Википедија

Istorija biotehnologije

Biotehnologija predstavlja primenu bioloških sistema ili njihovih delova kako bi se razvijali proizvodi ili kako bi se unapredile njihove tehnološke primene. Fermentacija je jedna od najstarijih biotehnologija za proizvodnju hrane željenih osobina poput produženog roka trajanja i dobrih organoleptičkih svojstava.[1]

Ovaj članak je deo diseminacionih aktivnosti uz podršku Fonda za nauku Republike Srbije, Program DIJASPORA, #6464843, MeMEAS u saradnji sa Hemijskim fakultetu Univerziteta u Beogradu. Sadržina ovih tekstova ne izražava stavove Fonda za nauku Republike Srbije.
Datum unosa: oktobar—decembar 2023.
Vikipedijanci: Ova grupa učenika će pisati članke na podstranicama, gde će ostati do kraja perioda unosa i ocenjivanja.
Pozovamo vas da pomognete učenicima i date im smernice tokom izrade.

Rana biotehnologija

uredi

Fermentacija kao tehnika za procesuiranje hrana datira od pre više hiljada godina i potiče još iz antičkih vremena. Počeci fermentacije javljaju se na Indijskom kontinentu.[2] Pravljenje sira je počelo još pre 8000 godina na tlu ušća reka Tigar i Eufrat u Iraku, u vreme početaka pripitomljavanja životinja i kultivacije biljaka.[3] Kasnije, alkoholne fermentacije koje se koriste u proizvodnji vina i piva su se razvile u periodu 4000-2000 godine pre nove ere od strane Egipćana i Sumeraca. Egipćani su takođe razvili i fermentaciju testa za proizvodnju hleba. [2] Međutim, naučno poimaenje fermentacije počelo je identifikacijom mikroorganizama 1665. godine od strane Van Levenhuka i Huksa[4], a Luj Paster je opovrgnuo „teoriju spontanog nastanka“ oko 1859. [5] Uloga Lactococuus lactis bakterije je pokazana oko 1877. od strane Ser Džona Listera [6].

Fermentacija, imenovana po latinskoj reči „fevere“ je dobila ime od strane Luja Pastera po anaerobnoj osobini procesa, tj. „la vie sans l’air“ (život bez vazduha). Igrom slučaja, ovo je bilo vreme industrijske revolucije u Evropi čiji je rezultat bila masovna migracija populacija iz sela u gradove, što je sa sobom povuklo i značajnu promenu sa proizvodnje hrane za lokalno stanovništvo na proizvodnju hrane na velikoj skali, što je bilo neophodno kako bi se zadovoljile potrebe tržišta. Ovo je zatim dovelo do razvoja fermentacija hrane i alkoholnih pića takođe na velikoj skali, gde su najčešće korićšeni kvasci za proizvodnju piva, vina i žestokih pića, odnosno bakterije mlečnokiselinskog vrenja za razne fermentacije mlečnih proizvoda, povrća i voća.[7]

Moderna biotehnologija

uredi

Moderna masovna proizvodnja fermentisane hrane i pića skoro u potpunosti zavisi od upotrebe definisanog sastava početnih kultura, za razliku od nedefinisanih mešavina tradicionalno korišćenim za proizvodnju. Prelazak na definisane kulture je značio da su se performanse same fermentacije, kao i kvalitet proizvoda i reproducibilnost procesa, drastično poboljšali, a takođe znači i da se manji broj kultura koristi. Ova intenzivna upotreba specifičnih kultura ima, međutim, neke nedostatke. U slučaju fermentacija bakterija roda Lactococcus, proliferacija bakteriofaga može uticati na performanse početne kulture za sirilo. [8] 1928. godine, Rodžers i Viter su otkrili nisin proizveden od strane neke od bakterija mlečnog vrenja i demonstrirali antagonističku aktivnost prema drugim bakterijskim patogenima iz hrane.

