Основы биотехнологии: Курс лекций по применению

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Владимирский государственный университет
С.С. РЫБАКОВ
КУРС ЛЕКЦИЙ
ПО ОСНОВАМ БИОТЕХНОЛОГИИ
В двух частях
Часть 2. Применение биотехнологии
Владимир 2010
УДК 573.6 (075.8)
ББК 30.16
Р 93
Рецензенты:
Доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой химии
Владимирского государственного гуманитарного университета
Н.П. Ларионов
Доктор медицинских наук, профессор
Владимирского государственного университета
И.П. Бойко
Доктор ветеринарных наук, профессор,
начальник отдела разработки и внедрения промышленных
технологий Федерального центра охраны здоровья животных
В.В. Михалишин
Печатается по решению редакционного совета
Владимирского государственного университета
Рыбаков, С.С.
Курс лекций по основам биотехнологии. В 2 ч. Ч. 2. ПрименеР93
ние биотехнологии / С.С. Рыбаков ; Владим. гос. ун-т. – Владимир :
Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. – 127 с. – ISBN 978-5-9984-0046-9.
В первую часть курса лекций была включена информация по истории
биотехнологии, генетической, клеточной инженерии и тканевой инженерии,
культивированию бактерий и новому направлению ─ нанобиотехнологии.
Во второй части в краткой форме изложены сведения о применении биотехнологии в различных областях деятельности человека, включая вопросы, связанные с биологическим оружием и биотерроризмом, биобезопасностью и охраной авторских прав в биотехнологии.
Данный краткий курс предназначен для студентов 3 и 4-го курсов очной формы обучения по специальностям «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» (200401), «Инженерное дело в медико-биологической практике» (200402).
Табл.: 8. Библиогр.: 11 назв.
ISBN 978-5-9984-0046-9
УДК 573.6 (075.8)
ББК 30.16
© Владимирский государственный
университет, 2010
2
ВВЕДЕНИЕ
Сфера приложения биотехнологии и биотехнологических процессов c каждым годом расширяется: медицина и фармакология,
сельское хозяйство, промышленность, охрана окружающей среды и
др. Наиболее широко биотехнология применяется в трех отраслях народного хозяйства – медицине, сельском хозяйстве и промышленности. В последние годы все чаще она начинает применяться для решения проблем аквакультуры. Для обозначения указанных выше направлений был введен ряд новых терминов.
Красная биотехнология – применение биотехнологии в медицине. Например, получение необходимых штаммов микроорганизмов и
их применение; разработка методов диагностики, средств лечения и
профилактики различных заболеваний.
Зеленая биотехнология – процессы биотехнологии, применяемые
в сельском хозяйстве. В качестве примеров можно привести традиционную селекцию и выращивание необходимых человеку животных и растений или получение трансгенных животных и растений с заданными,
полезными для человека свойствами. Есть надежда на то, что зеленая
биотехнология внесет в охрану окружающей среды больший вклад, чем
традиционное индустриальное сельское хозяйство, например, благодаря
использованию биопестицидов, биогербицидов и биоудобрений.
Белая биотехнология известна как промышленная биотехнология.
Примером является создание микроорганизмов, продуцирующих нужные для человека вещества, использование ферментов в качестве промышленных катализаторов или для деградации вредных отходов, загрязняющих окружающую среду. Из преимуществ белой биотехнологии перед традиционными процессами можно отметить снижение загрязнения
окружающей среды и уменьшение потребления энергии и сырья.
Синяя биотехнология – термин, который введен для описания
процессов биотехнологии, применяемых в аквакультуре. Этот термин пока используется редко.
3
Инвестиции и экономические вопросы, возникающие при применении биотехнологии в вышеперечисленных областях, формируют
то, что обычно называют биоэкономикой.
В последние годы появился новый термин нанобиотехнология,
который используется все чаще (см.Ч.1). Нанобиотехнологи уже начали
применять молекулярную самоорганизацию как способ производства
новых нанобиоструктур, таких как нанокапсулы для лекарств и каркасы
из нановолокон для выращивания тканей. Важным направлением нанобиотехнологии считается разработка новых материалов для медицины.
Биотехнология является одним из научно-практических приоритетов XXI века. В 2004 г. рынок биотехнологической продукции в
мире составил около 40 млрд долларов. По расчетам, к 2010 г. эта
цифра увеличится до 100 млрд, а с включением сюда продукции, произведенной в других отраслях с использованием биотехнологических
методов, превысит 3 трлн. Долгосрочные прогнозы также подтверждают тенденции роста биотехнологической отрасли.
Сознавая приоритетность и актуальность современной биотехнологии, общество биотехнологов им. Ю.А. Овчинникова, воссозданное в октябре 2003 г., вместе с другими заинтересованными общественными и государственными структурами России выступило с инициативой формирования и последующей реализации комплексной национальной программы «Развитие биотехнологии в России на 2006–
2015 гг.». Программа была утверждена Третьим съездом Общества
биотехнологов им. Ю.А. Овчинникова 27 октября 2005 г.
Основная цель Программы – развертывание работ в области
теоретической и практической биотехнологии в России на базе современных инновационных подходов для производства отечественной биотехнологической продукции. В практическом (прикладном)
аспекте будут поддержаны наиболее перспективные проекты в области медицинской, сельскохозяйственной, пищевой, экологической,
промышленной биотехнологии и других сфер применения биотехнологии с целью выйти на определенный процент импортозамещения.
Большое внимание уделено вопросам подготовки кадров XXI века. На
это направлена одна из основных задач Программы – создание современной системы подготовки и сохранения кадров биотехнологов.
4
Лекция 1. БИОТЕХНОЛОГИЯ В МЕДИЦИНЕ
В недалеком прошлом смерть постоянно угрожала человеку.
Смертность младенцев достигала 25 %, примерно столько же умирало в
детском возрасте. Человек из-за эпидемий, которые возникали очень часто, мог умереть в любом возрасте. Чуть больше 2 % популяции доживало
до 65 лет. Благодаря усилиям ученых были выяснены причины многих
болезней, разработаны методы их диагностики, лечения и профилактики,
созданы антисептики, вакцины, антибиотики и другие препараты.
С улучшением условий жизни, а также медицинского обслуживания продолжительность жизни за последние 150 лет увеличилась с 40 до
80 лет и в будущем будет увеличиваться. В наши дни инфекционные болезни значительно меньше угрожают жизни и на первый план выступили
сердечно-сосудистые и онкологические заболевания, нейродегенеративные болезни (болезнь Альцгеймера, Паркинсона и др.), количество случаев которых значительно возросло в результате старения популяции.
В медицине современная биотехнология находит широкое применение в таких областях, как разработка и производство фарм- и
биопрепаратов; генетическое тестирование, терапия генов и т.д. Получение препаратов, применяемых в медицине, исследователи считают одним из важных направлений в биотехнологии. Речь идет о диагностических наборах, профилактических и лечебных препаратах. С
помощью современных биотехнологических методов получено большое разнообразие биологически активных веществ белковой природы, в том числе гормонов, белков крови, иммунорегуляторов и иммуномедиаторов — интерлейкинов, интерферонов и др. Разработаны
новые принципы конструирования вакцин и диагностических наборов. Эти задачи успешно решает иммунобиотехнология, выделившаяся в самостоятельный раздел биотехнологии.
Известно, что для разработки современных фармацевтических
препаратов требуется значительное время. Кроме того, необходим
длительный период их проверки, прежде чем соответствующие государственные органы разрешат производство и применение препарата.
Стоимость разработки и испытания таких препаратов может составлять многие миллионы долларов, поэтому они должны пользоваться
большим спросом, чтобы не только возместить затраты, но и принести доход. Из-за отсутствия финансового интереса производящих ком5
паний, сталкивающихся с гигантскими затратами, многие необходимые препараты не появляются на рынке. Биотехнология должна помочь в производстве препаратов, которые необходимы для человека в
небольших количествах и не дают большого дохода.
Новые медицинские препараты, полученные с помощью биотехнологии, появляются на рынке почти ежедневно. Они включают
терапевтические продукты (гормоны, регуляторные белки, антибиотики и т. д.; вакцины нового поколения, иммунодиагностические и
ДНК-овые наборы для идентификации болезней; препараты для терапии генов и предродовой диагностики генетических болезней и др.)
Молекулярные структурные элементы, образованные из аминокислот, пептидов, очень перспективны для разработки новых препаратов для медицины. В воде и жидкостях организма они образуют хорошо упорядоченные каркасы из нановолокон, которые могут использоваться для выращивания тканей. Например, ученые успешно использовали такие каркасы для выращивания искусственных хрящей и костей
с целью замены поврежденных тканей. Самоорганизующиеся пептидные нановолокна могут мгновенно остановить кровотечение, что очень
важно для хирургии. Применение новых структур для доставки лекарств и генов оказалось очень эффективным, так как они могут обволакивать гидрофобные вещества и доставлять их в клетки больного.
Всестороннее изучение механизмов заболевания позволяет разработать препараты целенаправленного действия. Это коммерчески
развиваемые области новой биотехнологии с огромным настоящим и
необъятным будущим рынком сбыта, некоторые из них будут кратко
описаны ниже.
1.1. Фармацевтические и биофармацевтические препараты
Антибиотики. Открытие в 1928 г. Александром Флемингом того, что грибок, называемый Penicillum notatum, может продуцировать
соединение, подавляющее размножение широкого ряда бактерий, без
заметного действия на организм человека или животных, сыграло в
дальнейшем огромную роль. Последующие многочисленные исследования в этом направлении изменили методы борьбы человека с инфекционными, в первую очередь, бактериальными болезнями. Антибиотики начали интенсивно использоваться примерно с 1945 г. после приме6
нения пенициллина. Новые антибиотики вскоре расширили спектр антимикробных препаратов и в настоящее время широко используются в
медицине и ветеринарии, а также (хотя менее интенсивно) в животноводстве, где некоторые антибиотики используются для увеличения веса сельскохозяйственных животных. Они могут также использоваться
для борьбы с болезнями растений, а также в качестве инсектицидов.
Антибиотики, которые действуют на ряд микроорганизмов,
называются антибиотиками с широким спектром. К ним относятся,
например, хлорамфеникол и тетрациклины, которые могут действовать на такие неродственные группы микроорганизмов, как риккетсии, хламидии и микоплазмы. В противоположность им стрептомицин
и пенициллин имеют узкий спектр действия, поскольку эффективны
только против некоторых видов бактерий. Известно около 6000 антибиотиков, которые продуцируются грибами, стрептомицетами, бактериями. В медицинской практике испольуются около 100 антибиотиков. Большинство из них продуцируется актиномицетами, в частности, представителями рода Streptomyces (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Некоторые наиболее важные антибиотики
Антибиотик
Actinomicin D
Bacitracin
Bleomicin
Cephalosporin
Chloramphenicol
Daunorubicin
Fumagillin
Griseofulvin
Mitomycin C
Natamycin
Nisin
Penicillin G
Rifamicin
Streptomicin
Tetraciyclin
Микроорганизмпродуцент
Streptomices sp.
Bacillus sp.
Streptomices sp.
Acremonium sp.
Cephalosporium sp.
Streptomices sp.
Aspergillus sp.
Penicillum sp.
Streptomices sp.
Streptomices sp.
Lactococcus sp.
Penicillum sp.
Nocardia sp.
Streptomices sp.
Streptomices sp.
7
Спектр действия
Антиопухолевое
Антибактериальное
Антираковое
Антибактериальное
Антибактериальное
Антипротозойное
Амебоцидольное
Антигрибковое
Противоопухолевое
Консервант продуктов
Консервант продуктов
Антибактериальное
Противотуберкулезное
Антибактериальное
Антибактериальное,
Антиамебное
В последние годы возникла проблема, связанная с повышением
устойчивости бактерий к антибиотикам. Установлено, что факторы
устойчивости расположены в плазмиде и могут легко передаваться от
одной бактерии к другой. Открытие этого феномена послужило основой для разработки метода переноса генов, который широко используется в генетической инженерии.
Применение методов генетической инженерии позволило получить новые штаммы-продуценты с высокой продуктивностью, лучшей стабильностью и дало возможность синтезировать новые антибиотики. Эти модификации позволили снизить себестоимость антибиотиков. В настоящее время в их производстве используются танковые реакторы с перемешиванием, работающие в аэробных циклических условиях. Одним из путей получения новых антибиотиков считается их постсинтетическая химическая модификация.
Практика показывает, что поиск новых антибиотиков необходимо проводить постоянно, поскольку бактерии очень быстро приобретают устойчивость к ним. Например, производство нового антибиотика Zyvox было налажено в 2000 году, а первые стойкие к нему
штаммы бактерий появились уже через год.
Наиболее актуальные задачи, связанные с разработкой, производством и применением антибиотиков:
– создание и разработка способов преодоления антибиотикорезистентности микробов;
– изыскание природных и создание полусинтетических антибиотиков, эффективных в борьбе со стафилококковой, синегнойной и
другими инфекциями;
– поиски других видов организмов – продуцентов антибиотиков;
– получение новых антибиотиков путем направленного биосинтеза и подбора соответствующих мутантов и рекомбинантов.
Стимулом к дальнейшим исследованиям являются два основных
фактора – большое значение антибиотиков в медицине и ветеринарии
и низкая стоимость сырья, идущего на их изготовление. Эта отрасль
производства в отличие от других не испытывает конкуренции со
стороны химического производства. Однако проблемы, отмеченные
выше, вынуждают изыскивать новые подходы в борьбе с инфекционными болезнями. Одним из наиболее перспективных путей в борьбе с
8
некоторыми заболеваниями можно считать создание и широкое применение пробиотиков. Большая часть пробиотиков, используемых в
настоящее время, создана на основе бактерий рода Bacillus.
Ферменты. Ферменты очень широко используются в биотехнологии в качестве инструментов для осуществления тонкого химического органического синтеза, в легкой, пищевой и фармацевтической
промышленности, а также в генноинженерных исследованиях. В
большинстве случаев получение ферментов – это аэробный процесс.
Их выгоднее получать микробиологическим путем, чем выделять из
растительного или животного сырья.
Особенности получения ферментов:
– тщательное соблюдение стерильности, так как они при производстве в отличие от спиртов, кислот и антибиотиков не подавляют
постороннюю микрофлору;
– биосинтез ряда ферментов подавляется катаболитами, (например глюкоза ингибирует синтез α-амилазы);
– большую опасность представляют протеазы, так как они гидролизуют ферменты, большинство из которых являются белками.
В качестве примеров использования ферментов в медицине
можно привести следующие: урокиназа, которая продуцируется культурой клеток, ее используют для разрушения тромбов; супероксиддисмутаза синтезируется бактериями и применяется для лечения
ишемической болезни сердца; стрептокиназа синтезируется бактериями, способна превращать плазминоген в плазмин и поэтому применяется для разрушения тромбов.
Перспективным считается направление, связанное с получением с помощью представителя энтеробактерий Serratia marcescens высокоактивной внеклеточной эндонуклеазы, расщепляющей ДНК и
РНК. Эндонуклеаза находит применение в качестве объекта и инструмента исследований, обладает противоопухолевым и противовирусным, а также ростстимулирующим действием. Методом индуцированного мутагенеза и селекции получены высокопродуктивные
штаммы S. marcescens с активностью внеклеточной эндонуклеазы,
превышающей активность исходного штамма в 140 раз.
Гормоны. В зависимости от величины и структуры молекулы
гормоны делят на 4 группы:
9
– пептидные гормоны (состоят из нескольких десятков аминокислот). Факторы гипоталамуса, гормоны гипофиза, щитовидной железы, пищеварительного тракта — холецистокинин, поджелудочной
железы — инсулин;
– гормоны роста и пролактины (от 170-190 аминокислот), например соматотропин;
– гликозилированные (состоят из двух субъединиц). Лютеонизирующий, фолликулостимулирующий и тиреотропный гормоны;
– стероидные гормоны-глюкокортикоиды (кортизон, гидрокортизон, преднизолон, дексаметазон и др.), которые применяются при
заболеваниях крови, таких как гемолитическая анемия, острый лейкоз
и др.; иммуносупрессии, снижая отторжение органов и тканей; аллергии – астма, экзема и др.; аутоиммунных заболеваниях — ревматоидный артрит, системная красная волчанка.
Первыми генами человека, для которых была определена последовательность нуклеотидов и клонированными в микроорганизмы,
были гены, кодирующие гормоны инсулин и соматотропин, а также
интерферон, имеющие важное терапевтическое значение.
Инсулин. В мире миллионы людей нуждаются в регулярном
введении инсулина для того, чтобы избежать летального действия диабета. Долгое время для этих целей использовали инсулин, экстрагированный из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота.
Такие препараты обладали побочным действием, поскольку они содержали различные контаминанты. В 80-х г. производство инсулина
подверглось радикальному изменению. Появление рекомбинантного
инсулина человека сняло проблему побочного действия и заметно
увеличило рынок сбыта этого препарата, поскольку его производство
не связано с забоем животных. В настоящее время почти весь инсулин
производится в E. coli, в которые встроен ген, кодирующий инсулин
человека. Генетически измененные дрожжи в последние годы также
используются для производства инсулина. Имеются подтверждения
того, что инсулин в трансгенных растениях можно получить с меньшими затратами, чем в биореакторах. Например, одна из канадских
фирм сообщила, что произведенный ими в подсолнечнике инсулин
дешевле более чем на 25 %. Новая технология уменьшит затраты на
строительство необходимых производственных мощностей.
10
Соматотропин. Этот гормон крайне трудно получать из тканей животных. Для получения 0,005 грамма чистого соматотропина
требовалось переработать 0,5 млн мозгов овец. Используя трансгенные бактерии, содержащие ген, кодирующий соматотропин, такое количество гормона можно получить из 9 литров бактериальной культуры. У детей гипофизарная карликовость возникает в результате дефицита гормона роста с частотой 1:5000. Получение этого гормона
поможет детям, страдающим данным заболеванием. Ежегодный рынок этого препарата оценивается в 100 млн долларов США. Потенциальный рынок его сильно возрос после того как было показано, что
соматотропин может способствовать наращиванию мышечной массы
нормальных (не больных) индивидуумов и теперь применяется с этой
целью некоторыми атлетами. Было также показано, что регулярное
введение этого гормона улучшает самочувствие у людей пожилого
возраста.
Витамины. Витамин В2 (рибофлавин) получил свое название
от сахара рибозы, входящего в состав молекулы витамина в виде многоатомного спирта D-рибита. Широко распространен в природе и в
значительных количествах синтезируется растениями, дрожжами,
грибами и бактериями. Продуцентами витамина являются бактерии
(Brevibacterium ammoniagenes, Micrococcus glutamaticus), дрожжи
(Candida guilliermondii, C. flaveri), микроскопические (Ashbya
gossypii) и плесневые грибы (Aspergillus niger). Промышленное получение рибофлавина осуществляется химическим, микробиологическим или комбинированным методом: при этом синтезированная
микроорганизмами рибоза химически трансформируется в В2. Животные, не синтезирующие этот витамин, должны получать его вместе с кормом. Препараты рибофлавина используют в медицине для
лечения ряда заболеваний. Для медицинских целей микробиологический рибофлавин получают на основе гриба Aspergillus. В последние
десятилетия бурно развивается микробиологическое производство
витамина В2 путем культивирования микроскопического гриба
Eremothecium ashbyii, которое успешно конкурирует с его химическим синтезом.
Витамин В12 – (α-5,6-диметилбензимидазол)-цианкобаламин –
это полимер сложного строения, являющийся гематопоэтическим и
11
ростовым фактором для многих животных и микроорганизмов. Микробиологический синтез является единственным способом получения
данного витамина. Способность к синтезу данного витамина широко
распространена среди прокариотических микроорганизмов. Активно
продуцируют витамин В12 Propionibacterium, а также Pseudomonas и
смешанные культуры метанообразующих бактерий.
Эргостерин (эргоста-5,7,22-триен-3β-ол) является исходным
продуктом производства витамина D2 и кормовых препаратов дрожжей, обогащенных этим витамином. Витамин D2 (эргокальциферол)
образуется при облучении ультрафиолетом эргостерина, который в
значительных количествах синтезируют бурые водоросли, дрожжи и
плесневые грибы.
Для получения кристаллического β-каротина в промышленном
масштабе используется низший гриб Blakeslea trispora, характерной
особенностью которого является способность к сверхсинтезу целевого продукта.
Интерфероны. В 1957 году были открыты вещества, образующиеся в организме, которые могут действовать против вирусов,
делая тем самым клетки устойчивыми к ним. Эти вещества были названы интерферонами. Многие вирусы могут индуцировать их синтез
в клетках in vitro и являются чувствительными к ним. Получение интерферонов в достаточных количествах довольно проблематично, поскольку они образуются в клетках в очень небольших количествах и
поэтому их невероятно сложно отделить от других клеточных белков.
Интерфероны являются гликопротеинами и играют большую
роль в контролировании многих типов вирусных инфекций. Многие
типы интерферона охарактеризованы для отдельных видов животных:
мышиный интерферон будет действовать только в клетках мыши, но
не человека и наоборот. Более того, различные ткани одного и того же
вида животного производят различные интерфероны.
Имеется несколько источников получения интерферона. Диплоидные фибробласты человека, культивируемые in vitro. В- и
Т-лимфоциты синтезируют имунный интерферон. Его противоопухолевая активность в 50-100 раз выше, чем других интерферонов. Ген,
кодирующий интерферон фибробластов человека, может быть встро-
12
ен в плазмиду бактерий таким образом, что они будут синтезировать
интерферон, который затем можно экстрагировать и очистить.
Лимфокины. Лимфокины это белки, продуцируемые лимфоцитами (клетки иммунной системы организма). Они являются необходимыми компонентами иммунной реакции и способны усиливать
борьбу иммунной системы с инфекционными или онкологическими
болезнями.
Таким образом, лимфоцитарные противораковые вещества —
интерлейкин 1 и 2 являются факторами иммунитета. Их получают из
лимфоцитов, фибробластов (диплоидные клетки), а также с помощью
технологии рекомбинантных ДНК.
Большинство других фармацевтических препаратов, полученных с помощью биотехнологии, представляют собой вещества, выделенные из источников биологического происхождения. При этом
они могут быть использованы после химической модификации или
без неё. Методы молекулярной биологии, генетической и клеточной
инженерии играют в настоящее время основную роль в открытии,
дизайне и производстве препаратов. Можно привести несколько
примеров получения фармацевтических препаратов с помощью современной биотехнологии. РНКазы бактерий находят широкое применение в биохимии и молекулярной биологии в качестве инструментов генетической инженерии и являются объектом биотехнологического производства, кроме того, они обладают противовирусными свойствами.
Из других микроорганизмов широко используются дрожжи. Источником сырья для получения дрожжевой РНК служат кормовые
дрожжи, как правило рода Candida, выращенные на различных субстратах и содержащие не менее 7 % компонентов нуклеотидной природы. Дрожжевая РНК представляет собой смесь полирибонуклеотидов разных молекулярных масс. Ее натриевая соль – нуклеинат натрия находит применение в медицине при лечении широкого круга
заболеваний, а технический продукт РНК-концентрат используется в
производстве нуклеозидов и мононуклеотидов. Представляют также
интерес некоторые основания нуклеиновых кислот, применяемые в
современной биотехнологии в виде ростовых факторов (аденин и его
производное кинетин) или в технологиях тонкого органического син13
теза при получении фармакопейных препаратов (например, ацикловира на основе гуанина).
Сравнительно недавно разработан биотехнологический метод
получения тимидина, который является сырьем для производства лекарственного препарата азида тимидина, применяемого для лечения
СПИДа путем ингибирования роста ВИЧ. Этот способ представляется
более выгодным с экономической и экологической точек зрения в
сравнении с методами химического синтеза и ферментативного гидролиза ДНК, используемыми ранее в промышленности.
Многие физиологически активные вещества получают из растительного сырья. Более 25 % лекарственных препаратов изготовлены
на основе соединений растительного происхождения. Так, элеутерококк колючий Eleutherococcus senticosus (синонимы-свободноягодник,
дикий перец, колючий перец, чертов куст) – кустарниковое растение
из семейства аралиевых, распространен главным образом в кедровошироколиственных и темнохвойных лесах малодоступных районов
Сихоте-Алиня, используется для получения экстракта, который обладает ярко выраженным адаптогенным действием: повышает умственную и физическую работоспособность, увеличивает резистентность к
вредным воздействиям физической, химической и биологической
природы. Физиологически активными веществами элеутерококка,
обусловливающими его биологическую активность, являются гликозиды.
Продукты вторичного метаболизма растений также широко используются в медицине. При лечении аритмии сердца используют
препарат аллапинин, действующим началом которого является дитерпеновый алкалоид лаппаконитин, который получают из аконита белоустого. С целью увеличения сырьевой базы для производства аллапинина проводятся исследования другого вида аконита – борца северного.
Биополимеры (БП). В настоящее время в медицине все большее
внимание уделяется полимерам биологического происхождения. Это
объясняется их разнообразием, уникальностью свойств, а также тем,
что методы биотехнологии в отличие от традиционных химических
позволяют получать экологически чистые материалы. Кроме белков и
нуклеиновых кислот, особого рассмотрения заслуживают микробные
14
термопластичные поли (3-оксиалканоаты) – полимеры 3-оксинасыщенных жирных кислот. Наиболее изученным считается полиоксибутират – гомополимер D-(3)-оксимасляной кислоты, служащий запасным энергетическим соединением, которое синтезируют прокариоты в специфических условиях роста. Эти БП обладают механофизическими свойствами, близкими к полиэтилену и полипропилену, а
также рядом специфических свойств – биодеградируемостью, совместимостью с тканями человека и животных, пьезоэлектрическим эффектом и другими полезными свойствами. Они успешно используются в медицине, в частности, в хирургии (прочный рассасываемый хирургический материал, элементы для остеосинтеза, сосудистой пластики, пленочные покрытия ран и ожоговых поверхностей, одноразовые изделия, в том числе нетканые материалы), фармакологии (пролонгация действия лекарственных веществ). В последние годы идентифицированы новые биополимеры этого класса, обладающие термопластичностью и биодеградируемостью – гетерополимеры, включающие в различных соотношениях и вариантах мономеры
3-оксинасыщенных жирных кислот (оксимасляной, оксивалериановой, оксигексановой, оксиоктановой и др.).
В настоящее время проводится активный поиск новых продуцентов БП, оптимизируются условия их ферментации, изучаются
свойства полученных на их основе материалов.
Вакцины и диагностические препараты. Способность стимулировать выработку антител с помощью вакцин известна давно. Вакцины являются препаратами убитых (инактивированных) микроорганизмов (или их отдельных антигенов), живыми ослабленными (аттенуированными) микроорганизмами, которые могут стимулировать в
организме человека или животных иммунитет к инфекционному заболеванию. Таким образом, они имитируют инфекционный агент и
без патогенных последствий при введении в организм вызывают протективный иммуннный ответ. Основной целью исследований, связанных с разработкой вакцин нового поколения, являются идентификация и характеристика индивидуальных антигенов инфекционного
агента, которые индуцируют защитный иммунный ответ. Применение
субъединичных вакцин, состоящих из высокоочищенных компонентов вириона, считается более безопасным, чем традиционных убитых
15
или живых аттенуированных вакцин. Однако такие вакцины часто
оказываются менее иммуногенными. Накопленная в последние годы
информация о молекулярных механизмах презентации антигенов позволяет нивелировать эти недостатки, моделировать вакцинный процесс, избирательно активируя разные отделы иммунной системы путем использования адъювантов с различными механизмами действия,
выбора антигена определенной степени полимеризации, включения в
состав вакцины тех или иных цитокинов.
В настоящее время разработаны вакцины различных типов против многих инфекционных болезней.
Против некоторых болезней, вызываемых вирусами, разрабатываются вакцины с помощью технологии рекомбинантных ДНК – против гриппа, полиомиелита, гепатита, герпеса и др.
Проводятся исследования по получению различных вакцин против инфекционных болезней человека и животных, в том числе и с
использованием растений в качестве продуцентов антигенов.
Интенсивные исследования проводятся в направлении создания
некоторых бактериальных вакцин, а также вакцин против паразитарных заболеваний. Малярия остается одним из наиболее опасных заболеваний в мире. Это сложная и неотложная проблема, возможно, будет решена в ближайшем будущем. Против некоторых инфекционных
болезней разрабатываются ДНК-вакцины.
Биотехнологическими предприятиями выпускается большое
разнообразие иммунодиагностических и ДНК-овых наборов для диагностики. В последние годы большая часть иммунодиагностических
наборов приготовлена не на основе поликлональных сывороток, а с
использованием моноклональных антител (МАт).
Применение моноклональных антител (см.Ч.I). Моноклональные
антитела (МАт) примененяются для диагностики онкогенных и инфекционных заболеваний в качестве лечебных препаратов для создания
пассивного иммунитета и т.д. Для диагностики МАт наиболее широко
используются в сочетании с иммуноферментным анализом (ИФА).
В настоящее время производится несколько коммерческих препаратов на основе МАт. Препарат Infliximab (Remicade) считается
перспективным при некоторых болезнях воспалительного характера,
таких как ревматоидный артрит.
16
МАт, соединенные с токсинами, используются для избирательной химиотерапии, поражая раковые и не действуя на нормальные
клетки. Их можно применять против отторжения трансплантатов, направляя на специфические иммунные клетки, участвующие в этом
процессе, без нарушения функций других клеток иммунной системы.
