Biotexnologiya

Biotexnologiya bir tətbiqi elm kimi yaranma və formalaşmasında texniki mikrobiologiyaya əsaslanır. Ona görə də ilk əvvəl texniki mikrobiologiyanın yaranma tarixindən başlamaq lazımdır. İlk dəfə 1675-ci ildə Antoni van Levenhuk mikroorqanizmlərin təsvirini vermiş və mikrobiologiyanın təsviri dövrünün əsasını qoymuşdur. Lakin, bu kəşfdən çox-çox illər əvvəl hələ bizim eradan 6000 il əvvəl pivə istehsalı barədə tarixdə məlumatlar vardır. Həmçinin insanlar qədim dövrlərdə mikroorqanizmlərdən sirkə, süd məhsullarından qatıq, pendir və s. alınmasında, lifli bitkilərin yumşaldılmasında, çörəkbişirmə və şərabçılıqda istifadə etmişdirlər.

Texniki mikrobiologiyanın bir elm kimi formalaşması Lui Pasterin dahiyanə kəşfləri ilə başlamışdır. O, ilk dəfə 1857-ci ildə isə pivə və şərabın xarab olmasında mikroorqanizmlərin rolunu göstərmiş və onlarla mübarizə pasterizasiya üsulunu təklif etmişdir. Həmçinin Paster müxtəlif yoluxucu xəstəliklərlə mübarizədə vaksinlərin alınma üsullarını da işləmişdir. Bu səbəbdən Lui Paster texniki-mikrobiologiyanın banisi sayılır. Beləliklə, texniki-mikrobiologiyanın əsası mikrobiologiyanın inkişafının ikinci dövründə qoyulmuşdur. XIX əsrin axırlarında rus alimi İlya Meçnikov zərərverici gəmiricilərə qarşı mübarizədə xəstəlik törədən bakteriyalardan istifadə olunmasını təklif etmiş və bu məqsədlə 1885-ci ildə bakterioloji laboratoriyada toyuq vəbası mikroblarından ibarət preparat alaraq ondan sünbülqıranların məhv edilməsində istifadə etmişdir. Lakin, yerli hökumət həmin mikrobların insanda vəba əmələ gətirəcəyindən qorxaraq müqavimət göstərmişlər. Daha sonra sovet alimləri Merojovski və İsaçenka insan və ev heyvanları üçün zərərsiz olan mikrob kulturaları almış və onlardan gəmiricilərə qarşı mübarizədə müvəfəqiyyətlə istifadə etmişlər. 1897-ci ildə alman alimləri Hobber və Viltiner təmiz kök yumrusunun bakteriyasından ibarət nitragin preparatını aldılar. Bu preparat ilk dəfə 1911-ci ildə istehsal edilmiş, 1929-cu ildə isə həyata keçirilmişdir.

Rus alimi Kostiçev və onun əməkdaşları ilk dəfə azobakteriyalardan ibarət azota bakterin preparatı almış və onu azot gübrəsi əvəzinə istifadə etmişlər.

XX əsrin birinci yarısında rusiyada texniki-mikrobiologiya böyük sürətlə inkişaf etdi. İlk dəfə rus alimi İvanov spirt qıcqırmasını ətraflı tədqiq etdi və göstərdi ki, fosforlu üzvi birləşmələr əmələ gəlir. Kostiçev və Qutkeviç mikroskopik göbələklərin köməyilə bir çox üzvi turşuların alınma texnologiyasını öyrənmiş və 1930-cu ildə praktiki olaraq limon turşusu almışdır. Lapışnikov, Çistakov və digər rus alimləri süd turşusu, aseton və butil spirtinin zavodda istehsalı üsullarını işləyib hazırlamışlar. Karalyov və Botkeviç öz əməkdaşları ilə birlikdə yeni biotexnoloji proseslər əsasında süd məhsullarının alınmasını tədqiq etmişlər.

1929-cu ildə ingilis alimi Aleksandr Fleminq tərəfindən pensilinin kəşfi texniki-mikrobiologiyanın inkişafında böyük rol oynadı. 1940-cı ildə pensilin, 1944-cü ildə isə Voksman tərəfindən streptamisin preparatı alındı. Bu sahədə rus alimlərinin də böyük köməyi olmuşdur. Krasilnikov, Yermolyeva və Hauze tərəfindən antibiotik maddələr alınmış və zavod miqyasında istehsal edilmişdir.

