Биотехнология: что это, её объекты и этапы развития

Хлеб, кефир и вино люди делали задолго до того, как узнали о существовании микробов. Сегодня с помощью живых клеток получают инсулин и вакцины, лимонную кислоту и витамины, ферменты для стиральных порошков и корм для скота, выращивают безвирусный посадочный материал картофеля и клонируют животных. Всё это — биотехнология. Разберём, что это за область, какие живые системы она использует, как устроено биотехнологическое производство и какой путь прошла эта наука от первых заквасок до редактирования генома. Статья открывает серию «Биотехнология» — по элементу 3.7 кодификатора ЕГЭ.

• 1. Что такое биотехнология
• 2. Почему живая клетка — хорошая фабрика
• 3. Направления биотехнологии
• 4. Объекты биотехнологии: обзор
• 5. Микроорганизмы — главные работники биотехнологии
• 6. Культуры клеток и тканей
• 7. Ферменты и иммобилизованные клетки
• 8. Как устроено биотехнологическое производство
• 9. Ферментёр (биореактор)
• 10. Этапы развития биотехнологии
• 11. Что даёт биотехнология: продукты по отраслям
• 12. Биобезопасность и этика
• 13. Биотехнология в нашей стране
• 14. На каких науках стоит биотехнология
• 15. Перспективы
• 16. Карта серии «Биотехнология»
• 17. Итог: что важно знать
• 18. Частые ошибки
• 19. Интересные факты
• 20. Частые вопросы
• 21. ЕГЭ
• 22. Для олимпиад
• 23. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое биотехнология

Биотехнология — это использование живых организмов, их клеток, органоидов и биологически активных веществ (прежде всего ферментов) для получения полезных человеку продуктов и выполнения нужных процессов. Короче говоря, это производство с помощью живого. В слове соединились три греческих корня: bios — жизнь, techne — искусство, мастерство, logos — учение.

Ключевая мысль определения — живая система работает как «фабрика». Человек не синтезирует инсулин сам в колбе, а заставляет это делать бактерию; не выращивает сто тысяч картофельных клубней из семян, а получает их из кусочков ткани одного растения; не придумывает химическую реакцию превращения сахара в спирт, а поручает её дрожжам. Задача биотехнолога — выбрать подходящий живой объект, при необходимости улучшить его и создать условия, в которых он даст как можно больше нужного продукта.

Термин «биотехнология» впервые употребил в 1919 г. венгерский инженер-агроном Карл Эреки. Он называл так любые работы, в которых сырьё превращается в продукт с помощью живых организмов, — его интересовало промышленное откармливание свиней на сахарной свёкле. Широко слово вошло в обиход только в 1970-е гг., когда появилась генная инженерия и стало ясно, что живые клетки можно не только использовать, но и перестраивать.

Традиционная и современная биотехнология

Принято различать два больших пласта.

• Традиционная биотехнология использует организмы такими, какими их дала природа или вековой отбор: дрожжи в хлебопечении, пивоварении и виноделии, молочнокислые бактерии в получении кефира, йогурта, сыра, квашеной капусты, уксуснокислые бактерии в производстве уксуса. Ей тысячи лет.
• Современная (новая) биотехнология опирается на знания о клетке и гене. Её методы — генная и клеточная инженерия, культивирование клеток и тканей, клонирование, получение моноклональных антител, редактирование генома. Её история начинается в 1970-х.

Граница условна: современный пивовар пользуется штаммами, улучшенными методами генетики, а генно-инженерный инсулин получают в таких же ферментёрах, в каких раньше выращивали дрожжи. Но для экзамена деление важно: в кодификаторе традиционная биотехнология названа отдельно — «хлебопечение, получение кисломолочных продуктов, виноделие».

Чем биотехнология отличается от химической технологии

Химик-технолог проводит реакции при высокой температуре и давлении, с катализаторами из металлов, в агрессивных средах. Живая клетка проводит тысячи реакций одновременно при температуре около 30–37 °С, нормальном давлении и в нейтральной водной среде. Её катализаторы — ферменты — работают в миллионы раз быстрее большинства небиологических катализаторов и обладают поразительной избирательностью: фермент узнаёт одну молекулу среди тысяч похожих и проводит с ней строго определённое превращение.

Отсюда главные достоинства биотехнологических процессов:

• мягкие условия — меньше затрат энергии, проще оборудование;
• высокая специфичность — меньше побочных продуктов, легче очистка;
• синтез сложнейших молекул — белков, антибиотиков, витаминов, которые химически получить невозможно или крайне дорого;
• возобновляемое сырьё — сахар, крахмал, меласса, отходы сельского хозяйства, иногда даже метанол или углекислый газ;
• самовоспроизведение «катализатора» — клетки размножаются, и производитель получает новую порцию «фабрик» почти бесплатно.

Есть и недостатки. Живое капризно: заражение посторонними микробами (контаминация) губит целую партию; клетки чувствительны к температуре, кислотности, концентрации продукта; продукт приходится выделять из огромного объёма воды, и очистка порой стоит дороже самого синтеза. Поэтому биотехнология — это всегда союз биологии и инженерии.

2. Почему живая клетка — хорошая фабрика

Чтобы понять, почему человек так охотно поручает производство микроорганизмам, полезно сравнить «производительность» разных живых систем.

Бактерия кишечная палочка (Escherichia coli) в хороших условиях делится примерно раз в 20 минут. Значит, за час из одной клетки получается 8, за 8 часов — 2²⁴, то есть около 17 миллионов клеток. Конечно, такой экспоненциальный рост не может продолжаться долго: кончается пища, накапливаются продукты обмена. Но в промышленном ферментёре, где питательные вещества непрерывно подаются, а продукты отводятся, бактерии и дрожжи способны удваивать свою массу за часы. Корова удваивает массу тела за месяцы, а пшеница даёт урожай раз в год.

Вторая причина — огромная удельная поверхность. Чем мельче клетка, тем больше её поверхность приходится на единицу объёма, тем быстрее она поглощает вещества из среды и выделяет продукты. У бактерии диаметром около 1 мкм поверхность, приходящаяся на единицу объёма, примерно в 20 раз больше, чем у клетки животного диаметром 20 мкм, — и в расчёте на единицу массы она поглощает вещества и выделяет продукты во много раз быстрее.

Третья причина — генетическая податливость. Геном бактерии невелик, многие полностью прочитаны; бактерии гаплоидны, и любое изменение гена сразу проявляется. В клетку легко ввести плазмиду — небольшую кольцевую ДНК с нужным геном. Поэтому именно бактерии стали первыми объектами генной инженерии.

Четвёртая — метаболическое разнообразие. Среди микроорганизмов есть виды, которые питаются метаном, серой, нефтью, целлюлозой, живут при 90 °С или в насыщенном рассоле. Это даёт биотехнологии почти неограниченный выбор «химиков», каждый со своим набором реакций.

3. Направления биотехнологии

Биотехнологию делят двумя способами: по методам (каким способом работают с живым) и по областям применения (для чего).

По методам

Эти направления постоянно переплетаются. Чтобы получить трансгенное растение, сначала методами генной инженерии создают нужную ДНК, затем вводят её в клетки в культуре (клеточная инженерия) и выращивают из них растение. Чтобы клонировать животное, используют культуру клеток, пересадку ядра и пересадку эмбриона приёмной матери.

