5. Biotehnoloģijas

Biotehnoloģijas pirmsākumi ir meklējami jau senatnē. Ir atrastas liecības, ka alus raudzēšana sākusies pirms vairāk nekā 10 tūkstošiem gadu Ēģiptē. Alus darīšanas tehnoloģija ir aprakstīta uz vairāk nekā 5000 gadu senām šumeru māla plāksnītēm. Senākās liecības par vīna darīšanu datējamas ar septiņiem tūkstošiem gadu pirms mūsu ēras.

 

 

Pirms 5 – 6 tūkst. gadiem ēģiptieši mācēja irdināt mīklu, izmantojot sīkus organismus – maizes raugu un pienskābās baktērijas. Tāpat jau tūkstošiem gadu sena vēsture ir raudzētiem un fermentētiem piena produktiem- kefīrs, krējums, siers u.c. Cilvēki izgatavoja šos produktus, no paaudzes uz paaudzi nododami raudzēšanas receptes un nezinādami, ka to iegūšanā liela nozīme ir mikroorganismiem.
Biotehnoloģiju attīstībā nākošais svarīgais posms ir saistīts ar bioloģijas zinātnes attīstību. Franču zinātnieks Luijs Pastērs (Louis Pasteur) ap 1860.gadu ielika pamatus mikrobioloģijai kā zinātnei. Viņš pilnībā pierādīja mikroorganismu nozīmi rūgšanas un pūšanas norisēs, kā arī 1865. gadā izstrādāja pasterizēšanas tehnoloģiju.

 

 

Pastērs kļuva pazīstams kā vīna un alus rūpniecības glābējs, jo izpētīja, ka “pareizo” rūgšanu jeb spirta ražošanu no cukura ražo rauga šūnas, bet gadījumos, kad cukurs tiek pārvērsts pienskābē, vīna kublos ir baktērijas. Šīs kaitīgās baktērijas var iznīcināt, ja tikko uzrūgušu vīnu uzkarsē. Tā tika atklāta pasterizācijas metode. Šajā laikā strauji attīstījās ne tikai bioloģija, bet arī ķīmija, fizika un citas zinātnes, kā arī tehnoloģijas. Šajā laikā tika izgudroti gan tvaika dzinēji, gan iekšdedzes dzinēji, gan elektrība utt..

Terminu “biotehnoloģija” 1919.gadā ieviesa ungāru inženieris un lauksaimnieks Karols Ereki (Karoly Ereky) grāmatā “Gaļas, tauku un piena ražošanas biotehnoloģija lauksaimnieciskajos lieluzņēmumos”, kur ar šo terminu apzīmēja dažādu izejvielu pārveidošanu lietderīgos produktos ar bioloģiskām metodēm. Tradicionālo biotehnoloģiju joprojām izmanto gan bioloģiskajās saimniecībās, gan arī lieltonnāžas rūpniecībā.
Modernās biotehnoloģijas priekšnosacījums bija 20.gadsimtā trīsdesmitajos gados izgudrotais elektroniskais mikroskops, kas deva iespēju izpētīt DNS. 1952. gadā atklāja plazmīdas elementus, kas spēj pārnest ģenētisko informāciju no vienas šūnas uz citu. Šīs zināšanas zinātnieki nekavējās izmantot un attīstīt tālāk. Tā sāka attīstīties modernā biotehnoloģija, kura izmanto gēnu inženierijas sasniegumus.

1976. gadā ASV nodibināja pirmo firmu Genentech, kas izmantoja biotehnoloģijas sasniegumus. 1977. gadā ieguva baktērijas, kas sintezē cilvēka augšanas hormonu, bet 1978. gadā baktērijas, kas klonē cilvēka insulīna gēnu. 1983. gadā amerikāņu zinātniece Marija Čiltone (Mary Dell Chilton) un beļģu pētnieks Marks van Montagī (Marc van Montagu) radīja pirmo transgēno augu — tabaku, kura uz lauka sāka audzēt pēc 5 gadiem. 1985. gadā siera ražošanā pirmo reizi izmantoja no ģenētiski pārveidotiem mikroorganismiem iegūtu fermentu.

