Биология

Урок 8: Биотехнологии

Биотехнологии

Биотехнология — это способ получения продукта с помощью живых организмов. Чаще всего используют микроорганизмы. Термин «биотехнологии» ввёл Карл Эреки в 1917 году. В 1961 году появился научный журнал, посвящённый этой отрасли, «Biotechnology and Bioengeneering».
 

План урока:

Первые биотехнологии

Биотехнологии в медицине

Биотехнологии в сельском хозяйстве

Получение новых материалов

Очистка сточных вод

 

Первые биотехнологии

И хотя термин «биотехнологии» появился в XX веке, человечество давно уже ими пользуется. Применение дрожжей в хлебопечении, бактерий в приготовлении молочных продуктов и сыра, брожение в виноделии, - всё это биотехнология пищевой промышленности древности.

1 vinodelie v drevnem egipte
Сбор винограда в Древнем Египте. Одни люди собирают виноград, другие разминают собранные плоды ногами, чтобы получить субстрат для изготовления вина

Алкогольные напитки содержат этиловый спирт (этанол). Субстрат для напитка, например, богат углеводами. Микроорганизмы используют углеводы для получения энергии, а в качестве побочного продукта выделяют этанол. Этанол влияет на психическое состояние человека и, к сожалению, легко вызывает зависимость, особенно у людей, генетически к этому предрасположенных.

Раньше спиртные напитки использовали для обеззараживания воды, чтобы её можно было спокойно пить и хранить какое-то время. Сохранение пресной воды было крайне важно для морских походов. Например, ром не только дезинфицировал, но и «ароматизировали» уже подпорченную воду. Сейчас есть надёжные способы обеззараживания воды, но даже сейчас человечество не готово отказаться от алкоголя, хотя он, по своей сути, является сильным наркотическим веществом.

О том, почему из плодов растений получаются алкогольные напитки, люди узнали лишь в XIX веке. К тому времени было известно, что спиртовое брожение связано с ростом и размножением дрожжей. Французские учёные Антуан Лоран Лавуазье и Жозеф Луи Гей-Люссак вывели его формулу: при сбраживании глюкозы образуются этиловый спирт и углекислый газ.

К Луи Пастеру однажды обратился винодел, чтобы выяснить, почему у него портится вино. В сусле Пастер обнаружил дрожжевые грибки и бактерии. Учёный установил, что брожение вызывают только живые дрожжи (микроскопические грибы) при отсутствии кислорода. Среда без кислорода также называется анаэробной. А портили вино бактерии.

Итак, брожение — это анаэробное (без участия кислорода) расщепление органических веществ под влиянием микроорганизмов или их ферментов. Фермент — это молекула, которая ускоряет биохимические реакции. Более того, почти все биохимические реакции протекают только в присутствии ферментов.

Лучше всего для брожения подходят углеводы. Дрожжи и бактерии расщепляют углеводы и получают таким образом энергию. В качестве побочных продуктов разные микроорганизмы выделяют спирт, молочную кислоту, масляную кислоту и другие молекулы. Поэтому различают спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и другие виды брожения.

2 lui paster
Портрет Луи Пастера (художник Альберт Эдельфельт)

Попутно с изучением брожения Луи Пастер сделал несколько важных открытий:

1. Микробы не самозарождаются.

2. Существуют анаэробные микроорганизмы, которым для жизни не нужен кислород.

Сейчас для спиртового брожения используют дрожжи (например, Saccharomyces cerevisiae) и различные бактерии. На спиртовом брожении основаны производство этилового спирта, глицерина, приготовление теста, виноделие и пивоварение.

Молочнокислые бактерии (например, род Lactobacillus, Bifidobacterium) широко распространены в природе, а также входят в состав нормальной микрофлоры человека и животных. Они сбраживают углеводы: глюкозу, фруктозу, молочный сахар лактозу и другие. На выходе получается молочная кислота, уксусная кислота, этиловый спирт и другие продукты. Этот вид брожения используется для изготовления молочнокислых продуктов, хлеба и силосования (заготовки) кормов в сельском хозяйстве.

3 bifidobakterii
Бифидобактерии (Bifidobacterium) под световым микроскопом

Маслянокислое брожение происходит строго в анаэробных условиях с участием бактерий рода Clostridium. Именно они портят продукты: из-за них прогоркает масло, сметана. Но таким способом получают масляную кислоту.

Биотехнологии в медицине

Прогресс в медицине — это результат развития биотехнологий. Именно микроорганизме на службе у человека спасают миллионы жизней.