По областям применения: «цвета» биотехнологии

В научно-популярной и деловой литературе прижилась цветовая классификация. Она неофициальна, но удобна.

• Красная — медицинская: лекарства, вакцины, диагностика, генная и клеточная терапия.
• Зелёная — сельскохозяйственная: новые сорта, микроклональное размножение, биоудобрения, биологическая защита растений.
• Белая — промышленная: ферменты, органические кислоты, спирты, биопластики, биотопливо.
• Синяя — морская: использование водорослей и морских организмов, аквакультура.
• Серая (иногда — экологическая) — очистка сточных вод, переработка отходов, восстановление загрязнённых почв.

На ЕГЭ эти цвета не спрашивают; но они помогают помнить, как широко применяется биотехнология: от медицины до очистки воды.

Пищевая биотехнология

Отдельно выделяют пищевую биотехнологию. Она старше всех остальных: брожение использовали шумеры и египтяне. Сегодня она включает не только хлеб, сыр и вино, но и производство заквасок, пищевых кислот (лимонной, молочной, уксусной), ферментов для сыроделия и хлебопечения, загустителей (ксантановой камеди), аминокислот-усилителей вкуса (глутамата натрия), подсластителей. Традиционной биотехнологии посвящена третья статья серии.

Экологическая биотехнология

Самая масштабная по объёму переработанного вещества — экологическая биотехнология. Городские очистные сооружения — это огромные «ферментёры» под открытым небом: в аэротенках активный ил — сообщество бактерий и простейших — окисляет органические вещества сточных вод. В метантенках другие микроорганизмы без доступа кислорода превращают осадок в биогаз, состоящий в основном из метана и углекислого газа. Микроорганизмы применяют для очистки почв от нефти, для извлечения меди и урана из бедных руд (бактериальное выщелачивание), для компостирования.

4. Объекты биотехнологии: обзор

Объект биотехнологии — это живая система или её часть, которую используют для получения продукта. Кодификатор называет главные из них: «клеточные и тканевые культуры, микроорганизмы» [1]. Полный список шире.

Таблицу удобно читать по горизонтали: каждой группе объектов соответствуют свои продукты. Для ЕГЭ достаточно уверенно знать две большие группы — микроорганизмы и культуры клеток и тканей — и уметь привести примеры того, что получают с их помощью.

5. Микроорганизмы — главные работники биотехнологии

Микроорганизмы — это организмы, видимые только в микроскоп: бактерии, археи, микроскопические грибы (дрожжи и плесени), одноклеточные водоросли, простейшие. В биотехнологии используют в основном бактерии и грибы. Подробно о них — во второй статье серии; здесь — главное.

Почему именно микроорганизмы составляют основу биотехнологической промышленности:

1. Быстрый рост: поколения сменяются за десятки минут или часы.
2. Высокая интенсивность обмена благодаря малым размерам.
3. Неприхотливость: многие растут на простых и дешёвых средах — мелассе (отходе сахарного производства), кукурузном экстракте, гидролизатах древесины, сыворотке.
4. Разнообразие обмена веществ: брожение, дыхание, хемосинтез, фотосинтез, способность разлагать необычные вещества.
5. Простота генетических манипуляций: мутации легко получить и отобрать, гены легко перенести.
6. Возможность выращивания в огромных объёмах — в ферментёрах на десятки и сотни кубометров.

Микроорганизм, который в промышленных условиях образует нужный продукт, называют продуцентом, а его улучшенную, генетически однородную культуру — штаммом. Штамм в микробиологии — то же, что сорт у растений и порода у животных.

Что микроорганизм может производить

Продукты микробиологического синтеза делят на три группы.

• Сама биомасса — клетки целиком: пекарские и кормовые дрожжи, белковые добавки из микроводорослей, бактериальные удобрения, закваски, пробиотики.
• Первичные метаболиты — вещества, без которых клетка не может расти: аминокислоты, нуклеотиды, витамины, органические кислоты, спирты. Их клетка образует во время роста.
• Вторичные метаболиты — вещества, не нужные для роста, но полезные в природе для конкуренции и защиты: антибиотики, пигменты, токсины, некоторые алкалоиды. Их образование часто начинается, когда рост замедляется.

К ним добавляется четвёртая группа, появившаяся благодаря генной инженерии: чужеродные (рекомбинантные) белки — инсулин, гормон роста, интерфероны, факторы свёртывания крови, антигены для вакцин. Клетка синтезирует их не для себя, а потому, что в неё ввели ген человека или вируса.

6. Культуры клеток и тканей

Культура клеток (тканей) — это клетки или кусочки ткани многоклеточного организма, которые выращивают вне организма, в стерильной питательной среде. Термин «in vitro» (лат. «в стекле») как раз и означает «в пробирке», в отличие от «in vivo» — «в живом организме».

Культуры клеток позволяют сделать то, что недоступно при работе с целым организмом:

• получать вещества, которые образуются только в клетках растений или животных (например, сложные белки человека с правильно присоединёнными углеводными цепями);
• размножать ценные растения в огромных количествах из крошечного кусочка ткани;
• оздоравливать растения от вирусов;
• соединять клетки, которые никогда не встретились бы в природе, — например, клетки картофеля и томата или лимфоцит и опухолевую клетку;
• изучать действие лекарств и ядов, не ставя опытов на животных.

Растения и животные: разные возможности

Между культурами растительных и животных клеток есть принципиальное различие. Многие клетки растений сохраняют тотипотентность — способность при подходящих условиях дать начало целому организму. Из одной клетки каллуса, получившей нужное соотношение фитогормонов (ауксинов и цитокининов), может вырасти полноценное растение с корнями, стеблем и цветками. На этом основаны микроклональное размножение и получение трансгенных растений.

Специализированные клетки животных и человека такой способностью в естественных условиях не обладают. Из клетки кожи в пробирке не вырастет мышь. Целый организм можно получить только из зиготы, из клеток раннего зародыша или — через сложную процедуру пересадки ядра в яйцеклетку, то есть клонирование. Культуры животных клеток используют главным образом как «фабрики» веществ, для получения вакцин и для медицины.

Культурам растительных клеток посвящена пятая статья серии, культурам животных клеток — шестая.

Ткани и органы в пробирке

От культуры отдельных клеток отличают культуру тканей (кусочек ткани с сохранённой структурой) и культуру органов (зачаток органа или срез, поддерживаемый живым). В последние годы появились органоиды — трёхмерные структуры, которые стволовые клетки сами формируют в специальной среде: «мини-кишечник», «мини-печень», «мини-мозг» размером в несколько миллиметров. Это не органы, способные заменить настоящие, но очень ценные модели для изучения болезней и проверки лекарств.

7. Ферменты и иммобилизованные клетки

Иногда для производства нужна не вся клетка, а лишь один её фермент. Тогда фермент выделяют и очищают. Так поступают, когда превращение требует одной-двух реакций, а остальной обмен клетки только мешал бы, расходуя сырьё на рост.

Классический пример — получение глюкозо-фруктозного сиропа. Крахмал кукурузы сначала расщепляют амилазами до глюкозы, затем фермент глюкозоизомераза превращает часть глюкозы во фруктозу, которая слаще. Так получают дешёвый заменитель сахара для напитков и кондитерских изделий.