XX əsrin ikinci yarısında Yerusalimski və Skrabin tərəfindən sənayedə mayagöbələklərindən yem zülalının alınmsaının əsası qoyulmuşdur. Beker və əməkdaşları isə yem məqsədilə lizin amin turşusunun praktiki alınmasını əldə etmişlər.

Texniki-mikrobiologiyanın müasir inkişaf dövrü XX əsrin ikinci yarısında molekulyar mikrobiologiyanın geniş vüsət tapması ilə əlaqədardır. Məhz bu dövrdə mikrobiologiya sənayesi yarandı. Mikrobiologiya sənayesinin torpaq münbütləşdirici preparat antibiotik, vitamin, ferment və digər fizioloji aktiv maddələr istehsal edən zavodların sayı getdikcə artır.

Texniki-mikrobiologiyanın mühüm əhəmiyyətə malik son müvəffəqiyyətlərindən biri mikroorqanizmlər tərəfindən interferon və insulin kimi qiymətli dərman preparatlarının alınmasıdır.

Mikroorqanizmlərin əsas praktiki xassələri

Mikroorqanizmlərin geniş və dərindən öyrənilməsi göstərdi ki, mikroskopik ölçüyə malik olmasına baxmayaraq onlar insanın praktiki fəaliyyəti və maddələr dövranında böyük əhəmiyyət kəsb edən prosesləri idarə edirlər. Digər tərəfdən mikroorqanizmlər ümumi bioloji qanuna uyğunluqları aşkara çıxarmaq üçün əlverişli tədqiqat obyektləridir.

Mikroorqanzimlərin xalq təsərrüfatı və elm üçün mühüm əhəmiyyətəmalik olamlarını təmin edən xassələr aşağıdakılardır:

1. Çox kiçik ölçüdə olub hava axını və başqa vasitələrlə asanlıqla yayılır. Yer kürəsinin elə bir sahəsi yoxdur ki, orada mikrorqanizmlərə rast gəlinməsin;
2. Yüksək sürətlə çoxalma qabiliyyətinə mailk olmalı, mikroorqanizmlər hər 30–60, bəzi bakteriyalar isə 8–10 dəqiqədən bir bölünürlər. Mikroorqanizmlərin çoxalma sürəti bitki və heyvanların çoxalma sürətindən dəfələrlə böyükdür. Məsələn: Mikrobioloji yem kütləsi istehsal edən ən kiçik zavod sutkada 30 ton maya göbələyi istehsal edir ki, onu tərkibində 15 ton yüksək keyfiyyətli zülal vardır. İribuynuzlu qaramaldan sutka ərzində 15 ton zülal almaq üçün 50000 baş heyvan lazımdır;
3. Canlı orqanizmlərin yaşaya bilmədikləri yüksək temperaturda yaşayıb çoxalırlar. Bütün canlılar bir qayda olaraq 40–50º C-dən aşağı temperaturda yaşayırlar. Termofil mikroorqanizmlər isə 60–110º C-də inkişaf edirlər. Okeanın dibində sulfidli termal sularda 250º C-də bakteriyalara təsadüf edilir;
4. Yuxarı qatılıqlı turşu və qələvi mühit yüksək təzyiq və başqa ekstremal şəraitdə inkişaf edərək çoxalırlar. Asedofil mikroorqanizmlər PH=1 olan mühitdə asanlıqla fəaliyyət göstərirlər. Qırmızı qalobakteriyalar xörək duzunun doymuş məhlulunda çoxalırlar;
5. Müxtəlif üsullarla qidalanırlar. Heterotrof mikroorqanizmlər heyvanlar kimi hazır üzvi maddələr mənimsəyir. Bəzi növlər parazit həyat tərzi keçirirlər. Əksər mikroorqanizmlər tərkibində azot və karbon qidası, mineral elementlər olan sadə sintetik mühitlərdə bitirlər;
6. Müxtəlif qidalı mühitlərdə bitərkən çoxlu miqdarda metaballitlər sintez edib toplayırlar. Bunun nəticəsində praktiki olaraq mikroorqanizmlərdən fermentlər polisaxaridlər, antibiotiklər, amin turşuları, toksinlər və üzvi turşular alınır;
7. Müxtəlif üzvi birləşmələri tam parçalamaqdan bir şəkildən başqa şəkilə çevirir və ya transformasiya edirlər. Mikroorqanizmlərin bu xassəsi onlardan katolizator kimi geniş istifadə etməyə imkan verir;
8. Müxtəlif amillərin təsirindən metabalizm proseslərini dəyişə bilirlər. Bu xassəyə əsasən hüceyrədə gedən biokimyəvi prosesləri istənilən istiqamətə yönəltmək olar;
9. Mutagenlərin təsirindən irsi əlamətlərini dəyişib faydalı xassə qazana bilirlər. Hazırda mikrobiologiya sənayesində mutant ştamlar — superprodusentlərdən müvəffəqiyyətlə istifadə edirlər;
10. Genomlarında xromosomdan kənar irsiyyət elementləri – plazmidalar vardır. Onlar mikroorqanizmlərdə irsi xassələrin bir hüceyrəsini təmin edir və eyni zamanda əlavə genetik məlumat daşıyırlar.