В качестве примера таких препаратов можно привести MuromomabCD3. Модифицированная версия ингибировала аутоиммунное разрушение бета-клеток при сахарном диабете 1-го типа. МАт препарата
Daclizumab (Zenapax) связываются с некоторыми рецепторами интерлейкина-2. Он используется для предотвращения отторжения трансплантированных почек. Кроме того, он эффективен при лимфоме
T-клеток.
Кроме этого МАт применяются в качестве высокоспецифичных
лекарственных препаратов.
Omalizumab (Xolair) связывается с IgE и предотвращает их
взаимодействие с тучными клетками. Препарат применяется против
астмы аллергической природы.
МАт исползуются для уничтожения или ингибиции роста раковых клеток. Rituximab (Rituxan) связывается с молекулой CD20, которая обнаружена на большинстве B-клеток и используется для лечения
лимфомы B-клеток.
Препарат Tositumomab (Bexxar) является конъюгатом МАт против CD20 и радиоактивного иода изотопа 131. Был одобрен для лечения лимфомы.
Trastuzumab (Herceptin) связывается с рецептором HER2 эпидермального фактора роста, найденного при некоторых видах рака
молочной железы и лимфомах.
Cetuximab (Erbitux) блокирует HER1 другого рецептора эпидермального фактора роста. Был одобрен для лечения рака толстого отдела кишечника.
Gemtuzumab ozogamicin (Mylotarg) – конъюгат МАт к CD33, антигену, находящемуся на поверхности клетки и экспрессируемому раковыми клетками при острой миелогенной лейкемии, и калихемицина –
комплекса олигосахарида, разрушающего двунитевые ДНК. Препарат
является первым иммунотоксином, с которым получены хорошие результаты в борьбе против рака.
17
Alemtuzumab (Campath) связывает молекулу CD52, найденную
на лимфоцитах, и позволяет излечивать хроническую лимфоцитарную лейкемию в течение 18 месяцев.
Некоторые препараты на основе МАт используют в качестве ингибиторов ангиогенеза. Bevacizumab (Avastin) блокирует рецептор
фактора роста эндотелия сосудов. Был одобрен для лечения толстого
отдела кишечника.
Препарат Abciximab (ReoPro) ингибирует агрегацию тромбоцитов, взамодействуя с рецепторами на их поверхности, которые в норме связываются фибриногеном. Этот препарат предотвращает блокирование коронарных артерий у пациентов, которые подверглись ангиопластике.
МАт погут быть получены на мышах, но будучи введенными в
организм человека распознаются иммунной системой, что часто приводит не только к их элиминации без терапевтического эффекта, но и
вызывает повреждение почек. Для решения этой проблемы ученые
использовали химерные (человек - мышь) антитела. При этом вариабельная часть антитела была взята от мыши, а константная – от человека. Препараты Infliximab, Rituximab и Abciximab являются примерами использования таких антител. Кроме того, можно брать не всю
вариабельную область мышиных антител, а только аминокислоты,
участвующие в связывании антигена, а остальную часть взять от молекулы антигена человека, заменив в антителе только гипервариабельную область. Такие антитела включены в состав коммерческих
препаратов Zenapax, Vitaxin, Mylotarg, Herceptin и Xolair.
Концепция направленной доставки лекарственных средств клеткам и тканям-мишеням, способная разрешить проблемы неспецифического воздействия различных терапевтических препаратов на нормальные ткани, стала предметом широкого экспериментального изучения после разработки гибридомной технологии. В первую очередь
реализация этих идей была направлена на лечение онкологических
больных в связи с тем, что именно в этой области традиционные химиотерапевтические и радиотерапевтические средства оказывают
мощное повреждающее воздействие и на нормальные клетки. Интенсивное развитие гибридомной технологии привело к получению
большого количества высокоспецифичных МАт против маркерных
18
антигенов на поверхности клеток, которое сопровождалось не менее
интенсивными исследованиями возможности использования их для
избирательной элиминации популяций клеток-мишеней. В настоящее
время достигнут значительный прогресс в создании цитотоксических
фармакологических агентов направленного действия - иммунотоксинов, т.е. конъюгатов антител с токсинами растительного или бактериального происхождения.
1.2. Использование трансгенных растений и животных в медицине
В настоящее время многие биофармацевтические препараты
производятся методом генетической инженерии в клетках млекопитающих, растений, бактериях или классическим методом – микробной
ферментацией. Однако с получением трансгенных животных (см.Ч.1)
становится возможным получать некоторые белки человека, перспективные для фарминдустрии, включая тканевой активатор плазминогена, фактор свертывания крови и т.д., в молочных железах нескольких видов животных, таких как мыши, кролики, овцы, коровы и свиньи. У этих животных необходимые препараты накапливаются в молоке.
У некоторых людей, больных гемофилией, отсутствует агент
свертывания крови, называемый коагулирующим фактором IХ. Был
сконструирован ген, кодирующий этот белок, и успешно встроен в
геном овец. Этот ген экспрессируется, хотя и в незначительной степени, и наследуется потомством.
В 2006 г. были получены трансгенные свиньи путем встраивания гена "жир-1". Ген был взят от нематоды Caenorhabditis elegans. У
6 из 10 полученных клонов свиней экспрессировались высокие уровни омега- 3 жирных кислот, полезных для профилактики сердечнососудистых заболеваний.
Потенциал трансгенных животных, которые могут секретировать различные коммерчески важные для медицины продукты, не ограничен и будет реализован в будущем. Основным преимуществом
данной системы является то, что синтез проводится в организме млекопитающих, это обеспечивает посттрансляционную модификацию
сложных белков человека, необходимую для проявления их биологической активности. Такая модификация не может быть достигнута в
19
бактериальных системах. Пока еще нет коммерческого производства,
работа в настоящее время проводится в направлении повышения выхода целевых продуктов. Процесс экспрессии не наносит вреда животному, которое продолжает давать молоко как обычно. Нет сомнения в
том, что этот путь станет одним из основных при получении ряда белков, необходимых человеку. В качестве примера можно привести некоторые американские компании, которые могут в настоящее время
производить гемоглобин человека в крови трансгенных животных и на
его основе готовить заменитель крови человека, который может иметь
огромный спрос. Каждый год в мире делается 70 млн переливаний
крови общей стоимостью 10 млрд долларов США. Такой кровезаменитель будет свободным от многих патогенов человека таких, например,
как ВИЧ и будет исключена необходимость определения группы крови
перед его введением, поскольку он не содержит красных клеток крови
(эритроцитов). Однако предстоит провести дополнительные исследования, прежде чем данная технология будет применяться на практике.
Важным направлением можно назвать использование трансгенных животных в качестве доноров органов и тканей, необходимых
для трансплантации. Почти четверти миллиона людей продлена
жизнь благодаря пересадке органов. По статистическим данным в настоящее время в экономически развитых странах около 150 000 человек нуждаются в пересадке донорских органов и тканей. Мировая потребность в трансплантации может оказаться значительно большей.
По сравнению с 1988 г. она повысилась вдвое и продолжает ежегодно
увеличиваться на 15 %. Одним из перспективных путей решения этой
проблемы считают разработку метода пересадки человеку органов и
тканей от животных (ксенотрансплантация). Естественным было бы
считать, что ближе всего к нам стоят человекообразные обезьяны, однако число животных этого вида ограничено и их трудно разводить в
неволе. Не последнюю роль играет этическая сторона вопроса, связанная с необходимостью убивать их с целью получения органов, и,
наконец, невозможность полностью обезопасить реципиента от инфекционных заболеваний заставляет искать донора органов для человека среди животных другого вида. Как оказалось, таким животным
может стать свинья, имеющая определенное анатомическое и физиологическое сходство с человеком. Некоторые биотехнологические
20
компании работают над созданием свиней, с геном гистосовместимости человека. Предполагается, что эта технология завоюет огромный
рынок. В настоящее время основным лимитирующим фактором является получение большого числа трансгенных животных.
Одним из путей использования трансгенных растений в медицине и ветеринарии – это получение вакцин. Для этого в растение
встраивают гены, кодирующие белки возбудителей инфекционных
болезней, индуцирующих выработку нейтрализующих антител. В настоящее время получены генетически модифицированные картофель,
томаты, подсолнечник, салат, табак, рис и другие растения. Если будущие клинические испытания пройдут успешно, то появятся «съедобные» вакцины, которые будут играть важную роль в борьбе с инфекционными болезнями, особенно в развивающихся странах. Их
преимущество состоит в том, что трансгенные растения могут быть
выращены повсюду с применением сравнительно дешевой технологии. Изготовленные с их помощью вакцины позволили бы избежать
материально-технических проблем, связанных с транспортировкой
вакцин на большие расстояния и созданием холодовой цепи, необходимой для большинства обычных вакцин. И так как они съедобны,
они не будут нуждаться в шприцах, которые не только создают дополнительные материальные затраты, но также в случае их контаминации могут быть источником инфекций. Однако возникает другая
проблема, связанная с тем, что в желудочно-кишечном тракте антигены расщепляются. Это затрудняет получение желаемого эффекта.
1.3. Генотерапия
Несомненно, основным достижением генетической инженерии
человека является терапия генов. Она дает возможность лечить болезни путем переноса и экспрессии генетического материала в клетки
пациента с целью восстановления нормальной функции клеток. Основная цель терапии генов – корректировка отдельных дефектов гена
(мутаций), например при кистозной болезни и гемофилии (табл. 1.2),
которые могут наблюдаться в семьях согласно законам наследственности Менделя. Очевидно, что многие сотни подобных болезней
можно лечить, корректируя дефекты гена. В настоящее время нет эффективного лечения генетических болезней, но терапия генов может
21
дать надежду большому количеству людей. Исправление дефектов
соматических клеток при таких болезнях, как, например, болезнь
Паркинсона, рак и многих других является трудной задачей, которая
будет решена нескоро, поскольку происходит нарушение ряда генов.
Геном человека содержит около 100 000 генов, включающих около
3х109 нуклеотидов. Выполнение программы «Геном человека», кроме
определения последовательности нуклеотидов всего генома дало возможность провести его картирование с целью получения:
– генетической карты с относительным расположением генов;
– физической карты, дающей информацию по истинному положению генов.
Таблица 1.2
Некоторые генетические болезни человека
Мишень
(орган, клетки)
Талассемия (эритроб- Костный мозг
ластическая анемия)
Частота
встречаемости
1:600 в некоторых
популяциях
Клеточная болезнь
Печень
Прогрессивная
мышцы/мозг
мышечная дистрофия
Гемофилия А
Миобласты, фибробласты
Гемофилия В
Фибробласты
1:500
1:300 мужчины
Болезнь
1:6000 мужчины
1:30000 мужчины
Терапия генов включает несколько этапов. Она основана на методах современной биотехнологии. Для ее выполнения следует доставить с помощью вектора ген (ДНК) к специфическим клеткаммишеням; поместить его в клетки, обычно это делается путем эндоцитоза; провести транскрипцию и трансляцию гена в составе вектора и
получить продукт терапевтического гена. Для этого требуется полное
понимание механизмов, с помощью которых дефектный ген влияет на
индивидуум, необходима возможность выключения и замены его
нормальной копией. Имеется как минимум два вида терапии генов. В
первом виде мишенью будут соматические, а во втором половые
клетки, или оплодотворенная зигота. Во втором случае генетические
22
изменения передаются по наследству. Для обоих случаев имеется ряд
нерешенных вопросов, в том числе и этического характера.
Биотехнология ускоряет производство и скрининг новых препаратов, а также помогает более точно объяснить их действие в организме человека и животных. Она заметно снижает стоимость новых
препаратов, которая складывается из стоимости открытия, разработки, масштабирования, клинического испытания препарата и оформления документации необходимой для его применения.
Контрольные вопросы
1. Какие виды препаратов для лечения и профилактики можно
получить с помощью биотехнологии?
2. С какой целью получают трансгенных животных и растений в
медицине?
3. Применение МАт в медицине.
4. Каковы основные отличия антибиотиков от пробиотиков?
5. Терапия генов и перспективы её применения в медицине.
6. Какой вклад вносит биотехнология в развитие диагностики,
лечения и профилактики болезней?
Лекция 2. БИОТЕХНОЛОГИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Эффективность сельскохозяйственных технологий зависит от
многих факторов, включая экологогеографические, экономические, и
от возобновляемых биологических ресурсов, таких как культурные
растения, домашние животные и т.д. Повышение продуктивности в
сельском хозяйстве зависит также от активных исследований с помощью комплекса различных биологических наук. Вклад биотехнологии
в развитие и повышение эффективности традиционных сельскохозяйственных технологий постоянно возрастает. Стремительно растущий
объем производства биотехнологической продукции растениеводства
превысил 5 млрд долларов. В настоящее время особые перспективы в
создании и распространении новых культивируемых сортов растений
и пород животных имеют новейшие методы биотехнологии – клеточная и генетическая инженерия. Биотехнологические методы направлены на увеличение количества и улучшение качества продукции за
счет повышения устойчивости биологических видов к неблагоприятным условиям внешней среды, вредителям и патогенам.
23
2.1. Биотехнология в животноводстве
Животноводство во всем мире дает основные продукты питания.
В промышленно развитых странах для получения продуктов животноводства используются интенсивные технологии. Продуктивность
животных зависит от их породы, условий содержания и ряда других
факторов.
На ранних этапах развития животноводства у животных выявляли полезные свойства и пытались закрепить их у потомства. Благодаря обычной селекции и разведению получены высокопродуктивные
породы сельскохозяйственных животных. Дальнейшее увеличение
продуктивности с помощью традиционных приемов часто не дает желаемых результатов. Селективное разведение, особенно крупных животных, трудоемкий и медленный процесс, поскольку они имеют
длинный период генерации. В связи с этим получение желаемых фенотипических изменений может растянуться на много лет, поэтому
постоянно продолжается поиск других путей получения животных с
нужными свойствами. Разработка методов технологии рекомбинантных ДНК и ее применение к программам разведения животных может
значительно увеличить скорость и расширить возможности селективного разведения.
Трансгенные животные. Несколько лет назад многие ученые
склонялись к мысли, что обновление генотипа сельскохозяйственных
животных путем применения методов генетической инженерии не
даст выигрыша во времени по сравнению с традиционным скрещиванием, так как для передачи определенного признака необходимо перенести группу или даже несколько групп генов. Первым примером
переноса чужеродных генов в организм животного с помощью технологии рекомбинатных ДНК было встраивание в геном мыши гена
гормона роста крысы. Полученное от такой мыши потомство было
значительно крупней, чем их родители. “Супермышь” привлекла
большое внимание общественности, поскольку это была первая удачная попытка получения трансгенного животного, т.е. животного, которое получило новый генетический материал искусственным способом. Впоследствии велись длительные дискуссии об экономическом
потенциале трансгенных сельскохозяйственных животных, однако в
настоящее время нет сомнения, что это направление является пер24
спективным и сулит большие выгоды всему человечеству. В то же
время, как указано в лекции 8, это одна из наиболее спорных областей
современной биотехнологии. Хотя не всегда опыты по получению
трансгенных животных заканчивались положительным результатом,
однако в последние годы это направление успешно развивается:
1) в сельском хозяйстве для повышения устойчивости животных
к различным заболеваниям, что приведет к увеличению количества и
улучшению качества продуктов сельского хозяйства;
2) как источник органов для трансплантации (в результате активности в них генов человека органы таких животных после трансплантации вызывают меньше вредных последствий);
3) как живые биореакторы для производства необходимых белков;
4) для тестирования вакцин и оценки токсичности, канцерогенности и мутагенности разных веществ;
5) для научных исследований, например, для расшифровки
функционирования различных генов у разных видов животных.
Из перечисленных выше направлений самым необычным и
коммерчески более перспективным считается проект, предусматривающий использование некоторых лактирующих животных, таких
как коровы, овцы, свиньи и кролики, для получения в их молоке белков человека или животных, которые можно затем выделять и использовать в качестве фарм- и биопрепаратов. Общественность и контролирующие ведомства в настоящее время относятся к пищевым
продуктам, полученным из генетически модифицированных организмов (ГМО), менее настороженно, чем раньше. Недоверие к продуктам, полученным с использованием генноинженерных манипуляций,
возникло прежде всего из-за отсутствия стопроцентной гарантии того,
что вводимые в растения гены не вызовут появления в их организме
потенциально вредных для человека веществ. В отношении животных
такие опасения считались менее обоснованными, так как наличие таких веществ, скорее всего, отразилось бы на состоянии здоровья животных, поскольку они генетически более близки человеку, чем растения. К другим опасениям, связанным с трансгенными животными,
можно отнести следующие: 1) в них могут содержаться физиологически активные вещества, попадание которых в пищу нежелательно
25
(например, гормоны, стимулирующие рост, лактацию и др.); 2) они
могут "случайно" передать гены нетрансгенным сородичам; 3) некоторые опасения вызывало использование в качестве векторов ретровирусов. Все эти и другие нежелательные возможные последствия
должны быть изучены и, если они реальны, исключены или хотя бы
сведены к минимуму.
После получения трансгенных животных необходимо убедиться в том, что чужеродная ДНК стабильна и наследуется по меньшей
мере некоторыми родившимися потомками. Главным моментом является доказательство того, что ген хорошо регулируется и функционирует в новом для него организме.
В отношении трансгенных растений в настоящее время общественность также склоняется к более рациональному и оптимистичному
подходу, поскольку состав вводимого генетического материала всегда
точно известен. Несомненно, мутации, включая делеции, вставки и генетические перестройки, могут возникнуть при введении генов в реципиентный геном, и именно они могут оказаться потенциально опасными. Теоретически такая возможность не исключена. Однако необходимо помнить, что разнообразные перестройки в геноме животных и растений происходят в их организме в течение десятилетий и без всякого
вмешательства человека. При этом изменения, приводящие к выработке токсичных или других вредных для окружающих соединений, имеют место только при значительном селективном давлении. В растениеводстве и животноводстве таких случаев не было отмечено.
Трансгенные свиньи, овцы и коровы в настоящее время уже получены, хотя частота успеха равна всего около 1% по сравнению с
2-5 % для мышей. Такая низкая эффективность сдерживает широкое
получение и использование трансгенных животных. Однако с яйцеклетками рыб, которые, как известно, оплодотворяются во внешней
среде, выпадает несколько этапов, которые необходимо проводить
при работе с млекопитающими, в частности, выделение яйцеклеток,
оплодотворение их, а затем введение эмбрионов в суррогатную мать,
эффекивность достигает 70 %.
Знание механизмов, регулирующих экспрессию гена у высших
животных, недостаточны и это ограничивает возможности получения
трансгенных животных.
26
Огромные перспективы использования трансгенных животных
ожидаются в медицине (см. лекцию 1). В сельском хозяйстве основной целью получения трансгенных животных является введение специфических, экономически важных признаков, которые принесут
пользу человеку.
За последние несколько лет контролирующие ведомства западных стран получили большое количество заявок от различных фирм
на получение разрешения производить пищевые продукты с использованием методов генетической инженерии. Начало было положено
исследованиями физиолого-биохимического состояния свиней, получивших рекомбинантный гормон роста. В отличие от знаменитой супермыши свиньи, в эмбриональные клетки которых вводили ген соматотропина, не вырастали до необычных размеров, а имели развитую мышечную ткань, что отвечало запросам потребителей. К сожалению, введение генов соматотропина приводило к ощутимому эндокринному сдвигу у животных. Свиньи страдали диабетом, бесплодием и другими заболеваниями. Эти последствия можно отнести к
разряду технических проблем, но сам метод следует считать многообещающим в применении трансгенных животных для сельского хозяйства.
Применение гормонов в животноводстве. Гипофиз животных
секретирует гормон роста, который оказывает большое влияние на их
рост, а у лактирующих животных на образоание молока. В 80-х годах
ген, ответственный за выработку соматотропина КРС, был успешно
выделен и встроен в бактериальную клетку с целью получения гормона в больших количествах. При введении коровам 30 мг такого
гормона значительно увеличивался надой молока (10 – 30 %), но продолжительность его действия зависела от регулярных инъекций. Такой эффект наблюдали у нескольких видов животных. Повышенного
содержания соматотропина в молоке не было обнаружено и оно не
изменялось ни по каким параметрам. Применение соматотропина в
США в ноябре 1993 года явилось первым примером использования
биотехнологически полученного коммерческого препарата, предназначенного для сельскохозяйственных животных. В результате проверки было показано, что соматотропин КРС оказался безопасным
препаратом и в настоящее время применяется во многих странах, в
27
частности в США, где он продается фирмой “Vonsanto” под торговым
названием “Posilac”. Но многие потребительские организации выступают против использования данного подхода. Что касается здоровья
животных, установлено, что у трансгенных свиней, которым введен
ген соматостатина, ССТ, обнаружили патологию в скелете, а у коров
участилось заболевание маститами. Это было объяснено тем, что полученные препараты были плохо очищены. Тем не менее, полученные
результаты дискредитировали данное направление биотехнологии в
глазах общественности. Появилось мнение, что биотехнологические
продукты не дают прибыли и нет необходимости их применять. Однако важно то, что в этих экспериментах была показана возможность
применения достижений биотехнологии для увеличения продукции
сельского хозяйства.
Ветеринарные препараты. Биопрепараты – средства биологического происхождения, применяемые в медицине и ветеринарии для
диагностики, профилактики и лечения неинфекционных, инфекционных и паразитарных болезней человека и животных. Важным направлением биотехнологии стала разработка биопрепаратов, их производство и применение. Возбудители инфекционных болезней вызывают заболевание всех видов сельскохозяйственных животных и растений. Если количество больных животных будет уменьшено или болезнь ликвидирована, то возрастет производство сельскохозяйственной продукции. Кроме того, биопрепараты необходимы также для
домашних и диких животных.
Одним из видов биопрепаратов являются вакцины. Их производят с применением различных технологий и используют для создания
у животных активного иммунитета. В настоящее время разработаны
вакцины против многих инфекционных болезней животных. Обычно
их применяют с профилактической (вакцинопрофилактика) и реже
лечебной (вакцинотерапия) целями. Наиболее широко применяется
вакцинопрофилактика против бактериальных (сибирская язва, бруцеллез, рожа свиней, сальмонеллезы и др.) и вирусных (бешенство,
классическая чума свиней, чума плотоядных, ящур и др.) болезней.
Ведется интенсивная разработка вакцин против инфекционных болезней животных с применением генноинженерных методов на основе мутантов и рекомбинантов возбудителей и ДНК-вакцин. Это еще
28
раз подчеркивает важную роль биотехнологии в борьбе с инфекционными болезнями сельскохозяйственных, домашних и диких животных.
Методы диагностики. Кроме классических вирусологических,
серологических и иммунологических методов, в настоящее время
применяются несколько новых, предложенных биотехнологией, методов, а именно: иммуноферментный анализ, полимеразная цепная
реакция (ПЦР) и др. Эти методы революционизируют многие аспекты
анализа и дают возможность проводить определение in situ без применения сложных процедур выделения анализируемого вещества.
Кроме того, они легче поддаются автоматизации и более быстро выполняются.
Для успешного применения методы должны быть быстрыми,
точными и надежными; простыми в выполнении и дешевыми; использовать готовые и стабильные реагенты; требовать небольших затрат труда; иметь высокую чувствительность и специфичность.
Обычно эти требования очень трудно совместить. Многие из
методов уже применяются или проходят испытание с целью обнаружения возбудителей болезней растений и животных, а также мониторинга физиологического cостояния животных. Почти во всех случаях
они были разработаны вначале для использования в медицине и очень
быстро нашли применение в ветеринарии. Одновременно с этим увеличивается их применение в растениеводстве. ИФА в комплексе с поликлональными и особенно МАт широко используется не только для
диагностики, но и для выявления нежелательных примесей в продуктах питания. Метод зондов нуклеиновых кислот основан на принципе
гибридизации комплементарных последовательностей ДНК или РНК,
ПЦР – на амплификации ДНК (см. Ч.I).
Использование этих методов диагностики позволяет обнаруживать инфекционные заболевания на очень ранней стадии заражения, например путем анализа физиологических жидкостей, что дает возможность выявлять больное животное еще до проявления клинических признаков. Ранняя диагностика значительно облегчает ликвидацию того
или иного заболевания. Многие болезни животных можно легко контролировать путем использования наборов (китов) ветеринаром или даже фермером. Широкое применение наборы находят при определении
29
половых гормонов (таких как прогестерон, эстрогенсульфат, тестостерон и др.), гормона роста и антибиотиков в молоке и крови животных. В
настоящее время выпускаются сотни наименований таких наборов.
2.2. Биотехнология в растениеводстве
C помощью генетической инженерии ставится задача не только
улучшить те или иные имеющиеся качества растения, как при традиционной селекции, но и получить растения, способные производить
совершенно новые соединения, используемые в медицине, химическом производстве и других областях деятельности человека. Этими
соединениями могут быть, например, особые жирные кислоты, полезные белки с высоким содержанием незаменимых аминокислот, модифицированные полисахариды, «съедобные» вакцины, антитела, интерфероны и другие "лекарственные" белки, новые полимеры, не загрязняющие окружающую среду, и многое другое. Использование
трансгенных растений позволяет наладить масштабное и дешевое
производство таких веществ и тем самым сделать их более доступными для широкого потребления. По общему мнению, применение
методов клеточной и генетической инженерии в сельском хозяйстве
позволит улучшить свойства культурных растений (см. Ч.I).
2.2.1.Трансгенные растения
Используя методы современной биотехнологии, гены можно
вводить в растение с целью передачи ему нового признака, повышающего урожайность. Однако при решении данной задачи возникает ряд трудностей. Современные методы генетической инженерии хорошо разработаны для признаков, зависящих от одного гена. В то же
время ряд сложных признаков, таких как, например, рост контролируется несколькими генами, каждый из которых может оказывать определенное влияние. Поэтому в научном плане предстоит выяснить механизм ряда сложных процессов. Несмотря на ряд нерешенных вопросов, трансгенные растения постепенно внедряются в практику
сельского хозяйства многих стран. В США ими занято наибольшее
количество сельскохозяйственных угодий.
Культура растительных клеток и тканей. Растительные клетки
могут культивироваться как на жидких, так и твердых средах. Исполь30
зуемые при этом приемы аналогичны культивированию микроорганизмов. Процесс начинают с взятия в асептических условиях кусочков
ткани от молодого здорового растения, как правило, используют листья или ствол. Кусочки ткани помещают в подобранную питательную
среду, содержащую необходимые для роста компоненты. После получения каллуса возможно продолжение его выращивания на твердой
среде или получение суспензии клеток. Суспендированные растительные клетки по сравнению с клетками каллуса более гомогенны, быстрее растут и имеют повышенные адаптационные возможности.
Культуры растительных клеток могут быть использованы для
биотрансформации химических соединений и для эффективного синтеза биологически активных соединений. Основными недостатками
метода считаются низкие скорости роста растительных клеток, высокая вероятность заражения и генетическая нестабильность. Кроме этого в суспензии клеток происходят их агрегация и дифференцировка, в
результате чего снижается активность. Этих недостатков лишены процессы с использованием иммобилизованных растительных клеток.
Особенностью клеточных культур растений является их способность к тотипотенции (см. Ч.I), что часто используют при микроразмножении растений. Данная технология имеет существенные преимущества, так как позволяет быстро получать материал для размножения
растений, не содержащий возбудителей болезней; круглогодично
иметь посадочный материал и повышать его однородность; длительно
хранить генетический материал и создавать новые генотипы.
Техника слияния протопластов: гаплоидные растения. Методика наиболее отработана применительно к видам семейства пасленовых. Получены парасексуальные гибридные растения в родах
Nicotiana (табак), Solanum (картофель), Lucopersicum (томат), крестоцветных и зонтичных. Имеются плодовитые, фенотипически нормальные межвидовые гибриды табака, картофеля, капусты с турнепсом и стерильные межвидовые гибриды картофеля и томатов, табака
и картофеля, табака и беладонны, образующие нормальные стебли и
корни. Удалось получить растения, гетерозиготные по внеядерным
генам – гибриды, в которых от одного родителя получено ядро, а от
другого – цитоплазма. В настоящее время исследования и уровень
данной технологии достигли такого состояния, при котором стано31
вится возможным практическое применение метода для улучшения
ряда культурных видов растений.
Основными направлениями работ по соматической гибридизации
высших растений являются гибридизация клеток как средство расширения рамок скрещивания; слияние клеток и перенос или реконструкция генов; слияние клеток с целью переноса отдельных небольших
фрагментов генома. При гибридизации соматических клеток возможно
получение асимметричных гибридов, что может способствовать получению более устойчивых и функционально улучшенных растений.
Генетическая инженерия растений. Исследования в области генетической инженерии растений интенсивно проводятся во многих
лабораториях. При использовании новейших генетических методов
при работе с высшими растениями возникают не только технические
трудности. Приходится решать более сложные научные проблемы,
связанные с нарушением структуры генома культивируемых растительных клеток (изменение плоидности, хромосомные перестройки).
Интенсивно исследуются структура и функции плазмидных
ДНК растений и возможности их использования в качестве векторов.
