Биотехнология
жүктеу/скачать 11,01 Mb. Pdf көрінісі
|
37 дік және жануар жасуиіасы салалы емес биотехнология а рекомбинантты ДНҚ технологиясымен шектелуі қосылады. Түрлендірілген микроорганизмдер, трансгенді өсімдіктер мен жануарлар — бул биологиялық гылымның, сонымен қатар биотехнологияның әрі қарай даму тарихы. Қазақстанда биотехнологияның дамуы 1993 жылы Қазақстан Республикасы Президентінің Үкімі- мен Ұлттық биотехнология орталығы (¥БО) құрылды. ҮБО қүрамына: гылыми-өндірістік жүйе "Прогресс” (Степногорск қ.), М.А. Айтхожин атындағы молекулярлық биология және биохимия институты (Алматы қ.), Микробиология және виру- сология институты (Алматы қ.), Алматылық биокомбинат, Ғылыми-зерттеу ауыл шаруашылық институты (Жамбыл облысының Гвардейский қ.ү.п. қазіргі Биоқауіпсіздік ғьшыми-зерттеу институты), кейін қайта қүрылған Физиоло- гия, генетика және өсімдіктердің биоинженерия институты (Алматы қ., қазір Өсімдік биологиясы және биотехнология институты) және Республикалық микроорганизмдер коллек- циясы (Астана қ.) кір ді. ,!Прогресс" ғылыми-өндірістік жүйесіне мал және ауыл шаруашылығына қажетті ірі тоннажды биопрепараттардың өндірілуі салынды. Бүл жерде лизин аминқышқылын шығар- ды, оны жемге қоспа ретінде қолданды; тағам өнеркәсібіне қажетгі - амилосубтилин және глюкамоворин; инсектицидті препараттар — бактоларвицид және лепидоцид. Алматылық биокомбинат, ауыл шаруашылық ғылыми- зерттеу институты вирусты және бактериялық этиологиясы бар антропозоонозды инфекцияның алдын алу және зерттелуі үшін иммунды сарысу мен вакцинаны, диагностикумдарды шығарады. Өндірістік биотехнология институты (Степногорск қ.), орталық зауыттың зертхана қорында қалыптасқан ҒӨЖ "Прогресс11 технология өндірісімен, тәжірибелі-өнеркәсіптік жаңа биопрепараттарды өндірумен айналысады. Институтта !ІБифидумбактерин қүрғақ!! пробиотигі, !!Феррим!! протео- 38 литикалық ферменті, қаймаққа арналған ашытқыны және басқа препараттарды өндіреді. Микробиология және вирусология институты, Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің микробиология кафедрасы өндірістік микроорганизмдердің өндірілуімен көп жылдар бойы жұмыс істеген. Саңырауқұлаққа қарсы штамм- продуцент розеофунгин антибиотигі селекңияланды. Құрғақ топинамбур сығындысының қосылуымен бифидобактерия- лар және лактобациллалар негізінде пробиотикалық консор- циум өндірілген. Топырақты және суаттарды ластайтын, ауыр металдарды (сынап, қорғасын, кадмий және т.б.) сор- ғыш қасиеті бар микроорганизмдерді зерттеген. Мұнайды және мұнай өнімдерін белсенді ыдырататық мұнаймен лас- танған Қазақстанның аймақтарынан бацилла және псевдо- манад штамдары селекцияланған, пробиотикалық қасиетке ие сүтқышқылды бактериялар және ашытқы дақылдары зерт- теліп алынған. физиология титутында бидаи және арпаның тездетілген селекция техно логиясы өндірілді, онтогенез үдерісіндегі өсу ағзасьшда фито гормондардың рөлі алғаш пайда болды. сұрыпты күріш М.