Объекты биотехнологии многочисленны. Это представители основных групп живых организмов - микроорганизмы (бактерии, вирусы, дрожжи, одноклеточные организмы), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные компоненты. Биотехнология базируется на протекающих в этих живых системах физико-химических, биохимических, физиологических процессах, в результате которых происходят выделение энергии, синтез и деградация продуктов, формирование организованных структур. Из этого ясно, что в биотехнологии для решения насущных научных и производственных задач имеется в готовом виде обширная материальная база. Ограничивают использование этой базы несовершенство знаний о живых объектах и протекающих в них процессах, отсутствие техники и методов оперирования ими и жесткие требования к уровню рентабельности используемых биотехнологий. Поэтому разные виды и группы живых организмов и их клетки вовлекают в сферу биотехнологии постепенно, но мере преодоления этих ограничивающих факторов.
Биотехнология решает не только конкретные задача науки и производства. У нее есть более глобальная методологическая задача - она расширяет и ускоряет с помощью достижений научно-технического прогресса масштабы воздействии человека на живую природу, я способствует приспособлению живых систем к условиям существования человека (ноосфере), выступая в роли нового мощного фактора антропогенной адаптивной эволюции. В прошлом влияние человека на живые организмы было ограничено главным образом искусственным отбором. В настоящее время искусственный отбор входит в формирующуюся биотехнологию как одна из ее исторических предпосылок. Этот глобальный (общебиологический) и конкретный (научно производственных взаимоотношений биотехнологии с живой природой тесно смыкаются и стимулируют друг друга. Они представляют собой единую систему, которая на верхнем уровне смыкается с эволюцией, а на нижнем все больше “сращивает” живую природу с социальной и производственной сферами жизни человека.
По своим потенциям биотехнология экологически достаточно чистый и практически неисчерпаемый высокоэкономичный производитель разнообразной продукции и поэтому все больше будет вытеснять несовершенные, ограниченные ресурсами и экологически вредные современные химические технологии. Однако для большего прогресса биотехнология нуждается в успехах фундаментальных наук и в более совершенных методах оперирования живыми системами.
Высокочувствительные искусственные элементы биологической природы, способные распознавать микроколичества газообразных, жидких и твердых веществ, называют биосенсорами. Их используют в качестве датчиков аналитических приборов в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении, охране окружающей среды.
Биосенсоры основаны на способности биологических молекул с очень высокой избирательностью и чувствительностью распознавать другие вещества и вступать с ними во взаимодействия - образовывать с ними комплексы, расщеплять и придавать им новые свойства. Поскольку биомолекул в живой природе бесчисленное разнообразие и многие из них способны распознавать определенные вещества, мы имеем неисчерпаемый источник биосенсоров. Первые биосенсоры были предложены американскими исследователями Л. Кларком и X. Лионсом в 1962 г., после чего началось их массовое использование. Биосенсоры стали применять в медицине и в химической технологии для выявления таких широко распространенных веществ, как углеводы, мочевина, креатинин, лактат, спирт, аскорбат, аспирин, аминокислоты. Сейчас в стадии внедрения в промышленное производство находятся биосенсоры для анализа газов и легколетучих веществ.
Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью тех веществ, производство которых необходимо. Для биотехнологии нужны высокопродуктивные штаммы микроорганизмов. Их создают методами селекции - направленного отбора спонтанных или индуцированных (химическими мутагенами или радиацией) мутантов. Получение таких штаммов занимаются иногда многие годы. В результате селекции производительность продуцентов удается увеличить в сотни или тысячи раз. Например, в работе с Penicillium методами селекции выход пенициллина был увеличен в конце концов, примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.
Отбору высокопроизводительных штаммов предшествуют тонкие манипуляции селекционера с генетическим материалом исходных штаммов. При этом используют весь спектр естественных способов рекомбинирования генов, известных у бактерий: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) была успешно использована при создании штамма Pseudomonas putida, способного утилизовать углеводороды нефти. Очень часто прибегают к трансдукции (перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериальных вирусов - бактериофагов) и амплификации (увеличение числа копий нужного гена).
Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибиотиков или их регуляторы находятся не в основной хромосоме, а в плазмидах. Путем амплификации удается увеличить число этих плазмид в клетках и существенно повысить производство антибиотиков.
Еще один подход в генетико-селекционной работе - получение генетических рекомбинантов путем слияния разных штаммов бактерий, лишенных стенок (протопластов). Так, слиянием протопластов двух штаммов Streptomyces был сконструирован новый высокоэффективный штамм-продуцент рифампицина С: мутанты Nocardia mediterranei, в которых не синтезировался рифампицин, после слияния сформировали штаммы, продуцирующие три новых рифампицина. Слияние протопластов позволяет объединять генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются.
Ожидается, что прикладная энзимология затронет также область промышленной модификации сахаров и спиртов, эстерификацию олигосахаридов и рибофлавина (витамина В2) и др. Для повышения выхода конечного продукта, упрощения ферментативных процессов и повышения их производственной эффективности в нынешние технологии получения и использования ферментов внедряют генно-инженерные методы. Хороший пример - сыроварение, в котором одновременно используют молочнокислые бактерии и фермент химозин из желудка телят. Клонированный ген прохимозина коровы был перенесен в молочнокислые бактерии Lactococcus и Leuconosloc. Трансформированные молочнокислые бактерии приобрели способность продуцировать химозин что упростило технологию производства сыра. Генно-инженерный (рекомбинатный) пепсиноген, предшественник желудочного фермента пепсина свиньи, получают в клетках Bacillus brevis, трансформированных плазмидой, содержащей ген пепсиногена.
Для повышения термостабильности ферментов в последние годы с помощью генно-инженерных подходов клонируют соответствующие гены из термофильных бактерий и переносят их в клетки продуцентов. Так, для получения из крахмала высокоочищенной глюкозы используют термостабильную а-амилазу Bacillus, продуцируемую Е. coli.
Биотехнологические процессы, состоящие из нескольких ферментативных актов, удается упростить благодаря включению в хромосому одной бактерии всех генов, кодирующих эти ферменты. Таким способом уже удалось в одном ферментационном чане превращать крахмал в фруктозную патоку, ранее для этого процесса требовалось 3 разных фермента - А-амилаза, глюкоамилаза и глюкоизомераза. Для модификации активных центров ферментов и усиления их каталитической активности специалисты возлагают большие надежды на разрабатываемые методы белковой инженерии.