Bioloji aktiv maddələr sintez edən produsentlərin təkminləşdirilməsi

Produsentlərin əsl mənbəyi müxtəlif ekoloji şəraitdə mövcud olan təbii mikroorqanizmlərdir. Bu halda spantan mutasiyaya məruz qalan hüceyrələrdən istifadə edilir. Biotexnologiyada yalnız seçilmiş təbii ştamlar deyil eləcədə yüksək fəallığa malik mutant ştamlar alınıb geniş tətbiq olunur.

Təbii ştamlar adətən mikrob biokütləsi, zülali preparatlar və gübrələrin alınması məqsədilə işlədilir. Hüceyrənin sintez etdiyi metobolitlərin alınmasında isə genetik sistemi dəyişilmiş ştamlardan istifadə edilir. Süni mutasiya almaq üçün aşağıdakı şərtlərə riayiət olunmalıdır:

1. Mutagenin seçilməsi;
2. Onun təsir dozasının müəyyən edilməsi;
3. İstənilən mutantın seçilmə üsulunun təyini.

Məhsuldar produsentlərin alınmasının ən müasir yolu genetik rekanbinasiya üsuludur.

Biotexnologiyanin ənənəvi sahələri

Biotexnologiyanın ən mühüm sahələrindən biri müxtəlif xassəli mikrob biokütləsinin alınmasıdır.

Zülalla zəngin mikrob kütləsinin alınması bir çox ölkələrdə nəhəng biotexnoloji istehsal sahəsinin əsasını təşkil edir. Bu məqsədlə əsasən maya göbələkləri tətbiq olunur və alınan məhsul kənd təsərrüfatı heyvanları üçün yem məqsədilə istifadə edilir. Maya göbələklərindən alınan biokütlə yüksək keyfiyyətə malik olduğu üçün ondan qida kimi də istifadə olunması nəzərdə tutulur.

Mikrobiologiya sənayesi zavodlarında gəmiricilər və həşaratlara qarşı mikrob biokütlələrindən ibarət entomopatogen və kənd təsərrüfatı üçün torpaqmünbitləşdirici preparatlar istehsal edilir.

Bakterial hüceyrələr və viruslardan ibarət müxtəlif vaksinlər, başqa tibbi preparatların alınması və tətbiqi böyük sürətlə inkişaf etdirilir. Biotexnologiyanın ən geniş sahəsini mikroorqanizmlərdən metabolizm məhsullarının alınması təşkil edir. Heyvandarlıq və təbabətdə istifadə edilən antibiotiklər, vitaminlər və lipidlərin istehsalı biotexnologiyası xeyli vaxtdır ki, sənayedə öz təzahürünü tapmışdır. Mikrob polisaxaridləri təbabətdə qan plazmasının əvəzedicisi kimi yeyinti sənayesi və yataqlardan neftçıxarmanın inkişafında geniş tətbiq edilir. Mikroskopik göbələklərdən təbabətdə hormonal mübadilə ilə bağlı olan xəstəliklərin müalicəsində və bitkiçilikdə istifadə olunan alkoloid və qibberellinlər alınır. Sənayenin müxtəlif sahələrində geniş tətbiq olunan limon, süd, sirkə və s. üzvi turşuların biotexonoloji istehsalı kimyəvi üsulları çoxdan sənayedən sıxışdırıb çıxarmışdır.

