способом необхідно зробити її хоча б частково стерильною або по крайній мірі зменшити кількість клітин дикого типу. Цього можна добитись, наприклад, попереднім опрацюванням хімічними речовинами, або, як запропонували американські вчені, препаратом вірусів бактерій (бактеріофагів), до якого чутливі клітини дикого типу, але стійкі мутантні.
Зараз в США та в деяких інших країнах розроблені препарати для захисту рослин від заморозків і проводиться їх ретельна перевірка в контролюючих умовах на можливу патогенність до широкого кола господарів, токсичність і віддалені наслідки для людини і екологічну нешкідливість. Існує побоювання, що витіснення з природи бактерій, що утворюють кристали льоду, може порушити процеси утворення дощу та снігу.
Але поки проходять досліди, створені і відпрацьовуються комплекси препаратів найрізноманітніших напрямків. Наприклад, з допомогою сучасних методів отримані бактерії псевдомонад, які володіють антагонізмом до ряду збуджувачів хвороб, які здатні заселяти листки рослин або корені і синтезувати токсини проти комах. Отже, отриманий препарат, що здатний стати прообразом майбутніх біопрепаратів комплексної дії для захисту рослин від шкідників і хвороб. Необхідна тривала і ретельна перевірка цього препарату в контролюючих умовах, але вже зараз він знайшов собі застосування як біоінсектицид. Вбиті клітини цих бактерій в два рази довше утримують токсин на листках рослини, ніж клітини бацил.
Інтенсивне вивчення взаємовідносин між мікро- та макро- організмами в біогеоценозах на всіх можливих рівнях (популяційному, організмовому, клітинному і молекулярному) дає право надіятись, що вже в найближчий час будуть встановлені нові закономірності, на основі яких будуть розроблені методи біологічного контролю складу агроценозів. Одним зі способів здійснення такого контролю може бути застосування препаратів різних типів та властивостей на основі живих мікроорганізмів.
Традиційна біотехнологія в інших сферах життя
Також життєдіяльність мікроорганізмів використовується ще в деяких галузях людського буття. Так, наприклад в кондитерській промисловості широко використовують лимонну кислоту, яку дістають в результаті життєдіяльності спеціально виведених мікроорганізмів. Зараз в світі виробляється близько 400 тис. тонн цього продукту. Такої кількості лимонної кислоти не забезпечили б жодні цитрусові плантації.
Все ширше стає асортимент ферментів — протеази, нуклеази, амілази, глюкоамілази, каталази – які продукують мікроорганізми; деякі з них, наприклад, нуклеази, використовують в генній інженерії.
Крім того, мікроорганізми використовують для отримання вакцин.
Перспективним є використання мікроорганізмів у гідрометалургії для вилужування металів із бідних руд з метою підвищення їхнього добутку.
Традиційна біотехнологія заснована на ферментації. За останні 30 років виник ряд нових виробництв, що базуються на використанні різних міцеліальних грибів, дріжджів, бактерій, рідше водоростей. За допомогою мікроорганізмів отримують такі лікарські препарати як кортизон, гідрокортизон і деякі інші, які відносяться до групи стероїдів.
Мікроорганізми використовують для отримання деяких нуклеотидів і цитохромів. Вони є продуцентами вітамінів В2 і В12, які використовують для синтезу бета-каротину. Широко використовують полісахариди, отримані в значній кількості завдяки ряду мікроорганізмів. Їх застосовують в медицині, наприклад, як замінник плазми крові – декстран, в харчовій, текстильній, парфумерній промисловості і для збільшення добутку нафти. Розширюється можливість масового виробництва на застосуванні вірусних та бактеріальних препаратів для профілактики захворювань сільськогосподарських тварин.
Також мікроорганізми використовують в хлібопеченні, для отримання оцту, молочнокислих продуктів, етанолу, гліцерину, ацетону, бутанолу та ряду органічних кислот.
Одним з найбільш перспективних напрямків традиційної біотехнології є використання мікроорганізмів як один з засобів захисту рослин від шкідників.
Засоби захисту рослин
Розвиток цього напрямку зумовлюється багатьма вадами пестицидів та інших засобів захисту рослин.
По-перше, абсолютна більшість пестицидів є сильними біологічними активними речовинами і негативно впливають на рослини. Це може виразитись в погіршенні росту, розвитку і загального стану рослини.
По-друге, дуже часте використання пестицидів може знищити всю мікрофлору, в першу корисну, так як вона є дуже чутливою до пестицидів. Цим порушуються нормальні мікробіологічні процеси в грунті, в тому числі симбіотичні і асоціативні, що часто призводить до зниження супротивлення рослин шкідникам, хворобам, бур’янам. Це може проявитись і в період зберігання врожаю, коли відбувається зміна мікрофлори поля на мікрофлору сховища. Приклад – збільшення псування картоплі збуджувачами м’якої гнилі, внаслідок багаторазових опрацювань пестицидами проти колорадського жука і фіофтори, особливо на фоні надлишку органічних і азотних добрив.