Дорогой фермент жалко использовать один раз. Поэтому его иммобилизуют — закрепляют на нерастворимом носителе (гранулах полимера, стекла, геля). Через колонку с такими гранулами пропускают раствор сырья, на выходе получают продукт, а фермент остаётся в колонке и работает неделями. Точно так же можно иммобилизовать и целые клетки — их заключают в гель альгината или другого полимера.

Ферменты, полученные биотехнологическим путём, используют:

• в моющих средствах — протеазы, липазы и амилазы разрушают белковые, жировые и крахмальные пятна при низкой температуре стирки;
• в сыроделии — химозин (сычужный фермент) свёртывает молоко; сегодня его в основном получают с помощью генно-инженерных микроорганизмов, а не из желудков телят;
• в хлебопечении, пивоварении, производстве соков — для расщепления крахмала, пектина, белков;
• в медицине — для растворения тромбов, в диагностических тест-системах (например, глюкозооксидаза в глюкометрах);
• в молекулярной биологии — рестриктазы, лигазы, ДНК-полимеразы, без которых невозможна генная инженерия.

8. Как устроено биотехнологическое производство

Любое биотехнологическое производство — от пивоварни до завода инсулина — проходит одни и те же этапы. Их удобно разделить на подготовительную стадию, собственно биосинтез и выделение продукта.

1. Выбор и получение продуцента

Сначала нужен организм, способный образовывать продукт. Его ищут в природе (в почве, воде, на растениях, в продуктах брожения), затем улучшают: мутагенезом и отбором, методами генной инженерии, иногда слиянием клеток. Готовый штамм хранят в коллекции — в замороженном или высушенном состоянии, чтобы он не менялся.

2. Подготовка питательной среды

Среда должна содержать источник углерода и энергии (сахар, крахмал, меласса, спирт, иногда метан или метанол), источник азота (соли аммония, мочевина, кукурузный экстракт, соевая мука), фосфор, серу, микроэлементы, иногда витамины и стимуляторы. Состав подбирают так, чтобы клетки образовывали больше продукта, а не просто росли.

3. Стерилизация

Среду, воздух и сам аппарат стерилизуют: среду — нагреванием паром, воздух — пропусканием через фильтры. Посторонние микробы, попавшие в ферментёр, могут вытеснить продуцента или испортить продукт.

4. Получение посевного материала

Из пробирки с коллекционным штаммом культуру последовательно наращивают: колба — маленький ферментёр — посевной аппарат. Каждый шаг увеличивает объём в 10–20 раз. Это нужно, чтобы в большой ферментёр внести сразу много активных клеток и они быстро заняли среду.

5. Ферментация (биосинтез)

Основная стадия: клетки растут в ферментёре и образуют продукт. Технологи следят за температурой, кислотностью (pH), подачей воздуха и перемешиванием, образованием пены, концентрацией питательных веществ. Термином «ферментация» в биотехнологии называют любое выращивание микроорганизмов в аппарате, даже если идёт не брожение, а аэробное дыхание.

6. Выделение и очистка продукта

Из культуральной жидкости отделяют клетки (фильтрованием, центрифугированием). Если продукт выделяется в среду — его извлекают из жидкости; если остаётся в клетках — клетки разрушают. Затем продукт концентрируют и очищают: осаждением, экстракцией, хроматографией, кристаллизацией. Для лекарств очистка особенно строга: в инсулине не должно быть ни бактериальных белков, ни следов ДНК продуцента.

7. Получение товарной формы и контроль

Продукт сушат, гранулируют, разливают, проверяют на чистоту и активность. Отходы — биомассу, отработанную среду — перерабатывают, часто на корм или удобрения.

9. Ферментёр (биореактор)

Ферментёр, или биореактор, — это аппарат для выращивания микроорганизмов или клеток в контролируемых условиях. Промышленный ферментёр — это стальная ёмкость объёмом от нескольких литров до сотен кубических метров. Самые крупные, для получения лимонной кислоты или кормового белка, сравнимы с многоэтажным домом.

Основные части ферментёра:

• корпус из нержавеющей стали, выдерживающий стерилизацию паром под давлением;
• рубашка или змеевик для охлаждения — микроорганизмы при росте выделяют много тепла, и без охлаждения культура перегреется;
• мешалка для перемешивания среды и раздробления пузырьков воздуха;
• барботёр — устройство, подающее стерильный воздух снизу мелкими пузырьками (для аэробных культур);
• датчики температуры, pH, растворённого кислорода, уровня пены;
• патрубки для подачи среды, кислоты или щёлочи, пеногасителя и для отбора проб.

Самая трудная инженерная задача — снабжение кислородом. Кислород плохо растворим в воде: в литре воды при 30 °С его растворяется всего около 7–8 мг, а густая культура потребляет его быстрее, чем он успевает раствориться. Поэтому воздух подают под давлением и интенсивно перемешивают среду. На это уходит значительная часть энергии всего производства.

Способы культивирования

• Периодическое: среду засевают, культура растёт до истощения среды, затем содержимое ферментёра сливают и выделяют продукт. Просто, но аппарат часть времени простаивает.
• Периодическое с подпиткой: питательные вещества добавляют порциями по ходу процесса, не давая им кончиться и не допуская их избытка. Так получают многие антибиотики и аминокислоты.
• Непрерывное: свежая среда постоянно поступает, а равный объём культуры постоянно отводится. Клетки всё время находятся в фазе активного роста. Так выращивали кормовые дрожжи и бактериальный белок.

Кроме того, различают глубинное культивирование (клетки растут во всём объёме жидкости — основной промышленный способ) и поверхностное (на поверхности жидкой или твёрдой среды — так получали первую лимонную кислоту, так до сих пор выращивают некоторые грибы и делают соевый соус в Азии).

10. Этапы развития биотехнологии

Историю биотехнологии обычно делят на несколько периодов. Границы между ними проводят по ключевым открытиям, после которых менялись сами возможности человека.

Эмпирический период: тысячи лет без знания о микробах

Люди пекли хлеб, варили пиво, делали вино, сыр, простоквашу, квасили овощи, вымачивали лён задолго до того, как узнали, что всё это делают микроорганизмы. Изображения пивоварения и хлебопечения известны с древнего Египта и Месопотамии; химический анализ древних сосудов показывает следы вина возрастом около 8 тысяч лет. Мастера передавали из поколения в поколение закваски и опыт: какой температуры держать тесто, сколько выдерживать сусло, как не дать вину превратиться в уксус. Сами того не зная, они вели отбор микроорганизмов: лучшие закваски сохраняли, неудачные выбрасывали. Именно поэтому промышленные пекарские и пивные дрожжи — во многом «одомашненные» организмы, генетически отличающиеся от диких.

Этот период называют эмпирическим: технология держалась на опыте, а не на понимании.

Открытие микромира и Пастер

В 1670-х гг. голландец Антони ван Левенгук в изготовленные им самим микроскопы впервые увидел «зверьков» — бактерии и простейших. Но связать их с брожением удалось лишь через два века.

В середине XIX в. одни химики считали брожение чисто химическим процессом разложения, а дрожжи — его побочным продуктом. Луи Пастер в 1850–1860-х гг. доказал, что брожение — результат жизнедеятельности микроорганизмов, причём разные брожения вызывают разные микробы: спиртовое — дрожжи, молочнокислое — молочнокислые бактерии, маслянокислое — особые бактерии, живущие без кислорода. Он же объяснил «болезни» вина и пива проникновением посторонних микробов и предложил прогревать вино до 50–60 °С, чтобы их убить. Этот способ называют пастеризацией; сегодня так обрабатывают молоко и соки.