 

 

Visbiežāk izmantotais mikroorganisms ir rauga sēnīte, kuras vielmaiņas procesu rezultātā rodas spirts (alkoholisku jeb spirtotu dzērienu ražošanā), vai arī ūdens un ogļskābā gāze (mīklas raudzēšana). Piena produktu rūpniecībā izmanto pienskābās baktērijas, lai ražotu jogurtu, kefīru, sieru u.c.. Mikroorganismiem ir labi jāvairojās un līdz ar to var iegūt augstu vielmaiņas produktu daudzumu ar labu kvalitāti. Tiem ir jābūt izturīgiem pret slimībām un to ierosinātājiem, kā arī saglabā savas īpašības pēc vairākkārtējas izmantošanas.  Sākot no 19.gs. sāka izmantot mikroorganismu tīrkultūras, kam piemīt šādas īpašības, lai iegūtu produktus, kas atbilst noteiktiem standartiem un šie procesi būtu atkārtojami. Lai iegūtu kultūras ar šādām īpašībām, izmanto mikrobioloģijas, ģenētikas sasniegumus, tehnoloģiju ieviešanas pieredzi, gēnu inženieriju u.c. metodes – pašu mūsdienīgāko zinātnisko metožu klāstu.

Piemēram, no piena  iegūst jogurtu. Visbiežāk šī barotne satur ogļhidrātus, kas nepieciešami mikroorganismiem, lai ražotu enerģiju dzīvības procesiem. Ja barotne satur disaharīdus vai polisaharīdus, tie tiek sašķelti līdz glikozei un tālāk jau izmantoti šūnu vielmaiņas procesā, piemēram, rūgšanā.

Rūgšanu nodrošina vairāki atšķirīgi procesi – pienskābā, spirta vai etiķskābā rūgšana. Raudzēšanai izmanto visdažādākos augu un dzīvnieku valsts produktus un to pielietojums ir ļoti daudzveidīgs. 

Mūsdienās par mikroorganismu augšanas substrātiem komerciālos ražošanas procesos izmanto lētas izejvielas, piemēram, cukura rūpniecības blakusproduktu melasi, iesala ekstraktu, kukurūzas ekstraktu, piena sūkalas,  kas rodas kā lauksaimniecības un pārtikas rūpniecības blakusprodukti. Tie satur pietiekamā daudzumā dažādus ogļhidrātus, kā arī slāpekļa savienojumus, vitamīnus un mikroelementus.

Fermentēti produkti ir pārtikas produkti un dzērieni, kuri ir iegūti kontrolējot mikroorganismu augšanu, un šajā fermentācijas procesā no saliktām vielām rodas vienkāršākas vielas. Piemēram, piena cukurs- laktoze tiek sašķelta līdz glikozei un galaktozei. Glikoze pieauguša cilvēka organismā ir vieglāk pārstrādājama. Bez galvenajiem rūgšanas produktiem veidojas kā blakus produkti liels skaits citu vielu, piemēram, vitamīni, vai arī mikroorganismu izdalītie enzīmi jeb fermenti un citas vielas, kuras ir noderīgas cilvēka organismam. Daudzas no šīm vielām arī nosaka gala produkta garšu un aromātu.

 

 

Tirgū ir vairāk kā 200 veidi jēlo desu. Populārākās no tām ir Salami un Cervelat desa. Arī to izgatavošanas gaitā norisinās pienskābā fermentācija. Procesā tiek izmanoti arī nitrāti, kurus pievieno gaļas masai. Vielmaiņas procesā baktērijas tos reducē par nitrītiem.
Austrumāzijas virtuvē tipiska garšviela ir sojas mērce. Tās pagatavošanas gaitā vispirms notiek vielmaiņas procesi pelējuma sēņu iedarbībā, bet pēc tam dominē pienskābā rūgšana un spirta rūgšana.

 

 

Spirta rūgšana notiek rauga sēnītes anaerobās elpošanas rezultātā. No vienas glikozes molekulas rodas divas spirta molekulas un ogļskābā gāze. Šo īpašību izmanto vīna un alus ražošanā. Maizes raudzēšanā iegūtais spirta daudzums ir neliels un spirta molekulas iztvaiko, savukārt ogļskābā gāze padara mīklu čaganu.
Pienskābo rūgšanu izraisa pienskābes baktērijas. Piemēram, gaisa skābekļa klātbūtnē vīnā savairojas pienskābes baktērijas un etanols tiek pārvērsts par etiķskābi. Šādā veidā pasaulē tiek ražotas vairāk kā 100 tūkstoši tonnas etiķa un to izmanto kā garšvielu un konservantu. Šo procesu izmanto arī kāpostu, gurķu, pupu, olīvu un citu augu izcelsmes produktu sābēšanā. Pienskābo rūgšanu izmanto arī piena pārstrādes procesā. Papildus pienskābajai rūgšanai kefīra ražošanā notiek arī spirta rūgšana. Siera ražošanā izmanto arī pelējumsēnes.