А. Айтхожин атындағы молекулярлық биология және эхимия институтында қалыпты генетикалық трансформа- трансгенді инфекцияға тұрақты, қоршаған ортаның температурасына тұрақты трансгенді жүгері, гербицидті фосфинотрицинге тұ- рақты трансгенді темекі алынды. Республикалық микроорганизмдер коллекциясы биотех- нологиялық өндіріс үшін қажетті, өндірістік микроорганизм- сақталуына зертханаларында нологиясы, диагностикалық иммунды-ферментті тест-жүйе- лерін даярлап қолданылуы, бидай түрлерінің алынуы, топы- рақтың тұздалуына, фитопатогенге тұрақтылық жасалған. Биотехнология туралы қолданбалы жұмыстар және ғылы- ми-зерттеулер әр түрлі институттарда және Ауыл шаруашы- 39 лық министрлігі мекемесінде, Қоршаған ортаны сақтау министрлігі, Денсаулық сақтау министрлігі, сонымен қатар мемлекеттік емес мекемелерде жүргізілетінін айтып өту керек. 2005 жылы Қазақстан Республикасы Үкіметінін қаулысы бойынша ҚР ҮБО даму түжырымы бекітілген, биотехно- логиялық ортада ғылыми-зерттеулік мекемелер дүние жүзшік үлгі I қалып қолайлығына қадағаланған Институттарда қазірп заманғы жоғары технологиялық қүрал-жабдықтармен камта- масыз етілуі басталды, көптеген жас -мамандар дамыған ғьшы- ми орталықтарға АҚШ, Жапония, Ресей және Еуропаға тәжі- рибе алмасуға жіберіліп жатыр. Астана қаласында Есіл өзені нің сол жағалауында РМК "ҚР ҮБО" жаңа зертханалық кор- пустардың салынуы басталды. 40 IV. БИОПРОДУЦЕНТТЕР - БИОТЕХНОЛОГИЯНЫҢ ОБЪЕКТІЛЕРІ Биотехнологиядағы ғылыми-зерттеулер мен технология- лық жұмыстардың объектілеріне микроорганизмдер, жануар- лар мен өсімдіктердің жасушалары мен тіндері жатады. Жасуша физиологиясының метаболизмін, генетикасын зерт- теу, зертханапық жағдайда дақылдандыру әдісін жасау, өнді- рістік биомасса көлемін арттыру, жасушальщ метаболиттерді бөліп алу және тазарту' биотехнологияда бір ғана мақсатты көздейді, ол адам тіршілігіне пайдалы өнімдерді түзетін микроорганизм штамын, жануар мен өсімдік жасушасын және тінін дақылдандыруды жасау.1 Бүл жағдайда биологиялық объектінің сапалық сипаттамасына биологиялық өнім құнды- лығы тәуелді болады. Сондықтан продуцент микроорганизм- дердің биологиялық қасиеттерін зерттеу, сүрыптау және алу, генетикалық түрлендіру, трансгенді жануарлар мен өсімдік- терді алу негізінен биотехнологиялық үдерісте негізгі буын тізбегінің, биологиялық технология бастамасы болып табы- лады. 1. Өндірістік мнкроорганнзмдер және ферменттер Суда және топырақта, адам мен жануар агзасында мекен- дейтін, ризосфера және өсімдік тінінде өмір сүретін микро- организмдер табиғатта зат алмасуға қатысып, биологиялық белсенді қосылыстар түзеді, жануар ағзасында иммунопро- текторлық қызмет атқарады және т.б. Микроорганизмдерді өндірістік және өндірістік емес деп таксономиялық жіктеу жоқ. Сонымен қатар өндірістік — құнды микроорганизмдер тізімі жыл сайын сұрыптау және микроорганизмдердің генетикалық түрленуі арқылы толықтыруда. Өндірістік микроорганизмдер - бүлар негізінен актиномицеттер және бактериялар, мицелиальды саңьфауқүлақтар мен ашытқьшар (5-8 суреттер). Кейбір зерттеушілер биотехнологиялық өнді- рісте қажетгі, өзіндік биологиялық агент ретінде ферментгерді бөліп алады. 4 А А Б Б 5-сурет. С үткышқылды бактериядар, ІмсіоЬасіИш ріапшгит (А) және Л$рег§іМт іщ ег (Б) зең гифы. 6-сурет. Кептірілген конидиеспоралар Лхрег£ІІІш пщег (А) жоне споралар мен Тгісһоііегта Іщпогит микромицетгің гифтары (Б). (М.