Пастеру мы обязаны и понятием об анаэробах — организмах, живущих без кислорода. Он заметил, что дрожжи в присутствии кислорода расходуют сахар экономнее и растут лучше, а без кислорода сбраживают его в спирт.

Ферменты без клеток: опыт Бухнера

Оставался вопрос: нужна ли для брожения живая клетка целиком? В 1897 г. немецкий химик Эдуард Бухнер растёр дрожжи с песком, отжал сок и отфильтровал его. В соке не было живых клеток, но он сбраживал сахар в спирт. Так выяснилось, что брожение проводят вещества клетки — ферменты, и их можно использовать отдельно. Бухнер получил Нобелевскую премию по химии в 1907 г. Его опыт стал рождением биохимии и инженерной энзимологии.

Научный период: первые промышленные процессы

В начале XX в. появились процессы, которые сознательно создавали учёные-микробиологи.

• Во время Первой мировой войны Хаим Вейцман разработал способ получения ацетона и бутанола с помощью бактерии Clostridium acetobutylicum, сбраживающей крахмал. Ацетон был нужен для производства бездымного пороха.
• В 1910–1920-х гг. налажено промышленное получение лимонной кислоты с помощью гриба аспергилла (Aspergillus niger), который выращивали на поверхности сахарного раствора.
• Тогда же начали массово производить пекарские дрожжи на мелассе.
• Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов в 1925 г. показали, что облучение рентгеновскими лучами вызывает наследственные изменения у дрожжей и плесневых грибов, — это открыло путь искусственному мутагенезу как методу улучшения микроорганизмов.

Эра антибиотиков

Решающим для промышленной микробиологии стал пенициллин. В 1928 г. Александр Флеминг заметил, что колонии стафилококков на чашке Петри не растут рядом с плесенью пеницилла. Выделить и очистить активное вещество в количествах, нужных для лечения, смогли только в 1940 г. Говард Флори и Эрнст Чейн с коллегами в Оксфорде. Во время Второй мировой войны в США развернули промышленное производство: нашли более продуктивный штамм на заплесневевшей дыне, научились выращивать гриб не на поверхности, а в глубине среды, в больших ферментёрах с аэрацией, а затем облучением и мутагенами повысили выход пенициллина во много раз. Флеминг, Флори и Чейн получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1945 г.

За пенициллином последовали стрептомицин (Зельман Ваксман, 1943), тетрациклины и десятки других антибиотиков. Были созданы технологии глубинного культивирования, стерильной аэрации, массовой селекции штаммов — фундамент всей современной биотехнологической промышленности.

В 1950-х гг. японские исследователи (С. Киносита и коллеги) обнаружили бактерию Corynebacterium glutamicum, которая выделяет в среду много глутаминовой кислоты. С этого началось промышленное получение аминокислот микробиологическим путём, а затем и витаминов, нуклеотидов, ферментов.

Генно-инженерный период

В конце 1960-х гг. в руках биохимиков оказались инструменты для работы с ДНК: рестриктазы — бактериальные ферменты, разрезающие ДНК в строго определённых местах, и лигазы — ферменты, сшивающие её концы. В 1972 г. Пол Берг с сотрудниками впервые соединил в пробирке ДНК разных организмов — вируса SV40 и бактериофага лямбда с генами кишечной палочки [2]. Это была первая рекомбинантная ДНК.

В 1973 г. Стэнли Коэн и Герберт Бойер с коллегами встроили чужой фрагмент ДНК в бактериальную плазмиду, ввели её в кишечную палочку и показали, что плазмида размножается вместе с бактерией, а введённый ген работает [3]. Так родилась генная инженерия в современном смысле: стало возможно переносить гены между организмами и размножать их в бактериях.

Учёные сразу поняли, что новые методы несут не только пользу, но и возможные риски. В 1975 г. на конференции в Асиломаре (Калифорния) исследователи сами договорились о правилах безопасной работы с рекомбинантными ДНК — о степенях изоляции лабораторий и использовании ослабленных штаммов бактерий, не способных выжить вне лаборатории. Это редкий пример того, как наука ограничивает себя добровольно.

Дальше события развивались стремительно.

• 1975 — Жорж Кёлер и Сезар Мильштейн слили лимфоцит, вырабатывающий антитело, с опухолевой клеткой и получили гибридому — клетку, бесконечно делящуюся в культуре и производящую одно определённое антитело [4]. Так появились моноклональные антитела; Нобелевская премия 1984 г.
• 1977–1978 — в бактериях впервые синтезирован белок человека (гормон соматостатин), затем — цепи инсулина. Гены для них были синтезированы химически: нуклеотидную последовательность вычислили по известной последовательности аминокислот [5].
• 1982 — разрешён к применению первый генно-инженерный лекарственный препарат — инсулин человека, произведённый бактериями.
• 1983 — получены первые трансгенные растения (табак с геном устойчивости к антибиотику).
• 1986 — разрешена первая рекомбинантная вакцина — против гепатита B, белок оболочки вируса для неё синтезируют дрожжи.
• 1994 — в продажу поступил первый генетически модифицированный пищевой продукт — томат с замедленным размягчением плодов.
• 1996 — родилась овца Долли, первое млекопитающее, клонированное из ядра клетки взрослого животного; статья о ней опубликована в 1997 г. [6].

Геномный и постгеномный период

В 1990-х гг. началось массовое прочтение геномов. В 1995 г. впервые прочитан полный геном свободноживущего организма — бактерии Haemophilus influenzae, в 1996 г. — дрожжей, в 2000–2003 гг. — генома человека. Знание полной последовательности генов позволило целенаправленно перестраивать обмен веществ продуцентов, находить гены болезней и мишени для лекарств.

Важнейшие вехи XXI в.:

• 1998 — получены эмбриональные стволовые клетки человека;
• 2006 — Синъя Яманака получил индуцированные плюрипотентные стволовые клетки из клеток кожи мыши, введя в них всего четыре гена (Нобелевская премия 2012 г. вместе с Джоном Гёрдоном — первооткрывателем пересадки ядер у лягушек);
• 2012 — Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна показали, что бактериальную систему CRISPR-Cas9 можно перенастроить для разрезания любой выбранной последовательности ДНК; с этого началось редактирование генома (Нобелевская премия по химии 2020 г.);
• 2020 — массовое применение мРНК-вакцин против COVID-19 (Нобелевская премия 2023 г. Каталин Карико и Дрю Вайсману);
• 2023 — одобрено первое лекарство на основе редактирования генома: стволовые клетки крови пациента редактируют вне организма и возвращают ему для лечения серповидноклеточной анемии и бета-талассемии.

Сводная схема периодов

Названия периодов в разных учебниках немного различаются; важно понимать логику: от использования природных организмов — к их отбору — к пониманию механизмов — к целенаправленному конструированию.

11. Что даёт биотехнология: продукты по отраслям

Удобно запомнить по одному яркому примеру на каждую группу объектов: бактерии — инсулин и кефир, дрожжи — хлеб и вино, плесневые грибы — пенициллин и лимонная кислота, культура растительных клеток — безвирусный картофель, культура животных клеток — вакцины и моноклональные антитела.

12. Биобезопасность и этика

Биотехнология работает с живым, а живое размножается и может выйти за пределы лаборатории. Поэтому с первых шагов генной инженерии обсуждаются её риски.