По-третє, невміле використання пестицидів може сприяти появі нових стійких форм організмів-шкідників.
В ситуації, що склалась в сільському господарстві одним з виходів є заміна пестицидів на мікроорганізми (бактерії, актиноміцети, гриби), живі організми (хижаки і паразити шкідників і збуджувачів хвороб), або продукти їхньої життєдіяльності.
Для цієї заміни зроблено чимало.
Вже зараз отримані препарати мікроорганізмів, відібрані комахи-хижаки, кліщі та нематоди, паразитичні організми різного рівню організації. Опрацьовані методи вирощування таких тварин і мікроорганізмів і їх застосування в полі і закритому грунті. Препарати для боротьби з фітофагами надходять в продаж з інструкцією по використанню.
Набагато важче склались справи з біозахистом рослин від хвороб. Не дивлячись на багаточисленні розробки біопрепаратів для захисту рослин від хвороб поки тільки деякі з них рекомендовані для використання.
Це перш за все антибіотики, які мають деякі переваги в порівнянні з фунгицидами: вони в основному добре розчиняються в воді, досить стійкі до навколишнього середовища, досить легко проникають в тканини рослини. Ці їхні ознаки дозволяють використовувати їх для придушення збуджувачів хвороби. Майже всі антибіотики спроможні придушувати широке коло патогенів: гриби, бактерії і мікоплазми. Проводяться пошуки і антивірусних антибіотиків. В деяких країнах дозволено використовувати антибіотики медицинського призначення або синтезовані для захисту рослин в чистому вигляді або в суміші з фунгицидами.
Деякі зарубіжні фірми вже випускають препарати антибіотиків спеціально для захисту рослин: бластоцидин, касугиміцин, поліоксин, валідаміцин та інші. В нашій країні найбільш поширенішими антибіотиками є трихотецин, фітобактеріоміцин і фітолавін-100.
Антибіотики є продуктами біотехнології, але все-таки їх важко визнати засобами біометоду захисту рослин. Принципово вони не відрізняються від звичайних фунгицидів і бактеріоцидів хімічної природи, крім того що вони є продуктами життєдіяльності мікроорганізмів. Це звичайні органічні з’єднання, але синтезовані не в хімічному реакторі, а живою клітиною. Антибіотики володіють всіма перевагами та вадами хімічних пестицидів:
1. Антибіотики активні не тільки проти патогенів, але й проти всієї мікрофлори рослини.
2. Антибіотики токсичні для теплокровних тварин, в тому числі й для людини і погано впливають на рослину. Виняток складають, наприклад, антибіотики пеницилінового ряду, які порушують синтез клітинної стінки бактерій.
3. Застосування антибіотиків призводить до відбору мікроорганізмів, в тому числі й патогенів, стійких до їх дії. Цей фактор робить нереальним застосування більшості антибіотиків в сільському господарстві.
4. Вартість препаратів, виготовлених на основі антибіотиків, вища вартості препаратів хімічної природи.
Зважаючи на ці фактори, можна сказати, що застосування антибіотиків для захисту рослин від хвороб не має перспективи, якщо тільки не будуть знайдені високоспецифічні сполуки, які б вибірково знищували патогени, при цьому не завдаючи шкоди рослинам, тваринам і корисним мікроорганізмам.
Щоб уникнути негативних наслідків застосування антибіотиків були зроблені спроби використовувати мікроорганізми продуценти антибіотиків. Антагонізм характерний для більшості мікроорганізмів, що знаходяться на всіх частинах рослин і всередині тканин рослин. Особливо сильний антагонізм проявляється серед грунтових мікроорганізмів, де мікрофлора дуже різноманітна і густота мікробного населення дуже висока. Властивість антагонізму привернула увагу мікробіологів, що працюють в області медицини фітопатології рослин, харчової промисловості. За останні 40 років дослідниками-мікробіологами зроблена величезна робота по виявленню антагоністів, вивченню їхньої біології, взаємовідносин з патогенами та іншими мікроорганізмами, відношенню до рослин і тварин. В результаті серед грибів, бактерій і більшості актиноміцетів виявлені антагоністи практично до всіх патогенних грибів, бактерій, актиноміцетів і навіть мікоплазма. Знайдені віруси фітопатогенних бактерій і актиноміцетів, виявлені паразити паразитів на різних рівнях організації живого. Таким чином, створений арсенал для розвитку класичного методу біологічного захисту рослин, який передбачає використання живих організмів для контролю числа небажаних (в тому числі патогенних) організмів в агроценозі.