Е. Бекер және баскалар., 1990 ж.) 42 7 -с у р е т . Зассһаготусез сегеуһіае ашытқы жасушалары. Ашытқылар жыныссыз жолмен де (буындау), сол сияқты жьгаысты жолмен де көбеюі мүмкін Жасуша беткейіндегі бүртіктер, бүршікгердің бөлінуінен қалған тыртықшалар. Дэвистегі Калифорния университетіндегі Мартин У. Миллердің сканерлік микроскоп көмегімен алған микрофотографиясы; ХІ2500), (М.Е. Бекер және бас., 1990). Өндірістік микроорганизмдердің ішінде кең танымал про- дуценттерге: Віакезіеа ігізрога (провитамин А-бетта каротин), Егетоіһесіит азһЬуі (витамин В 12-рибофлавин), Зігеріососсиз /гасііае (антибиотик тилозин), В. зцЫіШ және В. Іісһепі/огтіз (жемдік антибиотик бацитрацин), Зігеріотусез $рр. (анти- биотиктер - аминогликозидтер, макролидтер, тетрациклин, беталактамдар), 8ассһаготусез сегеуізіае (аспаздық ашытқы, шарап, сыра, спирт), ЬасіоЪасіІІщ зрр. (айран, йогурт және т.б.), РгоріопіЪасіегіит зһегтапіі (швейцариялық ірімшік), Репі- сііііит зрр. (пенициллиндер, ірімшіктер), СогупеЪасіегіит §1иіатісит (амин қышқылы-лизин), Васіііиз &рр. (антибио- тиктер-грамицидин, полимиксин, бацитрацин; протеолиздік ферменттер; биоинсектицидтер). Бұл тізімге жүздеген микро- организм-продуценттер кіреді. Өндірістік құнды микроорга- низмдерді талдау қоршаған ортаны, адам, жануар және өсім- 43 8-сурет. Зең және ашыткы - бұл жарықта өсіргеннен пайда болатын немесе қүрылысы жиі боялаіъін және жәй көзоен көрінетін кажетп ортада өсетін микроорганизмдер. Кейбір зеңдердің (жоғарыда) және ашыткылардын (төменде) таза культу- онымен ралары --------— — * катар лимон кышкылын, ферментгер, антибиотик. саке, соя тұздыгын және микроб ақуызын. 44 дік ағзасында мекендейтін жүздеген мың микроорганизмдер- ден таңдау жүргізіледі. Өндірістік микроорганизмдер өндіретін біріншілік және екіншілік метаболиттері бойынша жіктеледі. Біріншілік мета- болиттерге амин қышқылдары, витаминдер, нуклеотидтер, органикалық қышқылдар, ферменттер жөне т.б. биологиялық белсенді заттар жатады. Екіншілік метаболиттер - бүлар анти- биотиктер, олигопептидтер және т.б. Өндірістік микроорганизмдер ішінен бөледі: - селекция жолымен алынған табиғи штамдар; - қажетті пайдалы қасиеттерін күшейтетін индуцияланған мутация нәтижесінде өзгерген штамдар; - генетикалық түрленген микроорганизмдер. Өндірістік микроорганизмдер өзінің биологиялық сипаты, метаболизмі бойынша қалган микроорганизмдерден айырма- шьшығы аз. Микроорганизмдердің қарқынмен өсіп-өнуі және көбеюі қарқындылығына бағытталған физиологиялық белсен- ділік, метаболизм қоршаған ортаның абиотикалық және биотикалық факторларына тәуелді. Яғни, кез-келген микроб жасушасы берілген генетикалық бағдарлама бойынша үлкен өндіріс жүргізетін минифабрика болып табылады. Сонымен қатар өндірістік микроорганизм топтары келесі критерийлермен сипатталады (А. Воробьев, 1987 ж.): - арзан және оңай қол жететін субстраттарда өсу; - жүмсалатын қоректік субстраттың керекті мөлшерде пайдалана отырып биомассаның жоғарғы өсуі және онімнің жоғарғы болуы; - қоректік субстратқа және дақылдандыру жағдайларына қойылатын және өнімділік пен талғамдылыққа сәйкес түрақты, генетикалық біртекті