 

Производство пенициллина

О том, что раны можно лечить плесенью пенициллиум (Penicillium), люди догадывались давно. Но, опять же, не понимали, как это работает. Учёные тоже подметили лечебный эффект плесени. В 1875 году английский физик Джон Тиндаль обнаружил, что «изумительно красивая плесень» (Penicillium) убивает бактерии вокруг себя. В России в 1871 — 1872 годах Вячеслав Авксентьевич Манассеин и Алексей Герасимович Полотебнов показали, что плесень рода Penicillium помогает при лечении кожных язв.

4 plesen roda Penicillium
Плесень рода Penicillium

Но о том, чтобы сделать из пенициллиума лекарство, речи тогда не шло. Потому что в это время учёные только-только начали доказывать, что бактерии вызывают инфекционные болезни, а не сопровождают их.

5 kolonii Penicilliuum v chashke petri
Колонии Penicillium в чашке Петри. Светлые колонии образованы Penicillium commune. Тёмная колония — это Penicillium chrysogenum, из которого изготавливали пенициллин

Открытие пенициллина закрепилось за английским учёным Александром Флемингом. Надо сказать, что это был очень удачливый человек. В 1928 году в своей лаборатории он открыл чашку Петри, в которой росла колония стафилококка. Этажом ниже изучали плесень Penicillium notatum, споры которой очень летучие. И вот тут повезло: не каждый вид Penicillium убивает бактерии, а Penicillium notatum как раз был эффективен против них. Флеминг закрыл чашку Петри, оставил её на столе и уехал в отпуск на две недели. Повезло ещё раз: в Лондоне стояла тёплая погода, благоприятная для размножения плесени.

6 aleksandr fleming
Александр Флеминг

Когда он вернулся, его ожидало открытие. В чашке Петри проросла плесень и уничтожила колонии стафилококка вокруг себя. Флеминг выделил активное вещество и пробовал применять его только наружно для лечения ран, так как вводить новое лекарство в кровь было опасно. Но такое применение пенициллина помогало не всегда. Со временем он забросил эту идею.

Но биохимик Эрнст Борис Чейн и фармаколог Говард Уолтер Флори продолжили изучать новое вещество. В 1941 году вышла статья о применении пенициллина на людях. Теперь его вводили внутривенно и он спасал жизни.

Позже был найден суперпродуктивный вид Penicillium chrysogenum. Его дополнительно облучили рентгеновскими лучами и получили мутацию, которая повысила производительность плесени в 10 раз!

Промышленное производство пенициллина запустили в 1943 году в США. Это было особенно актуально в годы Второй мировой войны, когда от гнойных ран погибало множество военных. У армии Гитлера пенициллина не было, потери вермахта были те же, что и в Первую мировую войну. Пенициллин давал преимущества: раненые избегали ампутаций и возвращались в строй через месяц.

7 amerikanskie hirurgi operiruut podorvavshegosya na mine
Американские хирурги оперируют подорвавшегося на мине (Филиппины), 1944 год

Советский Союз запросил образцы пенициллина, но ему отказали. Тогда советские учёные под руководством Зинаиды Виссарионовны Ермольевой разработали свою технологию изготовления пенициллина на основе вида Penicillium crustosum, но удалось им это лишь в 1944 году.

8 zinaida ermoileva
Зинаида Виссарионовна Ермольева (справа)

9 sovetskaya sanitarka okazyvaet pomoshch ranenomu
Советская санитарка оказывает помощь раненому красноармейцу под вражеским огнём

10 pervichnaya obrabotka ranenogo
Первичная обработка раненого в советском полковом медпункте, апрель 1945 года

Пенициллин наделал много шума. И до него использовали антибактериальные лекарства, но пенициллин затмил их всех. Казалось, что инфекционные болезни и гнойные осложнения ран побеждены.

Но со временем бактерии приобрели устойчивость к антибиотику. И это беда современной цивилизации. Часто люди пьют антибиотики без назначения врача. Или бросают принимать назначенный врачом курс, когда им становится лучше. Если антибиотики подобраны неправильно или лечение прервано, оставшиеся болезнетворные бактерии приобретают устойчивость к антибиотику.

Однако способность бактерий противостоять антибиотикам учёные тоже использовали во благо.

 

Производство инсулина

Инсулин — это гормон поджелудочной железы, благодаря которому глюкоза поступает в клетки. Без инсулина не могут жить люди с сахарным диабетом 1 типа и некоторые люди с сахарным диабетом 2 типа.