Qədim dövrlərdən bəri istifadə olunan biotexnoloji proseslər hazırda öz əhəmiyyətini itirməmişlər. Yeyinti sənayesində spirt, şərab, pivə və başqa spirtli içkilərin, süd məhsullarının alınması kimi biotexnoloji proseslər geniş tətbiq edilir.

Müxtəlif mikrobioloji mayalar çörəkbişirmə, kvas istehsalı, meyvə və tərəvəzin turşuya qoyulması, yemlərin siloslaşdırılmasında tətbiq olunur.

Fermentlər daha mühüm praktiki əhəmiyyət kəsb edən metabolitlərdir.

Hazırda sellülaza, proteaza, amilaza, katalaza və digər fermentlərdən yeyinti, dəriaşılama və toxuculuq sənayesində geniş istifadə edilir. Bir sıra fermentlər isə təbabətdə dərman və analitik vasitə kimi işlədilir. Fermentlərin təmizlənməsini və xalq təsərrüfatının müxtəlif sahələrində tətbiqini öyrənən biotexnologiya sahəsinə mühəndislik enzimologiyası deyilir. Hidrometallurgiya sənayesində adi üsulla istifadəsi mümkün olmayan mədənlərdən metal və elementlərin alınmasında (biogeotexnologiyanın yaranmasında) mikroorqanizmlər mühüm rol oynamışlar.

Son zamanlar təbii energetik ehtiyatların tükənməsi ilə əlaqədar olaraq metan qazı əmələgətirən mikroorqanizmlərə xüsusi diqqət verilir. Bir çox ölkələrdə artıq kənd təsərrüfatı və məişət tullantılarından mikroorqanizmlər vasitəsilə metan qazı alan biotexnoloji qurğular fəaliyyət göstərir. Fototrof mikroorqanizmlərin köməyi ilə sudan molekulyar hidrogen alınması prosesinin praktikada tətbiq ediləcəyi nəzərdə tutulur.

Mikroorqanizmlər suyun və torpağın təmizlənməsində böyük rol oynayırlar. Onların iştirakı ilə sənaye müəssisələrinin çirkab sularını sintetik maddələrdən, torpağı herbisidlərdən təmizləmək mümkündür.

Daşkömür şaxtalarından metan qazını mənimsəyən mikroorqanizmlərin istifadə olunması arzuolunmaz partlayışların sayını xeyli azaltmışdır.

Biotexnologiyanin yeni sahələri

Elm və cəmiyyətin sürətlə inkişaf etdiyi bir dövrdə və yeni tələblərin meydana çıxması ilə əlaqədar olaraq biotexnologiyanın yeni sahələri yaranmışdır.

Biotexnologiyada işlədilən qiymətli xammal (n-parafinlər, şəkərlər və s.-nin) mənbələrinin tədricən tükənməsi ucuz başa gələn yeni xammalın aşkar olunmasını qarşıya məqsəd qoymuşdur. Hər il ağac emal edən zavodlarda çoxlu miqdarda ağac kəpəyi və talaşa, kənd təsərrüfatı məhsulları yığımından sonra qalan külli miqdarda bitki qalıqları, meyvə ağaclarının budamasından alınan çöplərdən bu məqsədlə müvəffəqiyyətlə istifadə oluna bilər.

Son illərədək biotexnologiyada ən səmərəli fermentasiya prosesi mikroorqanizmlərin duru qida mühitlərində yetişdirilməsi sayılırdı. Onların substrat qatılığı adətən 1–10%-ə qədər olur və mikroorqanizmlər tərəfindən mənimsənilmə prosesi maye fazada gedir. Mikroorqanizmlərin çoxlu miqdarda xammalı qısa müddət ərzində parçalaması zəruriliyi qatılığı xeyli artırmağı tələb edir. Duru qida mühitində substrat qatılığını çox artırdıqda fermentasiya prosesi də buna müvafiq olaraq zəifləyə və dəyişə bilir. Bu məsələnin həllinə bərk fazada gedən yeni fermentasiya prosesin həyata keçirməklə nail olmaq mümkün olmuşdur. Yeni fermentasiyada mikroorqanizmlər bilavasitə nəmləşdirilmiş substrat üzərində yetişdirilir. Bitki tullantılarının bu üsulla mikroorqanizmlər tərəfindən mənimsənilməsi prosesi faydalı olub böyük əhəmiyyət kəsb edir.