болу; - бактериофагтарға және басқа да бөгде микрофлораға түрақты болу; - адамдарға және қоршаған ортаға зиянсыз болу; - мүмкіндігінше продуценттер термофилді және ацидо- филді (немесе алкалофилді) болу керек, себебі бүл жағдайда ферменттелетін субстратты бөгде микрофлора инвазиясынан сақтау оңай; 45 - биосинтездің мақсатты өнімі экономикалық және шаруа- шылық құндылығына ие болу, пайдаланған субстраттан оңай бөліну керек. Әрине, өндірістік құнды штамның басқа микроорганизм- дерден ерекшеленетін негізгі қасиеті, сонғы өнімді аса жоғары синтездеу болып табьшады. Өндірістік штамдар — ьфитерийі бойынша, тиісті микроорганизм түрінен жүз және мың есе асып түсу керек. Көзделген өнімнің аса жоғары синтезі жасу- шалардың метаболиттік үдерістерін озгертуге бағытталған жол арқылы алынады. Бүл үшін биологиялық объект ретінде табиғи немесе генетикалық түрленген микроорганизмдер қолданады. Ізделген метаболитті шығаруды жоғарылату және кейбір биологиялық қасиеттерін өзгерту арқылы, мысалы, осы микроорганизммен арзан шикізаттың қолданысын жақ- сарту арқылы биотехнологиялық өндірістің сапасын (рен- табельділігін) арттырады, сапалық сипаты сақгала отырвщ көз- • : делген өнімнің өзіндік құндылығын төмендетеді. Бірақ зертханада алынған сол немесе басқа биологиялық белсенді заттың аса жоғары синтезі берілген микроорганизм- дер үшін қалып емес және оның бақылау механизмдері, гене- тикалық детерминацияланған механизмдері метаболиттік үдерістер реверсиясына, аса жоғары өндірістік белсенділігі- нің түрақсыздығына әкелуі мүмкін. Бүл өндірістік микро- организмді жасауда үнемі болатын әдістемелік, технология- лық мәселенің бірі болып табылады. Өндірістік микроорга- низмдерді қолданудың кейбір мысалдары 1-ші кестеде көрсе- тілген. Микроб биомассасының биотыңайтқыш, биоинсектицид ретінде және т.б. соңғы өнім болса, бүл өндірістік микро- организмдерді жасауда қарапайым болады. Бүл жағдайда сол немесе басқа микроб метаболитінің синтезі белсенділігі туралы сүрақ аса маңызды емес. 46 1-кесте Өндірістік микроорганизмдер және олардың синтез өнімдері Тагам өнімдері және сусындар Зассһаготусез сегеуізіае Аспаздық ашытқы шарап, эль Ашытқы жасушалары Лагерн сырасы Зассһаготусез сагІзЪег£епз Соя түздығы Зассһаготусез гоихіі СапйЫа тіііегі Француз қышқылы Бактерия ІасіоЬасіІІиз зап/гапсізсо Зігеріососсиз іһегторһііиз Иогурт ЬасіоЬасіІІиз ЬиІ%агісиз Швейцария ірімшіп РгоріопіЬасіегіит зһегтапіі Сірке қышқылы СІисопоЬасіег зиЬохШапз Рокфор типті ірімшіктер Репісііііит го^ие/огііі Камамбер және бри ірімшігі РепісіПіит сатітЬегііі Саке (күріш крахмалы гидролизі) Азрег%іИиз огугае Темпе Кһііориз Суфу (соя сүзбесі) Мисог Анг-как (қызыл күріш) Мопазсиз ригригеа Өндірістік химиялъщ заттар Засеһаготусез сегеш іае Кіиууеготусез /га&іііз СІтігШит асеІоЪиІуІісит Азрег&Ииз пщег Хапіһотопаз сатрезігіз Ашытқы Ашытқы Бактерия Этанол (глюкозадан) Саңырауқұлақ Бактерия Этанол (лактозадан) Ацетон және бутанол Лимон қышқылы Полисахарид Амин қышқылдары және нуклеотидтер (дәмдік қоспалар ретінде) СогупеЪасіегіит %1и1атісит СогупеЪасіегі ит £ІиІатісит Бактерия » һ - лизин 5' - инозин қышқылы 5'- гуанил қышқылы Біржасушалылардың ақуыздары