Безопасная работа с микроорганизмами

Лаборатории и производства делят по уровням биологической безопасности. Чем опаснее организм, тем строже изоляция: от обычной лаборатории с мытьём рук и дезинфекцией столов — до помещений с пониженным давлением воздуха, шлюзами и защитными костюмами. Промышленные продуценты подбирают безопасными: ими служат штаммы, давно и безвредно используемые человеком (пекарские дрожжи, молочнокислые бактерии), или ослабленные лабораторные штаммы кишечной палочки, не способные заселить кишечник человека.

Генетически модифицированные организмы

Генетически модифицированный организм (ГМО) — организм, генетический материал которого изменён методами генной инженерии. Обсуждают несколько видов рисков:

• экологические — перенос генов устойчивости к гербицидам на сорняки-родичи при перекрёстном опылении, влияние на нецелевых насекомых, появление насекомых, устойчивых к белкам-инсектицидам;
• пищевые — возможная аллергенность новых белков; поэтому каждый новый продукт проверяют;
• социально-экономические — зависимость фермеров от семян нескольких компаний.

Крупные научные организации, обобщив исследования нескольких десятилетий, пришли к выводу, что разрешённые к продаже ГМ-культуры не опаснее для здоровья, чем обычные сорта. Но каждая новая генетическая конструкция требует отдельной проверки. Правила обращения с ГМО в разных странах различаются: в одних их широко выращивают, в других ограничивают. Международные правила перемещения живых ГМО между странами закреплены Картахенским протоколом по биобезопасности (2000 г.).

Этические вопросы

Самые острые этические споры касаются работы с человеком: использования человеческих зародышей для получения стволовых клеток, клонирования, редактирования генома половых клеток и зародышей (изменения передавались бы потомкам), доступности дорогих методов лечения. Репродуктивное клонирование человека запрещено законодательством многих стран, в том числе России. Редактирование генома зародышей с последующей беременностью большинство стран не допускает; когда в 2018 г. в Китае родились первые дети с отредактированным геномом, это вызвало всеобщее осуждение научного сообщества, а автор работы был осуждён.

13. Биотехнология в нашей стране

Отечественные учёные внесли большой вклад в основы биотехнологии. С. Н. Виноградский открыл хемосинтез и заложил основы экологии почвенных микроорганизмов. И. И. Мечников изучал молочнокислые бактерии и пропагандировал употребление простокваши, считая, что она подавляет гнилостные процессы в кишечнике. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов открыли мутагенное действие излучений на микроорганизмы. Д. И. Ивановский в 1892 г. открыл вирусы, изучая мозаичную болезнь табака.

В СССР во второй половине XX в. была создана крупная микробиологическая промышленность. Заводы выпускали кормовые дрожжи из гидролизатов древесины, кормовой белок, выращенный на углеводородах нефти, кормовой лизин, ферменты, антибиотики, бактериальные удобрения и средства защиты растений. Производство кормового белка из парафинов нефти позже было сокращено — из-за сомнений в безопасности остаточных углеводородов, жалоб жителей на выбросы заводов и изменения экономики.

Сегодня в России производят генно-инженерный инсулин, вакцины, моноклональные антитела, ферменты, аминокислоты; выращивают оздоровленный посадочный материал картофеля и плодовых в культуре тканей. Выращивание ГМ-растений и разведение ГМ-животных в сельском хозяйстве России запрещено законом 2016 г., кроме научных целей; генно-инженерные микроорганизмы-продуценты в промышленности используются.

14. На каких науках стоит биотехнология

Биотехнология — прикладная, «сборная» область. Каждому её шагу соответствует своя фундаментальная наука.

• Микробиология — строение, питание, размножение и разнообразие микроорганизмов; методы их выделения и выращивания в чистой культуре.
• Биохимия — пути обмена веществ, по которым клетка образует продукт; свойства ферментов.
• Генетика — наследственность и изменчивость продуцентов, мутагенез, селекция штаммов.
• Молекулярная биология — устройство и работа генов, их регуляция; методы генной инженерии.
• Цитология и эмбриология — культивирование клеток, их деление и дифференцировка, развитие зародыша.
• Иммунология — вакцины, антитела.
• Химическая технология и инженерия — аппараты, массо- и теплообмен, очистка продуктов.
• Информатика (биоинформатика) — анализ геномов, проектирование белков и метаболических путей.

Удачный биотехнологический процесс получается тогда, когда биолог понимает инженера, а инженер — биолога. Например, бактерия, прекрасно растущая в колбе, может оказаться бесполезной в промышленном ферментёре: в 100-кубометровом аппарате невозможно поддерживать одинаковые условия во всём объёме, и клетки у дна испытывают недостаток кислорода. Перенос процесса из лаборатории на завод называют масштабированием, и это отдельная сложная задача.

15. Перспективы

Главные направления, которые развиваются сегодня:

• Метаболическая инженерия и синтетическая биология — целенаправленная перестройка путей обмена микроорганизмов, вплоть до встраивания целых цепочек ферментов из разных организмов. Так дрожжи научили синтезировать предшественник противомалярийного препарата артемизинина, который раньше получали только из полыни.
• Замена нефтехимии — получение пластиков, растворителей, топлива из возобновляемого сырья: сахаров, растительных отходов, углекислого газа.
• Белок будущего — микробный белок, получаемый на водороде и углекислом газе или на метане, и мясо, выращенное из культуры клеток животных.
• Персонализированная медицина — лекарства, подобранные к генотипу пациента; клеточная терапия, при которой собственные клетки больного перепрограммируют против опухоли.
• Регенеративная медицина — выращивание тканей из стволовых клеток, «печать» тканей на биопринтерах.
• Редактирование генома растений и животных — сорта, устойчивые к засухе и болезням, без введения чужеродных генов.

Многие из этих направлений ещё далеки от массового применения, но именно они определяют, какой будет биотехнология через 20–30 лет.

16. Карта серии «Биотехнология»

Серия разбирает элемент 3.7 кодификатора ЕГЭ по биологии по порядку — от объектов к методам и медицинским применениям.

1. Биотехнология: что это, её объекты и этапы развития — эта статья.
2. Микроорганизмы как объекты биотехнологии — бактерии, дрожжи, плесневые грибы, микроводоросли; рост культуры, его фазы, способы выращивания.
3. Традиционная биотехнология — хлебопечение, кисломолочные продукты, сыр, виноделие, пиво, уксус; химия брожения.
4. Микробиологический синтез — белок, аминокислоты, витамины, органические кислоты, антибиотики, ферменты; штаммы-продуценты.
5. Культуры клеток и тканей растений — тотипотентность, каллус, микроклональное размножение, оздоровление, слияние протопластов.
6. Культуры клеток животных и человека — клеточные линии, гибридомы и моноклональные антитела, вакцины, тканевая инженерия.
7. Искусственное оплодотворение — искусственное осеменение, пересадка эмбрионов, ЭКО.
8. Клонирование животных — реконструкция яйцеклеток и метод пересадки ядер.
9. Генная и хромосомная инженерия — искусственный синтез гена, рекомбинантные ДНК, трансгенные организмы, достижения и перспективы.
10. Медицинские биотехнологии и стволовые клетки. Практикум ЕГЭ — итоговое повторение всей темы.