11 molekula insulina
Молекула инсулина

Инсулин был выделен в 1921 году. В 1922 году началось промышленное производство гормона из поджелудочных желёз крупного рогатого скота и свиней. Причём свиной инсулин наиболее близок к человеческому. Он действовал недолго, поэтому больным приходилось делать 4 — 6 инъекций в сутки. В 1946 году создали инсулин длительного действия. В 1970-х годах свиной инсулин стали преобразовывать в человеческий.

Но во второй половине XX века пациентов с сахарным диабетом становилось всё больше и потребность в инсулине возрастала. Понадобилась другая технология производства.

В 1973 году Стэнли Коэн и Герберт Бойер трансформировали бактерию кишечную палочку (Escherichia coli или E. coli) с помощью плазмид.

Плазмида — это небольшая ДНК, которую бактерии передают друг другу. В генах плазмиды зашифрована важная информация, которую бактерии распространяют по своему сообществу. Например, информация об устойчивости к антибиотикам.

12 kolonia kishechnoi palochki
Колония кишечной палочки E. coli под электронным микроскопом

13 plazmida
Плазмида (выделена синим цветом) и основная ДНК бактерии (выделена красным цветом) в бактерии

В 1978 году впервые произвели инсулин с помощью кишечной палочки по следующей схеме:

1. Создают участок ДНК с геном человеческого инсулина.

2. Участок искусственной ДНК с геном инсулина встраивают в плазмиду.

3. Плазмиду вводят в кишечную палочку.

4. Кишечная палочка синтезирует предшественник инсулина — проинсулин.

5. Из проинсулина получают инсулин.

Инсулин, получаемый с помощью биотехнологий, был абсолютно таким же, как и человеческий. Кроме того, он не содержал примесей, а значит вызывал меньше побочных эффектов. Кишечная палочка и сейчас служит живой фабрикой для производства веществ, применяемых в практической медицине.

 

Генная терапия

Генная терапия — молодое направление в медицине для лечения наследственных и некоторых других болезней. Она относится и к биотехнологиям и к генной инженерии.

При этом способе лечения человеку вводят правильные гены для того, чтобы устранить его собственные генетические дефекты.

Первой пациенткой, которую успешно вылечили, стала 4-хлетняя Ашанти де Сильва. Она болела наследственным иммунодефицитом, который обусловлен мутацией в гене аденозиндезаминазы. 14 сентября 1990 года в США ей были пересажены собственные лимфоциты, но уже с нормальным геном аденозиндезаминазы.

Лечебный эффект наблюдался несколько месяцев, после чего процедуру снова повторили. За 3 года ей сделали 23 внутривенные трансфузии исправленных T-лифоцитов. Сейчас Ашанти де Сильва ведёт обычную жизнь и не боится инфекций.

Биотехнологии в сельском хозяйстве

Защита растений от вредителей

В середине XX века стали широко применять пестициды — химические вещества, которые уничтожают насекомых-вредителей, сорняки, возбудителей болезней растений. Самый знаменитый из них — ДДТ.

Со временем выяснилось, что многие пестициды вредны для животных и человека. Например, ДДТ сохраняется в окружающей среде в течение 20 лет. Ещё и накапливается в жировой ткани многих организмов.

Благодаря биотехнологиям появились новые средства для защиты растений. Например, препараты, полученные с помощью бактерий Bacillus thuringiensis, эффективны против листогрызущих вредителей. Производственные штаммы этих бактерий синтезируют токсин, который попадает в кишечник насекомых и уничтожает их. Для человека и животных этот штамм безопасен.

14 effekt toksina bakterii
Эффект токсина бактерии Bacillus thuringiensis. На нижней тарелке листья арахиса защищены токсином Bacillus thuringiensis от вредителей. На верхней тарелке листья без защиты повреждены личинкой насекомого

Вещества, синтезируемые микроскопическими грибами Beauveria bassiana и Verticillium lecanii смертельны для насекомых-вредителей. Их используют в борьбе с личинками колорадского жука на картофеле.

 

Производство кормов для животных

Микроорганизмы накапливают много легкоусваиваемого белка, витамины и микроэлементы. Выращивание дрожжей и бактерий не требует больших полей и сложных технологий. Поэтому существуют корма на основе самих микроорганизмов.

Например, водоросль хлорелла продуцирует белки, углеводы, жиры и витамины. Изменение среды, на которой растёт хлорелла, регулирует количество белка, жиров и углеводов, которое она накопит. Поэтому хлореллу используют в качестве пищевой добавки к рациону сельскохозяйственных животных и птиц. Кроме того, она повышает плодородие почв и всхожесть семян.