Проблема создания векторов для введения чужеродной ДНК в протопласты растений считается наиболее сложной. Здесь наметились следующие подходы: 1) использование плазмид бактерий, заражающих
растения в естественных условиях. При этом часть плазмиды встраивается в ядерный геном растения-хозяина и функционирует в составе
его генома; 2) использование бактериальных плазмид, «сшитых» с
фрагментами ДНК хлоропластов или митохондрий растений, для создания челночных векторов, способных к репликации в клетках прокариот и экспрессии в эукариотических клетках; 3) использование
ДНК-содержащих вирусов растений.
Для защиты чужеродного генетического материала, вводимого в
протопласты растений, от разрушающего действия нуклеаз также разрабатываются новые методы, например, ингибирование нуклеаз и
создание механической защиты рекомбинантных ДНК. С этой целью
можно использовать липосомы. С их помощью в клетки и протопласты эукариот введены РНК вируса табачной мозаики, еще более
крупная ДНК вируса ОВ40 и Ti-плазмида Agrobacterium tumifaciens.
Надежная защита липосомами нуклеиновых кислот особенно важна
32
при манипуляции с протопластами растений. Примером реализованного генноинженерного проекта является синтез фазеолина (запасного белка фасоли) в регенерированных растениях табака. Введение гена, кодирующего синтез фазеолина, проведено с использованием в
качестве вектора Ti-плазмиды. С помощью этой плазмиды в геном
растений табака внедрен ген устойчивости к неомицину. С помощью
CMV-вируса в геном растений репы встроен ген устойчивости к метотрексату –ингибитору дигидрофолатредуктазы.
Генноинженерные манипуляции с растениями породили некоторые опасения, аналогичные тем, которые возникли в начале генетических манипуляций с микроорганизмами. Как уже отмечалось, опасения связаны с возможностями выхода генетических векторов и трансгенных растений из-под контроля биотехнологов. В этой связи высказываются опасения превращения генноинженерных растений в сорняки. Вероятность такого превращения очень мала и может произойти
только в результате переноса нескольких генов. Однако устойчивость
к гербицидам, кодируемая одним геном, может вызвать существенные
проблемы в практике севооборотов. Так, устойчивое к определенному
препарату растение, культивируемое на определенной площади, на
следующий год при смене на этом поле культуры будет выступать по
отношению к ней как сорняк, устойчивый к данному гербициду.
Кроме того, следует учитывать, что биохимические изменения
растений в результате генноинженерных перестроек могут привести к
утрате способности синтеза биологически полезных соединений и
приобретению нежелательных признаков. Однако данная проблема
существует и при традиционных методах селекции. Это выдвигает
необходимость тщательного тестирования всех генноинженерных
растений перед их переносом в полевые условия.
Основные пути развития генетики высших растений включают
несколько направлений:
– придание растениям способности синтезировать дополнительные ценные продукты;
– повышение фотосинтетической эффективности растений;
– придание растениям диазотрофности;
– обеспечение устойчивости к неблагоприятным факторам внешней среды.
33
2.2.2. Биопестициды, биогербициды и биоудобрения
Биопестициды. Использование химических пестицидов привело к
заметному увеличению уровня производства продуктов сельского хозяйства. Их широкое применение привело к тому, что один человек может в настоящее время производить больше продуктов с меньшими затратами, чем раньше. Однако потребители все больше беспокоятся о
качестве продуктов и возможном сохранении остатков пестицидов в готовых пищевых продуктах. Биотехнологи в настоящее время интенсивно ищут замену химическим веществам, с помощью которых можно
было бы бороться с вредителями и болезнями. Очевидным подходом
является использование существующих в природе биологических методов борьбы. Известно, что все организмы болеют характерными только
для них специфическими болезнями, а также имеют хищников, врагов,
которые их уничтожают. В данном контексте, биологические методы
борьбы связаны с использованием микроорганизмов, применением их в
полевых условиях для борьбы с вредителями и болезнями. Кроме того,
насекомые-хищники также могут быть использованы для этих целей.
Наиболее успешным агентом биоконтроля считается Bacillus
thuringiensis, которая является спорообразующей бактерией, содержащей кристаллические белковые включения. Её белки очень токсичны для насекомых-вредителей и специфичны в проявлении их активности. Они уже более 30 лет широко используются против насекомых, которые имеют в своем цикле размножения стадию гусеницы.
B. thuringiensis обычно применяется в виде спор или кристаллических
включений, полученных после её разрушения. В настоящее время ген,
кодирующий токсин, выделен и секвенирован. Токсин производится и
применяется в виде рекомбинантного белка. Ген может быть также
включен в различные виды растений. Таким образом, можно использовать готовые микробные белки (биопестициды) или защищать растения путем встраивания гена, кодирующего токсичный белок, который экспрессируется в ткани растения. Большое число компаний в
настоящее время включилось в исследования, разработку и производство токсина B. thuringiensis. Кроме него на рынке постепенно появляется ряд новых грибковых и вирусных пестицидов. В природе распространены многочисленные виды энтомопатогенных грибков, поражающих широкий круг насекомых, используя различные механиз34
мы, включая контактный, что облегчает их применение. Грибковые
биопестициды имеют ряд преимуществ перед бактериальными.
Применение вирусов в качестве биопестицидов ограничено изза сложности получения их в необходимых количествах. Для решения
этой проблемы необходимы развитие технологии клеточных культур
насекомых, отбор и модификация штаммов вирусов.
Микроорганизмы или продукты их жизнедеятельности, которые
могут использоваться в качестве биологических агентов при борьбе с
насекомыми-вредителями, должны отвечать следующим требованиям: действовать не хуже чем химические пестициды; быть безопасными, иметь низкую токсичность для других видов животных, не являющихся мишенями; быть стабильными при хранении и дешевыми
при их массовом производстве; применяться с помощью обычной
технологии без значительных изменений методов, обычно используемых в сельском хозяйстве. Имея указанные выше характеристики,
микроорганизмы найдут постоянный рынок сбыта.
Биогербициды. Гербициды – химические препараты, предназначенные для борьбы с сорняками, составляют около 50 % суммарного
рынка химикатов для сельского хозяйства. Им свойственны те же недостатки, что и пестицидам. Поэтому необходимость в создании биогербицидов очевидна. Их можно получить на основе микроорганизмов-патогенов растений, ферментов, а также полупродуктов, получаемых биоконверсией. Для борьбы с отдельными видами сорняков,
устойчивых к химическим препаратам, применяют специфические и
токсичные для них микроорганизмы. Наиболее часто используют
грибковые фитопатогены и фитотоксины. Для расширения сферы их
применения необходимо получение грибковых форм, более устойчивых по отношению к изменяющимся условиям внешней среды. Бактериальные фитопатогены, в отличие от грибковых, менее чувствительны к факторам внешней среды, но и в меньшей степени поражают
растения. Последние разработки в данном направлении обещают значительные перспективы. Кроме биопестицидов и биогербицидов, для
защиты растений все шире применяют биологические препараты для
борьбы с возбудителями заболеваний. В целом масштабы применения
различных препаратов для борьбы с вредителями и возбудителями
болезней сельскохозяйственных культур все более расширяются.
35
Биоудобрения. Интенсивное растениеводство обедняет почву
азотом, так как значительная его доля ежегодно выносится из нее
вместе с урожаем. С древних времен для восстановления и улучшения
почв существует практика использования бобовых растений, способных в симбиозе с азотфиксирующими микроорганизмами восполнять
почвенные запасы азота в результате диазотрофности. Большой положительный эффект от возделывания бобовых побудил ученых к
изучению этого процесса. Как только была выяснена роль симбиотических бактерий рода Rhizobium в азотфиксации, стали разрабатывать
способы внесения этих микроорганизмов в почву и применять для
инокуляции семян. Наиболее простой способ инокуляции основан на
использовании почвы после выращивания на ней бобовых растений.
Азотфиксирующие микроорганизмы имеют специфический фермент
нитрогеназу, в активном центре которой происходит активирование
инертной молекулы N2 и превращение её в NH3:
N2 + 8 H+ + 8 e– + n АTФ → 2 NH3 + H2 + n АДФ + n Ф.
В качестве носителя для бактерий были опробованы различные
композиции: смеси торфа с почвой, добавки люцерны и соломы, перегнившие опилки, бентонит и активированный уголь.
Бактерии рода Azotobacter являются свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами и обладают высокой продуктивностью азотфиксации. Помимо связывания атмосферного азота эти
бактерии продуцируют биологически активные соединения (витамины, гиббериллин, гетероауксин и др.). В результате этого инокуляция
азотобактерином стимулирует прорастание семян и ускоряет рост и
развитие растений. Более того, Azotabacter способен продуцировать
фунгицидные вещества. Этим угнетается развитие в ризосфере растений микроскопических грибов, многие из которых тормозят развитие
растений. Однако бактерии рода Azotobacter весьма требовательны к
условиям среды, особенно концентрации в почве фосфатов и микроэлементов, и активно развиваются только в плодородных почвах. В
последние годы для изучения биологической азотфиксации стали
применять методы молекулярной биологии и новейшие методы генетики. Обнаружены плазмиды, несущие гены азотфиксации, относительно легко передающиеся при конъюгации от одного штамма бактерии к другому. После этого появились надежды на получение мето36
дами клеточной и генетической инженерии растений, способных фиксировать атмосферный азот. Однако перенос генов азотфиксации и их
экспрессия – чрезвычайно сложная задача. Основными трудностями
являются неизученность регуляции взаимосвязи генов фиксации азота
с генами, ответственными за синтез переносчиков электронов и кофакторов, необходимых для функционирования нитрогеназы; необходимость проведения интенсивных исследований генетики растений с
целью подбора эффективных растений-хозяев, а также исследований,
направленных на модификацию генома микроорганизмов для получения организмов, способных существовать в симбиозе не только с бобовыми растениями, но и, например, хлебными злаками.
Снабжение растений фосфатами. Фосфатные ионы в почве,
как известно, не очень подвижны, поэтому вокруг корневой зоны растений часто возникает дефицит фосфора. Везикулярно-арбускулярная
(ВА) микориза играет существенную роль в плодородии почвы, так
как способствует поглощению растениями фосфатов из почвы. Эндои экзомикоризы представляют собой особые структуры, формирующиеся внутри или вокруг мелких корешков растений в результате заражения почвенными непатогенными грибами. Благодаря этой микоризе рост растений на бедных фосфатами почвах улучшается. Одновременно с поступлением фосфатов растения также обогащаются
микроэлементами.
Доказано, что в растениях с микоризой концентрация гормонов
роста выше, чем в ее отсутствии. Если ВА-микориза формируется в
присутствии азотфиксирующих бактерий, у бобовых усиливается
процесс образования клубеньков и азотфиксация. Для размножения
эндофитов в почве нужна их инокуляция. Однако размножение грибов происходит только в присутствии растения-хозяина. Для получения положительного эффекта необходимо вносить 2–3 тонны инокулята на 1 гектар. Получать такие количества инокулята ВА-микоризы
пока не представляется возможным. Для улучшения питания сельскохозяйственных культур фосфатами эффективен метод применения
фосфобактерина. Препарат получают на основе спор культуры
Bacillus megaterium (var. рhosphaticum). Эти бактерии превращают
трудно усвояемые минеральные фосфаты и фосфорорганические соединения (нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды) в доступную для
37
усвоения растениями форму. Следует отметить, что фосфобактерин
не заменяет фосфорные удобрения и не действует без них. При его
наличии урожайность сельскохозяйственных культур повышается
на 10 %.
Для защиты растений на основе бактерии Pseudomonas
fluorescens получен препарат «P-2-79», подавляющий развитие свыше
40 видов микроорганизмов, поражающих пшеницу, ячмень, рожь. С
помощью этого препарата проводят защиту семян сорго и кукурузы
от антрактоза и ризоктониоза, хлопчатника и сои – от вилта и ряда
других заболеваний. Для борьбы с фитофторозом яблонь предложено
применение почвенной бактерии Enterobacter aerogenes. Защита многих овощных культур от заболеваний, вызываемых некоторыми видами микроскопических грибов, обеспечивается использованием препарата на основе культур Trichoderma polysporum и T. viride.
Контрольные вопросы
1. Какова разница между традиционными и современными методами изменения пород животных и сортов растений?
2. Какова роль фарм- и биопрепаратов в развитии животноводства?
3. Назовите основные пути использования трансгенных животных и растений в сельском хозяйстве.
4. Каковы преимущества и недостатки получения и применения
биопестицидов и биоудобрений?
5. Каковы основные пути применения методов клеточной и генетической инженерии в улучшении свойств культурных растений?
Лекция 3. БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ
ВЕЩЕСТВ
В настоящее время c помощью биотехнологии получают большое разнообразие веществ, необходимых человеку. Основными из них
являются алкалоиды, аминокислоты, антибиотики, антиметаболиты,
антиоксиданты, белки, витамины, гербициды, инсектициды, коферменты, липиды, нуклеиновые кислоты, органические кислоты, пигменты, ПАВ, полисахариды, полиоксиалканоаты, растворители, сахара,
стерины, ферменты, нуклеотиды, нуклеозиды, эмульгаторы и др.
38
Биотехнология позволяет разработать безотходные технологии,
направленные на нужды общества, имеющего ряд проблем (нехватка
продуктов питания, энергии, охрану окружающей среды и т.д.). По
многим направлениям биотехнологии новые современные технологии
только зарождаются и необходимы большие субсидии и усилия в их
дальнейшем развитии, но потенциал их огромен и разнообразен и нет
сомнения, что они будут играть все возрастающую роль в промышленном производстве будущего.
3.1. Органические кислоты
Органические кислоты широко используют в пищевой и фармацевтической промышленности, в технике и в качестве химического сырья. Отдельные органические кислоты (лимонную, яблочную) можно
получать экстракцией из природного растительного сырья; другие (уксусную, молочную) – путем органического синтеза. При производстве
органических кислот экономический коэффициент по углероду может
достигать 90 % и выше. В качестве продуцентов используют бактериальные, дрожжевые и грибковые культуры (Lactobacillus, Arthrobacter,
Alcaligenes, Candida, Aspergillus, Penicillium, Trichoderma). Способы
ферментации в микробиологических процессах производства органических кислот разнообразны. Среди них – поверхностные жидко- и твердофазные процессы, а также глубинные, включая проточные культуры.
В последние годы разработаны принципиально новые и эффективные
биотехнологии с использованием иммобилизованных ферментов и клеток. Субстраты, используемые в производстве органических кислот,
также отличаются большим разнообразием.
Уксусная кислота (СН3СООН) широко используется в пищевой,
химической, микробиологической промышленности и в медицине.
Получение уксусной кислоты из спиртосодержащих жидкостей было
известно более 10 тыс. лет назад. Уксуснокислые бактерии способны
окислять спирт кислородом воздуха с участием алкогольдегидрогеназы в уксусную кислоту
СН3СН2ОН + О2 → СН3СООН + Н2О.
Данный процесс может протекать при участии многих бактерий,
но в промышленных технологиях для получения уксусной кислоты
используют уксуснокислые бактерии рода Acetobacter. Большой интерес представляют также бактерии Gluconobacter. Большую часть
39
уксусной кислоты получают, используя разведенный этиловый спирт.
В мире её производится около 500 млн литров в год.
Лимонная кислота широко используется в различных отраслях
народного хозяйства, особенно в пищевой промышленности для
улучшения вкуса, для предотвращения окисления, в качестве приправы и как консервант. С этой целью она производится с применением
ферментативных процессов, включающих грибок Aspergilllus niger и
мелассы в качестве субстрата. Ферментация может протекать как в
статических культурах на поверхности поддонов или в глубоких емкостях, так и в огромных биореакторах.
Лимонная кислота с каждым годом находит новые области применения, что обусловило необходимость значительного увеличения ее выпуска. Мировое производство лимонной кислоты достигло около 0,5 млн
тонн в год. В промышленности лимонную кислоту в основном получают
способом периодического культивирования микроорганизмов. В последние годы начинают применятся биореакторы непрерывного действия.
В зарубежной литературе довольно широко изложены исследования по непрерывной ферментации на основе углеводов и нпарафинов, где длительность культивирования составляет 10-12 суток. Более высокая продуктивность при непрерывной ферментации
наблюдается при использовании глюкозы в качестве субстрата.
Молочная кислота может быть получена путем ферментации
(40%) или путем химического синтеза (60%).
Кроме уксусной, лимонной и молочной кислот на основе микробиологического синтеза получают более 50 органических кислот,
таких как пропионовая, итаконовая, глюконовая, фумаровая кислота и
ряд других.
3.2. Аминокислоты
Химический синтез аминокислот дает рацемат – продукт, содержащий как L-, так и D-формы. За исключением глицина, который
не имеет оптически активных изомеров, и метионина, усвояемого организмами в обеих формах, D-изомеры обладают токсичностью.
Микробиологический метод получения аминокислот, наиболее распространенный в настоящее время, основан на способности микроорганизмов синтезировать все L-аминокислоты, а в определенных условиях – обеспечивать их сверхсинтез.
40
Биосинтез аминокислот в микробных клетках протекает в виде
так называемых свободных аминокислот. Аминокислоты с каждым
годом находят все большее применение в качестве кормовых и пищевых добавок и приправ, сырья фармацевтической и парфюмерной
промышленности. Все аминокислоты, из которых состоят белки, являются L-формами. Из 20 аминокислот – 8 (изолейцин, лейцин, лизин,
метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин) незаменимы для
человека. Для сельскохозяйственных животных этот список дополняют гистидин и аргинин, а для молодняка птицы – еще и пролин.
Поэтому в больших количествах аминокислоты применяют для добавления в корма. Это сокращает расход дефицитных белков животного происхождения. Аминокислоты широко используются в производстве продуктов и напитков для улучшения вкуса, в качестве приправы или питательных добавок. Их производство в мире превышает
600 000 тонн в год. Основная доля приходится на Японию. Глютаминовая кислота и лизин – это аминокислоты, получаемые путем ферментативного процесса с участием бактерий Corynebacterium glutamicum и
Brevibaсterium flavum соответственно. С помощью ДНК-технологии постоянно улучшаются их продуцирующие способности.
3.3. Биополимеры
Термин «биополимеры» относится ко многим высокомолекулярным соединениям, включая полисахариды, белки и нуклеиновые
кислоты (см. лекцию 1).
Полисахариды (гликаны) – полимеры, построенные не менее
чем из 11 моносахаридных единиц. Полисахариды – обязательный
компонент всех организмов – присутствуют как изолированно, так и в
комплексах с белками, липидами и нуклеиновыми кислотами. Микробные полисахариды делятся на внутриклеточные, локализованные в
цитоплазме, и внеклеточные – полисахариды слизей, капсул и чехлов.
Внеклеточные микробные полисахариды продуцируются обычно
многими микроорганизмами и используются в пищевых продуктах
для повышения вязкости и образования гелей. Они могут стабилизировать структуру продукта, улучшать его внешний вид и вкус. Чаще
всего для получения полисахаридов (декстраны) используются
Psendomonas и Lenconostoe mesenteroides. Некоторые виды
41
Acetobacter могут продуцировать целлюлозу, которая служит основой
некоторых восточных продуктов. С использованием промышленных
продуцентов производятся различные полисахариды.
Ксантан продуцируется бактериями Xanthomonas campesrtis,
обладает уникальными реологическими свойствами. В низких концентрациях он образует очень вязкие растворы, которые не изменяют
свои свойства при изменении температуры, рН и концентрации солей
в широких пределах. Его применяют в пищевой промышленности, при
изготовлении гелевых дезодорантов, зубной пасты, при суспендировании сельскохозяйственных химикатов и при добыче нефти. Из всех
других гликанов объемы производства ксантана наиболее крупнотоннажны. Выпускаемый продукт имеет разное товарное название – ксантан, келцан, келтрол. Ведущими странами – производителями полисахаридов можно назвать США, Францию (ксантан, курдлан), Россию
(декстран), Японию (пуллан, курдлан). Продуцентами декстранов являются штаммы Leuconostac mesenteroides, растущие на средах с высоким содержанием сахарозы (10–30 %), дестрана-«затравки», дрожжевого экстракта и минеральных солей. В зависимости от состава минеральных солей и природы «затравки» синтезируются высокомолекулярные (60–80 тыс.) линейные или имеющие низкую молекулярную
массу (20–30 тыс.) разветвленные декстраны. Последние обладают
наибольшей биологической активностью. Из декстранов производят
плазмозаменители (клинический декстран, полиглюкин, плазмодекс,
хемодекс и др.).
Курдлан. Бактерии Alcaligenes faecalis, штамм 10С3 синтезируют
курдлан, представляющий собой полимер глюкозы. Важное свойство
данного полисахарида – образование термически необратимых гелей.
Курдлан обладает противоопухолевой активностью, поэтому находит
применение в медицине. Ацетильные производные курдлана применяют в качестве основы ультрафильтрационных полупроницаемых
мембран для разделения веществ с молекулярной массой 200–2000 Да.
Пуллан. Полисахарид продуцируется дрожжеподобным грибом
Aerobasidium pullulans на средах, содержащих 50 % глюкозы в течение 80–100 ч. Вязкость пуллана зависит от рН среды: она минимальна
при рН 4.0, молекулярная масса при этом составляет около 200 000 Да,
при увеличении рН вязкость возрастает. Пуллан используют в качест42
ве биоразрушаемого упаковочного материала для пищевых продуктов.
Он проявляет также антиокислительные свойства.
Альгинат. Данный полисахарид ранее выделяли из морской водоросли Laminaria. Он обладает в определенных условиях прекрасными гелеобразующими, а также псевдопластическими свойствами в
широком диапазоне рН и температур и используется в кондитерской
и фармацевтической промышленности. Установлено, что альгинат является лучшим носителем для иммобилизации ферментов и особенно
целых клеток. Сравнительно недавно среди бактерий Pseudomonas
aeruginosa и Azotobacter vinelandii идентифицированы продуценты
полисахарида, близкого по свойствам к альгинату.
Склероглюкан. Склероглюкан (товарное название – политран)
синтезируют грибы рода Sclerotium. Синтез данного полисахарида в
отличие от большинства других максимален в ранней лог-фазе,
48-часовой культуры. Процесс разработан на средах с глюкозой, в том
числе в проточном режиме, выход полисахарида от ассимилированной
глюкозы составляет 50 %. В низких концентрациях (1,5% раствор) образует в воде прочные гели, которые не изменяют свои свойства в широком интервале температур. Используют в качестве покрытия семян,
пестицидов, а также при производстве латексов и красителей.
Микробные поли (3-оксиалканоаты), (ПОА). ПОА – биополимеры оксипроизводных жирных кислот, синтезируются многими прокариотическими микроорганизмами в специфических условиях несбалансированного роста при избытке в среде углеродного и энергетического субстрата и дефиците минеральных элементов (азота, серы,
фосфора и др.), а также кислорода. Среди наиболее перспективных
продуцентов ПОА можно отметить Azotobacter, Bacillus,
Methylomonas, Pseudomonas и Alcaligenes.
Наиболее изученным в настоящее время считается полиоксибутират – полимер β-оксимасляной кислоты (С4Н8О2). Его молекулярная
масса определяется условиями синтеза полимера, спецификой продуцента, а также процедурой экстракции полимера из биомассы. Помимо полиоксибутирата микроорганизмы способны синтезировать гетерополимерные ПОА – сополимеры оксибутирата и оксивалерата, оксибутирата и оксигексаноата, полиоксибутирата и полиоксигептаноата и др., а также трех-, четырех- и более компонентные полимеры.
43
Практический интерес и значимость данных исследований определяются свойствами полиоксиалканоатов, которые по своим базовым показателям близки к полипропилену, но обладают также рядом
уникальных свойств, напрмер, биодеградабельностью.
Свойства ПОА делают их перспективными для применения в
различных сферах: медицине (см. лекцию 1), в пищевой промышленности (предупреждение окисления напитков и продуктов, упаковочные материалы), сельском хозяйстве (обволакивание семян, покрытие
удобрений и пестицидов), радиоэлектронике, торговле (разрушаемая
тара и упаковочные материалы) и др.
3.4. Антибиотики и ферменты
Антибиотики (антибиотические вещества, см. лекцию 1) – это
продукты обмена микроорганизмов, избирательно подавляющие рост
и развитие микроорганизмов – бактерий, микроскопических грибов и
опухолевых клеток. Образование антибиотиков – одна из форм проявления антагонизма. Антибиотики – это вторичные продукты обмена
микроорганизмов (идиолиты). Характерной особенностью развития
продуцентов антибиотических веществ является ярко выраженная
двухфазность: в первой фазе развития микроорганизмов происходит
накопление биомассы, во второй – синтез антибиотика. При этом
очень важно создать условия ферментации, адекватные этой двухфазности, с учетом ингибирующего действия антибиотика как продукта
обмена на продуцент.
Согласно классификации все ферменты подразделяются на
шесть классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы,
изомеразы и лигазы (синтетазы). Негидролитические ферменты – оксидоредуктазы, лиазы, изомеразы и лигазы применяются сравнительно редко. Наиболее широкое применение получили микробные гидролазы (гликозидазы, протеиназы, липазы), взаимодействующие с
пептидами, гликозидами и другими соединениями с участием воды.
Все большее применение ферменты находят в тонком органическом
синтезе в процессах получения различных сложных соединений (аминокислот, пептидов, нуклеотидов, полусинтетических антибиотиков),
а также в медицине (см. лекцию 1).
44
Инвертаза (В-фруктофуранозидаза) гидролизует дисахарид сахарозу с образованием эквимолярной смеси глюкозы и фруктозы.
Фермент присутствует в клетках самых разных организмов и широко
распространен у микроорганизмов. Основным источником получения
инвертазы служат дрожжи сахаромицеты. В клетках Saccharomyces
cerevisiae инвертаза представлена двумя формами: “легкой” внутриклеточной и “тяжелой” внеклеточной. Различие между двумя формами состоит в том, что легкая форма негликозилирована и локализована в цитозоле, тогда как тяжелая представляет собой гликопротеин,
локализованный преимущественно в клеточной оболочке. Инвертаза
находит разнообразное применение, она широко используется для получения глюкозофруктозного сиропа.
3.5. Биогидрометаллургия
Микроорганизмы используются для полезной экстракции коммерчески важных элементов путем биовыщелачивания. Например,
такие металлы как кобальт, медь, цинк, свинец или уран могут быть
легко выделены из низкоценных руд.
Биологические реакции в экстрактивном выщелачивании металлов обычно связаны с окислением сульфидов. Во многих бактериях,
грибках, дрожжах, водорослях и даже простейших протекают эти специфические реакции. Многие минералы тесно связаны с другими веществами, такими как сера, например, сульфид железа, который может
быть окислен до свободного металла. Широко используемая бактерия
Thiobacillus ferroxidaus может окислять и серу, и железо. Сера в рудных
отходах может быть превращена бактериями в серную кислоту. Соответственно повышается окисление сульфида железа до сульфата железа.
В США почти 10 % всего производства меди получают с помощью данного метода. Подобную технологию используют в Индии,
Канаде, США, Чили и Перу. Из бедных руд биовыщелачивание стоит
в 2, а иногда и в 3 раза дешевле, чем прямая плавка.
С помощью бактериального выщелачивания возможно извлекать уран из низкосодержащих руд (0,01-0,5% U3О8), из которых получение его другими методами неэкономично. Только в США таким
способом ежегодно экстрагируют 4000 тонн урана. Этот процесс вносит значительный вклад в экономику атомных электростанций, позволяя обогащать уран из низкоактивных ядерных отходов.
45
Разработаны непрерывные процессы, позволяющие легко контролировать микробную популяцию благодаря кислотности и возможности ограничивать субстрат. Технология выщелачивания продолжает оставаться наиболее эффективным и дешевым способом экстрагирования редких металлов, необходимых для современной индустрии. Основной недостаток этого метода заключается в медленном протекании процесса. Аналогичным путем микроорганизмы могут быть
использованы для экстракции токсичных металлов из промышленных
отходов с целью уменьшения загрязнения окружающей среды.
Другим важным потенциальным применением бактериального
выщелачивания является удаление серосодержащих пиритов из угля,
содержащего много серы. Такой уголь находит небольшое применение из-за загрязнения двуокисью серы. Однако по мере того как требуются все большие и большие запасы угля, он также начинает использоваться. Поэтому бактериальное удаление пирита из такого угля
может иметь большое экономическое значение и играть важную роль
в охране окружающей среды.
Бактерии, утилизирующие алифатические углеводороды, могут
быть использованы для добычи нефти путем освобождения нефтепродуктов из нефтяного шельфа и гудронного слоя или при аварийных утечках нефти. При этом можно создать подобие природного
биореактора, в котором вода и микроорганизмы проникают через породу и ликвидируют природные или техногенные утечки. Во всех
этих технологиях необходим этап, обеспечивающий создание микроорганизмов для выполнения специфических функций.
В качестве одного из направлений применения этой области
биотехнологии можно назвать охрану окружающей среды.
Контрольные вопросы
1. Какие химические вещества получают с использованием биотехнологических процессов?
2. Культуры каких микроорганизмов используются при производстве органических кислот?
3. В чем преимущество получения химических соединений с
применением микроорганизмов?
4. Приведите примеры получения и применения биополимеров.
5. Биогидрометаллургия и её применение.
46
Лекция 4. БИОТЕХНОЛОГИЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Общество во всем мире идет по пути увеличения урбанизации и
повышения индустриализации. Общественное мнение требует усилить охрану окружающей среды и уже в настоящее время обратить
больше внимания на улучшение экологии для будущих поколений.