СапіЫа иШіз Бассһаготусез Ііроіуііса Меіһуіорііиз теіһуіоігорһи Ашытқы Қағаз өндіріс қалдықтарынан микробты ақуыздары » Бактерия Мұнай алкандары микробтық ақуыздары Метанда немесе метанолда өскендегі микробтық ақуыздары Витаминдер Егетоіһесіит Рзеисіотопаз сіепіігі/ісапз Ргоріопі Ъасіегі ит Ашытқы Бактерия Азрег£ІІІиз огугае Азрег&ІІиз пщег Тгісһосіегта геезіі Бактерия Ферменттер Саңырауқұлақ Рибофлавин В 12-витамині В 12-витамині » Амилаза » Глюкоамилаза Целлюлаза 48 Ашытқы жасушалары Декстран Ксантан Пенициллиндер Цефалоспориндер Зассһаготусез сегеш іае Инвертаза Кіиууеготусез ^га^іііз Лактаза Зассһаготусез ІіроІуЫса Липаза Азрег£ІІІш Саңырауқүлақ Пектиназапар және протеазалар Васіііиз Бактерия Протеазалар Епйоіһіа рагазіііса Саңырауқүлақ Микробтың үлтабарлық ферменті Ьеисопозіоз тезепіегоісіез Хапіһотопаз сатрезігіз Полисахаридтер Бактерия Дәрілік заттар РепісПІіит сһгузо^епит Саңырауқүлақ Серһаіозрогіит асгетопіит Зігеріотусез Бактерия Васіііиз Ъгеуіз Васіііиз зиЬііІіз Васіііиз роіутуха Кһігориз пщгісапз АгіһгоЬасіег зітріех МусоЬасіегі ит Бактерия Г ибридомалар Сут қоректілердің жасушалық сызыгы Амфотеридин В, канамицин, неомицин, стрептомициқ тетрациклин және т.б Г рамицидин С Бацитрацин Полимиксин В Стероидтар трансформациясы Иммуноглобулиндер және моноклональді антиденелер Интерферон 49 Віакезіеа Ігізрога Саңыраукүлақ Р-каротин 1 Рһа$іа гһо&отута Ашытқы жасушалары Астаксантин Энтомопатогенді бактерияіар ВасіПиз іһигіп£Іеп5І5 ВасіПиз роріИіае Инсүлин, адамның өсу Бактерия Езсһегісһіа соіі (рекомбинантты ДНҚ технологиясы көмегімен) Каротиноидтар щ ш Екінші кестеде микроорганизмдерді тағам, химия өндірі- сінде, фармацевтикада қолданудың кейбір мүмкіндіктері көрсетілген. Өндірістік микроорганизмдер өндірістің басқа да саласында: шаруашылық қызметінің басқа саласында кеңінен қолданылады: ♦ Биогеометаллургияда кенге тапшы орындарынан метал- дарды алу мақсатында сілтілендіру жолы арқылы, суда ері- мейтін металл тұздарын еритін түрге айналдыру арқылы (ТһіоЬасіІІия зрр., Ьеріозрігіііит /еггохШат, ЗиІ/оІоЬиз зрр.);, сонымен қатар ауыр металдар аккумуляциясын лас көздер- ден тұндыру кезінде (Рзеисіотопаз, 2оо§Іеа, Әези 1/игісапа, Ьеріоіһгіх, Зрһаегоііів және т.б.); ♦ Ағын суларды тазартуда спиртті, май қышқылын, пара- финді, ароматты көмірсуларды, фенолды тотықтыратын аэробты және анаэробты микроорганизмдер қолданылады (Асііпотусез, АсІіпоЬасіег, Васіііт, Рзеигіотопаз, СогупеЬас- іегіит және т.б.); ♦ Биотыңайтқыштар, атап айтқанда, нитрагин және азото- бактерин препараттары топырақты байланысқан азогпен байыту үшін қолданылады (Васіііш зрр.); ♦ Биоинсектицидтер, қүрамында бунақденелілерге (коло- рад өсімдік биті, алма жемісінің түқымдасы және т.б.) үшін патогенді саңырауқүлақтар, бктериялар жөне вирустар, жән- 50 М икроорганизмдерді қолдану мүмкіндігі - Қалдықтарды кайта өңдеу, коршаған орта жағдайын қадағалау; - Энергия алу (биоэнергия); - Жемдер, тағам қоспалары, сусындар, тұрмыстық химия өнімдерін алу; - Минералды шикізаттарды бөлу; - Затты тазалау және қанықтыру; - Физиологиялық белсенді қосылыстарды алу; - Биосинтез, биотрансформация, биодеградация үшін қолдану; - Медицинада, ветеринарияда, өсімдік өсіру шаруашылығында қолданылады; - Биоэлектроникада қолданьшады. 