Biotexnologiyada istifadə olunan müasir üsullardan biri də qida mühitlərinin riyazi optimallaşdırılmasıdır. Riyazi üsulların fermentasiya proseslərinə tətbiqi sayəsində vaxta, qida maddələrinə, kimyəvi reaktivlər və s.-yə qənaət etməklə biotexnoloji prosesi idarə etmək üçün ən optimal şərait yaratmaq olur.

Son vaxtlar biotexnoloji təcrübədə qarışıq kulturalardan geniş istifadə olunur. Əksər zəruri proseslərin ayrı-ayrı mərhələləri eyni zamanda iki və daha çox mikrob kulturasının iştirakı ilə gedirsə, bu zaman qarışıq mikrob kulturası tətbiq edilir.

Hər hansı prosesi aparmaq və mikrob hüceyrəsindən təkrar istifadə etmək üçün yeni metod-mikrob hüceyrələrinin immobilizə olunması tətbiq edilir. Bu zaman mikrob hüceyrələri müəyyən adsorbentlərin səthinə hopdurulur və immobilizə olunmuş hüceyrələr adlanır. Sərbəst hüceyrələrdən fərqli olaraq onlar fermentasiya prosesində uzun müddət aktivliyini itirməyərək fəaliyyət göstərirlər.

Mikroorqanizmlərdən biotexnologiyada istifadə olunması, ilk növbədə, onların yetişdirmək, yəni fermentasiya proseslərini aparmaq üçün xüsusi qurğu (fermentyorlar) və aparatlar yaradılması sayesində mümkün olmuşdur. Biotexnologiyanın bu sahəsi mühəndislərin mikrobioloqlarla birgə elmi fəaliyyəti nəticəsində inkişaf etmişdir və bioloji mühəndislik (biomühəndislik) adlanır. Biomühəndislik fermentasiya proseslərinin idarə olunması, avtomatlaşdırılması, qurğular yaradılması və elektron-hesablama maşınlarının tətbiqi problemlərini öyrənir.

Biotexnologiyanın ən yeni sahələrindən biri genetik mühəndislikdir. Molekulyar biologiya və molekulyar genetikanın sürətlə inkişafı sayəsində yaranmış genetik mühəndislik metodları yeni superprodusentlər və faydalı xassələrə malik ştammların alınmasında mühüm rol oynayır. Genetik mühəndisliyin yaranmasına əsasən aşağıdakı nailiyyətlər səbəb olmuşdur:

1. bakteriya və göbələk hüceyrələrinin DNT fraqmentləri və ya geninin rekombinasiya olunma və ötürülməsi mexanizminin öyrənilməsi;
2. DNT molekulunu müəyyən nahiyyələrə genlər və fermentlərə parçalaya bilən restriktaza və bu fraqmentləri birləşdirə (tikə) bilən liqaza fermentlərinin aşkar edilməsi;
3. Genin in vitro şəraitdə sintezinin kəşf edilməsi;
4. Lazım olan geni və ya fraqmenti ressipient hüceyrəyə köçürmək üçün vektorlardan istifadə etmək imkanının müəyyən edilməsi.

Bu üsulla gen təkcə bir mikrob hüceyrəsindən başqa mikrob hüceyrəsinə deyil, həm də təkamülün müxtəlif mərhələlərində duran orqanizmlərə də köçürmək olur.

Beləliklə, növlərarası çarpazlaşmanın mümkünlüyü sübut edilmişdir.

Genetik mühəndisliyin yaranma tarixi in vitro şəraitdə ilk rekombinat molekulun alındığı 1972-ci il sayılır. Genetik mühəndisliyin əsas təcrübələri Escherichia coli bakteriyası hüceyrələri üzərində aparılmışdır. Yeni hibrid DNT molekulu quraşdırılarkən E. coli hüceyrəsindən əsasən klonlaşdırmanın "aralıq" sistemi kimi istifadə olunur. Sonrakı tətqiqatlar Bacillus subtilis və Saccharomyces cerevisae hüceyrələri üzərində aparılmışdır.