Для достижения этого в развитых странах принят ряд законов, направленных на уменьшение опасности жидких, твердых и газообразных вредных отходов. В настоящее время деятельность любого предприятия оценивается не только по экономическим критериям. Все
больший удельный вес в этой оценке приобретает экологический аспект – степень вредного воздействия производства на окружающую
среду. Зачастую вопросы экологии становятся определяющими при
решении судьбы предприятия. В большинстве развивающихся стран
положение менее благополучно из-за недостатка финансирования. В
связи с этим невозможна постройка cооружений для очистки сточных
вод, уничтожения твердых отходов. Часто отсутствует персонал для
обслуживания таких систем. Более того, во многих развивающихся
странах отсутствует государственная контролирующая система, следящая за надлежащим уничтожением отходов. В этих странах идет
активный процесс урбанизации и развития промышленности с сопутствующим загрязнением окружающей среды.
Накопление отходов – это процесс, связанный с производственной деятельностью, со сферой потребления. С увеличением экономического развития он имеет тенденцию к увеличению. Стоимость
уничтожения отходов постоянно увеличивается и в настоящее время
большее внимание должно уделяться эффективной их утилизации,
включающей стоимость сбора, хранения и переработки или уничтожения. В связи с этим понятен большой интерес к этой проблеме общественности и ученых, усилия которых направлены на её решение.
4.1. Утилизация отходов
Проблема взаимодействия биосферы с поступающими в нее чужеродными соединениями является одной из основных проблем,
стоящих перед человечеством. В результате интенсивной деятельности человека в биосферу направлен мощный поток вредных веществ,
включая ксенобиотики, которые наносят непоправимый ущерб жи47
вым организмам и нарушают стабильность биогеоценозов, приводя к
их деградации. Ксенобиотики – это синтетические вещества, которые
не образуются в результате природного биосинтеза и во многих случаях служат реколцитрантами. Примером таких соединений служат
пестициды, ПАВ, красители, гербициды и т.п., которые практически
не включаются в элементные циклы углерода, азота, серы или фосфора. Накапливаясь в окружающей среде, они вредно влияют на все живое. Их деградация происходит в результате действия комплекса физических, химических и особенно биологических факторов. Она существенно зависит от типа почвы, ее структуры, влажности, температуры и пр. Одни синтетические соединения могут быть обнаружены в
очень высоких концентрациях в местах их производства, хранения,
транспортировки и в результате аварий могут наносить большой вред,
в то время как другие, например, диоксин, хотя и могут находиться в
низкой концентрации, но из-за их высокой токсичности также будут
очень вредны для здоровья людей.
Каждый вид отходов должен быть оценен на предмет его пригодности для использования в биотехнологических процессах. Если
этих отходов будет довольно много в течение длительного периода,
то можно разрабатывать и предлагать экономичный метод их утилизации.
Биотехнологические стратегии для утилизации отходов, содержащих органические вещества:
1. Оценка качества отходов с целью определения их пригодности к использованию.
2. Скармливание пищевых отходов сразу или после обработки
птице, свиньям, рыбам или другим животным с однокамерным желудком, которые могут их утилизировать.
3. Скармливание пищевых отходов крупному рогатому скоту
или другим жвачным животным в том случае, если эти отходы не
пригодны для целей, указанных в п.2., например, из-за высокого содержания клетчатки.
4. Если отходы требуют дорогостоящей предварительной обработки для использования их в качестве корма, то из них можно получить
биогаз, который представляет собой горючую смесь, содержащую
50-80 % метана, 15-45 % СО2, 5 % воды и следы некоторых других газов.
48
5. Определение пригодности отходов для других целей ─ прямое использование в качестве топлива, строительных материалов, сырья для химического производства и т.д.
Большую часть общего объема отходов составляют отходы животноводства, растениеводства, промышленности и бытовые. Использование многих отходов, в частности, отходов животноводства, не
представляет проблемы. Это хорошо видно на примере Китая, где из
данного вида отходов делают компосты и получают биогаз. Он образуется благодаря биометанизации, саморегулирующегося симбиотического микробного процесса, протекающего при анаэробных условиях и температуре выше 30 оС. Однако интенсивное животноводство
(комплексы) создают серьезную проблему утилизации отходов.
Микробные сообщества. Микробная экология – наука, которая
изучает взаимоотношения между микроорганизмами и их живым
(биотик) и неживым (абиотик) окружением. Увеличение научного и
общественного интереса к экологии микробов связано главным образом с их центральной ролью в технологиях по охране окружающей
среды. Микробы в их многовариантной форме способствуют упорядочению вещества и энергии (биогеохимический цикл) в мировых
экосистемах. Благодаря большому разнообразию их метаболических
процессов они трансформируют неорганические и органические вещества. Поэтому экология микробов – крайне важная научная дисциплина с практическим применением и может быть рассмотрена как
одно из основных научных достижений в решении проблемы окружающей среды.
Биодеградация может быть определена как разложение веществ
благодаря активности одного вида микроорганизма, но чаще их сообщества. В последние годы анализ ДНК широко используется для
идентификации микроорганизмов. Микроорганизмы, найденные в
почве и воде, очень многообразны, они утилизируют любое органическое вещество, которое служит им источником энергии и углерода,
путем ферментативного расщепления до простых молекул, пригодных для абсорбции и усвоения. При подходящих условиях окружающей среды все природные органические соединения могут быть расщеплены, поэтому не происходит больших скоплений природных органических веществ в окружающей среде.
49
Современные разработки биотехнологии, связанные с охраной
окружающей среды, фокусируются на оптимизации процессов и недопущении применения неэффективных технологий, а также процессов, переводящих одну проблему в другую, например, образованию
канцерогенных нитрозаминовых соединений в результате взаимодействия некоторых микроорганизмов с органическими аминами и окисью азота. Безопасность окружающей среды не должна страдать в результате применения таких процессов.
Возможности микробных сообществ в отношении деградации
многих токсичных соединений огромны. Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических соединений время до начала их трансформации (так называемый адаптационный период микроорганизмов по отношению к данному субстрату) значительно короче по сравнению с первым попаданием этого соединения. В результате естественным путем возникают микробные популяции, которые
могут сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсического вещества. Поэтому к моменту нового
поступления этого соединения в почву в ней уже присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные его трансформировать. Таким образом, после попадания ксенобиотиков в окружающую среду
из почвы можно выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и провести дополнительную селекцию
на увеличение скорости деградации.
Термин “биодеградабельный” обычно означает безвредный для
окружающей среды и многие рекламные компании указывают, что
благодаря такому свойству, например, упаковочного материала его
количество в окружающей среде быстро уменьшается. Этого не всегда удается достигнуть, поскольку биодеградация некоторых веществ
может происходить только при действии микроорганизмов в условиях, которые не всегда встречаются в природе. Более того, биодеградация представляет собой сложный многофакторный процесс, механизмы которого еще не полностью выяснены. Биотехнология окружающей среды может быть рассмотрена как направление, изучающее
применение биологических систем и процессов в утилизации или
уничтожении отходов. В настоящее время разработано множество
технологий для утилизации жидких, газообразных и твердых отходов.
50
4.2.Утилизация твердых отходов
Технология с использованием почвы. Количество твердых отходов увеличивается пропорционально увеличению общего количества отходов современным урбанизированным обществом. Часть этих
отходов состоит из стекла, пластмасс и т.д., однако большинство
представляют собой твердые органические материалы, такие как бумага, отходы пищевой промышленности и животноводческих комплексов. В США, например, получается большое количество отходов
комбикормовой промышленности.
В больших урбанизированных обществах значительная часть
таких отходов составляет сложную проблему, которая решается успешно путем применения дешевой технологии с использованием почвы. По этой технологии твердые отходы помещаются слоями. Каждодневные отходы сортируются, органические отходы складываются,
прессуются и засыпаются слоем почвы в огромные емкости. Полное
заполнение таких емкостей может занимать месяцы или годы в зависимости от их размера и количества отходов. При неудачном исполнении они могут выглядеть негигиенично и издавать дурные запахи.
Кроме того, при наличии токсичных отходов могут возникать несколько проблем, связанных как со снижением интенсивности микробиологических процессов, так и утечкой токсических веществ. Из
плохо выполненных емкостей вредные вещества могут попадать в
глубокие слои и загрязнять не только почву, но и подземные воды. В
то же время правильно сконструированные и изолированные земляные емкости могут быть использованы для производства метана.
Очень часто в качестве емкостей применяют естественные и искусственные углубления: овраги, карьеры и др. В настоящее время делаются попытки использовать прочные герметичные емкости, которые бы
исключили загрязнение почвы и водных источников. Для этого они
должны быть воздухо- и водонепроницаемыми. Регулярный мониторинг необходим для выявления загрязнений подземных вод, водоемов
и окружающего воздуха. Такие емкости можно рассматривать как гигантский биореактор по производству полезного продукта метана.
Образование метана наблюдается обычно через несколько месяцев
после создания конструкции и заполнения емкости. Оно имеет пик и
заметно уменьшается через несколько лет.
51
В большинстве развитых стран такая технология уменьшает количество отходов и увеличивает безопасность их для окружающей
среды. Она не только обеспечивает надежную утилизацию твердых
отходов, но и позволяет получать полезный продукт биогаз. Повидимому, благодаря этому она будет использоваться и в обозримом
будущем.
Компостирование. На начальной стадии биодеградации твердых
отходов доминируют аэробные процессы, в ходе которых окисляются
наиболее деградируемые компоненты. Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты – лигнин, лигноцеллюлозы, меланины, танины и др. Для их разрушения применяются различные методы. Одним из таких методов является компостирование,
в процессе которого твердые органические отходы превращаются в
стабильные, безопасные в санитарном отношении, гумусоподобные
материалы, которые значительно меньше в объеме и могут быть возвращены в окружающую среду. Этот метод очень эффективен, протекает при низкой влажности в том случае, если в качестве субстрата
используются разлагаемые органические отходы.
Компостирование очень долго применялось не только для утилизации твердых органических отходов, но и как способ рециклирования органических веществ. Оно будет играть все более заметную
роль в процессах утилизации отходов, поскольку этот способ пригоден для переработки органического материала, получаемого в виде
бытовых, сельскохозяйственных отходов и отходов пищевой промышленности. Повышенный интерес к данному способу связан с растущими проблемами окружающей среды, в частности, с недостатками
основных технологий, используемых при утилизации твердых органических отходов, например, сжигания или неправильно используемого метода с применением почвы. Как правило, экологические
службы и жители выступают против применения этих методов на их
территориях.
Компостирование проводится в упакованной подушке твердых
органических отходов, в которых микроорганизмы растут и размножаются. Избыток свободного воздуха является важным моментом.
Отходы собирают в аэрированные кучи (валки), тоннели или во вращающиеся биореакторы (цилиндры). Вращающиеся барабаны раз52
личного размера используются для компостирования бытовых отходов во всем мире. Небольшие барабанные системы широко применяются для переработки отходов на садовых участках и могут быть использованы для получения удобрения. Туннельное компостирование
проводится в закрытых пластиковых туннелях длиной 30 - 50 метров
и диаметром 4 - 6 метров. Такие туннельные системы работают в течение нескольких лет при компостировании отходов, а также при
приготовлении специальных субстратов для производства грибов.
Некоторые заводы могут перерабатывать до 10 000 тонн отходов в
год.
При компостировании требуются некоторые виды предобработки сырья, такие как измельчение резанием или размалыванием. Основой химических реакций процесса компостирования является окисление смеси органических веществ кислородом с образованием СО2, воды и органических побочных продуктов. После того как процесс компостирования заканчивается, конечный продукт часто необходимо
оставить на различное время для стабилизации. Успешное компостирование требует оптимизации условий роста микроорганизмов. При
утилизации больших объемов наблюдается биологическое прогревание. Однако перегрев может серьезно снизить активность микроорганизмов. Процесс компостирования следует регулировать для предотвращения повышения температуры выше 55о. Уровень влажности органических субстратов должен быть между 45 – 60 %. При влажности
выше 60 % свободная влага будет накапливаться внутри частиц субстрата и ограничивать аэрацию – ниже 40 % условия становятся
слишком сухими для размножения микробов.
Твердые органические материалы медленно солюбилизируются
экзогенными ферментами, секретирующимися микроорганизмами.
Эта стадия реакции обычно ограничивает скорость. Целлюлоза и лигнин – основные компоненты твердых отходов. Высокое содержание
лигнина, например в соломе и материалах древесины, затрудняет
процесс деградации. Лигнин особенно устойчив к деградации и поэтому во многих случаях может экранировать другие более легко деградируемые вещества. Достаточное количество воздуха и постоянное перемешивание также являются важными для создания оптимальных условий хорошего компостирования.
53
Для широкомасштабного коммерческого компостирования система аэрированных куч проводится в закрытых емкостях, что облегчает контроль утечки дурно пахнущих веществ. В некоторых случаях
выход газа может создавать проблему неприятных запахов из-за присутствия соединений серы и азота. Уменьшению этих запахов в настоящее время уделяется особое внимание. Их удаляют с помощью
специальных газопромывателей или фильтрацией, поскольку государственные органы, контролирующие окружающую среду, могут закрыть завод. Наиболее распространенная форма биофильтрации
включает фиксированную подушку или массу органического материала, например, созревший компост или древесные стружки с адсорбированными на них микроорганизмами. При прохождении газов через смесь запах значительно уменьшается. Компостирование, несомненно, одна из основных стратегий для утилизации твердых органических отходов и возврата органических веществ в природу. Для более широкого применения компостирования и рециклирования необходимы четыре основных условия:
1. Наличие подходящей инфраструктуры.
2. Доступность необходимого количества и качества субстратов.
3. Необходим рынок сбыта конечных продуктов.
4. Процесс должен быть безвреден для окружающих и выгоден
экономически.
Европейские страны постоянно увеличивают долю отходов, обработанных путем компостирования. Отходы разбивают на 3 группы:
одна для рециклизации (стекло, металлы, пластмасса), другая для деградации (остатки овощей, бумага и другие органические отходы) и
третья для всех остальных материалов и опасных отходов.
Процесс компостирования за столетия приобрел много форм. Он
значительно дешевле чем, например, закапывание или сжигание. Но
важнее всего то, что он безопасен, позволяет освобождаться от токсических веществ и требует минимума финансовых вложений. В настоящее время несколько заводов работают в Европе с общей емкостью обработки около 100 000 тонн твердых отходов в год.
Биоремедиация – ветвь биотехнологии, занимающаяся разработкой биологических методов перевода токсичных отходов в нетоксичные. Большие площади суши, океанов и других открытых водоемов
54
уже загрязнены соединениями нефтяного происхождения и токсическими веществами. Более чем два миллиона тонн нефтяных продуктов попадает в моря каждый год. Приблизительно половина из них
представляет собой отходы промышленности, попадающие в сточные
воды и реки, и остальные 50 % от нетанкерных перевозок и просачивания нефти со дна морей и океанов. По сравнению с этим только
18 % от общего количества попадает от нефтяных заводов и танкерных перевозок. В отличие от других загрязнителей нефтяные пятна
хорошо видны. Большинство масел имеет относительно низкую токсичность и в этом плане малоопасны для окружающей среды. Но они
препятствуют проникновению кислорода и представляют настоящую
катастрофу для птиц и других животных, чья жизнь связана с водой.
Контаминация почвы обычно возникает в результате индустриальной
деятельности человека и сопровождается накоплением токсичных
веществ в таких концентрациях, которые могут прямо или косвенно
нанести вред человеку и в целом окружающей среде. Многие ксенобиотики, имеющие промышленное происхождение, могут иметь высокие уровни возврата и поэтому только небольшая их часть попадает
в окружающую среду. Однако следует учитывать то, что они могут
накапливаться в результате биомагнификации.
Обязательной задачей биотехнологии по охране окружающей
среды от опасных отходов (контаминантов) должна быть разработка
систем, которые включают биологическую каталитическую деградацию, детоксикацию или их сбор.
Применение биологических агентов, главным образом микроорганизмов, направлено на снижение активности химических веществ,
попавших в окружающую среду. Относительно контаминированных
участков должны быть выполнены три пункта: а) идентифицировать
вид загрязнителя(-ей); б) оценить природу и степень опасности;
в) выбрать меры восстановления.
Основные принципы биоремедиации относительно просты: оптимизировать условия окружающей среды таким образом, чтобы
микроорганизмы могли осуществить биодеградацию полностью и быстро. Микроорганизмы, которые находятся в почве и воде, являются
потенциальными кандидатами для биологической трансформации
ксенобиотиков при объединении их в экосистему. Микробная попу55
ляция во внешней среде находится в динамическом равновесии, которое может быть нарушено путем изменения внешних условий, например питания. Метаболический эффект микроорганизмов может принимать разные формы и не всегда с нужным для человека эффектом
(см. таблицу).
Действие микробов на контаминанты
Процесс
Деградация
Конъюгация
Детоксикация
Активация
Химическое изменение
Трансформация сложных систем в простые
продукты, иногда минерализация
Формирование комплекса в результате протекания дополнительных реакций
Превращение в нетоксические соединения
Превращение веществ в более токсичные
В случае контаминации почвы операции по очистке проводятся
на месте (in situ обработка) или применяется off-site процесс:
1. Обеспечение роста микробов in situ может быть достигнуто
путем добавления питательных веществ. Когда существующая популяция микроорганизмов в течение длительного периода приспособилась к специфическим загрязняющим соединениям, развивается субпопуляция с ограниченной узкой способностью деградации, следовательно, и утилизации вредных веществ. Однако рост этих конкретных
микроорганизмов будет ограничен при недостатке питательных веществ. Если добавить некоторые из них, например, азот и фосфор, то
происходит значительная стимуляция их роста и повышение деградирующей способности. Этот прием был успешно применен в 1989 1990 гг. для удаления нефти, пролившейся из танкера «Exxon Valdez»
на побережье пролива Принц Вильям в заливе Аляска. Внесенные питательные вещества при их использовании в различном виде вдоль
берега стимулировали имеющиеся там микроорганизмы к деградации
нефти, уменьшая количество вредных продуктов. Около 3 млн дол.
было потрачено на биоремедиацию у берегов Аляски. Эта технология
в настоящее время находит широкое применение. Почвы, контаминированные реколцинтрантыми веществами, такими как полихлорированные бифенилы (ПХБ), ранее считавшимися высокотоксичными и
56
неразрушаемыми промышленными загрязнителями, в настоящее время дехлорируются благодаря такому приему.
2. Альтернативным подходом прямой добавки питательных веществ in situ, который стимулирует рост микроорганизмов, является
взятие микробных образцов из места загрязнения, обогащение их полезными микроорганизмами путем выращивания их в биореакторе и
внесение обратно в виде большого количества полученного «коктейля». В некоторых случаях это дает хороший результат. Ряд компаний
продают такие «коктейли», способные, как они отмечают, значительно разрушать нефтепродукты.
Недавно разработан подход, основанный на получении белокрасного грибка Phanerochaete chrysosporium, широко используемого
для деградации лигнино-целлюлозных материалов. В 2007 году было
доказано, что этот грибок разрушает бакелит – пластмассу, основой
которой является фенолформальдегидная смола. Микроорганизмы,
которые способны разрушать сложные органические молекулы, такие
как лигнин, имеют широкий набор энзиматических активностей и могут разрушить многие опасные промышленные загрязнители, даже
такие как ПХБ. При использовании этого подхода необходимо учитывать следующие моменты:
а) “местные” микроорганизмы полностью адаптировались к тем
условиям, в которых необходимо осуществлять деградацию;
б) “чужеродные” микробы после их введения должны быстро
адаптироваться в новых окружающих условиях и успешно конкурировать с имеющимися “местными” микробами;
в) введенные микроорганизмы должны контактировать с загрязнителями в водной среде и не подвергаться большому разбавлению.
Дальнейшая возможность биоремедиации связывается с генетической инженерией микроорганизмов, которая может создать штаммы, способные разрушать соединения, трудноутилизируемые в настоящее время. При решении этой задачи возникают сложности, связанные со значительными техническими проблемами, включающими
генетическую стабильность и приспособляемость “новых” микробов в
окружающей среде. Более того, возникают юридические, этические и
другие проблемы, связанные с освобождением вредных веществ в окружающую среду, в частности, в системы сточных вод, почву, реки,
57
моря и океаны. Биоремедиация – это новая технология, поэтому требуется время для ее тщательной разработки и применения. В США за
5 лет рынок коммерческого использования биоремедиации увеличился с 230 млн до 571 млн дол. Существуют десятки вариантов биоремедиации. В США разработана технология очистки почв с использованием кровяной муки. Затраты на переработку одного кубометра
почвы колеблются от 128 до 387 дол.
Методами генетической инженерии создан «супермикроб», способный утилизировать большинство основных углеводородов нефти.
На сегодня получен ряд штаммов, которые должны пройти полевые
испытания. В лабораториях всего мира ведутся интенсивные исследования и имеется надежда, что в течение ближайших лет эта технология будет широко использована для охраны окружающей среды.
Таким образом, в настоящее время существует несколько подходов к ликвидации нефтезагрязнений водной поверхности. К ним
относятся механические средства сбора плавающей нефти, сорбенты
различного происхождения, химические эмульгаторы-детергенты,
биологические препараты на основе имеющихся микроорганизмовдеструкторов, однако ни один из перечисленных подходов не является универсальным и не лишен серьезных недостатков. Так, применение любого из этих подходов не позволяет достигнуть 100 %-ной
очистки от нефтезагрязнения, а некоторые химические агенты - детергенты и синтетические сорбенты – токсичны, причем токсичность
их для гидробионтов иногда выше, чем токсичность самой нефти, что
усугубляет её поражающее действие. Наиболее перспективным направлением, с точки зрения большинства специалистов, является биохимическое разрушение нефти с помощью микроорганизмовдеструкторов. Однако естественная скорость микробиологического
разрушения нефти в воде достаточно низкая, процесс требует длительного времени, а также введения в воду дополнительного количества соединений азота и фосфора, необходимых для утилизации углеводородов нефти. Кроме того, не существует универсальных микроорганизмов, способных утилизировать весь спектр углеводородов
нефти. Лишь применение ассоциаций микроорганизмов способно решить эту проблему. На практике часто применяют сочетание или последовательное использование нескольких подходов. Известно совме58
стное применение сорбентов и диспергаторов, для удаления которых
затем используют механические средства. Невозможность полной ликвидации загрязнения механическими или физико-химическими методами предполагает удаление остатков загрязнения с помощью микробиологического метода.
4.3. Очистка сточных вод
Развитие промышленности и рост населения обычно сопровождаются образованием большого количества отходов, многие из которых вызывают сильное загрязнение окружающей среды при накоплении их в экосистеме. Очистка сточных вод – это система методов, вызывающих разрушение или удаление из них вредных веществ, а также
патогенных микроорганизмов. В сельской местности утилизация отходов ведется веками с получением ценных удобрений и биогаза. Однако необходимо помнить, что отходы могут быть источником болезней человека и животных из-за содержания в них патогенных микроорганизмов. В процессах естественного самоочищения водоемов в
большинстве случаев вещества, поступающие со стоками, подвергаются разрушению. В ходе этого процесса структура, свойства и концентрации веществ изменяются. В результате вода приобретает исходные свойства. Таким образом, водоемы в определенных пределах
могут играть роль природного очистного сооружения. Однако к настоящему времени разработаны эффективные методы сбора и утилизации отходов, позволяющие избежать попадания их в водоемы и
почву. Внедрение этих методов в практику в прошлом веке позволило
значительно улучшить условия жизни людей в развитых странах.
На практике используются различные устройства для утилизации отходов, начиная от выгребных ям и заканчивая современными
системами с применением биореакторов, разработанных учеными. Основная их цель – снизить угрозу здоровью человека и животных и
уменьшить количество биологически окисляемых органических веществ путем превращения их в продукты, которые не могут нанести
вреда окружающей среде. Для этого устройства снабжают большим
набором микроорганизмов с широким спектром метаболической активности, способной разрушать большинство органических веществ,
помещаемых в систему. В ходе процесса очистки необходимо строго
59
соблюдать технологический режим и учитывать чувствительность
микроорганизмов к высоким концентрациям загрязнителей. В случае
их высокой концентрации перед биоочисткой стоки необходимо разбавлять. Как правило, системы очистки являются очень сложными,
требующими для их успешной работы опыта инженеров, микробиологов, химиков и других специалистов. Разработка таких систем – яркий
пример использования биотехнологии. Биологическая обработка бытовых и сточных вод в промышленноразвитых странах является большой
биотехнологической индустрией. Контролируемое использование
микроорганизмов позволило исключить в этих странах такие опасные
заболевания, как тиф, холеру, дизентерию и некоторые другие болезни.
Если технология обработки сточных вод по каким-либо причинам будет нарушена, это может привести к возникновению болезней или даже эпидемий, как это имело место в 1968 году в г. Zermatt (Швейцария),
где возник тиф из-за нарушения работы завода по обработке воды.
Таким образом, очистка сточных вод – это система методов, вызывающих разрушение или удаление из них вредных веществ, а также
патогенных микроорганизмов. Для биологической очистки сточных
вод применяют два типа процессов: аэробные, в которых микроорганизмы используют для окисления веществ кислород, и анаэробные,
при которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободному растворенному кислороду, ни к предпочтительным акцепторам электронов типа нитрат-ионов. В этих процессах в качестве акцептора электронов микроорганизмы могут использовать углерод органических
веществ. При выборе между аэробными и анаэробными процессами
предпочтение обычно отдают первым. Аэробные системы более надежны, стабильно функционируют и, кроме того, они лучше изучены.
Для избавления сточных вод от органических отходов в разных
странах могут применяться различные схемы. Схема проведения очистки сточных вод зависит от многих факторов. Она должна предусматривать максимальное использование очищенных сточных вод в системах повторного и оборотного водоснабжения предприятий и минимальный сброс сточных вод в естественные водоемы. Для очистки
сточных вод применяют несколько типов сооружений: локальные (цеховые), общие (заводские) и районные (городские). Локальные очистные сооружения предназначены для очистки стоков непосредственно
60
после технологических процессов. На локальных очистных сооружениях очищают воду перед направлением ее в систему оборотного водоснабжения или в общерайонные очистные сооружения. На таких установках обычно применяют физико-химические методы очистки (отстаивание, ректификацию, экстракцию, адсорбцию, ионный обмен и
др.). Общие очистные сооружения наиболее широко используют
сложную и высокоэффективную систему очистки, которая состоит из 3
стадий: 1) механическая, 2) биологическая и 3) доочистка. На первой
стадии удаляются грубые частицы. Оставшиеся мелкие частицы и растворимые органические вещества разрушаются окислением микроорганизмами в сильно аэрируемом, открытом биореакторе в ходе второй
стадии. Она требует значительных затрат энергии для проведения механической аэрации, которая благодаря активному перемешиванию
обеспечивает постоянный контакт микроорганизмов с субстратом и
воздухом. Микроорганизмы размножаются и образуют биомассу, или
отстой, который может быть удален и возвращен или пропущен через
анаэробный биореактор для уменьшения объема твердых веществ,
снижения запахов и количества патогенных микроорганизмов. В дальнейшем можно получить биогаз для использования его в виде топлива.
Однако ценность биогаза, полученного в этом процессе, невелика, поскольку он содержит углекислый газ и сульфид водорода.
Другим заслуживающим внимания способом деградации вредных веществ в разбавленных органических жидких отходах является
использование перколирующих, или струйчатых биореакторов. В
этой системе поток жидкости проходит через ряд слоев, которые могут быть сделаны из камня, гравия, пластиковых листов и т.д., на которых адсорбированы микроорганизмы, использующие для своего
роста и размножения органические вещества. Такой метод широко
применяется в системах очистки воды. В настоящее время для обработки сложных стоков разрабатываются интегрированные системы.
Роль микроорганизмов или биокатализаторов в них будет постоянно
возрастать. В странах с большим количеством солнечных дней будут
разработаны комбинированные системы, включающие бактерии и водоросли для обработки отходов и сточных вод. Такая обработка дает
возможность получить относительно чистую воду и биомассу, которая может быть использована на корм скоту, получения биогаза или
сырья для получения органических химических веществ.
61
Большим достижением в обработке сточных вод следует считать
разработку шахтной системы. Она представляет собой отверстие в
земле глубиной до 150 метров, разделенную таким образом, что позволяет проводить аэрирование сточных вод, обеспечивающее рост
микроорганизмов. Это более экономичная система в плане использования энергии и образует меньше отстоя, чем обычные системы.
4.4. Борьба с загрязнением воздушного бассейна
Проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна в условиях
возрастающей технологической деятельности человека приобретает все
большую остроту. В воздухе больших промышленных городов содержится огромное количество вредных веществ, в том числе дурно пахнущих, способных даже в незначительных концентрациях вызывать у
людей чувство дискомфорта или представлять угрозу для здоровья.
При этом концентрация многих из них превышает допустимые
уровни. Среди этих веществ – органические (ароматические и непредельные углеводороды, азот-, кислород-, серо- и галогенсодержащие и
другие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероуглерод, окислы углерода, аммиак, хлористый водород и др.). Для очистки
воздуха применяют различные методы – физические, химические и
биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее
время чрезвычайно далеки от оптимальных. В последние годы все шире
начинают применяться биологические методы. Они основаны на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий
спектр веществ и соединений до конечных продуктов – СО2 и Н2О.
Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и различные хлорсодержащие соединения. Микроорганизмы
утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими видами микроорганизмов. Есть данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода, являющейся одним из наиболее опасных загрязнителей воздушного бассейна. Представители рода Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол,
Hyphomicrobium –дихлорэтан, Xanthobacterium – этан и дихлорэтан;
Mycobacterium – винилхлорид. Наиболее широким спектром катабо62
лических превращений характеризуются почвенные микроорганизмы.
Так, только представители рода Pseudomonas способны использовать
в качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше
100 соединений – загрязнителей биосферы. Подавляющее число токсических загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал и, следовательно, деструктурирующую способность. Для разрушения трудно
утилизируемых соединений в ряде случаев микроорганизмы целесообразно адаптировать к таким субстратам перед их использованием.
Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем. Показана возможность эффективной очистки воздушных выбросов фармацевтических производств на основе иммобилизированных
микроорганизмов.
Таким образом, в настоящее время в промышленных масштабах
применяются достаточно эффективные биологические процессы для
утилизации жидких и твердых отходов и очистки газовоздушных выбросов. Существуют реальные научные основы для разработки и внедрения новых методов биоочистки. Большие возможности для повышения биосинтетического потенциала микроорганизмов - деструкторов токсичных веществ имеются на вооружении у микробиологов и
генетиков, использующих для их получения методы традиционной
селекции, а также новейшие достижения клеточной, генетической
инженерии и нанобиотехнологии.
Контрольные вопросы
1. Микробные сообщества и их роль в поддержании экосистем.
2. Какие типы сооружений и схемы, применяются для очистки
сточных вод?
3. Какие основные технологии используются для утилизации
твердых отходов?
4. Что такое ксенобиотики и какова их опасность для окружающей среды?
5. Что такое биоремедиация? Приведите примеры её применения.
6. Какие методы применяются для борьбы с загрязнением воздушного бассейна? На чем основаны биологические методы?
63
Лекция 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ В ПИЩЕВОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Производство продуктов питания и напитков – огромнейшая
мировая индустрия, в которую включены специальные отрасли, такие
как мясная, молочная, пивоваренная и др. В результате улучшения
способов производства, упаковки и транспортировки продукты стали
доступны в любой точке земного шара, а разработка методов хранения освободила пищевую промышленность от сезонности, связанной
с получением сырья. Благодаря этим достижениям она стала способна
выполнять важнейшую функцию – обеспечение общества высококачественными продуктами круглый год вне зависимости от времени и
места расположения их производства и потребителя.
Пищевая цепочка начинается в сельском хозяйстве с посева семян или выращивания животных и заканчивается использованием полученных продуктов потребителем. За исключением фруктов и овощей большинство полученной сельским хозяйством продукции является сырьем (например зерно и мясо), которое требует той или иной
переработки. Пищевая промышленность перерабатывает обычно скоропортящееся сельскохозяйственное сырье, превращая его в стабильные, вкусные и приятные для потребления продукты.
Для переработки сырья и хранения готовых продуктов биотехнология продуктов питания и напитков интегрирует современные
биологические знания и методы со сложными биоинженерными технологиями. Ясно, что ни одно биотехнологическое новшество не будет внедрено в пищевую промышленность без учета вопросов экономики, которая, в свою очередь, зависит от потребительского спроса.
Современные биотехнологии имеют большое влияние на рынок
пищевых продуктов, влияя на стоимость, хранение, вкус, консистенцию, цвет и прежде всего на аспекты, обеспечивающие здоровье людей. Поскольку большинство продуктов и напитков производится в
огромных количествах, они имеют низкую себестоимость и поэтому
ясно, что исследование рынка сбыта более важно, чем фундаментальные исследования, на которые затрачивается около 1 % средств, вырученных от продажи. Производство продуктов питания и напитков
является высокооборотным и требует больших затрат труда. Кроме
64
того, оно очень разнообразно, им занимаются и мелкие производители, и гигантские межнациональные компании.
В биотехнологии продуктов питания можно выделить два направления, которые влияют на увеличение их производства:
1) cельскохозяйственное. Расширение ассортимента и увеличение производства сельскохозяйственной продукции за счет интенсификации и увеличения площадей;
2) технологическое. Улучшение технологий переработки сырья.
5.1. Получение продуктов питания и напитков путем ферментации
Ферментативные процессы играют важную роль в производстве
продуктов и дают возможность получить желаемые биохимические
изменения, которые значительно улучшают органолептические показатели конечного продукта. В результате процесса ферментации повышается усвояемость продукта, он приобретает лучший вкус, повышается содержание витаминов, органических кислот и других полезных для человека веществ, уменьшается его токсикологическая и микробиологическая опасность. При этом в качестве субстрата используется различное сырье растительного и животного происхождения.
Применение разных технологий, начиная от примитивных до очень
сложных, дает возможность получить большое разнообразие конечных
продуктов как по количеству, так и по качеству. Из продуктов, полученных с помощью ферментирования, можно назвать хлеб, сыр, йогурт, кефир, квашеная капуста, грибы, а из напитков – алкогольные:
пиво, водка, вина, бренди, виски; – безалкогольные: чай, кофе, какао,
соки и др. Одни из этих ферментативных процессов остаются на уровне домашнего искусства, другие масштабированы, широко применяются и играют важную роль в вопросе национальной экономики.
Многие ферментативные процессы можно рассматривать как
местные, характерные для данной страны или даже отдельного региона. Некоторые из них разработаны на заре истории человечества. В
большинстве случаев эти процессы применялись без учета роли микроорганизмов. Мастера контролировали и направляли активность неосознанно, часто эмпирическими методами, тем не менее, получали
высококачественный конечный продукт. Только сравнительно недавно роль и природа микроорганизмов в ряде этих процессов была изу65
чена и оказалось, что некоторые ферментативные процессы относительно просты, другие настолько сложны, что для их расшифровки
требуется участие специалистов разных направлений. Некоторые из
старых испытанных биотехнологий, на которых держится промышленность пищевых продуктов, тщательно изучаются с целью определения возможности применения современных методов биотехнологии
в производстве традиционных продуктов питания.
Молочные продукты. Технологии получения молочных продуктов, таких как простокваша, масло, сыр и др. пришли к нам из глубокой древности. В мире ферментированные молочные продукты составляют около 10 % от всех продуктов питания, полученных с применением ферментации. Основное количество молочных продуктов
производится в зонах с большим количеством лактирующих животных. Европа – один из основных производителей таких продуктов. В
настоящее время известно, что эти процессы протекают при участии
группы микроорганизмов, называемых молочно-кислыми бактериями.
В прошлом ферментации протекали благодаря природным молочнокислым бактериям, но затем было замечено, что если предварительно
внести чистую стартовую культуру селекционированных бактерий, то
получались лучшие результаты. Необходимо отметить, что технология с использованием молочно-кислых бактерий имеет ряд преимуществ благодаря следующим моментам:
1) молочно-кислые бактерии ингибируют размножение нежелательных микроорганизмов, тем самым консервируя молоко;
2) они позволяют получить из молока высококачественный по
вкусу и структуре молочный продукт;
3) эти бактерии оказывают положительное влияние на здоровье
человека, находясь в его кишечнике.
При росте и размножении в молоке молочно-кислые бактерии
расщепляют лактозу до молочной кислоты. Однако могут протекать и
другие реакции, зависящие от субстрата, типов добавок и способа
ферментации. Это может приводить к образованию разных метаболитов, дающих различный вкус, и созданию большого разнообразия молочных продуктов, таких как йогурт, сметана, пахта, сыр и т.д.
Сыр. Одной из наиболее развитых отраслей пищевой промышленности является производство сыра, которое начинается с отделе66
ния казеина молока от его жидкой части (сыворотки). Различают более
900 различных типов сыра. Все они могут быть изготовлены из молока
путем строгого контроля ферментации, тщательной селекции нужных
микроорганизмов и внесения различных добавок. До открытия роли
сычужка, содержащего химозин, кочевники для хранения и транспортировки молока использовали желудки овец. При этом оно нагревалось
на солнце и скисало под действием бактерий. Дополнительное действие ферментов желудочного сока приводило к изменению молока, оно
разделялось на твердую часть и сыворотку. Твердая часть затем высушивалась, солилась и могла долго храниться, что является примером
ранней разработки технологии для сохранения продукта питания.
В течение последнего десятилетия получены генетически модифицированные микроорганизмы, которые продуцируют химозин,
идентичный химозину животных. Используя данный метод, ряд промышленных компаний производят чистый химозин, который получил
распространение во всем мире.
Йогурт. Второй большой группой продуктов, получаемых из
молока, являются йогурты. Они пользуются большим спросом у потребителей разных стран. В настоящее время известно, что живые
бактерии, содержащиеся в йогурте, могут приносить большую пользу
человеку, улучшая переваривание пищи и влияя на другие процессы.
Появился новый вид препаратов, называемый пробиотиками, они рассматриваются не только с точки зрения продуктов питания, но и имеет важное значение для медицины.
Традиционно йогурт получают из цельного молока, подвергая
его ферментации смесью культур Lactobacillus bulgaricus и
Streptococcus thermoplulus. Ацетальдегид, создающий характерный
вкус продуцируется первой из них, вторая превращает лактозу в молочную кислоту, придавая йогурту специфический вкус. Обе бактерии продуцируют внеклеточные полимеры, которые придают характерную вязкость продукту. Инкубация протекает при 30 – 45 оС. Замороженный йогурт пользуется большой популярностью как альтернатива мороженому.
Ферментация овощей. В различных частях мира для сохранения
овощей и фруктов используют различные методы их обрабоки, например соление и квашение. В ряде стран широко используется про67
цесс квашения для сохранения капусты и соления для огурцов и
оливков. При квашении капусту нарезают и помещают в анаэробные
условия с солью. Соль способствует извлечению сахаров из листьев
капусты. В результате размножения молочно-кислых бактерий образуется молочная кислота, происходит снижение рН, что предохраняет
продукт от размножения в нём других нежелательных бактерий. Точный контроль температуры (7,5 оС) и концентрации соли (2,25 %) дают возможность получить долго сохраняющийся продукт с хорошими
питательными свойствами и отличным вкусом. Сравнительно крупное производство квашеной капусты было налажено в Германии еще
в 800 годах нашей эры.
Алкогольные напитки. Алкогольные напитки распространены в
мире во многих формах и видах. Имеется зависимость между типами
напитков, производимых в различных регионах или странах, и выращиваемыми культурами. Так, в холодных регионах производят и потребляют пиво и крепкие алкогольные напитки, в то время как в теплых странах, – главным образом, вина, полученные из винограда. Алкогольные напитки и индустрия питьевого спирта во всем мире представляет одну из наиболее экономически стабильных секторов современной коммерции. Требования экономики и необходимость повышения конверсии сахара в спирт, увеличение выхода конечного продукта являются движущими силами в исследованиях, направленных
на улучшение старых и разработку новых технологий. Главной целью
является получение заданного количества алкоголя в жидкости снятой с ферментации.
Стартовым материалом обычно служит сахаросодержащий материал (фруктовые соки, мед и т.д.), а также вещества, содержащие
крахмал (зерно, овощи-корнеплоды и т.д.), который необходимо гидролизовать, прежде чем использовать для ферментации. При инкубации этих субстратов с соответствующими микроорганизмами, включающими необходимые ферменты, конечный продукт будет содержать в жидкости около 16 % или чуть больше спирта с кислым значением рН. Большинство питательных веществ, необходимых для контаминантов, в нем будут израсходованы. Эти факторы в какой-то степени обеспечивают биологическую стабильность и безопасность продукта. Алкогольные напитки можно пить свежеприготовленными, но
68
обычно на практике их выдерживают определенный период времени,
иногда перемешивая, что во многих случаях улучшает их органолептические свойства. Повысить содержание спирта можно дистилляцией и получить напитки различных типов, например виски, бренди,
водку, ром, и др., которые содержат спирта между 40 и 50о.
Наиболее часто используемым для ферментации микроорганизмом являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae или одна из близких к
нему форм. Они могут утилизировать простые сахара, такие как глюкоза и фруктоза, и превращать их в этанол.
Вино. Исторически вино – это напиток Среднего Востока и Европы и хотя в других частях мира, таких как США и Австралия, его
также производится много, однако Франция, Италия и Германия производят больше половины общего мирового объема вин, приблизительно 1010 литров ежегодно.
Большинство коммерческих вин изготовлено из винограда Vitis
vinifera, и данный вид продолжает расширять свой ареал. Качество
почвы, на которой выращен виноград, и климатические условия оказывают большое влияние на качество вина.
Красные вина получают в случае, когда черные грозди винограда разрушают и подвергают ферментации целиком. В противоположность этому, если удалить кожицу с виноградных черных ягод или
использовать белый виноград, то получим белое виноградное вино.
Розовое вино получают при ограниченном контакте с кожицей черного винограда. Сухие вина являются конечным продуктом полной утилизации сахара, в то время как полусухие, полусладкие и сладкие вина содержат различные количества сахара.
Пиво. Компоненты, необходимые для получения пива, – это вода, зерно, дрожжи и хмель, от них будет зависеть сорт и качество пива. Зерно, обычно используемое для пивоварения, может быть двух
видов: соложеное (это всегда ячмень) и сырое (это может быть кукуруза, пшеница и рис). Процесс пивоварения складывается из приготовления солода, пивного сусла и брожения. Применение традиционной генетики и генетической инженерии позволяет постоянно улучшать штаммы дрожжей, используемых в производстве пива.
Кофе, чай и какао. В Азии, Африке и Южной Америке безалкогольные ферментированные напитки кофе, чай и какао играют важ69
ную коммерческую роль. Чай получают благодаря активности ферментов, проявляемой после раздавливания листьев, в то время как при
получении кофе и какао пульпа, окружающая зерна, удаляется путем
ферментации бактериями, дрожжами и грибами, роль которых очень
важна для создания вкуса и аромата. Ферментативные процессы, протекающие при этом, слабо изучены и остаются эмпирическими. Сухие
продукты, а именно чайные листья, зерна или порошок кофе и какао
могут быть доставлены в любую часть земного шара. В мире потребляются огромные количества этих продуктов, и они формируют экономику не только нескольких многонациональных компаний, но и некоторых стран.
Хлеб в различных его видах – основной продукт ферментации
зерновых, он был известен еще со времен Римской Империи. В Европе наиболее используемыми видами зерновых являются пшеница и
рожь. При приготовлении хлеба полученная из них мука смешивается
с водой или молоком, солью, жиром, сахаром и другими ингредиентами, а также с дрожжами Saccharomyces cerevisiae. В процессе ферментации тесто поднимается и занимает форму, в которой выпекают
хлеб, благодаря образованию СО2. В увеличении объема теста, в частности пшеничного, большую роль играет эластичность белков
клейковины.
Структура хлеба сильно зависит от жиров, эмульгирующих и
окисляющих агентов, в то время как скорость выпекания (коммерчески важный показатель) зависит главным образом от жиров. Ферменты дрожжей также играют важную роль, например, добавление амилазы заметно влияет на качество хлеба и длительность его хранения.
Современные достижения генетики и генетической инженерии
позволяют получить Saccharomyces cerevisiae с повышенной активностью, различные модифицированные ферменты, улучшающие вкус и
структуру продукта. Однако до сих пор некоторые компаниипроизводители не решаются использовать их для коммерческих целей.
В других частях мира для получения хлеба из кислого теста
применяют дрожжи Candida milleri и бактерию Lactobacillus
sanfrancisco для стадии ферментации, а на индийском субконтиненте
используют Streptococcus и Pediococus для ферментации муки зерновых и бобовых.
70
Ферменты и производство продуктов. Современная биотехнология активно участвует в производстве продуктов питания, предлагая использовать различные ферменты. Они являются основной частью процесса, их получают из микроорганизмов и используют в различных отраслях пищевой промышленности (табл. 5.1).
Таблица 5.1
Использование ферментов в процессах по приготовлению продуктов
Отрасль промышленности
Ферменты
Пивоварение
ά- и β-амилаза, протеазы, амилоглюкозидаза, ксиланаза
Молочная
Животный/бактериальный химозин,
лактаза, β-галактозидаза, лизоцим
Хлебопекарная
L-амилаза, ксиланаза, протеазы, липазы
Превращение
Пектинэстераза, полигалактураназа,
фруктов и овощей пектинлиаза, гемицеллюлаза
Крахмальная и са- ά- и β-амилаза, глюкоамилаза, ксихарная
ланаза, пуллуланаза, изомераза, олигоамилаза
Потребление, млн
дол. США
30
90
20
18
120
Из таблицы видно, что в пивоваренной и хлебопекарной промышленности широко используются ферменты, проявляющие амилолитическую и протеолитическую активность. Роль экзогенных ферментов заключается в дополнении или даже замене механических процессов. Это можно видеть на примере обработки фруктов и овощей. Превращение крахмала в сахар – химический процесс, почти полностью
осуществляющийся ферментами.
Сладости. Потребление сладостей в США и Европе приблизительно эквивалентно 57 кг сахара на душу населения в год. До 1960
года из сладостей был, главным образом, тростниковый и свекловичный сахар, т.е. сахароза. В 70-х годах ферментная технология создала
новый класс сладостей из крахмала – высокофруктозный сироп. Сахарин, который является химическим производным, широко использовался в качестве сладости в течение многих лет, но теперь усиленно
71
заменяется новыми, природными, низкокалорийными сладостями. С
помощью биотехнологии был разработан один из наиболее важных
заменителей сахара – аспартам. Аспартам (торговое название Nutrasweet) интенсивно используется в низкокалорийных безалкогольных
напитках. Тауматин - белок, экстрагированный из ягод южноафриканского растения Thaumatococcus danielli, считается одним из
наиболее сладких веществ (табл. 5.2).
Таблица 5.2
Традиционные и альтернативные сладости
Продукт
Относительная сладость
Сахар (сахароза)
55 %-ный высокофруктозный сироп (ВФС)
Цикламат
Аспартам
Ацесульфам К
Сахарин
Сукралоза
Тауматин
1
1,4
50
150
200
300
600
5000
Большинство сахарозаменителей запрещено в некоторых странах, поскольку они оказывают вредное влияние на здоровье человека.
Кроме вышеуказанных продуктов, с помощью микроорганизмов или
химического синтеза получают множество других веществ, используемых в пищевой промышленности.
Органические кислоты (см. лекцию 3). Лимонная кислота широко используется в пищевой промышленности, в частности, производстве напитков, кондитерской промышленности, джемах, консервировании фруктов и т.д. Более 100 000 тонн лимонной кислоты производится ежегодно путем ферментативных процессов, включающих грибок Aspergilllus niger и мелассы в качестве субстрата. Ферментация
может протекать как в статических культурах на поверхности поддонов или в глубоких емкостях, так и в огромных биореакторах. Лимонная кислота используется для улучшения вкуса, в качестве приправы
и как консервант.
72
Уксус – это водный раствор, содержащий не менее 4 % уксусной
кислоты и небольшие количества эфиров, сахара, спирта и соли. Его
обычно получают из вина, солодового или яблочного сиропа. Ферментирующей бактерией обычно служит Acetobacter. Он широко используется как подкислитель, а также для улучшения вкуса при получении жидких продуктов, таких как соусы и кетчупы. В качестве подкислителя может использоваться молочная кислота. Её получают путем ферментации (40 %) и химическим синтезом (60 %).
Аминокислоты и витамины. Аминокислоты широко используются в производстве продуктов и напитков для улучшения вкуса, в
качестве приправы или пищевых добавок.
Витамины обычно используют как диетические добавки. Однако
витамин С (аскорбиновая кислота) используется как пищевой ингредиент. Ежегодное производство его равно более 40 000 тонн. Для его
получения можно использовать несколько микроорганизмов.
Полисахариды. Внеклеточные полисахариды продуцируются
обычно многими микроорганизмами и используются в пищевых продуктах для повышения вязкости и образования гелей. Они могут стабилизировать структуру продукта, улучшать его внешний вид и вкус.
Обычно бактериями, используемыми для их получения, являются
Psendomonas и Lenconostoe mesenteroides. Некоторые виды
Acetobacter могут продуцировать целлюлозу, которая служит основой
нескольких восточных продуктов.
Вкусовые добавки. Наиболее известной вкусовой добавкой служит глютамат калия, который в наши дни получают методом ферментации с использованием обычных или модифицированных микроорганизмов. Ферментная деградация дрожжевой РНК может давать
производные нуклеотидов, которые заметно улучшают вкусовые качества мяса. В настоящее время рынок вкусовых добавок составляет
около 2 млрд дол. и постоянно расширяется благодаря применению
биотехнологии.
5.2. Пищевой белок
Главной проблемой, с которой столкнулся мир, в частности развивающиеся страны, это интенсивный рост населения. В настоящее
время население в мире составляет 6,8 млрд человек, увеличиваясь в
73
год приблизительно на 94 млн. К 2050 году при отсутствии контроля
оно может достигнуть 10 млрд. Обычные приемы в сельском хозяйстве не дают возможности получить достаточное количество пищевых
продуктов, в частности белковых, чтобы удовлетворить растущие потребности.
FAO давно отметила, что имеется большой разрыв в обеспечении белком развивающихся и развитых стран. По меньшей мере, 25 %
населения в мире в настоящее время голодает или недоедает. Значительное число его живет в развивающихся странах, где войны, засуха,
изменение климата и неплодородные почвы мешают продуктивному
ведению сельского хозяйства. Проблема нехватки белка варьирует от
страны к стране и должна решаться в рамках экономики того или
иного государства. Переход от «хлебной» к «мясной» диете в развитых и развивающихся странах еще больше увеличил потребление
зерна на душу населения, поскольку для получения одного килограмма мяса необходимо затратить от 3 до 10 кг зерна.
Ежедневно взрослый человек должен получать около 13 кДж
(3000 кал.). Для получения такого количества энергии достаточно 75 г
сахара. Но организму обязательно необходимы белки, которые расщепляются до аминокислот, а из них строятся клетки и ткани организма. Дефицит белка в мире по самым скромным подсчетам составляет 15 млн т в год.
Пути получения пищевого белка.
1. Выращивание грибов—макромицетов (плодовое тело, мицелий). Чаще всего на специально приготовленном субстрате (опилки,
стружки, навоз) выращивают шампиньоны, иногда вешенки и др.
2. Достижения биотехнологии позволяют выращивать в биореакторе мицелий (грибница) съедобных высших грибов. По вкусовым
и питательным свойствам мицелий не отличается от плодового тела.
Трудности выращивания состоят в том, что требуется сложная и потому дорогая питательная среда, содержащая пектины, пептиды, аминокислоты, витамины и др.; нужны ароматические вещества (экстракты корней деревьев, дрожжей, пшеничных ростков и т. д.).
3. Выращивание и использование в питании человека некоторых
микромицетов. Возможности рынка сбыта их оцениваются около
50 млн дол. Вначале был разработан циклический процесс получения
74
микобелка Fusarium, но вскоре он был заменен более перспективным
непрерывным процессом.
4. Использование съедобных водорослей. Например, спирулины –
сине-зеленой водоросли, белок которой приравнивается к лучшим
стандартам пищевого белка. Кроме белка, она содержит витамины А,
С, Д и особенно много витаминов группы В. Её можно выращивать в
открытых водоёмах и замкнутых системах на простой питательной
среде, получая до 20 г биомассы/м2 в сутки. В Юго-Восточной Азии в
морях и океанах выращивают подводные сады и готовят из водорослей до 300 различных блюд.
5. Дрожжи. В некоторых странах их добавляли в колбасный
фарш. Имеется большая перспектива такого подхода, поскольку скорость их роста очень высокая.
6. Получение белка одноклеточных на различных субстратах.
Высокое содержание белка, хороший запах, легкость хранения сулят
большие перспективы применения белка одноклеточных в пищевой и
кормовой промышленности, включая аквакультуру.
Белокпродуцирующая способность коровы, весом 250 кг, и 200 г
микроорганизмов приблизительно одинакова. Если корова может дать
200 г белка за день, то бактерия теоретически может продуцировать
25 т. за то же время в случае идеальных условий роста. Однако корова
тоже уникальное существо. Она способна превращать траву в молоко,
богатое белком. После десятилетий исследования не было достигнуто
метода, с такой высокой эффективностью превращающего клетчатку
в белки. Корову можно назвать “живым самовоспроизводящимся, передвигающимся и съедобным биореактором”.
Преимущества использования микроорганизмов для получения
белка состоят в следующем:
- они способны расти при оптимальных условиях с заметно
большей скоростью, некоторые бактерии способны быстро удваивать
массу (табл. 5.3);
- их легче модифицировать генетически, чем растения или животных;
- они более пригодны для широкомасшабного скрининга с целью отбора продуцента с нужными качествами;
- их легче использовать в технологии переноса генов;
75
- они содержат относительно большое количество белка с ценными пищевыми качествами;
- их можно производить в огромных количествах, используя непрерывный процесс культивирования, не зависящий от климатических
условий, при этом требуется небольшая производственная площадь;
- они могут расти на самом различном сырье, включая отходы, а
некоторые способны использовать целлюлозу растений.
Таблица 5.3
Время, требуемое для удвоения массы различных организмов
Организм
Бактерии и дрожжи
Плесневые грибы и водоросли
Трава и некоторые растения
Свиньи
КРС (молодняк)
Время удвоения
20-120 мин
2-6 часов
1-2 недели
4-6 недель
1-2 месяца
5.3. Продукты из генетически модифицированных организмов (ГМО)
Генетической модификации могут подвергаться растения, животные или микроорганизмы, например дрожжи. Пищевые продукты,
полученные с помощью генетической инженерии, стали доступны с
90-х годов прошлого столетия. Основные компоненты этих пищевых
продуктов получены из сои, кукурузы, рапса (канола) и хлопка.
Некоторые правительства, например ЕС и Японии подчеркивают, что в настоящее время риск использования продуктов, полученных из ГМО, не стоит выгоды, получаемой от них. Они требуют принудительной маркировки и отслеживания, в то время как другие страны, например Соединенные Штаты, не предъявляют таких требований, подчеркивая, что запрещение продажи продуктов из ГМО нарушает свободную торговлю. Ряд специалистов ЕС считает, что риск
непреднамеренных изменений в составе пищевых продуктов из ГМО
не превышает риск, имеющийся при использовании обычных зерновых культур.
Общественное мнение очень часто относится отрицательно к
использованию различных нововведений, таких как использование
генетической инженерии и т.п., в производстве продуктов питания.
Этот противоречивый вопрос обсуждается более детально в лекции 8.
76
Безопасность продуктов. Большинство процессов получения
продуктов позволяет исключать из конечного продукта опасные микроорганизмы или токсичные вещества. Большой набор традиционных
длительных процедур обычно используется для идентификации, контроля, уменьшения или полного удаления таких контаминантов.
Главными патогенами пищевых продуктов являются Salmonella и
Campylobacter, Listeria, а из токсинов это бактериальные эндотоксины
и грибковые микотоксины. В биотехнологии в настоящее время разработано много методов выявления патогенов и токсинов, основанных на выявлении антигенов с помощью МАт и фрагментов генома с
применением ПЦР. Некоторые из этих методов используются для обнаружения ГМО в пищевых продуктах или кормах животных, что позволяет значительно увеличить их безопасность.
Биотехнология будет усиливать интеграцию сельского хозяйства и пищевой промышленности. В настоящее время новая биотехнология успешно внедряется в развитых странах. Есть надежда, что эти
достижения могут быть также взяты на вооружение развивающимися
странами, где дефицит продуктов все больше увеличивается.
Контрольные вопросы
1. Какова роль ферментации в производстве продуктов питания
и напитков?
2. Какие ферменты используются в производстве продуктов питания и напитков?
3. Какие микроорганизмы находят наибольшее применение в
производстве молочных продуктов и алкогольных напитков?
4. Какие основные патогены и токсины могут содержаться в
продуктах питания?
5. Назовите основные пути получения пищевого белка.
6. Какие существуют мнения на получение продуктов питания
из ГМО?
Лекция 6. БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ
В мире имеется три основных экономически значимых источника топлива: уголь, природный газ и нефть. Современные индустриальные государства полностью зависят от полезных ископаемых, ко77
торые служат им в качестве источника энергии и сырьем для получения разнообразных продуктов. Приблизительно 93 % добытых горючих ископаемых используется для получения энергии и только 7 %
для получения растворителей, пластмасс и множества других органических веществ. За срок чуть больше века индустриальный мир израсходовал большое количество топлива, которое образовывалось
миллионы лет на дне океанов и в глубинах земли. Более того, расходование этих материалов происходит неравномерно. Европа, имеющая 8 % населения от общего количества людей на планете расходует
20 %, США – 6 % населения расходует 31% мировой добычи горючих ископаемых.
Следует отметить, что невосполняемые источники энергии и запасы горючих материалов, на базе которых развивается современное
общество, а именно нефть, газ и уголь возникли из древних типов
биомассы. В то время как запасов угля может хватить на сотни лет,
этого нельзя сказать о нефти и газе. При современных темпах их расходования разведанные запасы могут быть исчерпаны в текущем веке.
Выходом из данного положения можно считать использование биомассы, полученной в процессе фотосинтеза, для получения энергии и
сырья для промышленности. На сегодня широкомасштабное использование биомассы для получения топлива и сырья сдерживается низкой стоимостью горючих полезных ископаемых, гетерогенной природой источников биомассы и диффузным ее распространением.
