Biotechnologia to nauka interdyscyplinarna, która łączy wiedzę oraz umiejętności z zakresu biologii, chemii, fizyki, matematyki i informatyki. Umożliwia wykorzystanie organizmów, ich części lub metabolitówmetabolitymetabolitów do procesów diagnostycznych i produkcyjnych. Biotechnologię dzielimy na tradycyjną i nowoczesną.

Biotechnologia tradycyjna opiera się na wykorzystaniu organizmów dzikich szczepów, czyli organizmów, które naturalnie występują w przyrodzie. Pozyskuje się je do procesów produkcyjnych na drodze selekcji sztucznej.

Biotechnologia nowoczesna opiera się na wykorzystaniu biokatalizatorówbiokatalizatorbiokatalizatorów i enzymów modyfikowanych na drodze inżynierii genetycznej i biologii molekularnej.

Więcej na ten temat w e‑materiale Biotechnologia – nauka interdyscyplinarna.

Działalność biotechnologiczna była początkowo formą rzemiosła, którego procedury przekazywano kolejnym pokoleniom. Rozwój produkcji przemysłowej sprawił, że podjęto liczne próby wykorzystania procesów biotechnologicznych na dużą skalę.

W dziedzinie biotechnologii największe zasługi ma francuski chemik i mikrobiolog Louis Pasteur. W latach 1857–1868 badał on proces fermentacjifermentacjafermentacji. Wykazał, że procesy fermentacyjne, uważane dotychczas za wyłącznie chemiczne, są wywoływane przez drobnoustroje, przy czym każdemu typowi fermentacji odpowiadają inne ich rodzaje.

Odkrycie fermentacji stało się podstawą opracowania metody chronienia przed zepsuciem produktów żywnościowych – pasteryzacji.

Więcej na temat fermentacji w e‑materiałach:

• FermentacjePZFRW1iuzFermentacje;

• Fermentacja alkoholowa drożdżyP7PP4qzaWFermentacja alkoholowa drożdży.

Wzmianki o wytwarzaniu napojów alkoholowych można znaleźć w kulturach całego świata. Znaleziska archeologiczne wskazują na obecność wina w naczyniach datowanych na 7 tys. lat p.n.e. Napoje te powstawały z ryżu, kukurydzy, winogron i innych owoców, ale proces, który umożliwiał ich produkcję, był ten sam – fermentacja alkoholowa. Nie wiadomo, jak został odkryty – być może przypadkowo – natomiast selekcję szczepów mikroorganizmów odpowiedzialnych za fermentację należy traktować już jako jego optymalizację. Prowadzono ją na podstawie walorów smakowych, przyczyniając się tym samym do kontrolowanej ewolucji szczepów bez bezpośredniej ingerencji w ich genomy. Efektem tej selekcji są obecnie wykorzystywane w winiarstwie i piwowarstwie szczepy drożdży Saccharomyces cerevisiae.

W 1857 r. Pasteur wykazał, że to drożdże są odpowiedzialne za produkcję etanolu z glukozy oraz że niektóre ze szczepów produkują, oprócz alkoholu, różne estryestryestry – związki charakteryzujące się silnym zapachem, np. owoców. Odkrył również fermentację mlekową, po tym jak podjął się analizy składu wina o nieprzyjemnym smaku. W obrazie mikroskopowym próbki napoju zaobserwował mniejsze od drożdży organizmy, które okazały się bakteriami kwasu mlekowego.

Współcześnie w browarach stosuje się specjalnie wyselekcjonowane drożdże, które produkują estry o danym aromacie i pozwalają na produkcję piw o różnych nutach zapachowych.

Do produkcji alkoholu wykorzystywane są także bakterie, w tym Zymomonas mobilis, będące w wielu aspektach lepszym producentem etanolu niż drożdże. Nie przeprowadzają one jednak fermentacji związków pięciowęglowych, wchodzących w skład biomasy lignocelulozowej, co stanowi czynnik ograniczający szersze zastosowanie przemysłowe tych bakterii. Tradycyjnie Zymomonas mobilis wykorzystywane są w produkcji tequili, a na skalę przemysłową – do produkcji bioetanolu w chińskiej prowincji Liaoning.

Rp96r6kEEX3gD1

Zdjęcie przedstawia słoiki wypełnione zielonymi ogórkami. Dookoła nich również znajdują się ogórki. W środku słoików można również dostrzec baldachimy kopru oraz ząbki czosnku.

Fermentację mlekową przeprowadzają bakterie mlekowe z rodzaju Lactobacillus –powstały w jej wyniku kwas mlekowy nadaje charakterystyczny smak wielu potrawom. Proces tej fermentacji określany jest jako kiszenie – w Polsce tradycyjnie kisi się m.in. kapustę, ogórki i buraki. Fermentacja mlekowa znajduje także zastosowanie w procesach przetwórstwa mleka, m.in. w produkcji maślanki, kwaśnego mleka, jogurtu i kefiru. Tego rodzaju przetwory mają wiele zalet, znanych i cenionych dawno temu, jeszcze zanim nauka wyjaśniła mikrobiologiczną istotę kiszenia. Oprócz walorów smakowych kiszonki cechują się długim terminem przydatności do spożycia.  Wynika to z właściwości obecnego w nich kwasu mlekowego, który obniża pH do wartości ok. 4, hamując rozwój bakterii gnilnych i zapobiegając psuciu się żywności.  Kiszonki mają pozytywny wpływ na dobroczynną florę jelitową.

Techniki biotechnologii tradycyjnej wykorzystywano także w produkcji antybiotykówantybiotykiantybiotyków, wkrótce po ich odkryciu. W 1928 r. Alexander Fleming przypadkowo zaobserwował, że pleśnie z rodzaju Penicillium wytwarzają substancję zabijającą bakterie – penicylinę, a 10 lat później Howard Florey i Ernst Chain wyizolowali ją i rozpoczęli jej wytwarzanie na przemysłową skalę. Jednak z czasem tradycyjna produkcja penicyliny przez Penicillium okazała się niewystarczająca – szczególnie podczas II wojny światowej potrzeba antybiotykoterapii była ogromna. Dzięki staraniom naukowców opracowano nowe metody hodowli Penicillium, tzw. hodowle bioreaktorowe.

Problem niewystarczającej produkcji względem popytu pojawił się także w przypadku innych antybiotyków, np. streptomycyny, tetracykliny czy wankomycyny, wytwarzanych przez bakterie z rodzaju Streptomyces. Jeżeli optymalizacja parametrów hodowli lub wykorzystanie innego organizmu do produkcji danego związku okazują się niewystarczające, konieczne jest zastosowanie nowoczesnych metod produkcji, bazujących m.in. na modyfikacjach genetycznych.

Metody biotechnologii tradycyjnej stosuje się od bardzo dawna. Mimo upływu lat i  wielu przełomowych odkryć naukowych nie opracowano dotąd lepszych sposobów produkcji etanolu, spulchniania ciasta i kiszenia żywności niż wykorzystanie mikroorganizmów zdolnych do przeprowadzania tych procesów w sposób naturalny. Choć współcześnie selekcjonuje się i modyfikuje szczepy drożdży, pleśni i bakterii pod kątem np. efektywności produkcji, zasady jej prowadzenia pozostały niezmienne.

Więcej na temat zastosowania metod biotechnologii tradycyjnej w e‑materiałach:

• Zastosowania biotechnologii tradycyjnej w rolnictwie i ochronie środowiska;

• Zastosowania biotechnologii tradycyjnej w przemyśle.

Słownik