Современная биотехнология родилась на стыке  нескольких наук. Она опирается на теоретические и методические положения  микробиологии, биохимии, генетики, молекулярной биологии, а также использует достижения органической, неорганической и аналитической химии, процессы и аппараты химической и пищевой промышленности.

    Условно можно выделить несколько направлений  полезной для человека деятельности микроорганизмов.

1. Наращивание клеточной массы, которая представляет собой продукт (получение пекарских дрожжей, производство белково-витаминного концентрата, многих вакцин).
2. Производство продуктов микробного биосинтеза, к числу которых относятся антибиотики, гормоны, ферменты, аминокислоты, витамины красители и др.
3. Биотрансформация – процесс, в результате которого под воздействием биохимической деятельности микроорганизмов или их ферментов происходит изменение химического состава исходного вещества (получение стероидных гормонов).
4. Очистка окружающей среды от загрязняющих ее веществ (очистка воды, переработка твердых и жидких отходов, нейтрализация химических стоков и газовых выбросов и т.д.).
5. Производство энергоносителей (биогаза, этанола).
6. Выщелачивание, то есть перевод в растворенное состояние некоторых веществ, находящихся в твердых телах (выщелачивание из руд ценных металлов - меди, цинка, урана и др.).

По  сравнению с химическими технологиями биотехнологии имеют следующие  основные преимущества:

    - возможность получения специфичных  и уникальных природных веществ,  часть из которых (белки, ДНК) еще не удается получить путем химического синтеза;

- проведение  биотехнологических процессов при  относительно невысоких температурах  и давлениях;

    - высокая скорость роста микроорганизмов,  во много раз превышающая скорость  роста животных и растений;

    - в качестве сырья в процессах  биотехнологии можно использовать  дешевые отходы сельского хозяйства  и промышленности;

    - биотехнологические процессы по  сравнению с химическими обычно  более экологичны, имеют меньше  вредных отходов, близки к протекающим  в природе естественным процессам;

    - как правило технология и аппаратура  в биотехнологических производствах  более просты и дешевы.

       Производство аминокислот  и белка 

    В соответствии с нормами питания  человек должен ежедневно получать с пищей 60-120 г полноценного белка, в рационе сельскохозяйственных животных на каждую кормовую единицу нужно не менее 110 г белка.  По прогнозам к 2050 году население Земли возрастет до 10 млд человек, и для обеспечения его потребности в продукции сельского хозяйства нужно будет увеличить объемы производства на 75%. Традиционными методами этого достичь нельзя. Потребности в белковых продуктах можно удовлетворить, используя микроорганизмы, которые на 50% состоят из белка. Например, в ферментере объемом 300 м³ за сутки можно выработать 1 т микробного белка (365 т в год). Чтобы такое же количество белка выработать с помощью крупного рогатого скота, нужно иметь 30000 голов. Если же использовать для получения такой скорости производства белка бобовые растения, например, горох, то потребуется иметь поле площадью 5400 га. Для производства белка можно выращивать бактерии, дрожжи и микроводоросли. Известны попытки использования биомассы мицелиальных грибов рода Fusarium, на основе которых производят пищевой продукт микопротеин. Для вкуса и цвета в него вводят специальные пищевые добавки. В качестве пищевых добавок используются препараты из пивных и пищевых дрожжей. Белок микробного происхождения добавляется в пищу человека только в очищенном от примесей виде.

    Требования  к белкам микробного происхождения, добавляемым в корм животным, не такие высокие. Белки хорошего состава можно получить из культивируемых дрожжей. Высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат, содержащий до 60% белковых веществ. Вместе с тем в кормовых дрожжах встречаются вредные примеси, поэтому  дрожжевой белок добавляется в корма животных ограниченно – не более 5-10% от сухой массы корма. Известно более 30 видов бактерий, которые также могут быть использованы в качестве источника полноценного кормового белка. За счет высокого содержания белка добавление 1 т БВК в корма обеспечивает экономию 7 т фуражного зерна и дополнительное производство 800 кг свинины или 5 т мяса птицы. Микробы-производители белка могут расти на различных достаточно дешевых средах (метанол, этанол, природный газ, нефтепродукты). Наиболее продуктивным сырьем для получения микробного белка следует считать клетчатку, причем преимущественно используются отходы сельского хозяйства: подсолнечная лузга, кукурузные кочерыжки, солома и др.

    В рационе человека и животных имеет  большое значение не только количество белка, но и его состав. Белки состоят  из отдельных звеньев – аминокислот. Если растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все составляющие белок аминокислоты из углекислоты, воды, аммиака и минеральных солей, то человек и животные не могут производить некоторые аминокислоты, которые называются незаменимыми. Это валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Эти аминокислоты должны поступать в организм в готовом виде с пищей, их отсутствие вызывает тяжелые заболевания у человека и снижение продуктивности сельскохозяйственных животных. Например, в зерне пшеницы недостаточно лизина, а в зерне кукурузы – лизина, триптофана и треонина. Внесение в корма лизина высвобождает фураж и увеличивает объем мясной продукции: на 1 т лизина высвобождается 40-50 т фуражного зерна и получается дополнительно более 10 т мяса.