6.1. Субстраты для получения энергии
Биомасса. Она может быть получена тремя различными путями:
– использованием обычных растений;
– выращиванием специальных, так называемых энергетических
культур;
– утилизацией сельскохозяйственных и других органических отходов.
Подсчитано, что ежегодный выход биомассы растений, возникающий в результате биосинтеза, составляет 120 млрд т сухого материала на суше и около 50 млрд т в мировом океане. Из биомассы,
синтезируемой на суше, приблизительно 50 % составляет сложная
форма – лигнинцеллюлозы. Наибольшая часть биомассы, синтези78
руемой на суше, – около 44 %, образуется в лесах. Интересно отметить, что хотя сельскохозяйственный урожай составляет всего около
6 % первично фотосинтезируемой продукции, из этого количества
получают основную часть продуктов питания для человека и кормов
животным, а также ценное сырье для промышленности – хлопок, лен
и др. Превращение полученной биомассы в полезное горючее можно
проводить биологическими и/или химическими способами. В настоящее время получают два главных конечных продукта: этанол и метан,
хотя можно получать и другие вещества, что зависит от исходной
биомассы и процесса ее утилизации, например, твердое топливо, водород, низко энергетические газы, метанол и углеводороды с длинной
цепочкой.
Концепция выращивания растительной биомассы специально
для получения энергии базируется на том факте, что таким путем
можно получить более высокие выходы связанного углерода, чем
сбором продуктов природной вегетации или сельскохозяйственных
и промышленных отходов. Программы такого типа запланированы
и интенсивно выполняются во многих странах мира. Плантации
энергетических культур, несомненно, займут большое место для
выращивания растений с целью получения энергии. В некоторых
областях мира такие плантации быстро станут реальностью, но для
большинства стран основным путем станет использование органических отходов, а именно сельскохозяйственных, промышленных и
бытовых.
Техническая переработка биомассы зависит от многих факторов, включая уровень влажности, химический состав и др. Материалы с высоким содержанием воды лучше подвергать переработке
в водной фазе, что исключит необходимость высушивания сырья.
При этом можно использовать спиртовую ферментацию (получение этанола), анаэробное расщепление (получение метана), а также
химическое восстановление (получение масел). Материалы с низким содержанием влаги, такие как древесина, могут быть сожжены
для получения тепла или пара, для получения электричества; подвергнуты термохимической обработке путем проведения газификации и пиролиза для получения богатых энергией соединений, таких
как газовые масла (газойль), уголь и сопутствующие вещества, та79
кие как метанол и аммиак; подвергнуты щелочному или биологическому гидролизу с целью получения химического сырья для использования в дальнейших биологических превращениях его в
энергию.
Биомасса, получаемая в результате деятельности сельского хозяйства и лесоводства, может представлять большой экономический
потенциал для многих стран. Это в основном углеводы различной химической сложности, включая сахар, крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Из биомассы могут быть получены следующие необходимые продукты (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Различные пути использования биомассы
Т о п л и в о Метан, особенно в развивающихся странах. Продукты
пиролиза (газ, древесный уголь). Этанол (из сахаро-,
крахмал- и целлюлозосодержащего сырья). Масла
(гидрогенизированием). Прямое сжигание отходов
биомассы
Сырье
Этанол (потенциальное сырье для промышленности).
Синтетический газ (химическая газификация)
У д о б р е- Компост, ил, торф
ния
Корма
Прямое скармливание биомассы.
Получение из биомассы белка одноклеточных
Источники сахара и крахмала, такие как сахарная свекла, сахарный тростник кукуруза, рис, пшеница, а также картофель и другие
овощи – это хорошее сырье для биотехнологических процессов. Небольшим неудобством является то, что крахмал должен быть разрушен
до моно- или олигосахаридов перед ферментацией путем расщепления
ферментами или химическим гидролизом. Целлюлозу, полученную как
в сельском хозяйстве, так и в лесоводстве, также можно использовать
для этих целей. Известно, что это очень сложное вещество и, как правило, в природе встречается вместе с лигнином. О способности лигноцеллюлозного комплекса противостоять процессам биодеградации
можно судить по длительному разложению древесины.
80
Лигноцеллюлоза – наиболее распространенный и восполнимый
природный источник, который считается широкодоступным. Однако
большие технические трудности могут встретиться при разработке
экономичных технологий по переработке этого комплекса. В настоящее время дорогая энергозатратная обработка требуется для того,
чтобы эта сложная структура стала доступной микроорганизмам.
Чистая целлюлоза может быть деградирована химическим или ферментативным гидролизом до растворимого сахара, который может
быть превращен микроорганизмами в этанол, бутанол, ацетон, белок
одноклеточных, метан и многие другие необходимые человеку продукты. Успехи, которые достигнуты в лабораториях разных стран,
показывают, что для преодоления трудностей требуется определенное
время. Ежегодно растения связывают около 2х1011 т углерода с энергией, содержащей 2х1021 Дж, что примерно в 10 раз больше энергии,
используемой ежегодно во всем мире. Масштабы и роль фотосинтеза
представляются значительными, если учесть, что мы потребляем незначительную часть связываемого углерода. Эффективность поглощения солнечной энергии зелеными растениями очень высока и может достигать 3 – 4 %.
Таким образом, возникающий энергетический кризис заставляет
обращать внимание на то, что ископаемые горючие источники не бесконечны. Биомасса является восполнимым источником энергии, она
может быть использована непосредственно для получения энергии
или энергетических соединений.
6.2. Получение этанола, метана и водорода
Этанол из биомассы. Производство спиртов путем ферментации
сахаров и крахмала – очень древняя технология и, по-видимому, одна
из первых микробиологических технологий, использованных человечеством
С6Н12О6  2СН3СН2ОН+2CО2.
Их производство стало возможным благодаря накопленным
знаниям по брожению и дистилляции. В настоящее время промышленное получение спирта основано на синтетическом, т.е. немикробном получении с помощью петрохимических процессов. Во многих
81
развивающихся странах, где сырье очень дешевое и доступное, этанол
продолжают получать в промышленности традиционным ферментационным методом.
Этанол в качестве топлива является очень хорошим компонентом, поскольку при его сгорании не образуется токсичной окиси углерода и поэтому происходит меньшее загрязнение окружающей среды, чем при использовании бензина. Его использование позволяет исключить добавление тетраэтилсвинца для повышения октанового
числа. Исследования показали, что работающий на этаноле двигатель
выделяет на 57 % меньше окиси углерода, на 64 % меньше гидрокарбонов и на 13 % меньше окисей азота, чем при работе на бензине. Таким образом, хотя мировые цены на нефть ниже, чем на этанол, основное преимущество его, снижение загрязнения окружающей среды
остается очень важным. Для этих целей он нигде так широко не используется, как в Бразилии. Огромные заводы работают по всей стране, превращая сахар тростника в этанол (“зеленый бензин”) путем
дрожжевой ферментации. Производство его составляет миллионы кубометров. Кроме того, полученный этанол широко используется в
химической промышленности.
Однако с учетом повышения цен на нефть и новой конструкции двигателей, работающих на эталоне, эти показатели постоянно
изменяются в пользу производства эталона.
Чтобы сделать пригодным для процесса ферментации многие
виды сырья, требуется их предобработка в зависимости от химического состава. В случае с сахарным тростником такая обработка минимальна и сводится к перемалыванию, в то время как многие корнеплоды (содержащие 25 – 38 % крахмала от сырого веса) требуют проведения операции сахарификации – кислотного или ферментативного
гидролиза.
Целлюлозное сырье, такое как древесина или солома, требует
более интенсивной предобработки, что отражается на затратах энергии, требующейся для предобработки (табл. 6.2).
82
Таблица 6.2
Затраты энергии при производстве этанола из различных субстратов
методом микробной ферментации, МДж/кг эталона
Физическое
Сахарный
потребление
тростник
Субстрат
7,27
Дополнительные хим.
0,60
вещества
Вода
0,30
Электроэнергия
7,00
Масляное топливо
8,00
Капитальные вложения
0,46
(здания и др.)
Общее количество
23,63
12,67
ДревеСолома
синаб
20,00
4,37
4,74
6,37
4,74
0,80
175,70
42,13
0,30
7,84
62,40
0,80
166,74
42,13
3,34
0,64
3,34
239,38
97,55
222,12
Древесинаа
Примечание: а – ферментативный гидролиз; б – кислотный гидролиз.
Бразильские программы основаны почти полностью на циклической ферментации. В настоящее время показатели этих ферментаций
являются скромными и могут быть значительно улучшены. Совершенствования в непрерывной ферментации вобрали в себя многие
достижения, включая повторное использование дрожжевых клеток в
биореакторах путем разделения и рециклирования, а также постоянного выпаривания ферментативного бульона. Следует отметить, что
биотехнология достигла в этой области значительных успехов. Она
использует микроорганизмы, полученные генетической инженерией,
что обеспечивает высокую скорость ферментации и высокий выход
целевого продукта, устойчивость дрожжей к повышенным температурам и высокому уровню спирта. Улучшенная конструкция ферментеров основана на технологии иммобилизованных ферментов.
Ферментация в условиях небольшого вакуума и рециклирование
дрожжевых клеток позволили увеличить производство этанола в
10 - 12 раз по сравнению с обычным ферментированием. Применение
этих биотехнологических новшеств снизило капитальные затраты и
потребности в энергии при проведении ферментативных процессов.
Одновременно с этим возникла новая проблема утилизации огромных
83
объемов отходов, образующихся при получении спирта. Были проведены многочисленные исследования по их утилизации, в результате
чего внесены следующие предложения:
1) Упаривание с целью получения кормов или удобрений.
2) Минерализация.
3) Анаэробная ферментация для получения метана.
4) Получение белка одноклеточных организмов.
Метан из биомассы. Метан это газ, который в настоящее время
широко используется как топливо в быту и промышленности или для
получения метанола. Кроме того, его можно использовать в виде топлива для двигателей внутреннего сгорания. Этот природный газ получали из биомассы в давние времена. При производстве метана протекают сложные процессы с участием анаэробных микроорганизмов.
Анаэробная ферментация сложных органических смесей проходит в три основные биохимические фазы, каждая из которых требует
специфических условий. Начальная стадия требует расщепления
сложных молекул, таких как целлюлоза, жиры и белки, которые имеются в большинстве органических материалов. В результате чего образуются низкомолекулярные продукты, которые на следующей стадии превращаются в органические кислоты. На последней стадии
микробной активности эти кислоты (главным образом уксусная) специфически превращаются метанообразующими бактериями в метан и
СО2.
Наиболее эффективно образование метана происходит в рубце
жвачных животных. Эту анаэробную систему не удалось воспроизвести. Известно, что в ней возникает сложное взаимодействие большого
числа бактерий, простейших и грибов. Все интенсивно исследуемые
программы по созданию метанообразования при контролируемых условиях показали, что высокий выход газа можно получить только при
постоянном лабораторном мониторинге, поддерживая с высокой точностью условия протекания процесса, такие как температура, рН,
уровень влажности, перемешивание, добавление сырья и т.д. На сегодня большинство практически используемых устройств по получению
метана работают на низком технологическом уровне.
Анаэробная обработка сточных вод – давно используемый на
практике процесс, и многие городские системы очистки используют
84
разнообразные методы получения метана. Имеются и другие дешевые
источники сырья, из которых может быть получен метан, выгодный с
экономической точки зрения: солома и другие сельскохозяйственные
и бытовые отходы.
Метан из отходов. Производство метана из сельскохозяйственных и бытовых отходов – довольно-таки сложный процесс, который
имеет множество ограничений. Используя бытовые отходы, можно
превратить 30 – 50 % заложенной в них энергии в метан, в то время
как при использовании некоторых отходов сельскохозяйственного
производства можно достигнуть 70 % превращения.
Однако остается еще много нерешенных проблем: затраты на
сбор органических отходов очень высокие; в большинстве процессов
скорость образования метана и его выход очень низкие. Необходимо
провести значительные биотехнологические исследования по определению баланса перерабатываемых веществ с целью оптимизации процесса. Основной проблемой является присутствие лигнина в большинстве сельскохозяйственных и бытовых отходов. Лигнин в ходе анаэробного процесса трудно расщепляется и требует физической и химической предобработки, которая значительно удорожают процесс. Биологические аспекты касаются смеси культур микроорганизмов и несомненно, что термодинамическая эффективность процесса также может
быть улучшена. Необходимо найти новые дешевые материалы для изготовления ферментеров (биореакторов), а также сосудов для хранения
газа. Нет сомнения, что в будущем будут предложены различные анаэробные технологии, пригодные для биодеградации большинства видов биомассы. Хотя метан – это основной конечный продукт, другие
горючие вещества, такие как пропанол и бутанол, а также удобрения
следует добавить к положительному балансу стоимости процесса.
Метан как источник энергии играет большое экономическое
значение в случае использования малых установок, но при попытке
создания установок большого масштаба возникают серьезные проблемы. Основными из них являются:
– микробное производство метана значительно дороже природного газа;
– метана очень много в природе, в частности в природном газе, а
также в нефтяных сопутствующих газах;
85
– производство метана коммерчески более выгодно путем газификации угля;
– метан не может быть использован в качестве топлива для автомобилей, поскольку его очень трудно и дорого превращать в жидкость.
Однако основным преимуществом данной технологии считается
то, что в ней сопряжены два процесса – утилизация отходов и получение метана. При оценке экономической стороны производства метана, необходимо учитывать побочные продукты, которые могут быть
использованы как удобрение или в виде корма. Это возможно потому,
что в ходе такой обработки вредные и патогенные отходы могут быть
превращены в безвредные и полезные материалы.
Хотя получение энергии из биомассы имеет много недостатков
по сравнению с нефтью и углем, но тот факт, что это восполнимый
источник энергии имеет большой стимул к проведению дальнейших
исследований. Уже в настоящее время биомасса становится доступным и экономически выгодным источником энергии. В связи с вышеизложенным производство биогаза рассматривается как перспективный, альтернативный путь получения энергии.
Водород. Использование водорода в виде топлива или в специальных устройствах для получения электричества является перспективным направлением. Хотя возможно получать водород из
глюкозы путем внесения соответствующих бактерий, однако скорость образования его очень мала, чтобы использовать данный подход на практике. Эффективность производства водорода путем анаэробной ферментации значительно меньше, чем метана. Известно,
что метан содержит больше энергии, чем водород, следовательно,
производство метана с использованием микроорганизмов – процесс
значительно более выгодный для практического применения. Водород можно получать, используя фотосинтетические бактерии, биофотолизом воды и путем ферментации. В первых двух системах
производство водорода может быть осуществлено, но для оценки
экономического эффекта необходимы дополнительные исследования. Подсчитано, что потребуется около 20 лет, прежде чем подходящая система будет создана.
86
6.3. Дизельное топливо из рапсового масла
В последние годы значительный интерес в Европе вызвало использование модифицированного масла, полученного из семян рапса,
в качестве дизельного топлива. Этот продукт получен в результате
взаимодействия рапсового масла и метанола в присутствии катализатора - гидроксида натрия при 50 оС с образованием диэфира и глицерина.
Рапсовое масло + метанол диэфир + глицерин
(1 тонна)
(0,1 тонна) (1 тонна) (0,1 тонна)
Глицерин отстаивается, а диэфир очищается и используется в
качестве топлива. Имеется несколько достоинств данного диэфира.
Он близок по физическим и химическим свойствам к дизельному топливу и его применение не требует какой-либо модификации двигателя. Стоимость энергии, образующейся при его сгорании, значительно больше средств, затраченных на его получение. Эта разница может
быть увеличена благодаря улучшению рапса методами генетической
инженерии. Он не токсичен, его вклад в парниковый эффект в 3-5 раз
меньше, чем обычного дизельного топлива. И, наконец, источник его
получения восполним. Общественный транспорт некоторых стран
Европы уже использует биодизель, внося вклад в защиту окружающей среды. Италия отдает преимущество биодизелю при использовании его для отопления жилых помещений. Таким образом, выращивание рапса для получения топлива сулит коммерческие выгоды и
снижает загрязнение окружающей среды. Поэтому почти все Европейские страны проявили к этой технологии большой интерес.
6.4. Микробное превращение нефти
Вне зависимости от того, бьет ли нефть фонтаном или выкачивается насосом, обычно удается извлечь не более 1/3 её объема. Для
увеличения количества извлекаемой нефти используют различные
приемы, включая применение полимеров, производимых в больших
масштабах путем ферментации с использованием специфических бактерий. Такие полимеры имеют низкую вязкость и высокую текучесть,
которые позволяют им проходить через небольшие поры, извлекая
87
связанную нефть. Кроме того, использование микроорганизмов возможно in situ для извлечения нефти путем производства веществ,
снижающих поверхностное натяжение; образования газа или даже
изменения вязкости нефти в результате частичной ее деградации. Использование дополнительных технологий позволяет извлечь до 60 %
нефти.
Для решения энергетической проблемы необходимо выполнить
следующие условия:
– минимизировать расходы невозобновляемых источников
энергии;
– увеличивать использование возобновляемых источников энергии – солнечной, получение биогаза, водорода, этанола, топлива из
растительных масел и др;
– проводить теоретическую разработку принципиально новых
способов получения энергии.
Кроме перечисленных выше источников, не исключается возможность промышленной добычи из земных недр газообразного водорода как неисчерпаемого экологически чистого топлива. Перспективным является создание энергетических установок прямого преобразования энергии вещества в тепловую и электрическую.
На основе пептидов разработаны новые нанобиологические материалы. В воде и жидкостях организма они образуют хорошо упорядоченные каркасы из нановолокон, которые могут использоваться в
создании биосолнечных молекулярных машин для поглощения энергии, использующих фотосистемы растений. Хотя не совсем ясны экономические затраты, необходимые для их успешной работы, однако
ясно одно, что их необходимо создавать, поскольку применяемые в
настоящее время источники топлива будут исчерпаны в недалеком
будущем. Таким образом, постоянное снижение мировых запасов указанных выше источников энергии вынуждает искать альтернативные
пути получения топлива. Это уже известные в настоящее время экологически безопасные гидростанции, построенные на реках, использующие энергию приливов и отливов, энергию ветра, солнечную и
геотермальную энергию, более опасную, но и более значимую ядерную энергию.
88
Многие страны решают проблемы пост-нефтегазового существования. Лидером является ЕС, который планирует к 2020 году довести долю возобновляемых источников энергии в общем энергобалансе до 20 %. А в некоторых странах ЕС, например в Исландии и Швеции, доля возобновляемой энергии уже сегодня превышает 50 %. Судя по подготовленной Минпромэнерго концепции развития энергетики до 2020 года, доля возобновляемых источников энергии в России
увеличится с нынешних 0,6 % (5,6 млрд кВт/ч) до 1,5 % к 2010 году и
4,5 % к 2020 году. Развитию альтернативной энергетики в России, по
мнению правительственных экспертов, мешает ее низкая рентабельность. Основной путь решения этой проблемы – субсидии.
Контрольные вопросы
1. Каковы причины поиска альтернативных источников энергии?
2. Какие энергетические вещества можно получить из биомассы?
3. Что такое биодизель и какова технология его получения?
4. Какие преимущества и недостатки использования этанола в
двигателях внутреннего сгорания?
5. Какие условия необходимо выполнять для решения энергетической проблемы?
6. С помощью каких приемов можно увеличить выход нефти?
Лекция 7. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОРУЖИЕ И БИОТЕРРОРИЗМ
Возможность применения биологического оружия в террористических целях или в целях ведения "скрытой биологической войны"
определяется уникальным сочетанием свойств этого вида оружия,
возможностями его применения не только против человека, но и против животных и растений, составляющих основу для получения продуктов питания человека. Интенсивное развитие биотехнологии, генетической и клеточной инженерии на протяжении последних десятилетий существенно изменило взгляды на возможность получения
новых видов биологического оружия, что и обусловливает его особую
угрозу мировой стабильности, а может, и существованию человечества. Биоэтика, гражданская ответственность ученых и политических
89
деятелей, обеспечение биобезопасности человека, животных и растений, продуктов питания и окружающей среды, риски, связанные с нанобиотехнологией – вопросы, все больше волнующие население планеты.
Стратегия использования биологического оружия состоит в том,
что оно может быть применено непосредственно в ходе военных действий и террористами. Оно может быть использовано как против армии, так и гражданского населения.
Раньше применяли термин бактериологическое оружие, поскольку в качестве биологических агентов применяли бактерии. Биологическое оружие состоит из биологического агента и средств доставки. Для доставки биологических агентов используются различные
носители, кроме того, они могут быть применены диверсионным путем.
Человек не может обнаружить патогены с помощью органов
чувств. Тем не менее, применение противником биологического оружия может быть обнаружено по следующим видимым признакам: образование аэрозольного облака после взрыва боеприпасов или в результате работы генераторов; обнаружение остатков специальных
контейнеров и других устройств доставки; наличие большого количества насекомых, клещей, грызунов, особенно если они неизвестны
для данной местности и т. п. Однако быстрая индикация возможна
только с помощью технических устройств, разработанных на основе
современных средств и методов диагностики.
Основная проблема при подозрении применения биологического оружия состоит в том, чтобы дифференцировать его от естественной вспышки болезни. Обнаружить и идентифировать используемый
биологический агент следует как можно быстрее с тем, чтобы диагностировать болезнь и применить надлежащее лечение и меры профилактики. Это даст возможность уменьшить величину потерь, возникших в результате нападения. Сложность идентификации состоит в
том, что многие биологические агенты вызывают заболевание с неспецифическими симптомами. Поэтому следует иметь в виду, что:
1) естественная вспышка того или иного заболевания часто наблюдается в одном месте. После применения биологического оружия
заболевание может появиться одновременно в нескольких местах;
90
2) могут быть отличия в инкубационном периоде болезни, возникшей в результате применения биологического оружия, и естественной вспышке;
3) заболевание вызывается не эпидемическим штаммом, а отличающимся по ряду биологических и молекулярно-биологических
харктеристик;
4) наблюдаются нехарактерное географическое или временное
распространение инфекции и другие особенности (большое число
случаев заболевания, высокий процент смертности и т.д.).
Существенной особенностью, усложняющей борьбу с последствиями применения биологических патогенов, считается наличие у них
скрытого (инкубационного) периода, в течение которого инфицированные люди или животные являются источником заражения. Он
может быть различным, например, при заражении чумой и холерой
его продолжительность может колебаться от нескольких часов до
3 суток, туляремией – до 6 суток, сыпным тифом – до 14 суток.
7.1. Патогены для биологического оружия
Можно привести большой список болезнетворных микроорганизмов, потенциально пригодных в качестве биологического оружия,
но только немногие из них можно легко приготвить и применить.
Большая часть их относится к зоонозам.
Биологическое оружие опасно тем, что в нем могут использоваться экзотические агенты или патогены, полученные с помощью
современных молекулярно-биологических методов. Как уже отмечалось, оно может использоваться не только вооруженными силами, но
и террористами и может содержать реплицирующиеся (бактерии и
вирусы) и нереплицирующиеся агенты (токсины, физиологически активные белки или пептиды, которые продуцируются живыми организмами). Готовые препараты биологического оружия чаще всего используются путем распыления, поэтому они должны быть диспергированы до аэрозоля размером 1-10µМ, что облегчает их попадание в
организм.
Известно, что многие патогены могут быть кандидатами в
“агенты биологического оружия”. Выбираемый агент должен отвечать следующим требованиям: 1) иметь простую, быструю и дешевую
91
технологию производства; 2) быть стабильным и 3) инфекционным
(бактерии, вирусы ) или токсичным (токсины и другие БАВ). Например, бактерия Bacillus anthracis, – вызывающая сибирскую язву, отвечает этим требованиям. Кроме того, она образует споры. Из вирусов,
вирус венесуэльского энцефалита лошадей легко накапливается в высоких титрах. Бактериальные агенты, которые вызывают туляремию,
лихорадку Q, бруцеллез – являются эффективными и вызывают заболевание при попадании в организм человека в небольших дозах. Биологические токсины в 1 000-10 000 раз более токсичны, чем химические вещества нервно-паралитического действия. К ним можно отнести энтеротоксин стафилококка; токсин, являющийся продуктом жизнедеятельности бациллы ботулизма (Clostridium botulinum). Это делает их основными кандидатами для получения биологического оружия.
Кроме вышеуказанных, могут быть использованы следующие
возбудители:
– для заражения людей: возбудители бактериальных заболеваний (чума, холера); возбудители вирусных заболеваний (натуральная
оспа, желтая лихорадка); возбудители риккетсиозов (сыпной тиф,
пятнистая лихорадка Скалистых гор); возбудители грибковых заболеваний (кокцидиодомикоз, покардиоз, гистоплазмоз);
– для заражения животных: возбудители ящура, чумы крупного
рогатого скота, африканской чумы свиней, классической чумы свиней, оспы верблюдов, сибирской язвы, сапа, псевдобешенства и некоторых других заболеваний;
– для заражения растений: возбудители ржавчины хлебных злаков, фитофтороза картофеля, бактериального увядания кукурузы
(вилт) и других болезней растений.
Как правило, бактерии, вирусы и другие возбудители инфекционных болезней не устойчивы в естественных условиях, предложено
применять их в виде рецептур, то есть в виде порошков и жидкостей,
представляющих собой смеси биологического агента (агентов) с различными веществами, обеспечивающими условия для сохранения их
инфекционности при хранении и применении. Насекомые-вредители
сельскохозяйственных растений также могут быть использованы в
качестве биологического оружия.
92
7.2. История применения биологического оружия
Биологическое оружие используется более 2500 лет. Большинство случаев его применения описано в литературе. Как терроризм,
так и биотерроризм – это неновые явления. История применения биологического оружия уходит в глубь веков.
Стрелы погружали в кровь больных людей, а затем ими обстреливали противника (400 лет до н. э.). Карфагенский полководец Ганнибал помещал ядовитых змей в глиняные горшки и обстреливал ими
корабли противника и занятые им крепости (190 лет до н. э.). Использовали тела людей, умерших от инфекционных заболеваний. Бросали
их в водоемы, где враги брали питьевую воду (1155 год н.э.) или в
осажденные крепости. Так, в 1346 году монгольские войска осаждали
город Кафу (ныне Феодосия, Крым). В ходе осады в лагере монголов
началась эпидемия чумы. Они были вынуждены прекратить осаду, но
предварительно забросили трупы людей, умерших от чумы, за крепостные стены, и эпидемия распространилась внутри города. Считается,
что эпидемия чумы, поразившая Европу, была, в частности, вызвана
применением биологического оружия.
В 1518 году испанский конкистадор Эрнан Кортес заразил ацтеков (племя индейцев, образовавших могущественное государство на
территории современной Мексики) оспой. Местное население, не
имевшее иммунитета к этой болезни, сократилось примерно наполовину.
В 1650 году польский генерал артиллерии Семенович использовал слюну собак, больных бешенством, помещал их в ядра и обстреливал ими противника.
В 1710 году во время русско-шведской войны российские войска использовали в Ревеле (город в то время принадлежал шведам)
тела людей, умерших от чумы, для того, чтобы вызвать эпидемию в
стане врага.
В 1763 году продолжался колониальный захват индейцев. В штате Пенсильвания им выдавали одеяла, зараженные оспой с целью
уменьшения количества коренных жителей. Можно привести ряд других примеров, например, применение отравленных пуль (1675 год).
В 1785 году войны армии Туниса разбрасывали на территории
врага (христиан) одежду, зараженную чумой.
93
В XIX веке тенденция такой борьбы продолжалась, особенно на
территории Северной Америки. Заражали питьевую воду, одежду оспой, чумой и другими возбудителями инфекционных болезней. Особенно во времена гражданской войны. Необходимо отметить, что химическое оружие использовалось чаще, чем биологическое. Первые
попытки запрета химического и биологического оружия были предприняты в 1874 году, когда в Брюсселе была подписана декларация,
запрещающая использование ядов.
Первая Гаагская конференция в 1899 году также запретила использование ядов. К этому запрету присоединились США. Вторая Гаагская конференция в 1907 году поддержала запрещение.
В ходе первой мировой войны, в 1915 году, Франция и Германия
заражали лошадей и коров сибирской язвой и перегоняли их на сторону противника.
В 1918 году разрабатывалась программа использования токсина
рицина для подготовки и использования отравленной шрапнели. Преимуществом являлось то, что малейшее ранение приводило к летальному исходу. Планировалось использовать рицин в виде аэрозоля, но
для этого надо было иметь его большое количество.
В 1920 году Лига Наций писала о том, что биологическое оружие не эффективно, поскольку имеется защита от него: фильтрование
и хлорирование питьевой воды, вакцинация населения и другие способы, известные медицине. Кроме того, его использование может
привести к возникновению неконтролируемой эпидемии, которая может охватить и страну, применившую его. Таким путем она призывала отказаться от применения биологического оружия. В 1925 году
была подписана Женевская Конвенция, запрещающая использование
биологического оружия.
В 1933 году в Японии были начаты работы по созданию биологической бомбы. Действие биологических агентов проверяли на заключенных китайцах. В 1939 году на границе с Россией был испытан возбудитель сибирской язвы и других болезней. В 1940 году разработали
9 видов биологических бомб и изготовили их более 1600. Бомбы, начиненные спорами сибирской язвы, показали неплохую эффективность. В
эти же годы Япония проводит широкомасштабные эксперименты с биологическим оружием в Китае. Они были готовы использовать бактерии
94
холеры, чумы, риккетсии, вызывающие эпидемический сыпной тиф.