2002. objavljena je kompletna lista mikroorganizama koji se mogu koristiti kao bezbedni u mlečnoj industriji od strane Međunarodne Federacije za mlečne proizvode (International Dairy Federation – IDF).[9] Ta lista je postala referenca za kulture u hrani u praktičnoj upotrebi. Iste godine, dopunjena verzija liste (bakterija, gljiva, kvasaca) koji se upotrebljavaju u fermentaciji prehrambenih proizvoda.

Razvoj biotehnološke industrije može se, bez jasnih granica, podeliti na pet stadijuma. Sve pre 1900. godine predstavlja prvi stadijum u kom su proizvodi ograničeni na proizvode fermentacije, alkohol i sirće. Iako je pivo prvo pravljeno od strane Egipćana, prva masovna proizvodnja tek počinje od ranih 1700. godina.[10] Čak postoje i znakovi kontrole procesa proizvodnje sudeći po primeni termometra 1757. godine i razvoja primitivnih razmenjivača toplote 1801. Sredinom XIX veka, uloga kvasaca u alkoholnoj fermentaciji je demonstrirana nezavisno od strane Kagniar-Latura, Švana i Kucinga ali je Paster bio taj koji je ubedio naučni svet oko neophodne uloge mikroorganizama u ovom procesu. Tokom kasnih godina XIX veka, Hansen je započeo svoj pionirski rad u Karlsberg pivari i razvio metode za izolovanje i propagaciju ćelija kvasaca za proizvodnju čistih kultura i razvio sofisticirane tehnike za proizvodnju početnih kultura. Međutim, upotreba čistih kultura se nije raširila po Britaniji i istina je da mnoge male pivnice i dalje koriste mešovite kulture kvasaca, a i dalje uspevaju u proizvodnji visokokvalitetnih proizvoda.

Sirće je originalno proivedeno ostavljanjem vina u plitkim činijama ili delimično popunjenim burićima gde je došlo do spore oksidacije do sirćeta prirodnim razvojem mikroorganizama. Značaj vazduha u ovom procesu je dovela do razvoja „generatora“ koji se sastojao od posude napakovane sa inertnim materijalom (poput uglja) preko kojeg bi vino curelo. „Generator“ sirćeta se može smatrati prvim aerobnim fermentatorom koji je razvojen. Sa kraja XIX do početka XX veka, inicijalni medijum se pasterizovao i inokulisao sa 10% pravog sirćeta kako bi postao kiseliji i time otporniji na kontaminaciju.[11] [12] Tako da, početkom XX veka koncept kontrole procesa je bio dobro uspostavljen i u industriji sirćeta i u industriji pivarstva.

Između 1900. i 1940. godine, glavni novi proizvodi bili su biomasa kvasca, glicerol, limunska kiselina, mlečna kiselina, aceton i butanol. Verovatno najbitniji napreci tokom ovog perioda bili su u razvoju pekarskog kvasca i fermentaciji rastvarača. Proizvodnja pekarskog kvasca je aerobni proces i ubrzo se prepoznalo da brz rast ćelija kvasca u bogatom medijumu dovodi do potrošnje kiseonika što dalje vodi do proizvodnje alkohola na račun proizvodnje biomase. Problem je smanjen ograničavanjem početne koncetracije medijuma tako da je rast ćelija ograničen dostupnošću izvora ugljenika umesto kiseonika. Dalji rast kulture je zatim kontrolisan dodatkom medijuma u malim količinama. Ova tehnika se sad zove „dohranjena” (engl. fed batch) kultura i koristi se u širokoj primeni kako bi se izbegli uslovi ograničenja kiseonikom.[11][12] Aeracija ovih ranih kultura kvasaca je takođe poboljšana uvođenjem vazduha kroz cevi koje bi mogle biti prečišćene vodenom parom. [13]