Американські мікробіологи Каліфорнійського університету в місті Берклі звернули увагу на те, що в умовах Каліфорнії більшість цитрусових пошкоджується слабкими заморозками (0оС) за рахунок утворення кристаликів льоду в тканинах рослин. Більш того пошкоджуються не всі рослини підряд, а вибірково, стійкість до заморозків залежить від сорту та виду рослин. Зацікавившись цим явищем, група дослідників під керівництвом Ліндов виявила, що за це явище відповідальні бактерії, що існують на листках і в тканинах рослин. Це бактерії Pseudomonas syringae, які відносяться до великої групи бактерій, що викликають хвороби листків і пагонів рослин, і Erwinia herbicola – бактерії кишечної групи, які викликають ураження коренів рослини. Обидва види бактерій заселяють тканини цитрусових без помітних ознак їх пошкодження, але в той же час не можуть існувати за межами рослини і швидко гинуть в грунті, воді та інших можливих середовищах. В випадку утворення кристалів льоду неважко виділити мутантні клітини, що втратили цю здатність, але не змінили здатність заселяти тканини рослин. При обробці молодих рослин кукурудзи, томатів або полуниці суспензією клітин бактерій Pseudomonas syringae, що втратили здатність утворювати кристали льоду, рослини нормально заселяються бактеріями і не пошкоджуються заморозками. Отже, можна захистити рослини, якщо замінити “нормальну” мікрофлору такою самою, але мутантною, яка втратила здатність до синтезу фактору утворення льоду. Важливим є те, що такі мікроорганізми тісно зв’язані з рослиною і не допускають заселення родинними організмами. Дійсно, рослини, заселені мутантними бактеріями, не в змозі заселяться такими самими клітинами дикого типу, які утворюють кристали. Але якщо рослина вже заселена клітинами бактерій дикого типу, то вона вже не може заселятись мутантними. Таким чином, для успішного захисту рослини цим способом необхідно зробити її хоча б частково стерильною або по крайній мірі зменшити кількість клітин дикого типу. Цього можна добитись, наприклад, попереднім опрацюванням хімічними речовинами, або, як запропонували американські вчені, препаратом вірусів бактерій (бактеріофагів), до якого чутливі клітини дикого типу, але стійкі мутантні.
Зараз в США та в деяких інших країнах розроблені препарати для захисту рослин від заморозків і проводиться їх ретельна перевірка в контролюючих умовах на можливу патогенність до широкого кола господарів, токсичність і віддалені наслідки для людини і екологічну нешкідливість. Існує побоювання, що витіснення з природи бактерій, що утворюють кристали льоду, може порушити процеси утворення дощу та снігу.
Але поки проходять досліди, створені і відпрацьовуються комплекси препаратів найрізноманітніших напрямків. Наприклад, з допомогою сучасних методів отримані бактерії псевдомонад, які володіють антагонізмом до ряду збуджувачів хвороб, які здатні заселяти листки рослин або корені і синтезувати токсини проти комах. Отже, отриманий препарат, що здатний стати прообразом майбутніх біопрепаратів комплексної дії для захисту рослин від шкідників і хвороб. Необхідна тривала і ретельна перевірка цього препарату в контролюючих умовах, але вже зараз він знайшов собі застосування як біоінсектицид. Вбиті клітини цих бактерій в два рази довше утримують токсин на листках рослини, ніж клітини бацил.
Інтенсивне вивчення взаємовідносин між мікро- та макро- організмами в біогеоценозах на всіх можливих рівнях (популяційному, організмовому, клітинному і молекулярному) дає право надіятись, що вже в найближчий час будуть встановлені нові закономірності, на основі яких будуть розроблені методи біологічного контролю складу агроценозів. Одним зі способів здійснення такого контролю може бути застосування препаратів різних типів та властивостей на основі живих мікроорганізмів.
Традиційна біотехнологія в інших сферах життя
Також життєдіяльність мікроорганізмів використовується ще в деяких галузях людського буття. Так, наприклад в кондитерській промисловості широко використовують лимонну кислоту, яку дістають в результаті життєдіяльності спеціально виведених мікроорганізмів. Зараз в світі виробляється близько 400 тис. тонн цього продукту. Такої кількості лимонної кислоти не забезпечили б жодні цитрусові плантації.
Все ширше стає асортимент ферментів — протеази, нуклеази, амілази, глюкоамілази, каталази – які продукують мікроорганізми; деякі з них, наприклад, нуклеази, використовують в генній інженерії.
Крім того, мікроорганізми використовують для отримання вакцин.
Перспективним є використання мікроорганізмів у гідрометалургії для вилужування металів із бідних руд з метою підвищення їхнього добутку.
