Мікробіологія та біотехнології
Біотехнологія - це наука про використання біологічних процесів у техніці та промисловому виробництві.
Назва її походить від грецьких слів bios – життя, teken – мистецтво, logos – слово, вчення, наука.
Відповідно до визначення Європейської федерації біотехнологів (ЕФБ, 1984) біотехнологія базується на інтегральному використанні біохімії, мікробіології та інженерних наук з метою промислової реалізації здібностей мікроорганізмів, культур клітин тканин та їх частин. Вже в самому визначенні предмета відображено його місцезнаходження як прикордонного, завдяки чому результати фундаментальних досліджень у галузі біологічних, хімічних та технічних дисциплін набувають вираженого прикладного значення.
Біотехнологія безпосередньо пов'язана із загальною біологією, мікробіологією, ботанікою, зоологією, анатомією та фізіологією, біологічною, органічною, фізичною та колоїдною хімією, імунологією, біоінженерією, електронікою, технологією ліків, генетикою та іншими науковими дисциплінами.
Виникнення, становлення та розвиток біотехнології можна умовно розділити на чотири періоди: емпіричний, етіологічний, біотехнічний та генотехнічний. Емпіричний (від грец. empirikos - досвідчений) період - найтриваліший, що охоплює приблизно 8000 років, з яких понад 6000 років - до нашої ери і близько 2000 років -нашої ери.
Стародавні народи того часу інтуїтивно використовували прийоми та способи виготовлення хліба, пива та деяких інших продуктів, які ми тепер відносимо до розряду біотехнологічних. Так, єгиптяни випікали хліб із кислого тіста з 4000 років до зв. е., на сході вино було відоме з 2000 років до н. е. Протягом кількох тисячоліть відомий оцет,що з давніх-давен готувався в домашніх умовах, хоча про мікроби-індуктори цього процесу світ дізнався в 1868 р. завдяки роботам Луї Пастера, незважаючи на існування з XIV ст. "орлеанського способу" приготування оцту; першу дистиляцію вина здійснено в XII ст.; горілку із хлібних злаків вперше отримали у XVI ст.; шампанське відоме з XVIII століття, але отримання абсолютного етанолу вперше вдалося у XIV ст. іспанцю Раймунду Луллію завдяки перегонці вина з негашеним вапном.
До того ж емпіричному періоду відносяться одержання кисломолочних продуктів та сиру, квашеної капусти, медових алкогольних напоїв, східних продуктів (соєвого соусу та темпеху), силосування кормів; мочка лубоволокнистих рослин; культивування грибів.
Таким чином, народи здавна користувалися на практиці мікробіологічними процесами, нічого не знаючи про мікроби; емпіризм також був характерний і на практиці використання корисних рослин і тварин.
Другий, етіологічний (від грец. aitia – причина), період у розвитку біотехнології охоплює другу половину ХІХ ст. та першу третину XX ст. Він пов'язаний із видатними дослідженнями великого французького вченого Луї Пастера (1822 – 1895) – основоположника наукової мікробіології та низки мікробіологічних дисциплін. Пастер розкрив мікробну природу бродіння, довів можливість життя в безкисневих умовах, експериментально спростував уявлення про мимовільне зародження живих істот, створив наукові основи вакцинопрофілактики та вакцинотерапії; запропонував метод стерилізації, званий на його ім'я пастеризацією тощо.
Етіологічний період знаменний тим, що вдалося довести індивідуальність мікробів та одержати їх у чистих культурах. Більш того, кожен вид міг бути розмножений на живильних середовищах і використанийцілях відтворення відповідних процесів (бродильних, окисних та ін). Наприклад: масляно-кислі бактерії і викликане ними масляно-кисле бродіння, лактобактерії і молочнокисле бродіння, дріжджі - сахароміцети і спиртове бродіння, оцтовокислі бактерії і окислення етанолу до оцтової кислоти і т. д. У цей період було розпочато виготовлення прес також деяких продуктів обміну (метаболізму) - ацетону, бутанолу, лимонної та молочної кислот; у Франції розпочали створення біоустановок для мікробіологічного очищення стічних вод.
Знання причин біологічних процесів ще виключало нестерильні операції, хоча й прагнули до використання чистих культур мікроорганізмів.
Для всебічного вивчення морфолого-фізіологічних якостей і продуктів обміну бактерій все раніше запропоновані методи їх вирощування виявилися малопридатними. Більше того, накопичення однорідної за віком великої маси клітин залишалося винятково трудомістким процесом. Ось чому потрібен був принципово інший підхід для вирішення багатьох завдань у галузі біотехнології.