Razvoj fermentacija za dobijanje acetona i butanola u toku Prvog svetskog rata pionirskim radom Vajcmana na Univerzitetu u Mančesteru doveo je do razvoja prve potpuno aseptične fermentacije. Svi dosadašnji procesi su mogli da se odvijaju sa relativno malo kontaminacije ako se uzme u obzir korišćenje dobrog inokuluma i primena odgovornog standarda higijene. Međutim, anaerobni proces za dobijanje butanola je bio podložan kontaminaciji. Fermentatori koji su bili tad u upotrebi su bili vertikalni cilindri sa polusferinim vrhovima i dnom napravljenim od čelika. Mogli su da se čiste vodenom parom pod pritiskom i konstruisani su da minimalizuju šansu za kontaminaciju, ali s obzirom da su korišćeni fermentatori od 2000 hektolitara i dalje su predstavljali problem za razvoj inokuluma i održanje aseptičkih uslova pa su razvijene tehnike za proizvodnju ovih organskih rastvarača koje su bile tehnološki skok obezbeđujući put za aseptične aerobne procese u 1940-im. Kasnih 1940-ih godina, fermentacija je i dalje obezbeđivala 65% butanola i 10% acetona koji se proizvodio u Sjedinjenim Američkim Državama.[11][12] Međutim, dobijanje rastvarača preko fermentacija je postalo neekonomično sa razvojom kompetentnih procesa koji su bazirani na petrohemiji.

Treći stadijum razvoja biotehnologije je počeo u 1940-im kao rezultat potrebe za penicilinom u vidu submerzne kulture pod aseptičnim uslovima tokom ratnog stanja . Proizvodnja penicilina je aerobni proces koji je veoma podložan kontaminaciji. Iako je znanje stečeno u toku proizvodnje rastvarča od velikog značaja, problem strujanja sterilnog vazduha kroz kulturu i mešanja viskoznog medijuma, morao je biti prevaziđen. Takođe, za razliku od fermentacija za dobijanje rastvarača, penicilin je pravljen u veoma malim količinama pomoću početnih izolata i ovo je dovelo do poboljšanja sojeva, što je postala dominantna osobina industrije u narednim godinama. Razvoj procesa je takođe poboljšan uvođenjem „pilotskih“ postrojenja čime se obezbeđeno testiranje novih tehnika na skali manjoj od produkcijske. Ovo je verovatno stadijum u kom su se desile najbitnije promene u tehnologiji fermentacije što je rezultovalo razvojem novih procesa, a sa njima i novih antibiotika, vitamina, aminokiselina, enzima i steroida.[11][12]

Ranih 1960-ih, odluke nekoliko multinacionalnih kompanija da istraže proizvodnju mikrobnih biomasa kao izvora proteinske hrane dovele su do niza otkrića koji se može smatrati četvrtom fazom u napretku industrije. Razvoj velikih fermentacionih posuda sa mehaničkim mešalicama tokom treće faze bio je u opsegu od 80000 do 150000 dm³. Međutim, relativno niska cena mikrobnih biomasa zahtevala je njihovu proizvodnju u mnogo većim količinama u odnosu na druge fermentacione proizvode kako bi proces bio isplativ. Ovaj period doveo je do razvoja fermentacija pod pritiskom koji su uklonili potrebu za mehaničkim mešanjem. Ključna karakteristika ovih procesa bila je neprpekidan tok radi ekonomske isplativosti. ICI Pruteen postupak za proizvodnju hrane za životinje bio je jedan od dugovečnih rezultata ovog istraživanja, koristeći neprekidni fermentor od 3000000 dm³ pod pritiskom za gajenje Methylophilus methylotrophus s metanolom kao izvorom ugljenika. Iako je ovaj postupak bio tehnološki trijumf, ubrzo je postao ekonomski neuspeh jer je proizvod bio skuplji od sojinog i ribljeg brašna, pa je 1989. godine postrojenje srušeno označavajući kraj ovog perioda.[11][12]