    Найдены микроорганизмы, в которых синтез отдельных аминокислот происходит достаточно активно. На их основе разработаны технологии производства незаменимых аминокислот. Среди соединений, получаемых биотехнологическими методами, аминокислоты занимают первое место по объему производства (более 500 тыс.т в год). Больше всего производится глутаминовой кислоты (глутамат натрия) и лизина. Помимо применения в качестве пищевых добавок аминокислоты используются в медицине для лечения ряда заболеваний, а также в пищевой промышленности. В таблице 1 указаны области применения некоторых производимых микроорганизмами аминокислот.

    Таблица 1. Практическое использование некоторых  аминокислот.

  Производство органических кислот  

    Органические  кислоты и их соли широко используются в пищевой, фармацевтической, кожевенной, текстильной, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Большинство кислот, используемых для технических нужд, производится химическим путем на основе нефтехимического сырья и продуктов сухой перегонки древесины. В тех случаях, когда химический синтез кислот является сложным и экономически невыгодным, или если они имеют пищевое или медицинское назначение, кислоты производят микробиологическим путем. С помощью микроорганизмов может быть получено более 50 различных органических кислот, методы получения их разработаны достаточно подробно. В настоящее время только 6 органических кислот производится биотехнологическим путем в промышленном масштабе. Причем лимонную, глюконовую, кетоглюконовую и итаконовую кислоты производят только микробиологическим путем, а молочную и уксусную - как химическим, так и микробиологическим методами.

    Уксусная  кислота имеет наибольшее значение среди органических кислот. Ее используют при выработке многих химических веществ, включая каучук, пластмассы, волокна, инсектициды. Микробиологический способ производства уксусной кислоты состоит в превращении этанола в уксусную кислоту при участии бактерий Acetobacter и Gluconobacter. Процесс идет в анаэробных условиях в режиме непрерывного культивирования продуцента.

    Лимонную  кислоту широко используют в пищевой (приготовление соков, кондитерских изделий), фармацевтической и косметической промышленности. Ею заменяют фосфаты в составе детергентов, так как она полностью метаболизируется живыми организмами и не загрязняет окружающую среду. Лимонная кислота образует хелаты с металлами, поэтому ее применяют для их очистки. Производят лимонную кислоту из сахара или из отходов его производства – мелассы, из содержащих глюкозу гидролизатов древесины и зерна. Мировое производство лимонной кислоты составляет более 300 тыс.т в год. Для промышленного производства лимонной кислоты используют, главным образом, культуру гриба Aspergillus niger и A. wentii.

    Глюконовая, кетоглюконовая, итаконовая и молочная кислоты используются в пищевой промышленности в качестве подкислителей. Глюконат натрия, в виде которого обычно выделяют глюконовую кислоту, используют для извлечения металлов из руд, борьбы с коррозией, как моющее средство, в качестве медицинского препарата. Итаконовая кислота применяется при производстве пластмасс и красителей. Молочную кислоту используют при выделке кож и как сырье для производства биоразлагаемого полимера полилактата. 

Биотехнологии медицинского назначения

    Биотехнология предлагает новые подходы к разработке и производству лекарственных, профилактических и диагностических медицинских  препаратов, а также позволяет производить в достаточных количествах широкий спектр лекарственных средств, которые ранее были малодоступны.

    К самому большому классу лекарств, получаемых путем микробного синтеза, относят  антибиотики. Сегодня известно более 6000 видов антибиотиков, более 100 из которых находят применение в медицинской практике, в том числе при лечении таких тяжелых заболеваний, как туберкулез, менингит, плеврит, пневмония. Отдельные антибиотики применяют при лечении онкозаболеваний.

    Важный  вклад микробной биотехнологии в медицину состоит в получении профилактических препаратов - вакцин и сывороток, причем этот вид продукции не имеет дублера в химической промышленности. Вакцины – специально выращенные болезнетворные микроорганизмы и их компоненты (антигены), которые после специальной обработки вводят в виде ослабленной или убитой культуры в организм человека и обеспечивают за счет этого создание у него иммунитета к данному заболеванию. Сейчас применяют также генно-инженерные вакцины, обладающие рядом преимуществ. Сыворотка – полученные на антиген готовые антитела, вводимые уже заболевшему человеку или животному для быстрого ответа на инфекцию.

    Витамины необходимы в малых количествах любому организму, они выполняют в нем каталитические функции, ускоряя различные процессы обмена веществ. Первоначально витамины получали из овощей и фруктов, рыбы. Например, для выделения 1 г рибофлавина (В₂) требовалась 1 т моркови или 160 кг печени трески. В 1935 году был обнаружен активный продуцент рибофлавина – гриб Eremothecium ashbyii, способный при выращивании на 1 т питательной среды синтезировать 25 кг витамина В₂. 

Большое количество витаминов группы В содержится в биомассе пивных дрожжей. Витамины являются относительно простыми соединениями, поэтому многие из них сейчас синтезируют химическим путем. Но самые сложные по строению витамины В₂, В₁₂, бета-каротин (предшественник витамина А) и эргокальциферол (предшественник витамина D) целесообразнее получать с помощью микроорганизмов.

    Следующий класс веществ, производимых биотехнологическим путем, - гормоны. К традиционным микробиологическим продуктам относятся стероидные гормоны – кортизон, преднизолон, которые широко применяют при лечении различных аллергических заболеваний, бронхиальной астмы, ревматоидного артрита и др. С помощью микроорганизмов производится также гормон роста – соматотропин.