 

 

Fermentāciju veicoši organismi apkārtējā vidē ir it visur. Līdzko nav skābekļa un apstākļi ir pietiekoši silti, sākas rūgšana. To, kāda veida  rūgšana- pienskābā vai spirta, norisināsies ogļhidrātus saturošos šķīdumos, nosaka vides pH vērtība un skābekļa klātbūtne. Produktos, kuru pH vērtība ir neitrāla vai nedaudz skāba un tajā ir daudz ogļhidrātu, norisinās pienskābā rūgšana, savukārt skābos augļos, augļu sulās, kas satur daudz ūdenī šķīstošos ogļhidrātus – spirta rūgšana. 

Lai nepieļautu tādu mikroorganismu savairošanos, kas var izsaukt saindēšanos, ir jāmaina vides apstākļi- vide jāpadara skābāka vai sārmaināka, var mainīt arī produkta temperatūru un gaisa piekļuvi. Piemēram, skābšanas procesus ierosina pienskābes baktērijas Streptococcaceae un Lactobacillaceae. Tās pārstrādā ogļhidrātus. Anaerobos apstākļos tās ir dominējošā daudzumā, kaut arī gaisa klātbūtnē līdztekus norisinās arī aerobo mikroorganismu, piemēram, raugu, pelējuma sēņu augšana. Produkts kļūst arvien skābāks. Pārstāj augt un proteīnus sadalīt pūšanas baktērijas, kam nepieciešama neitrāla vai vāji bāziska vide, bet pienskābes baktērijas turpina savu darbu.

  

 

Fermentatora tilpums  var būt gan no dažiem litriem, kurus izmanto laboratorijā, gan līdz vairākām tonnām (>100 m3 ) rūpniecībā. Vides faktori, kas optimāli kultivēšanai mazos tilpumos, ne vienmēr izrādās piemēroti kultivēšanai rūpnieciska apjoma, tāpēc tās samēro, lai mikroorganismu varētu kultivēt rūpnieciskos apmēros.

 

Kultūra ar piebarošanu (fed batch) ir mikroorganismu audzēšana ar regulārām svaigas barotnes piedevām. Šādas piedevas paildzina augšanas fāzi, novēršot situācijas, kad šūnām varētu pietrūkt augšanai nepieciešamo ogļhidrātu un citu barotnes komponentu. Šāda audzēšana nodrošina to, ka procesa beigās būs iespējami lielāka biomasas koncentrācija. 
Tradicionālās biotehnoloģijas metodes izmanto arī modernajā biotehnoloģijā.

Pirms bioloģisko sistēmu ievietošanas fermentatorā notiek ģenētiski modificētu organismu izveidošana.

 

 

Piemēram, insulīna ražošanā izmanto baktērijas – zarnu nūjiņas (Esherichia coli), kurās ar gēnu inženierijas metodēm ievieto cilvēka gēnu, kas atbildīgs par insulīna ražošanu. Tālāk šī modificētās baktērijas ievieto fermentatorā, kur nodrošina barotni un piemērotus vides apstākļus, lai pēc iespējas īsākā laikā saražotu pēc iespējas lielāku daudzumu insulīna un tas būtu kvalitatīvs. 1923.gadā, kad tika sākta komerciāla insulīna ražošana no liellopu un cūku aizkuņģa dziedzeriem, bija nepieciešami 2-3 tūkstoši dzīvnieki 1g insulīna iegūšanai un tas bija laikietilpīgs process. 1980. gadā, kad sāka izmantot ģenētiski modificētas (ĢM) baktērijas, lai iegūtu 1g insulīna, bija nepieciešamas 3-5 dienas laboratorijā. Lai iegūtu šādu apjomu insulīna, būtu nepieciešams aptuveni 1 litrs ĢM baktēriju tīrkultūras. Mūsdienās šis biotehnoloģiju process ir padarīts vēl efektīvāks un ir vairāki insulīna veidi, kas piemēroti plašākam diabēta slimnieku lokam.
Pārtikas rūpniecībā biotehnoloģijas izmanto skābētu dārzeņu iegūšanai, alus un vīna ražošanā; skābpiena produktu, siera, jogurta un citu piena produktu ražošanā; pārtikas piedevu, piemēram, citronskābes, ražošanā.
Medicīnā ar DNS tehnoloģiju metodēm iegūst insulīnu, augšanas hormonu, antibiotikas, vitamīnus, vakcīnas un citus preparātus. Izmantojot cilmes šūnas iegūst transplantēšanai nepieciešamos audus, ārstē iedzimtas slimības.