Жертвами бубонной чумы, предположительно распространенной японцами, стали несколько сот жителей китайского города Чушен. В провинции Минг Bo от этого заболевания вымерло население 500 деревень.
В 1933 году в Германии была начата программа с Serratia
marcescens (грамположительная бактерия) с целью распространения
ее в Парижском метро. В том же году начаты работы с вирусом ящура.
В 1936 году Франция развернула большую программу разработки биологического оружия с применением вирусов и бактерий.
В 1940 году в Великобритании работала биологическая военная
лаборатория в Портон Дауне. В Канаде проводились работы с сибирской язвой, токсином Clostridium botulinum, чумой и пситтакозом.
Британские войска в 1942 году провели эксперимент по боевому
использованию возбудителей сибирской язвы на удаленном островке
близ побережья Шотландии. Жертвами сибирской язвы стали овцы.
Остров был настолько заражен, что через 15 лет его пришлось полностью выжигать напалмом.
В США в 1943 году были начаты крупномасштабные работы по
созданию биологического оружия. В конце II Мировой войны американцы построили несколько заводов по производству биологических
агентов, в том числе известный завод в Кэмп Детрик. Свои работы
они объясняли тем, что делают это в противовес Японии.
В начале холодной войны в США проводились работы по разработке метода распространения вируса желтой лихорадки с помощью комаров. Они выпускали зараженных комаров с самолета или
вертолета, которые за один день распространялись на несколько
квадратных милей и успевали покусать большое количество людей.
Была получена высокая эффективность метода заражения. Существующая мощность была равна 0,5 млн комаров в месяц. Планировалось довести её до 130 миллионов комаров в месяц.
В начале 50-х годов в США разрабатывалось несколько программ с использованием различных агентов, поражающих животных,
но затем были оставлены только чума КРС и ящур. В 1955 году подобные программы разрабатывались и выполнялись в отношении растений. В 1957 году выполнение большинства программ было свернуто
и исследования переключены на дефолианты.
95
В 1969 году США в одностороннем порядке обязались никогда
не использовать биологическое оружие. Международная "Конвенция
о запрещении разработки, производства и накопления запасов бактериологического (биологического) и токсинного оружия и об их уничтожении" была подписана 10 апреля 1972 года. Количество подписавших этот документ стран было по тем временам очень значительное - 108. Таким образом, Конвенция запретила производство и применение биологического оружия в любой форме.
В 1973 году США заявили, что полностью уничтожили свои запасы биологического оружия за исключением небольшого количества, предназначенного для исследовательских целей.
В 1979 году произошла вспышка сибирской язвы под Свердловском (ныне Екатеринбург). Погибло 64 человека. Предполагается, что
причиной стала утечка с предприятия, производившего биологическое оружие.
В сентябре 1984 года около 750 человек заболели после посещения четырех (по другим источникам - десяти) ресторанов небольшого
городка Даллес, штат Орегон (США). Все пострадавшие были заражены сальмонеллёзом, возбудитель которого обнаружили в салате. В
1990-1993 годы террористическая организация "Аум Синрике"(Aum
Shinrikyo) пыталась заразить сибирской язвой население Токио.
В 1998 году США начинают программу прививок от сибирской
язвы военнослужащих. Тысячи американских солдат в Кювейте были
иммунизированы против сибирской язвы и токсина, вырабатываемого
Clostridium botulinum. В 2001 году письма, содержащие споры сибирской язвы, рассылались по США. Погибло несколько человек. Террористы не найдены.
Известно, что биологическое оружие - это опасный бумеранг.
Болезнетворные микроорганизмы, которыми заражают армию противника или мирное население, могут с таким же успехом поразить
и самого инициатора заражения. Однако понятно, что, имея эффективные средства лечения и профилактики, можно противостоять
такой опасности. Параллельно с применением биологического
оружия разрабатывались средства защиты против него. Вначале
это были примитивные средства: маски, халаты. Вместе с развитием биологического оружия совершенствовались и средства защиты
96
от него. К ним относятся индивидуальные средства защиты, средства профилактики и лечения (вакцины, антисыворотки, фармпрепараты).
7.3. Средства и методы защиты от биологического оружия
Вакцины, антитела и фармпрепараты. В настоящее время разработаны вакцины для борьбы с сибирской язвой, оспой, чумой и туляремией. На различных стадиях разработки находится еще ряд вакцин против болезней, вызываемых инфекционными агентами, которые могут использоваться как биологическое оружие. Самые большие
трудности в разработке вакцин заключаются в создании средств, эффективных в борьбе с отдельными возбудителями, особенно новых
ранее неизвестных штаммов, в сокращении времени, необходимого
для создания устойчивого иммунитета (в некоторых случаях для этого
требуется многократная вакцинация), возможности массового производства и обеспечении максимальной эффективности вакцин. Биотехнологические компании работают над решением этих проблем путем
создания средств и методов, применимых как в повседневной жизни,
так и для защиты от биологического оружия.
Ученые, используя молекулярно-генетические методы, создают
новые биопрепараты. К таким препаратам относится вакцина третьего
поколения против сибирской язвы. Эта стратегия может использоваться в отношении целого ряда потенциальных патогенов и обеспечивает создание длительного иммунитета в результате перорального
приема всего одной дозы вакцины. Используя опыт работы с гибридными молекулами иммунотоксина, применяемого для уничтожения
клеток злокачественных лимфом, ученые создали вакцину, способную, не вызывая побочных эффектов, защитить мышей от весьма
опасного токсина рицина, потенциально являющегося средством, используемым для биотерроризма.
Биотехнологи работают над созданием генетически модифицированных фруктов и овощей, содержащих вакцины против различных заболеваний. Такие «съедобные» вакцины могут использоваться для
обеспечения защиты крупных популяций в весьма ограниченные сроки.
В полевых условиях контингент весьма подвержен естественным инфекциям, в том числе гриппу. Биотехнологическая промыш97
ленность активно работает над созданием вакцин против подобных
заболеваний (на стадии разработки находятся несколько препаратов,
предназначенных для перорального применения либо использования
в виде назального спрея), а также антибактериальных и антивирусных
химиопрепаратов.
Организация промышленной биотехнологии (ОПБ) в США
была основана в 1993 году для представления интересов биотехнологических компаний на местном уровне, на уровне штатов, федеральном и международном уровнях. На декабрь 2006 года членами ОПБ
являлись более чем 1100 биотехнологических компаний, академических центров, местных ассоциаций, ассоциаций штатов и родственных предприятий. ОПБ имеет в своем распоряжении ряд биопрепаратов, включающих вакцины, лекарственные средства и диагностические тесты, которые при необходимости могут быть задействованы в
борьбе с биотерроризмом. Кроме того, разрабатываются методы, облегчающие введение в организм и ускоряющие действие био- и
фармпрепаратов, что очень важно в боевых условиях или в условиях
гражданского кризиса.
Моноклональные антитела. МАт могут использоваться в качестве лекарственных препаратов, а также для выявления наличия инфекционных агентов. На стадии разработки находится комбинация
антител, способных прикрепляться к токсину сибирской язвы и выводить его из организма. Метод может найти применение и в борьбе с
другими агентами, такими как вирус Денге (тропическая лихорадка),
вирус геморрагической лихорадки Эбола, вирус Марбурга (церкопитековая геморрагическая лихорадка), которые могут быть использованы террористами.
Индикация и диагностика. Угроза распространения сибирской
язвы в США в 2001 году показала, что необходимы быстрые и эффективные методы выявления возбудителей в окружающей среде и организме человека. На настоящий момент для этих целей уже разработано
несколько приборов, еще несколько из них будут готовы в ближайшее
время. DARPA (США) обеспечило финансирование проекта по созданию портативного прибора, позволяющего анализировать образцы
ДНК на наличие заданного инфекционного агента в течение 30 минут.
Такие приборы ускоряют диагностику и позволяют осуществлять ее в
98
любых условиях, исключая необходимость транспортировки образцов
в специально оборудованные лаборатории. Разработаны портативные
биосенсоры, позволяющие выявлять патогены по последовательности
ДНК. Такие системы позволяют экономить драгоценное время, необходимое для своевременной эвакуации, вакцинации и других неотложных мероприятий, необходимых для спасения жизни людей.
Методы, основанные на использовании ДНК или РНК. Исследователи применяют методы геномики и протеомики для изучения механизмов репродукции вирусов и бактерий с целью создания нового
поколения антивирусных и антибактериальных средств. Для этого
выявляются важные для микроорганизма молекулы, к которым относятся белки, фрагменты ДНК или РНК, необходимые для поддержания жизнедеятельности и размножения инфекционных микроорганизмов. DARPA финансирует проекты, целью которых является быстрый анализ микробной ДНК с последующим синтезом препаратов,
способных связывать или разрушать фрагменты ДНК, необходимые
для выживания инфекционных агентов. Уже завершена работа по сиквенированию геномов многих опасных возбудителей, в том числе
малярийного плазмодия, бактерий, вызывающих пищевые отравления, а также микроорганизмов, ответственных за внутрибольничные
инфекции, возбудителей холеры, пневмонии, хламидиоза и потенциальных патогенов для биологического оружия, таких как возбудитель
бубонной чумы (Yersinia pestis).
Другие подходы. Для обезвреживания инфекционных агентов в
загрязненных зонах могут распыляться ферменты. Барьерные стратегии основаны на создании молекулярных барьеров для инфекции. Например, одна из компаний работает над созданием молекул, способных адгезироваться на слизистой оболочке предполагаемых ворот
инфекции и благодаря блокированию рецепторов предотвращать попадание бактерий и вирусов в кровяное русло.
Понимая важную роль биотехнологической промышленности в
обеспечении антитеррористических мер, в январе 2003 года президент
Буш объявил о необходимости запуска проекта «BioShield»
(БиоЩит), целью которого является финансирование новых программ, осуществляемых национальными институтами здравоохранения и направленных на разработку антитеррористических мер.
99
В июле 2004 года этот проект был подписан и согласно ему на разработку указанных мер, направленных против химических, биологических и ядерных атак, было выделено 5,6 млрд долларов.
Биотехнология не должна использоваться для создания оружия,
содержащего патогены или токсины, целью которого являлось бы
причинение вреда людям, животным или растениям. К допустимым
областям применения биотехнологии относятся производство продуктов и оказание услуг, направленных на защиту граждан от инфекционных агентов, которые могут использоваться при террористических атаках, выявления биологических атак, диагностики и лечения
пострадавших от них.
Степень угрозы войны с применением биологического оружия
зависит от способности противника использовать биологические средства в сценариях сражения или террористических нападениях на вооруженные силы, гражданские или экологически опасные объекты.
Кроме мер, направленных на дифференцировку естественной вспышки
от болезни, возникшей в результате биологического нападения, необходимо выполнить ряд профилактических мероприятий, включая:
– информированность соответствующих служб, а по возможности и всего населения об агентах, примененных в ходе биологического нападения;
– борьбу с паникой как психологическим побочным эффектом
нападения;
– проведение эпидемиологического обследования и быстрой диагностики.
Эти мероприятия необходимо выполнить для того, чтобы в максимально возможной степени уменьшить потери от нападения. В действительности трудно предотвратить каждый акт биотерроризма, но
можно смягчить его последствия. Кроме того, законы должны быть жесткими, чтобы нарушители знали, что они понесут суровое наказание.
Контрольные вопросы
1. Каким требованиям должен отвечать патоген – «кандидат в
агенты биологического оружия»?
2. Какие возбудители инфекционных болезней могут быть использованы для заражения человека, животных и растений?
100
3. Против каких объектов-мишеней может быть применено биологическое оружие?
4. По каким характеристикам можно дифференцировать заболевание, возникшее в результате применения биологического оружия,
от естественной вспышки болезни?
5. Какие мероприятия необходимо выполнить для уменьшения
потерь от применения биологического оружия?
6. Какие средства и методы могут применяться для защиты от
биологического оружия?
Глава 8. БЕЗОПАСНОСТЬ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОИЗВОДСТВ И ПРОДУКТОВ
В биотехнологии, занимающейся промышленным производством, базирующемся на использовании новейших эффективных технологий с применением процессов, обладающих определенной степенью риска, исходно подразумеваются экологические защитные программы.
На международном уровне при ООН существует ряд органов,
курирующих биологическую безопасность: Организация промышленного развития (UNIDO), Организация, курирующая программу по
охране окружающей среды (UNEP), Всемирная организация здравоохранения (WHO). В 1985 году по их инициативе была сформирована
Информационная рабочая группа по биологической безопасности. В
1991 году она была расширена участием в ней международной Организации продовольствия и сельского хозяйства при ООН (FAO). Основной задачей группы является оказание помощи ученым и всем заинтересованным лицам в вопросах применения правил безопасности
и в понимании глобальной политики в вопросах биотехнологии. К
сожалению, усилия, направленные на унификацию правил безопасности в биотехнологии, еще не увенчались окончательным успехом.
8.1. Безопасность биотехнологических производств
Известно, что усилия человечества, направленные на развитие
цивилизации и улучшение условий жизни, неизбежно сопровождаются отрицательными последствиями, нанося ущерб экосистеме.
101
В промышленно развитых странах повсеместно внедрена система качества фарм- и биопрепаратов, которая подразумевает выполнение правил GMP (Good Manufactoring practice) начиная с переработки
сырья до производства готовых препаратов, включая общие требования безопасности к помещениям, оборудованию и персоналу. Сегодня
актуальна не только проблема стандартизации биотехнологических
продуктов и изделий из них, но также важной задачей является оптимизация технологического оснащения предприятий биотехнологической промышленности. Эти проблемы должны решаться при организации данного вида производства, обеспечиваться при его сооружении, поддерживаться в процессе эксплуатации и восстанавливаться
при проведении профилактических мероприятий.
Традиционные микробиологические производства используют
непатогенные, условно патогенные и патогенные микроорганизмы.
Попадание этих продуцентов и продуктов их жизнедеятельности в
окружающую среду может происходить из-за несовершенства оборудования и технологического режима по вине персонала или в результате различных случайных природных катастроф – наводнения,
землетрясения и т.д. Последствия таких ситуаций могут быть различными. Могут возникать вспышки инфекционных болезней, приводящие к распространению заболеваний человека, животных и растений. В окружающей среде может происходить увеличение концентрации микроорганизмов, устойчивых к антибиотикам, повышение
концентрации аллергенных продуктов, нарушение сложившихся
природных геобиоценозов, мутационные изменения живых организмов и др.
В зависимости от масштаба, сферы приложения и, следовательно, степени риска возможного нарушения существующего экологического равновесия биотехнологические процессы можно разделить:
– на проводимые в контролируемых условиях, т.е. в условиях
замкнутых систем – лабораториях и промышленных аппаратах;
– связанные с выпуском организмов в окружающую среду – в
открытых системах.
Следовательно, в случае выхода биотехнологических процессов
из-под контроля эта область человеческой деятельности может представлять собой опасность как для занятого в технологическом про102
цессе персонала, так и для населения, а также флоры и фауны в окрестностях предприятия.
Ранее целесообразность строительства промышленных объектов
биотехнологического профиля в том или ином регионе обосновывалась преимущественно экономически: наличие сырьевой базы, приближение предприятия отрасли к потребителям продукции, наличие и
доступность топливно-энергетических ресурсов, надежные источники
водоснабжения и т.д. Теперь планирование строительства или реконструкция сопряжены с обширной экологической экспертизой с целью
защиты окружающей среды и в первую очередь человека. Однако человек может быть не только жертвой, но и виновником несчастного
случая или аварии на биотехнологическом предприятии. Кроме человеческого фактора, причинами могут быть недостаточная надежность
оборудования, в частности его несоответствие требованиям безопасности, неправильный монтаж, уровень эксплуатации и т.п., а также
изменение условий окружающей среды.
Биотехнологические производства как источник экологической
опасности, обусловленной биологическим агентом, можно разделить
на две категории: одна из них использует в качестве продуцентов
обычные микроорганизмы; другая – генетически модифицированные
(ГМО).
Для работы с ГМО в промышленных масштабах предусмотрены
три уровня физической защиты: BSL1, BSL2, BSL3. Перед удалением
ГМО из ферментера на всех уровнях защиты предусматривается
дезактивация методами, доказавшими свою эффективность для
немодифицированного организма, а также полная стерилизация
выходящих из ферментера газообразных продуктов. Уровень BSL1,
предусматривающий использование Ecsherihia coli и векторы на основе
плазмид и бактериофага лямбда, предъявляет минимальные требования
к физической защите. Уровни защиты BSL2, BSL3 требуют проведения
отбора проб без образования аэрозоля, полной герметичности
оборудования, а уровень BSL 3 еще и проведения процесса в
помещениях, имеющих отрицательное давление. Работы с особо
опасными микроорганизмами требуют условий, соответствующих
лабораторному уровню BSL4.
103
8.2. Безопасность полученных продуктов
Специфика биотехнологии определяется сложностью биологических систем, что обусловливает необходимость многопрофильного
контроля за ними.
Впервые основные принципы обеспечения безопасности генноинженерных работ, которые впоследствии были положены в основу
всех последующих руководств и методик, были выработаны Асиломарской международной конференцией в 1975 году. Следует отметить, что первые принятые руководства в дальнейшем несколько раз
корректировались в сторону снижения жесткости требований.
Нормативная основа, регулирующая вопросы биотехнологии, была
разработана в конце 80-х годов с целью создания необходимой законодательной базы, которая обеспечивала бы соответствующую охрану здоровья людей, окружающей среды и способствовала бы при этом созданию
внутреннего рынка продуктов биотехнологии. Эта нормативная база
включает как законодательство, связанное с защитой работающих от
опасности воздействия биологических объектов на своих рабочих местах, регулирующее использование ГМО и преднамеренное внесение их в
окружающую среду, так и законодательство, касающееся безопасности
продуктов, полученных с использованием биотехнологических производств: фарм- и биопрепараты, пищевые добавки, корма для животных,
средства защиты растений, новые продукты питания, семена и др.
Общие принципы экспертизы безопасности новых ГМО были
сформулированы Комиссией национальной академии наук США в
1989 году. Затем на базе регламентов, принятых в 1990 году во Франции, после успешного завершения там пятилетней национальной программы по созданию норм техники безопасности при работе на биотехнологических производствах или в медико-биологических лабораториях, был создан Международный комитет по разработке общеевропейских норм техники безопасности. В 1991 году UNIDO опубликовала добровольный кодекс по интродукции организмов в окружающую среду. На его основе, а также директив по классификации
техники безопасности при работах и использовании ГМО в странах
Европы, США и Японии строятся принципы обеспечения безопасности проведения биотехнологических работ, включая исследования,
разработку и применение полученных продуктов.
104
В России действуют санитарно-противоэпидемиологические
правила “Безопасность работы с рекомбинантными молекулами
ДНК”, а 12 июля 1996 года вступил в силу Федеральный закон “О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности”. Законом № 313-ФЗ от 30.12.08 в него внесены дополнения.
Устанавлено четыре уровня риска потенциально вредного воздействия генно-инженерных работ, проводимых в замкнутых системах
(т.е. в условиях, предотвращающих контакт генно-инженерно модифицированных организмов с населением и окружающей средой).
Эти уровни риска сопоставимы с риском для здоровья человека
при работе с непатогенными микроорганизмами (I), условно патогенными микроорганизмами (II), микроорганизмами, потенциально способными к передаче инфекции (III) и возбудителями особо опасных
инфекций (IV). Для проведения работ, соответствующих III и
IV уровням риска, необходимо получение лицензии в установленном
порядке. Лицензированию также подлежат генетические манипуляции с РНК и ДНК с целью создания ГМО, все виды испытаний ГМО,
производства препаратов, получаемых с использованием ГМО, хранение, уничтожение ГМО и (или) их продуктов и утилизация отходов
генно-инженерной деятельности.
Начало деятельности ЕЭК, связанной с разработкой руководящих положений по безопасности в области биотехнологии, было положено на Венской встрече 1986 года представителей государств участников Совещания по безопасности и сотрудничеству в Европе
(СБСЕ). В пункте 18 итогового документа упоминается следующее:
“Отмечая прогресс, достигнутый в исследованиях и разработках в области биотехнологии, и создаваемые им новые возможности, государства-участники считают желательным расширить обмен информацией
о законах и правилах, относящихся к аспектам безопасности генетической инженерии”.
В разработке основ законодательства по регулированию производства, связанного с использованием трансгенных животных, растений и микроорганизмов ограничивающим является то обстоятельство,
что получение и свойства их окружены неоправданным ореолом как
положительной, так и отрицательной информации. Как уже отмечено,
в ближайшие годы усилиями генетической инженерии будут обнов105
ляться и интенсифицироваться давно известные и широко используемые биотехнологические процессы. В связи с этим соответствующая
деятельность научной общественности и контролирующих ведомств
должна протекать в условиях максимальной взвешенности и гласности.
Страны-производители продукции должны гарантировать проявление максимальной осторожности при планировании и проведении своих экспериментов. Необходима экспертиза, направленная на
изучение продукции, неизвестной до настоящего времени, независимо от того, получены ли данные образцы трансгенным или нетрансгенным путем. В Англии в состав соответствующего Комитета включаются не только те специалисты, кто планирует и выпускает такую
продукцию, но и те, кто контролирует проведение научных экспериментов, поскольку ответственность за безопасность лежит на них
(Королевская комиссия по охране окружающей среды). В США считается нормальным, чтобы в такой Комитет были включены специалисты по этике. Это особенно важно при разработке таких направлений, как терапия генов.
Важно, чтобы уже на ранней стадии общественность была осведомлена о предполагаемом выпуске продукции. Открытость дискуссий является важной составной частью информации населения о степени риска и принятых мерах предосторожности.
Существует многообразие правил в разных странах, занимающихся генетической инженерией или использующих продукты, полученные из ГМО. Различные подходы к толкованию оценок факторов
безопасности привели к разделению стран на две больше группы,
имеющие по ряду позиций разногласия. В ряде стран правила, регулирующие генетическое манипулирование и производство ГМО, направлены на контроль путей его получения. В других странах большее внимание уделяется природе создаваемого организма, а не способу его производства.
Необходимо подчеркнуть, что эти различия будут сохраняться
столько, сколько будут продолжаться трудности в достижении консенсуса по поводу уникального характера этих правил, связанных с
дальнейшим глобальным развитием человечества. Правила безопасности должны стать необходимым условием при формировании стра106
тегии развития продукта на корпоративном уровне, а также частью
индустриальной политики на национальном уровне. Рациональность в
ослаблении общих положений существующих правил по производству и выпуску ГМО и рекомбинантных белков должны, по-видимому,
сочетаться с жестко ограниченными рамками в проведении конкретных режимов биотехнологических процедур, что вызвано быстро увеличивающимся потоком как известных, так и малоизвестных категорий рекомбинантных продуктов. В то же время необходимо сокращать обременительные бюрократические процедуры и излишние тестирования, которые не всегда являются необходимыми, но часто бывают весьма продолжительными и дорогостоящими. Многими специалистами отмечается необходимость разработки законодательства,
гарантирующего безопасность жизнедеятельности и не препятствующего прогрессу биотехнологии.
С этой целью 12 мая 1992 года в г. Найроби (Кения) принята
Конвенция ООН о биологическом разнообразии, которая вступила в
силу 29 декабря 1993 года. Она нацелена на обеспечение устойчивого
развития, сохранение различных природных экосистем, включая прибрежные и морские, внедрение и применение экологически безопасных технологий. Страны имеют право распоряжаться своими биологическими ресурсами, но они также несут ответственность за сохранение их биологического разнообразия и рациональное использование их биологических ресурсов. Конвенцию ратифицировали
188 стран.
В рамках мер по реализации положений Конвенции о биологическом разнообразии 29 января 2000 года в Канаде (г. Монреаль) был
принят и вступил в силу 11 сентября 2003 года Картахенский протокол по биологической безопасности. Он является первым юридически
обязательным международным соглашением. Основная цель его заключается в содействии обеспечению надлежащего уровня защиты в
области безопасной передачи, обработки и использования живых измененных организмов, являющихся результатом применения современных биотехнологий, способных оказать неблагоприятное воздействие на сохранение и устойчивое использование биоразнообразия с
учетом рисков для здоровья человека. При этом живой измененный
организм означает любой живой организм, обладающий новой ком107
бинацией генетического материала, полученной благодаря использованию современных биотехнологий.
В Протоколе отмечается быстрое распространение современных
биотехнологий и их роль в получении новых возможностей повышения благосостояния людей, если развивать и использовать эти технологии с соблюдением соответствующих мер безопасности в отношении окружающей среды и здоровья человека; подчеркивается взаимосвязь экономических и природоохранных соглашений, их взаимодополняющий характер в целях устойчивого развития. В нем особое
внимание уделяется трансграничному перемещению живых измененных организмов, полученных в результате применения современных
биотехнологий, способных оказать неблагоприятное воздействие на
сохранение и устойчивое использование биологического разнообразия. Протокол имеет три приложения: 1) информация, требуемая в
рамках уведомлений; 2) информация, требуемая в отношении ГМО,
предназначенных для использования в пищу людям или корм животным; 3) оценка рисков. Протокол ратифицировали 129 стран.
Выход из-под контроля биотехнологических производств, использующих ГМО, по мнению большинства специалистов, не более
опасен, чем попадание в окружающую среду обычных производственных микроорганизмов. Это мнение базируется на неконкурентоспособности ГМО в окружающей среде. Тем не менее, возможность
генетического обмена путем конъюгации, трансдукции или трансформации нельзя полностью исключить, поэтому получаемые ГМО
должны быть лишены таких способов обмена, что на практике очень
трудно выполнить. Потенциальная опасность ГМО может быть также
связана с недостаточной эффективностью методов обезвреживания
отходов.
Рекомбинантные гены и геномы являются особыми продуктами
вследствие их способа производства. Он основан на технологиях, которым всего лишь около 20 лет. Но безопасность любого продукта
определяется его поведением или свойствами, а не методом его производства. ГМО нельзя рассматривать в качестве специальной категории по способу их производства. Это положение широко распространено и принято за исключением тех случаев, когда производство ассоциируется со специальной категорией риска. Необходимо учиты108
вать, что если поведение или свойства рекомбинантного продукта
(гена или белка) значительно отличаются от таковых в натуральном
продукте, тогда это положение должно стать определяющим, чтобы
отнести его к специальному классу.
При разработке законодательства, касающегося безопасности,
необходимо обращать внимание на следующие вопросы:
– какой контроль проводится для ГМО и полученных из них
продуктов питания, кормов, фарм- или биопрепаратов?
– Кого должен защищать закон (потребителя; ученых, связанных с созданием ГМО, или людей, занятых на производстве; ГМО
или окружающую среду, включая виды животных или растений, которые будут с ним контактировать)?
– Какие признаки появились в результате генетического манипулирования: рост и регуляция репродуктивности; резистентность к
болезням, факторам внешней среды; эксрессия новых белков и др.?
– Какой риск появляется от создания данного ГМО и полученных из него продуктов?
Новое законодательство для рекомбинантных геномов должно
включать не только ГМО, но и другие неизвестные или малоизвестные организмы, устанавливать состав экспертов, использовать международный опыт (базисные данные, предыдущие выпуски) и экспертизу; быть гибким, чтобы его можно было применить к любым результатам, полученным при проведении фундаментальных исследований; вовлекать общественность в широкое обсуждение сложившейся ситуации.
За безопасность ГМО отвечают государственные регулирующие
службы. Их полный список представлен в 2006 году Организацией
экономического сотрудничества и развития (OECD). Во многих странах, включая США, Канаду, Аргентину, Японию, страны Европейского Союза, Австралию, Новую Зеландию, Индию, Россию, Китай и
ЮАР, завершены процессы принятия законов и нормативных актов,
регулирующих выращивание и применение большого числа гинетически модифицированных (ГМ) растений.
Несмотря на то что в разных странах существуют различия в
мировоззренческих и политических подходах, отталкиваясь от которых эти страны вырабатывают системы оценки безопасности ГМО,
109
научные подходы, используемые для оценки их потенциального риска
для окружающей среды и здоровья людей, очень похожи. Методы
оценки безопасности новых качеств, утверждаемые регулирующими
органами, основываются на оценке рисков. Поскольку факторы риска
уникальны для каждой культуры и для каждого из введенных с помощью генной инженерии качеств, специфика сравнения определяется в каждом конкретном случае.
ВОЗ (WHO), ФАО (FAO) и Европейское Ведомство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) приняли в 2004 году «Руководство
по оценке риска, связанного с применением генетически модифицированных растений и изготовленных из них пищевых продуктов и
кормов», в котором акцент сделан на важные для оценки риска вопросы. В основе принципа научной оценки безопасности и пищевой
ценности ГМ культур лежит вопрос: являются ли генетически модифицированные культуры столь же безопасными, как и обычные? В
нормативных документах и в общественном мнении традиционные
культуры расцениваются как безопасные «по определению», исторически из-за их многовекового безопасного использования. Поэтому
процесс сравнительной оценки важен для идентификации сходных
характеристик и намеренных и непреднамеренных различий между
традиционными и ГМ культурами.
Общие площади земель, на которых выращиваются ГМ культуры, с целью реализации полезных свойств, например устойчивые к
гербицидам или насекомым-вредителям, продолжают расширяться,
их выращиванием занимаются десятки миллионов фермеров. Если
экономическая выгода от использования ГМО очевидна, то их безопасность по-прежнему вызывает жаркие споры, давно вышедшие за
пределы лабораторий и научных форумов.