17. Итог: что важно знать

• Биотехнология — использование живых организмов, их клеток и биологически активных веществ для получения полезных продуктов и выполнения процессов.
• Традиционная биотехнология (хлеб, кисломолочные продукты, вино, сыр, уксус) существует тысячи лет; современная опирается на генную и клеточную инженерию и началась в 1970-е.
• Главные объекты: микроорганизмы (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, микроводоросли), культуры клеток и тканей растений и животных, ферменты, трансгенные организмы.
• Микроорганизмы удобны благодаря быстрому размножению, высокой интенсивности обмена, неприхотливости, разнообразию обмена веществ и простоте генетических манипуляций.
• Микроорганизм, образующий продукт, — продуцент; генетически однородная культура с определёнными свойствами — штамм.
• Продукты: биомасса, первичные метаболиты (аминокислоты, витамины, органические кислоты), вторичные метаболиты (антибиотики), рекомбинантные белки.
• Этапы производства: продуцент → среда → стерилизация → посевной материал → ферментация в ферментёре → выделение и очистка.
• Клетки растений тотипотентны, из них можно вырастить растение; из специализированной клетки животного целый организм в культуре не вырастить.
• Вехи: Пастер (природа брожения), Бухнер (брожение без клеток, 1897), Флеминг (пенициллин, 1928), Берг (рекомбинантная ДНК, 1972), Коэн и Бойер (плазмиды, 1973), Кёлер и Мильштейн (гибридомы, 1975), инсулин из бактерий (1982), Долли (1996), iPS-клетки (2006), CRISPR-Cas9 (2012).

18. Частые ошибки

• «Биотехнология — это то же самое, что генная инженерия». Генная инженерия — лишь одно из направлений биотехнологии. Хлебопечение, сыроделие, получение антибиотиков природными штаммами, микроклональное размножение растений — тоже биотехнология, но без генной инженерии.
• «Биотехнология появилась в XX веке». Появились термин и современные методы; сама традиционная биотехнология существует тысячи лет.
• «Штамм — это вид бактерий». Штамм — генетически однородная культура внутри вида (как сорт у растений), выделенная из одного источника или полученная селекцией. Один вид может иметь тысячи штаммов с разными свойствами.
• «Ферментация — это всегда брожение». В биохимии брожение — бескислородный способ получения энергии. В биотехнологии «ферментацией» называют любое выращивание микроорганизмов в ферментёре, в том числе аэробное — с подачей воздуха.
• «Антибиотики нужны микробу для роста». Антибиотики — вторичные метаболиты: клетка может расти без них, а образует их часто уже после окончания активного роста.
• «Из любой клетки можно вырастить организм». Это верно для многих клеток растений (тотипотентность), но не для специализированных клеток животных: для этого нужна пересадка ядра в яйцеклетку.
• «Пастер открыл микроорганизмы». Микроорганизмы впервые увидел Левенгук в XVII в. Пастер доказал, что брожения вызываются жизнедеятельностью микроорганизмов, и разработал пастеризацию.
• «Пастеризация убивает все микробы». Пастеризация уничтожает большинство вегетативных клеток бактерий, в том числе болезнетворных, но не споры. Полное уничтожение всех форм жизни — стерилизация.
• «Пенициллин открыли Флори и Чейн». Открыл действие плесени Флеминг в 1928 г.; Флори и Чейн выделили и очистили пенициллин и доказали его лечебное действие в 1940 г.
• «ГМО — это организм, в котором есть гены» или «организм, изменённый мутацией». ГМО — организм, генетический материал которого изменён методами генной инженерии. Сорта, полученные обычным мутагенезом, к ГМО по закону не относят.
• «Кишечная палочка — опасный микроб, его нельзя использовать». Большинство штаммов E. coli безвредны, а лабораторные штаммы-продуценты специально ослаблены и не выживают вне лаборатории.

19. Интересные факты

• Древнейшие найденные следы вина — в глиняных сосудах эпохи неолита с территории Грузии, им около 8 тысяч лет. Древнейшие остатки хлебоподобной пищи (лепёшек из дикорастущих злаков) найдены в Иордании, их возраст около 14 тысяч лет — они старше земледелия.
• Знаменитый лабораторный штамм кишечной палочки K-12 был выделен в 1922 г. из кала выздоравливающего больного дифтерией в Стэнфорде. Почти вся генная инженерия XX в. выполнена на его потомках.
• Штамм пеницилла, давший основу промышленного производства пенициллина, нашли в 1943 г. на заплесневевшей дыне с рынка американского города Пеория. Его потомки, улучшенные мутагенезом, образуют пенициллина в тысячи раз больше, чем исходный гриб Флеминга.
• Эдуард Бухнер растирал дрожжи с кварцевым песком и инфузорной землёй, а сок консервировал сахаром — и обнаружил, что сахарный сироп сам начинает бродить. Так случайность привела к открытию бесклеточного брожения.
• Пастер изучал не только вино, но и «болезни» шелковичных червей, спасая шелководство Франции, а также создал вакцины против сибирской язвы и бешенства.
• В одном грамме плодородной почвы — миллиарды бактериальных клеток тысяч видов, большинство которых ещё не удалось вырастить в лаборатории. Это огромный неисследованный резерв будущих продуцентов.
• Химозин, полученный с помощью генно-инженерных микроорганизмов, стал одним из первых генно-инженерных пищевых ферментов: в США его разрешили в 1990 г. Сегодня им свёртывают молоко для большой части сыров в мире.
• Сам Эреки, придумавший слово «биотехнология», работал не с микробами, а со свиньями: живые животные были для него «машинами», превращающими корм в мясо.
• На конференции в Асиломаре в 1975 г. учёные впервые в истории договорились добровольно приостановить некоторые эксперименты, пока не будут выработаны правила безопасности.
• Глутамат натрия — вещество со «вкусом умами» — открыл японский химик Кикунаэ Икэда в 1908 г. в бульоне из морской водоросли комбу. Сегодня его получают с помощью бактерий — несколько миллионов тонн в год.

20. Частые вопросы

Чем биотехнология отличается от селекции?

Селекция создаёт новые сорта, породы и штаммы — то есть улучшает сами организмы. Биотехнология использует организмы (в том числе созданные селекцией) для производства. Эти области тесно связаны: селекция штаммов микроорганизмов — первый этап любого биотехнологического процесса, а методы биотехнологии (культура тканей, генная инженерия) широко применяются в селекции растений и животных.

Почему в биотехнологии так много используют кишечную палочку, если она живёт в кишечнике?

Потому что она лучше всех изучена: её генетика, обмен веществ, регуляция генов известны в деталях, для неё разработаны десятки удобных плазмид, она быстро растёт на дешёвых средах. Лабораторные штаммы ослаблены и не способны заселить кишечник человека. Недостаток кишечной палочки — она не умеет правильно «доделывать» многие сложные белки человека (например, присоединять к ним углеводы), поэтому такие белки получают в дрожжах или клетках млекопитающих.

Зачем выращивать клетки животных, если бактерии растут быстрее?

Многие белки человека после синтеза проходят сложную обработку: к ним присоединяются углеводные цепи, образуются дисульфидные мостики, отдельные цепи собираются в комплекс. Бактерия этого не делает, а без правильной обработки белок неактивен или вызывает иммунный ответ. Клетки млекопитающих, например клетки яичника китайского хомячка, обрабатывают белки почти так же, как клетки человека. Поэтому моноклональные антитела, многие гормоны и факторы крови получают именно в культурах животных клеток, хотя это дороже.