Особливо потужний поштовх у розвитку промислового біотехнологічного обладнання був відзначений у період становлення та розвитку виробництва антибіотиків – час Другої світової війни (1939-1945 рр.), коли виникла гостра необхідність у протимікробних препаратах для лікування хворих з інфікованими ранами. Все прогресивне у сфері біологічних і технічних дисциплін, досягнуте на той час, знайшло свій відбиток у біотехнології.
Слід зазначити, що у 1969 р. Ф. Мішер отримав «нуклеїн» (ДНК) з лейкоцитів; В. Оствальд у 1893 р. встановив каталітичну функцію ферментів; Г. Хаберланд у 1902 р. показав можливість культивування клітин різних тканинрослин у простих поживних розчинах; Ц. Нейберг у 1912 р. розкрив механізм процесів бродіння; Л. Міхаеліс та М. Л. Ментен у 1913 р. розробили кінетику ферментативних реакцій; Г. А. Надсон і Г. С. Філіппов у 1925 р. довели мутагенну дію рентгенівських променів на дріжджі тощо.
Отже, накопичені наукові факти стали спонукальним мотивом розробки способів великомасштабного культивування клітин різного походження. Це необхідно було для отримання різних клітинних продуктів і самих клітин для потреб людини, і насамперед як (або склад) лікувальних та профілактичних засобів: пеніциліну, стрептоміцину, тетрациклінів, декстрану, ряду амінокислот та багатьох інших речовин. До 1950 Ж. Моно (Франція) розробив теоретичні основи безперервного керованого культивування мікробів.
Приблизно за 40 років третього періоду було вирішено основні завдання щодо конструювання, створення та впровадження у практику необхідного обладнання, у тому числі головного з них – біореакторів. Це обладнання використовують і зараз.
Четвертий період у біотехнології – генотехнічний (від грец. genesis – походження, виникнення, народження) – розпочався з 1972 р. Цього року П. Берг зі своїми співробітниками у США створили першу рекомбінантну молекулу ДНК.
Природно, що без фундаментальної роботи Ф. Крика та Дж. Вотсона (1953) щодо встановлення структури ДНК було неможливо досягти сучасних результатів у галузі біотехнології. З'ясування механізмів функціонування та регуляції ДНК, виділення та вивчення специфічних ферментів призвело до формування суворого наукового підходу до розробки біотехнологічних процесів на основі генно-інженерних робіт. У цьому вся суть генотехнічного періоду.
Для генотехнічногоперіоду характерні: розробка інтенсивних процесів (замість екстенсивних) на основі спрямованих фундаментальних досліджень (із продуцентами антибіотиків, ферментів, амінокислот, вітамінів); отримання суперпродуцентів; створення продуцентів, що несуть у собі безглузду генетичну інформацію (наприклад, генів інтерферону людини у клітинах Pseudomonas aeruginosa); створення незвичайних організмів, які раніше не існували в природі (наприклад, створення неклубенькових організмів, що несуть гени азотобактерій, відповідальних за здатність фіксувати молекулярний азот з повітря); розробка та впровадження екологічно чистих та по можливості безвідходних технологій; розробка та впровадження у практику спеціальної апаратури блочного (змінного) типу для різних біотехнологічних схем; автоматизація та комп'ютеризація біотехнологічних процесів; створення економічно оптимальних виробничих процесів при максимальному використанні сировини та мінімальному споживанні енергії.
Нині біотехнологія є біоіндустрію, що включає, з одного боку, галузі, у яких біотехнологічні методи можуть успішно замінити широко використовувані традиційні методи, з другого - галузі, у яких біотехнологія грає провідну роль. Серед перших у галузі хімічної промисловості відносяться синтез штучних приправ, полімерів та сировини для текстильної промисловості, в галузі енергетики – отримання метанолу, біогазу та водню, в галузі біометалургії – вилучення деяких металів із бідних руд.
У другій групі галузей біотехнологія охоплює виробництво продовольства (широкомасштабне вирощування дріжджів, водоростей та бактерій для одержання білків, амінокислот, вітамінів та ферментів); збільшення продуктивності сільського господарства(клонування та селекцію сортів рослин, виходячи з тканинних та клітинних культур, виробництво біопестицидів та біоінсектицидів); фармацевтичну промисловість (розробку вакцин, синтез гормонів, інтерферонів та антибіотиків); захист навколишнього середовища та зменшення його забруднення (очищення стічних вод, переробку господарських відходів, виготовлення компосту, виробництво сполук, що піддаються розщепленню мікроорганізмами).
У сучасній біотехнології відповідно до специфіки сфер її застосування можна виділити такі розділи: 1. Промислова мікробіологія 2. Інженерна ензимологія. 3. Сільськогосподарська біотехнологія. 4. Технологічна біоенергетика. 5. Біогеотехнологія металів. 6. Клітинна та генна інженерія. 7. Екологічна біотехнологія.