15 kultura hlorelly v laboratorii
Культура хлореллы в лаборатории

С помощью молочнокислого брожения консервируют корма для животных, этот процесс называется силосование.

 

Получение новых материалов

Одно из перспективных направлений биотехнологий — использование водородных бактерий. Водородные бактерии продуцируют органические соединения из углекислого газа. Энергию они получают из реакций окисления водорода. В 1970-х годах их хотели использовать в космических системах жизнеобеспечения.

В 1980-е годы разработали технологию получения кормов для животных с помощью водородных бактерий. Сейчас разрабатываются технологии создания новых материалов. Водородные бактерии синтезируют полигидроксиалканоаты — высокомолекулярные полимеры, похожие на полиэтилен.

 

Очистка сточных вод

С помощью живых организмов очищают сточные воды. Сточные воды бывают:

  • промышленные (образуются на производстве или добыче полезных ископаемых);
  • бытовые (отводятся из жилых помещений, а также с производства);
  • атмосферные (дождевые и талые).

Один из этапов очистки сточных вод — биологический. Бактерии, простейшие, микроскопические грибы (грибки) и микроскопические животные (коловратки, круглые черви) разлагают органические вещества сточных вод.

Биологическая очистка стоков происходит в специальных сооружениях — биофильтрах, аэротенках и метатенках.

Аэротенк — это резервуар, в котором сточная вода смешана с илом. В иле находятся микроорганизмы, перерабатывающие органические компоненты сточных вод. В аэротенк подаётся воздух, который перемешивает воду с илом и насыщает её кислородом, который нужен для биохимических реакций.

Существуют устройства с анаэробными бактериями — метатенки, на выходе они дают газ метан.

16 aerotenk
Аэротенк

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Биотехнологии
1Подразумевают использование живых организмов
2Нужны только для создания лекарств
3Используются только в пищевой промышленности
4Появились лишь в 20 веке
5В 21 веке заканчивается их использование
Ответить
1
Вопрос: 2
Брожение
1Переработка дрожжами и бактериями углеводов
2Бывает спиртовым, молочнокислым, масляным
3Используется в пищевой и других видах промышленности
4Используется на протяжении многих веков
5Все ответы правильные
Ответить
5
Вопрос: 3
Пенициллин
1Получен в 1875 году
2Повлиял на ход Первой мировой войны
3Сейчас действует на все бактерии
4Производится плесенью пенициллиум
5Впервые произведён в России
6Все ответы правильные
Ответить
4
Вопрос: 4
Инсулин
1Нужен для усвоения глюкозы клетками
2Используется для лечения сахарного диабета
3Раньше получали из органов крупных животных
4Сейчас в производстве инсулина используется кишечная палочка
5Все ответы правильные
Ответить
5
Вопрос: 5
Биотехнологии в сельском хозяйстве
1Позволяют лишь создать корма для животных
2Позволяют только защитить растения от вредителей
3Запрещены в сельском хозяйстве
4Предпочтительнее использовать инсектицид ДДТ
5Применяются в растениеводстве и животноводстве
Ответить
5
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Биотехнологии
1) Подразумевают использование живых организмов 2) Нужны только для создания лекарств 3) Используются только в пищевой промышленности 4) Появились лишь в 20 веке 5) В 21 веке заканчивается их использование
2 вопрос:

Брожение
1) Переработка дрожжами и бактериями углеводов 2) Бывает спиртовым, молочнокислым, масляным 3) Используется в пищевой и других видах промышленности 4) Используется на протяжении многих веков 5) Все ответы правильные
3 вопрос:

Пенициллин
1) Получен в 1875 году 2) Повлиял на ход Первой мировой войны 3) Сейчас действует на все бактерии 4) Производится плесенью пенициллиум 5) Впервые произведён в России 6) Все ответы правильные
4 вопрос:

Инсулин
1) Нужен для усвоения глюкозы клетками 2) Используется для лечения сахарного диабета 3) Раньше получали из органов крупных животных 4) Сейчас в производстве инсулина используется кишечная палочка 5) Все ответы правильные
5 вопрос:

Биотехнологии в сельском хозяйстве
1) Позволяют лишь создать корма для животных 2) Позволяют только защитить растения от вредителей 3) Запрещены в сельском хозяйстве 4) Предпочтительнее использовать инсектицид ДДТ 5) Применяются в растениеводстве и животноводстве
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Подразумевают использование живых организмов
2 вопрос: Все ответы правильные
3 вопрос: Производится плесенью пенициллиум
4 вопрос: Все ответы правильные
5 вопрос: Применяются в растениеводстве и животноводстве