Savremena biotehnologija

uredi

Dok je biomasa proizvod male vrednosti, a velike zapremine, naredn, peti stadijum progresa industrije se ogledao u proizvodnji prozvoda velike vrednosti, a male zapremine, stadijum koji se često naziva „nova biotehnologija“. Rekombinantna DNK tehnologija je dozvolila ekspresiju ljudskih i sisarsih gena u kultivisanim životinjskim ćelijama i mikroorganizmima time omogućujući razvoj relativno masovne proizvodnje proteina koji su u terapeutskoj i drugoj upotrebi. Ovi proizvodi su bili klasifikovani kao biološki agensi (engl. biologicals), ne kao lekovi, i time dolaze pod istu regulatornu kontrolu kao i vakcine, i uz njih mogu se zajedno smatrati kao biofarmaceutici.

Eksploatacija genetskog inženjeringa je paralelno išla sa još jednim velikim razvojem u biotehnologiji koji je uticao na napredak industrije, a to je proizvodnja monoklonskih antitela. Dostupnost monoklonskih antitela je vodila ka sofisticiranim analitičkim tehnikama i njuhovoj upotrebi kao terepeutskih agenasa. Iako je njihova praktična upotreba u početku ograničena samo na analitičke primene, sad su razvijeni biofarmaceutici koji se proizvode se u fermentacionim sistemima koji koriste i sisarske ćelije i mikroorganizme kao ekspresione domaćine. [14] Godine 1982. ljudski insulin dobijen rekombinantnom tehnologijom je postao prvi heterologi protein koji je dozvoljen za upotrebu u medicini. Kasnije u osamdesetim, još osam proizvoda je dozvoljeno za ljudsku upotrebu, od čega dva predstavljaju ljudski hormon rasta, dva interferone, jedan monoklonska antitela, jedna rekombinantna vakcina za hepatitis B, jedan aktivator tkivnog plazminogena, i jedan eritroprotein. [14] Tokom ovog perioda, farmaceutska industrija je takođe bila veoma aktivna u razvoju konvencionalnih mikrobnih procesa koji su rezultovali sa više novih proizvoda koji su izašli na tržište kasnih osamdesetih i ranih devedesetih godina. Baklend [15] je napravio listu četiri sekundarnih metabolita izbačenih na tržište u to vreme: ciklosporin, imunoregulator koji se koristi u kontroli odbijanja transplatacije organa, imipenem, modifikovan karbapenem, koji je dao najširi spektar antibiotskog dejstva od bilo kog antibiotika; lovastatin, lek za smanjivanje nivoa holesterola, i ivermektin, lek protiv parazita koji sprečava afričko rečno slepilo, a takođe se upotrebljava u veterini. Prodaja ova četiri proizvoda je nadmašila sve ostale rekombinantne proteine proizvedene u tom periodu. Međutim, razvoj poslednjih 20 godina je rezultovao time da biofarmaceutici dostižu godišnju prodaju u rangu 100 milijardi dolara – predstavljajući trećinu globalnog tržišta lekova. [16] Godine 2010. za trideset biofarmaceutika je zabeležena prodaja u vrednosti od preko milijardu dolara. [14]

Do kraja 2012, oko 220 biofarmaceutika je odobreno za proizvodnju [17][18] sa 31% proizvedenih u E. coli, 15% u kvasacima, 43% u sisarskim ćelijama (uglavnom u imortalizovanoj kulturi jajnih ćelija kineskih hrčaka), dok je ostalih 11% proizvedeno u hibridoma ćelijama, ćelijama insekta i transgenim životinjama i biljakama. Jedan od rekombinantnih proizvoda iz 2012, Elelyso, (ljudska taliglukeraza alfa, u upotrebi za tretman poremećaja lizozomskog skladištenja, tj. Gaučerovu bolest) je odobren za proizvodnju koristeći biljne ćelije kao ekspresionog domaćina. Dok su odobreni proizvodi 1980. godina bili uglavnom hormoni i citokini, odobrenja u periodu od 2005-2012 su dominantno proizvodi na bazi antitela i proteinskog inženjeringa, tj. proteina koji su modifikovani postsintetski.