Genetik mühəndislik üsulları irsiyyətə məqsədyönlü təsir etməklə istənilən xassəli yeni növlər almağa imkan verir. Bu metod vasitəsilə molekulyar atmosfer azotunu fiksəedən, metil spirtini mənimsəyib keyfiyyətli zülali kütlə əmələgətirən yeni ştammlar alınmış, insan hüceyrəsi genləri E. coli bakteriyalarına köçürülmüş və beləliklə də tibbdə geniş istifadə edilən insulin (mədəaltı vəzin hormonu), samototropin (boy hormonu) və interferonal sintez edən qeyri-adi mikrob ştammları alınmışdır. Onların köməyi ilə alınan dərman maddələri çox ucuz başa gəlir. İnsulin sintezedən E. coli bakteriyası artıq biotexnologiyada geniş tətbiq olunur.

Son illər biotexnologiyaya şamil edilən elm sahələrindən biri də bitki və heyvan hüceyrələri və ya hüceyrə protoplastlarının müxtəlif məqsədlə becərilməsidir. Biotexnologiyanın bu yeni sahəsi hüceyrə mühəndisliyi adlanır.

Bitki və heyvan toxumalarından alınan hüceyrə kulturalarının biotexnologiyada tətbiqi ilə əlaqədar olaraq aşağıdakı bir sıra nöqsanlar mövcuddur:

1. hüceyrə kulturaları çox yavaş bitirlər;
2. sintez məhsulları hüceyrə daxilində toplanır;
3. çox zəngin qida mühiti tələb olunur;
4. sintez məhsulları cüzi miqdarda əmələ gəlir;
5. bitki hüceyrələri çox kövrək olduğu üçün tez zədələnirlər;
6. hüceyrələr yumaq şəklində inkişaf edirlər.

Heyvan hüceyrələrinin diametri 10 mkm, bitki hüceyrələrininki isə 20–150 mkm olub bakteriya hüceyrələrindən 100 dəfə böyükdürlər. Buna baxmayaraq onların fəallığı bakterial hüceyrələrə nisbətən çox zəifdir.

Heyvan hüceyrəsi kulturaları vasitəsilə immunoqlobulinlər, monoklonal antitellər, insektisidlər, fermentlər, hormonlar və virus xəstəliklərinə qarşı vaksinlər alınır. İnsan və heyvan hüceyrələrindən hibridoma alınması və becərilməsi üsullarının tətqiqi klinikada tətbiq olunan monoklonal antitellər alınmasına şərait yaradır.

Bitkinin somatik hüceyrələrinin becərilmə texnologiyasının öyrənilməsi və genetik mühəndisliyin hibrid hüceyrələrə tətbiqi sayəsində həm yeni xassəli hibrid hüceyrə (hibridoma), həm də hibrid bitkilər alımışdır. Nəticədə viruslu xəstəliklərə qarşı davamlı və məhsuldar bitki sortları yaradılmışdır.

Bitki hüceyrəsi kulturaları vasitəsilə müxtəlif təbii rəngləyici, ətir və dərman maddələri almaq mümkündür.

Beləliklə, elmin sürətlə inkişafı nəticəsində yaranmış yeni metodların biotexnologiyaya tətbiqi onun təsir dairəsini xeyli genişləndirmiş və predmetini zənginləşdirmişdir.

Mənbə

• Qənbərov X. Q., Abişov R. A.,. Ibrahimov A. Ş. "Biotexnologiyanın əsasları", Bakı-1994,-284s.
• Голубев В.Н., Жиганов И.Н. Пищевая биотехнология. М.: ДеЛи принт, 2001 г.
• О.А.Неверова ,Г.А.Гореликова "Пищевая биотехнология " Сибирское университетское изд.2007.
• А. Гореликова. Oсновы современной пищевой биотехнологии учебное пособие. 2012.
• Квеситадзе Г.И., Безбородов А.М. Введение в биотехнологию. –М.: Наука, 2002.
• Растительный белок. Под. ред. Браудо Е.Е. М.: Наука, 2000 г.