Что такое «чистая культура»?

Культура, содержащая микроорганизмы только одного вида (а в идеале — одного штамма), потомство одной клетки. Её получают, рассевая разведённую суспензию на плотную среду: каждая отдельная клетка даёт колонию, и из неё переносят материал на новую среду. В промышленности почти всегда работают с чистыми культурами; исключения — смешанные закваски (кефирные грибки, закваски для ржаного хлеба), активный ил очистных сооружений.

Чем фермент отличается от ферментёра и ферментации?

Это слова одного корня (лат. fermentum — закваска), но разного смысла. Фермент — белок-катализатор. Ферментёр — аппарат для выращивания микроорганизмов. Ферментация — процесс выращивания микроорганизмов ради продукта. Синоним «фермента» — «энзим» (от греч. «в закваске»).

Почему продукт не всегда выгодно получать в живой клетке?

Клетка тратит часть сырья на собственный рост и дыхание, образует побочные продукты, её нужно кормить, снабжать кислородом и охлаждать, а продукт — выделять из большого объёма воды. Если вещество легко и дёшево синтезируется химически (например, многие простые органические соединения), биотехнология проигрывает. Она выигрывает там, где нужна сложная молекула с определённой пространственной структурой — белок, антибиотик, витамин B₁₂, одна из двух зеркальных форм аминокислоты.

Можно ли сказать, что человек — тоже объект биотехнологии?

В медицинской биотехнологии объектом служат клетки человека: стволовые клетки крови при пересадке костного мозга, клетки кожи при выращивании трансплантатов, половые клетки и зародыши при ЭКО, иммунные клетки при клеточной терапии опухолей. Сам человек — пациент, а не объект производства. Здесь особенно важны этические и правовые ограничения.

Почему у вирусов нет собственных ферментёров, но их используют в биотехнологии?

Вирусы не могут размножаться вне клетки, поэтому их выращивают в культурах клеток или в куриных эмбрионах — так получают многие вакцины. Кроме того, вирусы умеют проникать в клетки и доставлять туда свой генетический материал; из них, удалив опасные гены, делают векторы для переноса нужных генов в клетки растений, животных и человека (в генной терапии, в векторных вакцинах).

21. ЕГЭ

Тема относится к элементу 3.7 кодификатора [1]: «Объекты, используемые в биотехнологии, – клеточные и тканевые культуры, микроорганизмы, их характеристика. Традиционная биотехнология: хлебопечение, получение кисломолочных продуктов, виноделие. Микробиологический синтез. Объекты микробиологических технологий. Производство белка, аминокислот и витаминов. Искусственное оплодотворение. Реконструкция яйцеклеток и клонирование животных. Метод трансплантации ядер клеток. Хромосомная и генная инженерия. Искусственный синтез гена и конструирование рекомбинантных ДНК. Достижения и перспективы хромосомной и генной инженерии. Медицинские биотехнологии. Использование стволовых клеток».

Эта статья даёт основу для всего элемента: определение биотехнологии, обзор объектов, этапы производства и историю. На экзамене биотехнология встречается в заданиях на выбор верных утверждений, на соответствие (метод — пример, объект — продукт), в заданиях на анализ текста и в развёрнутых вопросах части 2: «Почему микроорганизмы широко используют в биотехнологии?», «Какие преимущества имеет получение инсулина с помощью бактерий?», «Чем культура клеток растений отличается от культуры клеток животных?».

Что обязательно знать

• Определения: биотехнология, продуцент, штамм, культура клеток и тканей, ферментёр, ГМО.
• Объекты и примеры продуктов, получаемых с их помощью.
• Особенности микроорганизмов, делающие их удобными объектами (не менее трёх).
• Отличие традиционной биотехнологии от современной.
• Основные направления: микробиологический синтез, клеточная, генная, хромосомная инженерия, клонирование.
• Тотипотентность клеток растений и её значение.

Разбор типичных формулировок

«Выберите объекты, используемые в биотехнологии». Верными будут дрожжи, молочнокислые бактерии, плесневые грибы, культура клеток, кишечная палочка, гибридомы. Ловушки — «вирус табачной мозаики как продуцент инсулина», «вирусы размножаются в питательной среде без клеток».

«Установите соответствие между продуктом и объектом». Кефир, йогурт — молочнокислые бактерии; хлеб, вино — дрожжи; пенициллин, лимонная кислота — плесневые грибы; инсулин человека — генно-инженерная кишечная палочка или дрожжи; моноклональные антитела — гибридомы; безвирусный картофель — культура верхушечной меристемы.

Часть 2: «Назовите не менее трёх причин, по которым микроорганизмы широко используют в биотехнологии». Элементы ответа: 1) высокая скорость размножения; 2) высокая интенсивность обмена веществ; 3) способность расти на дешёвых средах, в том числе на отходах; 4) разнообразие типов обмена и синтезируемых веществ; 5) простота генетических манипуляций (гаплоидность, плазмиды); 6) возможность выращивания в больших объёмах в контролируемых условиях.

22. Для олимпиад

На олимпиадах биотехнологию проверяют через количественные задачи и через понимание того, почему процесс устроен именно так. Разберём несколько ключевых расчётов.

Рост культуры: экспонента и время удвоения

При неограниченном росте число клеток за каждое время удвоения t_d увеличивается вдвое: N = N₀ · 2^t/t_d. Удельная скорость роста μ связана со временем удвоения: μ = ln 2 / t_d ≈ 0,693 / t_d.

Пример. В среду внесли 10⁶ клеток кишечной палочки на миллилитр, время удвоения 20 мин. Когда плотность достигнет 10⁹ клеток/мл? Нужно увеличение в 1000 раз ≈ 2¹⁰, то есть 10 удвоений, около 200 мин — немногим более трёх часов. Отсюда понятно, почему посторонний микроб, попавший в ферментёр с небольшим запасом, за ночь может заполонить весь аппарат.

Экономический коэффициент и эффект Пастера

Экономический коэффициент (выход биомассы) — масса образовавшихся клеток на единицу израсходованного субстрата: Y = ΔX / ΔS. У дрожжей, растущих на глюкозе с кислородом, он составляет около 0,5 г сухой биомассы на грамм глюкозы, а при брожении — лишь около 0,1 г/г. Причина — энергетика: при полном окислении глюкозы до CO₂ и воды клетка получает около 30 молекул АТФ на молекулу глюкозы, а при спиртовом брожении — только 2. Поэтому пекарские дрожжи выращивают с интенсивной аэрацией (нужна биомасса), а для получения вина и спирта аэрацию ограничивают (нужен спирт). Подавление брожения кислородом заметил ещё Пастер — это явление называют эффектом Пастера.

Интересно, что при высокой концентрации сахара пекарские дрожжи бродят даже в присутствии кислорода (так называемый эффект Кребтри). Поэтому при промышленном выращивании дрожжей мелассу подают постепенно, малыми порциями — периодическое культивирование с подпиткой, — чтобы сахар не накапливался и не уходил в спирт.

Теоретический выход продукта

По уравнению спиртового брожения C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ из 180 г глюкозы получается 2 · 46 = 92 г этанола, то есть теоретический выход — 92/180 ≈ 0,511 г/г. Реальный выход меньше (около 90–95 % от теоретического), потому что часть сахара идёт на рост дрожжей и побочные продукты (глицерин, органические кислоты).