2-кесте діктерге патогенді әсер етуші болып табылады (ВасШт іһи- гіп£Іеп5І5, Веаиуегіа Ъиззіапа, Тгісһосіегта зрр., Үегіісиіит Іесапіі ж әне т.б.) ♦ Топырақты және суды ластайтьга ксенобиотиктер. син- тетикалық қосылыстардың биодеградациясын толық минера- лизациялау, не жартылай толық емес деградация, не олардың жинақталуы, полимеризациясы болуы мүмкін. Толық дегра- дацияға үшырайтын қосылыстар, яғни минерализация көмір- тек оксиді, су, аммиак, сульфидтер және фосфатгарға дейін байланысты негізінен барльщ метаболиттік жолдан өтеді және микроорганизмдермен көміртегі мен энергия көзі ретінде қолданылуы мүмкін. Табиғи экожүйелерде биодеградация, биотрансформация үдерістеріне микроорганизм жиынтығы, араласқан дақылдар қолданылады. Мүнда субстратты ыдыратудың әр сатысында микроорганизмдердің әр тобы қатысады. Биодеградация үдерісіне монодақьш емес, микроорганизмдер ассоциациясы қолданылуының келесі ерекшеліктері: - қүрамы бойынша күрделі, бір текті емес субстратты қолдануға қабілеттілігі;. - күрделі органикалық қосылысты минерализациялауға қабілеттілігі; - органикалық заттарды биотрансформациялауға жоғары қабілеттілігі; 51 — токсикалық заттарға, соның ішінде ауыр металдарға, жоғары тұрақтылығы; — қоршаған ортаның абиотикалық және биотикалық фак- торлар әсеріне жоғары тұрақтылығы; — жоғары өнімділік, биодеградациялауға қабілеттілік. Биотехнологияда көбінесе ашу, трансформация, деграда- ция және т.б. үдерістерге қатысатын микроорганизмдер әр- түрлі топтарының арнайы жинақталған штамдар ассоциа- Ф циясы қолданылады. Тамақ өндірісінде сүт қышқылды өнім- дерді ашытуды жасау кезінде, айранды тәріздес саңырауқү- лақтар консорциумы, лактобациллалар, стрептококктар қолданады. Ішек дисбактериозы кезінде қолданылатын пробиотиктер құрамына лактобацилла, бифидобактерия, ішек таяқшасы М-17 бірнеше түрлерінің ассоциациясы, сонымен қатар бацилла, сүтқышқылды стрептококктар кіреді. Өндірістік, өнеркәсіптік микроорганизмдер тобына бакте- рияның вакциналық штамын және вирустарды жатқызамыз. Бүл аттенуацияланған (вируленттілігі әлсіз), инактивациялан- ған, суббірлікті вакциналар. Бүл сақтау мен үстаудың тәртіп- тік жағдайын қажет ететін өндірістік микроорганизмдердің ерекше тобы, себебі олар адам денсаулығына қауіпті пато- генді микроорганизмдерден алынған. Кейбір жағдайларда өндірістік микроорганизмдер тасы- малдағыштарда үсталатын адсорбцияланады және иммоби- лизацияланған түрде өндірістік биотехнологияда қолданы- лады (3-ші кесте). Тасымалдаушы, адсорбент ретінде поли- мерлік гелдер, полимерлі қабықша (пленка), жартылай өткіз- гіш мембраналар, саңылаулы ең кеуекті талшықтар және микрокапсулалар қолданылады. Үстаушы ретінде целлюлоза, поливинилхлорид, полистирол, силикон, полиацетил және басқа да гидрофильді қасиетке ие қосылыстар қолданылады. Ұстаушыға микробты жасушаның иммобилизациялануы технологияльщ үдерісте белгілі бір артық жетістіктерге жетуге мүмкіндіктер береді, атап айтқанда: — мақсатты өнімі бар қолданылған микроорганизмдер және дақылдық орталарды ажыратуды жеңілдету; 52 |