По понятным причинам наибольшее беспокойство вызывает вероятность переноса генетического материала трансгенного растения в
геномы диких или культурных растений. Для предотвращения опасных ситуаций используют растения-самоопылители, изолируют посевы трансгенных растений, тщательно анализируют возможные последствия такого переноса и т.д.
Однако чаще в средствах массовой информации обсуждается возможность внедрения трансгенов в геномы организмов-симбионтов, жи110
вотных и, наконец, в геном человека, что, естественно, вызывает наиболее выраженный эмоциональный отклик в обществе.
Получение нового сорта растений традиционными методами
включает мутагенез с помощью радиоактивного излучения или химических препаратов, отбор мутантов с искомыми характеристиками.
Даже если мутагенез не используется, любой новый сорт представляет собой оригинальную уникальную комбинацию аллелей (природных вариантов генов), полученную при скрещивании различных (часто непохожих друг на друга) представителей данного вида. Вероятность того, что в результате этих манипуляций в метаболизме растения нового сорта произойдут сдвиги с негативным эффектом точно
такая же, как при получении ГМО или даже выше.
Безусловно, следует детально анализировать биологическую
безопасность пищи, в состав которой входят ГМО, и тщательно оценивать возможные негативные последствия от попадания чужеродной
ДНК в клетки желудочно-кишечного тракта человека.
Для решения этого и других вопросов, связанных с биобезопасностью, приказом № 253 от 17. 02. 09 создан Совет Роспотребнадзора
по управлению реализацией мероприятий по комплексному направлению обеспечения биологической безопасности в рамках федеральной целевой программы (ФЦП) «Национальная система химической и
биологической безопасности Российской Федерации (2009 - 2013 годы), утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 27 октября 2008 года № 791 (Собрание законодательства
Российской Федерации, 2008, № 44 ст. 5093).
Контрольные вопросы
1. Какова цель выполнения правил GMP?
2. Какие могут быть причины выхода биотехнологического процесса из-под контроля и каковы последствия этого?
3. Что такое ГМО и какие уровни физической защиты предусмотрены при работе с ними?
4. На что нацелены Конвенция ООН о биологическом разнообразии и Картахенский протокол по биологической безопасности?
5. Чем определяется безопасность биотехнологического продукта?
6. На какие вопросы необходимо обращать внимание при разработке законодательства, касающегося вопросов безопасности ГМО?
111
Лекция 9. ПАТЕНТОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ИЗОБРЕТЕНИЙ
Основной задачей биотехнологии является производство продукции с целью получения прибыли. По оценкам специалистов, оборот
только в области современной генной технологии, связанной с фармацевтическими препаратами, будет возрастать ежегодно на миллиарды
долларов. Однако ни одна компания не будет подвергать долгосрочные
дорогостоящие проекты высокому риску без уверенности, что результаты исследований могут быть легально защищены от конкурентов.
Такой процесс называется защитой интеллектуальной собственности,
которая включает торговые секреты, авторские права и патенты.
Для биотехнологии патенты являются наиболее важной формой
защиты интеллектуальной собственности. Патент - юридический документ, который дает держателю исключительные права на его использование, в то время как конкуренты должны купить право на использование патента. Публикация заявок на патент и/или описаний к
патентам на изобретение позволяет другим разработчикам быть в
курсе новейших достижений в данной области техники и продолжать
свои исследования с их учетом. При отсутствии патентной охраны
разработчики были бы вынуждены держать результаты своих исследований в секрете, что не только не гарантировало бы им надежной
правовой охраны, но и значительно замедлило бы развитие различных
направлений биотехнологии.
В настоящее время ведущие биотехнологические организации
(Genentech Inc., Inst. Pasteur, Monsanto и др.) имеют патенты практически во всех промышленно развитых странах. Патенты формируют
новый тип колониальной зависимости стран с меньшим технологическим потенциалом от стран, обладающих высокими технологиями.
Весьма важно и то, что патенты способны поддерживать цены на
продукцию, включая лекарственные средства, на уровне, значительно
превышающем их фактическую стоимость.
Ужесточение мер по защите прав интеллектуальной собственности препятствует технологическому прогрессу в беднейших странах
мира. В докладе о слаборазвитых странах за 2007 год, выпущенном
Конференцией ООН по торговле и развитию (UNCTAD), отмечается,
112
что развитие беднейших стран мира, их дальнейший экономический
рост и реальное сокращение масштабов отставания может произойти
только в том случае, если для них будут смягчены правила о правах
интеллектуальной собственности. Нынешние правила соблюдают интересы держателей интеллектуальной собственности, которые часто
находятся в промышленно развитых странах, а не интересы потенциальных пользователей, живущих в 50 наименее развитых странах мира.
Законодательная охрана изобретений в биотехнологии обычно
осуществляется через выдачу патентов, хотя здесь имеется ряд трудностей, неизвестных в других сферах технологии. Первая из них заключается в выяснении характера достижения - это открытие или
изобретение. Даже в случаях, близких к открытию, например при выделении и описании “нового” микроорганизма, нельзя отрицать
большую роль человека в сложном процессе его выделения, что
предполагает решение технической проблемы. Выделение новых веществ, существующих в природе, относится к открытию, а не изобретению. Однако если вещество, обнаруженное в природе, было впервые выделено из окружающей его среды и для его выделения был
разработан метод, то процесс является патентоспособным. Более того,
если вещество может быть охарактеризовано или по химической
структуре с помощью метода, которым оно было получено, или по
другим параметрам и, если оно “новое” в абсолютном смысле и не
выявлялось ранее, такое вещество также будет патентоспособным.
9.1. Краткая история развития патентной службы
История Всемирной организации интеллектуальной собственности (ВОИС, WIPO) берет свое начало в 1883 году. Необходимость в
международной охране интеллектуальной собственности стала очевидной, когда иностранные участники отказались принять участие в
Международной выставке изобретений в Вене в 1873 году, опасаясь,
что их идеи будут «украдены» и коммерчески использованы в других
странах.
В 1883 г. появилась Парижская конвенция по охране промышленной собственности – первый важный международный договор, направленный на оказание помощи гражданам одной страны в получении охраны их интеллектуальных творений в других странах в форме
113
прав промышленной собственности. Её участниками были 14 государств. Она вступила в силу в 1884 году. В соответствии с ее положениями для выполнения таких административных задач, как организация заседаний государств-членов, было создано Международное бюро.
В 1886 году на международной арене появляется авторское право
и вместе с ним Бернская конвенция (Берн, Швейцария) об охране литературных и художественных произведений. Как и в случае с Парижской конвенцией, для выполнения административных задач в рамках
Бернской конвенции было создано Международное бюро. В 1893 году
эти два небольших бюро объединились в одну международную организацию, которая называлась Объединенное международное бюро по
охране интеллектуальной собственности (БИРПИ, UIBPIP). Со штабквартирой, расположенной в Берне, и штатом сотрудников, насчитывающим семь человек, эта маленькая организация стала предшественницей сегодняшней ВОИС – динамичного органа, объединяющего
175 государств, использующего труд примерно 760 сотрудников из
83 стран мира и имеющего постоянно расширяющиеся задачи и полномочия.
По мере роста значения интеллектуальной собственности менялись также структура и форма бюро. В 1960 году оно переехало из
Берна в Женеву (Швейцария), чтобы быть ближе к другим международным организациям, расположенным в этом городе. Через 10 лет в
связи со вступлением в силу Конвенции, БИРПИ превратилось в
ВОИС, пройдя через период структурных и административных реформ и получив секретариат, подотчетный государствам - членам
этой организации. Конвенция, учреждающая ВОИС, была подписана в
Стокгольме 14 июля 1967 года и изменена 2 октября 1979 года. ВОИС –
это международная организация, призванная стимулировать использование и охрану произведений человеческого разума. Эти произведения –
интеллектуальная собственность – раздвигают границы науки и техники
и обогащают мир искусства. Благодаря своей деятельности ВОИС играет важную роль в повышении качества жизни и лучшем использовании
ее благ, а также в создании реального богатства наций.
В 1974 году ВОИС стала одним из специализированных учреждений системы ООН, признанным государствами - членами ООН
мандатом, на осуществление административного управления вопро114
сами интеллектуальной собственности. ВОИС расширила свою роль и
еще убедительнее продемонстрировала важность прав интеллектуальной собственности в регулировании глобализованной торговли,
заключив в 1996 году Соглашение о сотрудничестве с Всемирной
торговой организацией (ВТО, WTO).
В настоящее время ВОИС – одно из 16 специализированных учреждений системы ООН. Она осуществляет административные функции 23 международных договоров, касающихся различных аспектов
охраны интеллектуальной собственности. Членами организации является 181 государство.
Развитие правовой охраны биологического материала в нашей
стране происходило медленнее, чем в США, странах ЕС и Японии.
Наиболее заметно отставание проявилось в отношении изобретений в
такой быстро развивающейся отрасли биотехнологии, как генетическая инженерия. В упомянутых странах уже с 80-х годов прошлого
столетия можно было получить патенты на весь спектр генетически
модифицированного биологического материала, в том числе на трансгенные растения и животные. Законодательством СССР с 1985 году в
качестве охраноспособных изобретений были признаны лишь молекулярные продукты генетической инженерии (последовательности
нуклеиновых кислот, плазмиды и векторы), на которые могло быть
выдано только авторское свидетельство, а также индивидуальные
штаммы конкретных видов генетически модифицированных микроорганизмов, на которые можно было подавать заявку или на получение авторского свидетельства, или патента.
В отличие от однозначной позиции американского патентного
ведомства в Европе биологический материал, включая трансгенных
животных, непатентоспособен, когда изменение генетической идентичности животного причиняет им страдания без пользы для человека. Введенные в законодательство понятия "общественная мораль" и
"этические соображения" запутывают вопрос, создавая юридическую
неопределенность. Существует и множество других вопросов ─ депонирование образцов, насколько полно изложен в формуле изобретения объем притязаний на биотехнологический объект, можно ли патентовать цепочки ДНК с неизученными функциями, распространяется ли действие патента на потомство трансгенных животных и т.д.
115
В странах с развитой биотехнологической промышленностью
законодательные нормы, регулирующие правовую охрану изобретений в области биотехнологий, принимались и продолжают приниматься в основном под давлением активно развивающихся частных
биотехнологических фирм. В России развитие законодательной базы
в данной области инициируется государством, причем преимущественно под давлением внешних факторов, таких как необходимость
международной гармонизации национальных законодательств.
Биотехнологическая революция оказала большое воздействие на
законодательную систему, потребовав ее перестройки. В первую очередь это относится к патентной системе, поскольку биотехнологические продукты имеют свою специфику. Во многих странах вводятся
специальные законодательные нормы, относящиеся к патентоспособности биотехнологических изобретений. Примером воздействия биотехнологий на патентное законодательство является внесение изменений в Европейскую патентную конвенцию (ЕПК): в 1999 году в
часть II Инструкции по применению ЕПК была введена новая глава VI
«Биотехнологические изобретения», содержащая правила 23b-23e, в
которых приведены основные определения, касающиеся биотехнологических изобретений, упомянуты виды таких изобретений и др. Однако воздействие биотехнологий на законодательство, в том числе на
патентное, обусловливается не только тем, что они являются объектом конкуренции между разработчиками. Использование биотехнологий для удовлетворения жизненных потребностей человека поставило
на повестку дня вопрос о влиянии их на жизнь всей планеты.
Соглашение по Торговым аспектам прав интеллектуальной собственности (ТРИПС), заключенное в Марракеше (Марокко) 15 апреля
1994 года как приложение к Соглашению об образовании ВТО, стало
одним из важнейших соглашений в области интеллектуальной собственности, попыткой привести системы охраны прав интеллектуальной собственности в рамки общих международных правил. Вступление любой страны в ВТО уже невозможно без урегулирования прав
на интеллектуальную собственность в качестве универсального критерия. Среди целей Соглашения - осуществление эффективной и достаточной защиты прав на интеллектуальную собственность, стимулирование международного трансферта новых технологий, облегчение
116
пользователям доступа к технологическим знаниям и ноу-хау. ТРИПС
предусматривает санкции против нарушителей прав на интеллектуальную собственность.
Комплексный подход к защите интеллектуальной собственности
предполагает разноплановые мероприятия в сферах экономики,
юриспруденции и организации производственного процесса, а их
применение может по-разному влиять на развивающиеся страны и на
страны с переходной экономикой, что необходимо учитывать при
разработке международных соглашений в данной области.
Эксперты ВОИС во Всемирной декларации по интеллектуальной собственности (от 26.06.2000) подчеркнули, что интеллектуальная собственность была и остается одним из основных и необходимых элементов прогресса и развития всего человечества.
9.2. Законодательство Российской Федерации
по интеллектуальной собственности
В 1991-1992 годах Российская Федерация объявила себя правопреемницей в отношении всех международных договоров и соглашений по интеллектуальной собственности, участником которых являлся СССР. С начала 90-х годов в РФ были предприняты шаги по
кардинальной перестройке правовых норм, регулирующих защиту
интеллектуальной собственности. Законодательство в этой сфере было в значительной мере приближено к международным стандартам.
В России федеральным органом исполнительной власти является Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент). Роспатент осуществляет функции по контролю и надзору в сфере правовой охраны и использованию объектов интеллектуальной собственности патентов, товарных
знаков и результатов интеллектуальной деятельности, вовлекаемых в
экономический и гражданско-правовой оборот. Кроме того, он соблюдает интересы Российской Федерации, российских физических и
юридических лиц при распределении прав на результаты интеллектуальной деятельности, в том числе создаваемые в рамках международного научно-технического сотрудничества. В выполнении указанных функций принимают участие подведомственные Роспатенту
организации:
117
1. Федеральное государственное учреждение "Федеральный институт промышленной собственности Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам" (ФГУ ФИПС).
2. Федеральное государственное учреждение «Палата по патентным спорам Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам» (ФГУ Палата по патентным
спорам).
3. Российский государственный институт интеллектуальной
собственности (РГИИС).
Законодательство Российской Федерации об интеллектуальной
собственности можно условно разделить на две группы: законодательство об авторском праве и смежных правах; законодательство об
объектах промышленной собственности: патентах и товарных знаках.
Законодательство об авторском праве в Российской Федерации регулируется нормативными правовыми документами трех уровней: международными соглашениями; федеральным законодательством; подзаконными актами.
В Российской Федерации ответы на вопросы, касающиеся биообъектов, можно найти в Патентом законе № 3517-I от 23 сентября
1992 года, который провозгласил предоставление единой формы правовой охраны - патента - всем видам изобретений, однако круг патентоспособных изобретений на биологический материал так и не был
расширен. В ст. 4 Закона прямо указывались виды изобретений, которым могла быть предоставлена патентная охрана. Сорта растений и
породы животных («селекционные достижения») были исключены из
числа патентоспособных изобретений в связи с тем, что их правовая
охрана в соответствии с общемировой тенденцией должна была предусматриваться отдельным законодательством (Закон «О селекционных достижениях в РФ» был принят в 1993 г.).
Ограниченный перечень патентоспособных изобретений был
отменен в 2003 году путем внесения изменений в Патентный закон, и
патент стало возможно получить на продукт, созданный в любой отрасли промышленности, следовательно, и на такие биотехнологические продукты, как генетически модифицированный макробиологический материал - трансгенные растения и животные, не относящиеся
к конкретным сортам и породам, а также на микробиологический ма118
териал (трансформированные клетки) как таковой. Федеральный закон
№ 231-ФЗ о введении в действие четвертой части Гражданского кодекса РФ вступил в силу со дня официального опубликования (18.12.06) за
исключением отдельных положений, которые приняли силу закона с
01.01.08, когда была введена в действие четвертая часть Гражданского
кодекса РФ (ГК РФ), регламентирующая отношения в сфере интеллектуальной собственности. С момента введения новой части ГК РФ признаются утратившими силу целый ряд нормативных актов, которыми
ранее регулировались отношения в данной области: Гражданский кодекс РСФСР, Законы РФ "Об авторском праве и смежных правах",
"О товарных знаках, знаках обслуживания и наименованиях мест происхождения товаров", "О правовой охране программ для электронных
вычислительных машин и баз данных", "О правовой охране топологий
интегральных микросхем", "О селекционных достижениях", «Патентный закон РФ» и другие нормативные акты.
Правовая охрана результатов интеллектуальной деятельности в
области биотехнологий является необходимым условием дальнейшего
эффективного развития многих сфер деятельности человека (медицина,
сельское хозяйство, охрана окружающей среды, легкая, пищевая, фармацевтическая и другие отрасли промышленности). Из нескольких
форм правовой охраны результатов творчества мировая практика пошла
по пути охраны новых биотехнологических продуктов, выдавая патенты
на изобретение, хотя некоторые категории таких продуктов лишь условно вписываются в понятие изобретения. Основным аргументом в
пользу выбранной формы охраны послужило то, что по сравнению с
другими формами охрана патентом на изобретение является наиболее
«сильной» и надежной в условиях жесткой конкуренции.
Контрольные вопросы
1. Что такое патент и его роль в развитии биотехнологии?
2. Что такое ВОИС и какова история ее создания?
3. Какова роль правовой охраны результатов интеллектуальной
деятельности в области биотехнологиии?
4. Что предполагает комплексный подход к защите интеллектуальной собственности?
5. Чем регулируется законодательство об авторском праве в РФ?
119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Биотехнология вносит весомый вклад в повышение уровня жизни человека, решая такие проблемы, как загрязнение окружающей
среды, нехватка продовольствия, регулирование репродукции живого
мира, профилактика и лечение инфекционных и неинфекционных болезней, поиск альтернативных источников энергии и др.
Биотехнология по прошествии более 20 лет с того момента, когда она была признана ЮНЕСКО (UNESCO), стала одним из важнейших направлений международного сотрудничества в области науки и техники, превратившись в биоиндустрию. Долгосрочные разработки современных направлений молекулярной биологии, генетической и клеточной инженерии крепко связали эту индустрию с биотехнологическими исследованиями.
Развитие всех современных направлений биотехнологии происходит настолько быстро, что точные прогнозные оценки в этой области
весьма затруднительны. Биологические технологии целиком базируются
на достижениях науки. При этом то, что лишь недавно было предметом
лабораторных исследований, сегодня активно внедряется в производство.
В настоящее время многие фарм- и биопрепараты производятся
современными методами с использованием генетической и клеточной
инженерии, а не только путем микробной ферментации. Получение
многих необходимых человеку белков в трансгенных животных в
ближайшие годы станет реальностью.
В последние годы многочисленные исследования показали перспективность ряда методов (ПЦР, секвенирование и др.) для решения
не только фундаментальных, но и прикладных задач благодаря их высокой чувствительности и специфичности.
Из других достижений биотехнологии, использумых в различных областях деятельности человека, следует отметить моноклональные антитела, биосенсоры, биочипы, наноконструкции, созданные в
результате успешной работы нанотехнологов. Несомненно, огромным
успехом биотехнологии в медицине является терапия генов. Однако
при реализации этого направления возникает ряд нерешенных вопросов этического характера. В связи с достижениями в области клонирования живых существ государства - члены ЮНЕСКО приняли в
1997 году Всеобщую декларацию о геноме человека и правах человека – первый международный документ, связанный с этикой генетиче120
ских исследований. Декларация устанавливает всеобщие этические
стандарты исследований в этой области и осуществления их на практике, которые создают равновесие между свободой ученых на продолжение их деятельности и необходимостью охраны прав человека и
защиты человечества от потенциального попрания этих прав.
Увеличивающееся число биотехнологических предприятий создает потребность в биотехнологах. Многие университеты в мире разработали программы обучения в области биотехнологии в виде независимых
программ или программ в рамках существующих специальностей.
С целью решения этой задачи в Российской Федерации организован Национальный центр подготовки кадров биотехнологов как ключевое звено системы подготовки биотехнологов. Новая система подготовки
кадров высшей квалификации в биотехнологии включает практическое
обучение по новейшим экспериментальным методам; осуществление
инновационной деятельности в научной и образовательной сферах; внедрение телекоммуникационных и информатизационных систем с целью
интеграции Национального научно-образовательного биотехнологического центра с НИИ и вузами биотехнологического профиля. В рамках
Программы «Развитие биотехнологии в России на 2006 – 2015 годы» будут созданы региональные центры подготовки кадров для отечественной
биотехнологии и разработана система дистанционного обучения для
подготовки, переподготовки и повышения квалификации специалистовбиотехнологов в различных регионах РФ.
Список сокращений
Вирус ОВ — вирус обезьяний вакуолизирующий.
ВИЧ — вирус иммунодефицита человека.
ГМО — генетически модифицированный организм.
Да — дальтон.
ПАВ — поверхностно-активные вещества.
ПХБ — полихлорированные бифенилы.
CMV — цитомегаловирус.
ЕЭК — Европейская экономическая комиссия при ООН.
ЕС — Европейское сообщество.
СБСЕ — Совещание по безопасности и сотрудничеству в Европе (с 01.01.1995 – ОБСЕ).
121
UNESCO (ЮНЕСКО) — United Nations Educational, Scientific
and Cultural Organization (Отдел Организации Объединённых Наций
по вопросам образования, науки и культуры).
DARPA — Defense Advanced Research Projects Agency (Управление
перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ).
EFSA — European Food Safety Authority (Европейская служба
безопасности продовольствия).
FAO — Food and Agricultural Organization UN (Организация
продовольствия и сельского хозяйства при ООН).
UIBPIP (БИРПИ) — United International Bureau for the Protection
of Intellectual Property (Международное бюро по защите прав интеллектуальной собственности).
UNCTAD — United Nations Conference on Trade and Development
(Конференция ООН по торговле и развитию).
UNIDO — Центр промышленного развития при ООН.
WIPO — World Intellectual Property Organisation (Всемирная организация интеллектуальной собственности).
WTO — World Trade Organization (Всемирная торговая организация).
Список терминов
Аквакультура — контролируемое производство живых организмов, обитающих в воде.
Ангиогенез — процесс образования новых кровеносных сосудов в органе или ткани.
Биоконверсия энергии — способы трансформации одних форм
энергии в другие на основе биологических принципов и материалов.
Биомагнификация — это увеличение концентрации токсичных
химических веществ, например пестицидов, при прохождении через
продовольственную цепочку.
Вектор — молекула ДНК, способная к включению чужеродной
ДНК и к автономной репликации, служащая инструментом для введения генетической информации в клетку.
Гаплоидный — организм или клетка с одинарным (гаплоидным) набором хромосом.
Гликопротеин — белок, соединенный с молекулой сахара.
122
Геномика — структурная геномика – содержание и организация
геномной информации; функциональная геномика – реализация информации, записанной в геноме.
Гидробионт — организм, постоянно обитающий в водной среде
или живущий в воде часть своего жизненного цикла.
Диазотрофность — способность некоторых бактерий фиксировать атмосферный азот.
Зоонозы – группа инфекционных болезней животных, передающихся человеку.
Интерлейкины — факторы межклеточного взаимодействия в
иммунном ответе, являющиеся медиаторами иммунитета.
Конъюгация — способ обмена генетической информацией у
бактерий, при котором вследствие физического контакта между клетками происходит перенос клеточной, плазмидной или транспозонной
ДНК от клетки-донора реципиенту.
Меласса — патока кормовая, отход свеклосахарного производства.
Микориза — симбиотическое обитание грибов на корнях высших растений.
Плазмиды — дополнительные факторы наследственности, расположенные в прокариотах клетках вне хромосом и представляющие
собой кольцевые или линейные молекулы ДНК.
Пробиотики — бактерийные препараты из живых микробных
культур, предназначенные для коррекции микрофлоры хозяина и лечения ряда заболеваний.
Протеомика —наука, изучающая белки и их взаимодействия в
живых организмах.
Реактогенность — связанные с вакциной побочные эффекты.
Реколцинтранты — трудно разрушаемые вещества.
Рециклизация — повторное использование какого-либо материала.
Секвенирование — определение первичной аминокислотной
или нуклеотидной последовательности биополимеров (белков и нуклеиновых кислот, ДНК и РНК).
Солюбилизация — образование микроэмульсий из мицелл
ПАВ или глобул макромолекул и не растворимых в них низкомолекулярных веществ.
Трансдукция — перенос фрагментов ДНК с помощью бактериофага.
123
Трансплантат — любой орган, ткань или часть тела, используемые для трансплантации (пересадки) с целью их замены в поврежденном организме.
Транспозоны — один из классов мобильных элементов генома,
которые, встраиваясь в геном, могут вызывать мутации.
Трансформация — изменение наследственных свойств клетки,
вызванное поглощенной ДНК.
in silico — термин, обозначающий компьютерное моделирование эксперимента, чаще биологического. Он был создан по аналогии с
терминами in vivo и in vitro.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Волова, Т. Г. Биотехнология / Т.Г. Волова. – Новосибирск:
Изд-во Сибирского отделения РАН, 1999. – 252 с. – ISBN 5-7692-0204-1.
2. Егорова, Т. А. Основы биотехнологии : учеб. пособие для вузов. / Т. А. Егорова, С. М. Клунова, Е. А. Живухина. – М. : Academia,
2003. – 208 с. – ISBN 5-7695-1022-6.
3. Елдышев, Ю. Н. Современная биотехнология: мифы и реальность / Ю.Н. Елдышев. – М. : Тайдекс Ко, 2004. – 196 с. – ISBN 594702-028-9.
4. Елинов, Н. П. Основы биотехнологии : учеб. пособие / Н.П. Елинов. – СПб. : Наука, 1995. – 600 с. – ISBN 5-02-026027-4.
5. Никульников, В. С. Биотехнология в животноводстве / В.С. Никульников, В.К. Кретинин. – М. : Колос, 2007. – 544 с. – ISBN: 978-5-10003966-2.
6. Попова, Т. Е. Биотехнология и социум : монография / Т. Е. Попова, Е. В. Попова. – М. : Наука, 2000. – 108 с. – ISBN 5-02-008418-2.
7. Рогов, И. А. Пищевая биотехнология : учебник для вузов : в 4 кн. /
И. А. Рогов, Л. В. Антипова, Г. П. Шуваева. – М. : Колос, 2004 -. Кн. 1 :
Основы пищевой биотехнологии, 2004. – 440 с. – ISBN 5-9532-0104-4.
8. Spada S., Walsh G. Directory of Approved Biopharmaceutical Products University of Limerick, Ireland, 2004. – 336 p. ISBN: 9780415263689.
9. Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru
10. Официальный сайт ВОИС http://www.wipo.int
11. Веб-сайт американского патентного ведомства. http://
www.uspto.org, http:// www.uspto.gov
124
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение………………………………………………………………….3
Лекция 1. Биотехнология в медицине…………………………….........5
1.1. Фармацевтические и биофармацевтические препараты.......6
1.2. Использование трансгенных растений и животных
в медицине...............................................................................19
1.3. Генотерапия………………………………………………......21
Лекция 2. Биотехнология в сельском хозяйстве…………………........23
2.1. Биотехнология в животноводстве…………………………...24
2.2. Биотехнология в растениеводстве.……………………….....30
Лекция 3. Биотехнология и получение химических веществ………..38
3.1. Органические кислоты…………………………………….....39
3.2. Аминокислоты …………………………………………..…...40
3.3. Биополимеры………………………………………………....41
3.4. Антибиотики и ферменты…………………………………....44
3.5. Биогидрометаллургия………………………………………..45
Лекция 4. Биотехнология и окружающая среда……………………....47
4.1. Утилизация отходов………………………………………....47
4.2. Утилизация твердых отходов……………………...……......51
4.3. Очистка сточных вод……………………………………......59
4.4. Борьба с загрязнением воздушного бассейна.……………..62
Лекция 5. Биотехнология в пищевой промышленности……………..64
5.1. Получение продуктов питания и напитков путем
ферментации............................................................................65
5.2. Пищевой белок……………………………………………….73
5.3. Продукты из генетически модифицированных
организмов (ГМО)...................................................................76
Лекция 6. Биотехнология и получение энергии……………………....77
6.1. Субстраты для получения энергии………….……….....78
6.2. Получение этанола, метана и водорода…………..........81
6.3. Дизельное топливо из рапсового масла…………….....87
6.4. Микробное превращение нефти…………………….....87
Лекция 7. Биологическое оружие и биотерроризм……………...…....89
7.1. Патогены для биологического оружия……………….….....91
7.2. История применения биологического оружия………….....93
7.3. Средства и методы защиты от биологического оружия......97
125
Лекция 8. Безопасность биотехнологических производств
и продуктов..........………………………………………………………101
8.1. Безопасность биотехнологических производств...……..…101
8.2. Безопасность полученных продуктов…………………..…104
Лекция 9. Патентование биотехнологических изобретений………..112
9.1. Краткая стория развития патентной службы………….......113
9.2. Законодательство Российской Федерации
по интеллектуальной собственности………………….…..117
Заключение…………………………………………………………......120
Список сокращений……………………………………………............121
Список терминов…………………………………………………….....122
Библиографический список…………………………………………...124
126
Учебное издание
РЫБАКОВ Сергей Сергеевич
КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ОСНОВАМ БИОТЕХНОЛОГИИ
В двух частях
Ч.1. Применение биотехнологии
Подписано в печать 22.04.10.
Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 7,44. Тираж 70 экз.
Заказ
Издательство
Владимирского государственного университета
600000, Владимир, ул. Горького, 87.
127