Почему так трудно снабдить культуру кислородом

В насыщенной воздухом воде при 30 °С растворено около 7,5 мг кислорода на литр. Густая аэробная культура дрожжей (10 г сухой биомассы на литр) потребляет примерно 2,6 г кислорода на литр в час. Если прекратить подачу воздуха, растворённого кислорода хватит на 0,0075 / 2,6 ч ≈ 0,003 ч, то есть всего на 10 секунд. Значит, кислород нужно непрерывно переносить из пузырьков в жидкость, и скорость этого переноса часто ограничивает производительность ферментёра.

Отношение поверхности к объёму

У шара отношение поверхности к объёму равно 3/r. Для бактерии радиусом 0,5 мкм это 6 мкм⁻¹, для клетки животного радиусом 10 мкм — 0,3 мкм⁻¹, в 20 раз меньше. Чем выше отношение, тем больше молекул может войти в клетку и выйти из неё в единицу времени на единицу объёма, — одна из причин высокой интенсивности обмена у бактерий.

Хемостат: вымывание культуры

При непрерывном культивировании в хемостате среда поступает со скоростью F (л/ч) в аппарат объёмом V, и столько же культуры вытекает. Отношение D = F/V называют скоростью разбавления. В устойчивом состоянии клетки растут ровно с той скоростью, с какой их вымывает: μ = D. Если задать D больше максимальной удельной скорости роста μ_max, культура не успевает размножаться и вымывается из аппарата. Например, для дрожжей с μ_max ≈ 0,4 ч⁻¹ в аппарате на 10 м³ подача среды не может превышать 4 м³/ч.

Олимпиадные вопросы на понимание

• Почему антибиотики образуются в основном после окончания быстрого роста культуры? (Вторичные метаболиты; их синтез часто включается при истощении питательных веществ — в природе это позволяет подавить конкурентов, когда ресурсов становится мало.)
• Почему многие белки человека нельзя получить в кишечной палочке в активной форме? (Нет системы присоединения углеводных цепей и сложной укладки; белок может собираться в нерастворимые тельца включения.)
• Почему при масштабировании процесса из колбы в ферментёр на 100 м³ выход может упасть? (Ухудшается перемешивание и перенос кислорода, появляются зоны с разной концентрацией субстрата и кислорода, растут затраты на охлаждение.)

23. Задания с разбором

Задание 1

Дайте определение биотехнологии и приведите по одному примеру традиционной и современной биотехнологии.

Задание 2

Выберите три верных утверждения. 1) Штамм — это вид бактерий. 2) Продуцент — организм, образующий нужное вещество. 3) Клетки растений обладают тотипотентностью. 4) Пастеризация уничтожает споры бактерий. 5) Антибиотики — вторичные метаболиты. 6) Вирусы выращивают на питательных средах без клеток.

Задание 3

Установите соответствие между продуктом и объектом биотехнологии: А) пенициллин; Б) кефир; В) вино; Г) моноклональные антитела; Д) лимонная кислота. Объекты: 1) дрожжи; 2) молочнокислые бактерии; 3) плесневые грибы; 4) гибридомы.

Задание 4

Назовите не менее трёх особенностей микроорганизмов, благодаря которым их широко используют в биотехнологии.

Задание 5

Расположите этапы биотехнологического производства в правильном порядке: 1) выделение и очистка продукта; 2) стерилизация среды; 3) получение посевного материала; 4) ферментация; 5) выбор продуцента; 6) подготовка питательной среды.

Задание 6

Чем первичные метаболиты отличаются от вторичных? Приведите по два примера.

Задание 7

Почему из клетки каллуса можно вырастить целое растение, а из клетки кожи мыши в культуре — нельзя?

Задание 8

Какой вклад в науку внесли Л. Пастер и Э. Бухнер?

Задание 9

Почему при выращивании пекарских дрожжей в ферментёр подают воздух, а при виноделии доступ кислорода ограничивают?

Задание 10

Найдите ошибки в тексте и исправьте их. 1) Биотехнология — использование живых организмов для получения полезных продуктов. 2) Термин «биотехнология» появился в 1970-х гг. 3) Микроорганизмы впервые увидел Л. Пастер. 4) Пенициллин открыл А. Флеминг. 5) Пастеризация — нагревание, уничтожающее все формы микроорганизмов, включая споры.

Задание 11

Почему ряд белков человека получают в культуре клеток млекопитающих, а не в бактериях?

Задание 12

Что такое ферментёр? Назовите не менее четырёх его частей или систем и их назначение.

Задание 13

Установите соответствие между событием и периодом развития биотехнологии: А) получение инсулина в бактериях; Б) открытие пенициллина; В) приготовление вина в неолите; Г) получение рекомбинантной ДНК Бергом; Д) промышленный выпуск стрептомицина. Периоды: 1) эмпирический; 2) антибиотический; 3) генно-инженерный.

Задание 14

Что такое иммобилизованный фермент и в чём преимущество его использования?

Задание 15

Приведите не менее трёх доводов, почему для работы с рекомбинантными ДНК используют ослабленные лабораторные штаммы бактерий.

Задание 16

Какие направления биотехнологии используются при получении трансгенного растения? Назовите этапы.

Задание 17

Почему стерилизация среды, воздуха и аппарата — обязательный этап биотехнологического производства?

Задание 18

Назовите не менее трёх возможных рисков использования генетически модифицированных растений и меры их снижения.

Задание 19 (олимпиадное)

В ферментёр внесли 10⁵ клеток бактерии на миллилитр; время удвоения — 30 мин. Через сколько часов плотность достигнет 10⁸ клеток/мл, если рост экспоненциальный? Какова удельная скорость роста μ? Можно ли в хемостате с таким штаммом поддерживать скорость разбавления 1,8 ч⁻¹?

Задание 20 (олимпиадное)

Из 1 т глюкозы при спиртовом брожении получили 460 кг этанола. Какую долю от теоретического выхода это составляет? Куда могла уйти остальная глюкоза? Сколько сухой биомассы образовалось бы, если бы те же дрожжи выращивали с аэрацией и экономическим коэффициентом 0,5 г/г?

Литература

1. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
2. Jackson D. A., Symons R. H., Berg P. Biochemical method for inserting new genetic information into DNA of Simian Virus 40: circular SV40 DNA molecules containing lambda phage genes and the galactose operon of Escherichia coli // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1972. Vol. 69, № 10. P. 2904–2909. DOI: 10.1073/pnas.69.10.2904.
3. Cohen S. N., Chang A. C. Y., Boyer H. W., Helling R. B. Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1973. Vol. 70, № 11. P. 3240–3244. DOI: 10.1073/pnas.70.11.3240.
4. Köhler G., Milstein C. Continuous cultures of fused cells secreting antibody of predefined specificity // Nature. 1975. Vol. 256, № 5517. P. 495–497. DOI: 10.1038/256495a0.
5. Goeddel D. V., Kleid D. G., Bolivar F. et al. Expression in Escherichia coli of chemically synthesized genes for human insulin // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1979. Vol. 76, № 1. P. 106–110. DOI: 10.1073/pnas.76.1.106.
6. Wilmut I., Schnieke A. E., McWhir J., Kind A. J., Campbell K. H. S. Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells // Nature. 1997. Vol. 385, № 6619. P. 810–813. DOI: 10.1038/385810a0.