Sa razvojem rekombinantne tehnologije DNK, razvila se i proizvodnja heterologih proteina, napredak u genomici, proteomici i analizi metabolizma došlo se do šestog stadijuma u napretku industrije. Sekvenciranje kompletnih genoma iz širokog spektra organizama i razvoj kompjuterizovanih sistema za skladištenje i pristup podacima je dozvolilo poređenje genoma i vizualizaciju ekspresije gena na nivou iRNK i proteinskih profila, tj. traskriptoma i proteoma. Analiza metaboličkog fluksa dozvolila je proučavanje toka intermedijera kroz određeni put i dozvolila konstrukciju matematičkih modela koji imitiraju metaboličku mrežu ćelije, Kombinacija ovih pristua je dovela do toga da se više holistički gleda na organizam, što je omogućilo radnicima na tom polju da raumeju organizam u celini, a ne samo njegove pojedinačne komponente. Termin dat ovom ponovnom osvrtanju na fiziologiju i makroskopski pogled je „sistemska biologija“, a primena u biotehnologiji „sintetička biologija“.

Cilj sintetičke biologije je da maksimizuje prinos željenog proizvoda uz minimalizaciju neželjenih ili nepotrebnih metabolita. Primena ide u smeru proizvodnje hemikalija na veliko i kompetetna je petrohemijskoj industiji po pitanju proizvoda male ekonomske vrednosti, a potrebe za velikim prinosima. Američka kompanija Genomatika je dala isplativ proces za proizvodnju 1,4-butandiola, važnog hemijskog intermedijera, od strane izmenjenjnog soja E. coli.[19]

Reference:

uredi
  1. ^ Smid, E.J.; Hugenholtz, J. (2010-04-01). „Functional Genomics for Food Fermentation Processes”. Annual Review of Food Science and Technology (na jeziku: engleski). 1 (1): 497—519. ISSN 1941-1413. doi:10.1146/annurev.food.102308.124143. 
  2. ^ a b Nair, Baboo; Prajapati, Jashbhai (2003-03-26), The History of Fermented Foods, CRC Press, str. 1—25, ISBN 978-0-8493-1372-1, Pristupljeno 2023-12-12 
  3. ^ Ray, Ramesh C; V K Joshi (2014). „Fermented Foods: Past, Present and Future”. doi:10.13140/2.1.1849.8241. 
  4. ^ Bourdichon, François; Casaregola, Serge; Farrokh, Choreh; Frisvad, Jens C.; Gerds, Monica L.; Hammes, Walter P.; Harnett, James; Huys, Geert; Laulund, Svend (2012-03-15). „Food fermentations: Microorganisms with technological beneficial use”. International Journal of Food Microbiology. 154 (3): 87—97. ISSN 0168-1605. doi:10.1016/j.ijfoodmicro.2011.12.030. 
  5. ^ Farley, J.; Geison, G. L. (1974). „Science, politics and spontaneous generation in nineteenth-century France: the Pasteur-Pouchet debate”. Bulletin of the History of Medicine. 48 (2): 161—198. ISSN 0007-5140. PMID 4617616. 
  6. ^ Kelly, William J.; Altermann, Eric; Lambie, Suzanne C.; Leahy, Sinead C. (2013-08-30). „Interaction between the genomes of Lactococcus lactis and phages of the P335 species”. Frontiers in Microbiology. 4: 257. ISSN 1664-302X. PMC 3757294  . PMID 24009606. doi:10.3389/fmicb.2013.00257. 
  7. ^ Ross, R. Paul; Morgan, S.; Hill, C. (2002-11-15). „Preservation and fermentation: past, present and future”. International Journal of Food Microbiology. 79 (1-2): 3—16. ISSN 0168-1605. PMID 12382680. doi:10.1016/s0168-1605(02)00174-5. 
  8. ^ Gasson, M. J. (1997), Law, B. A., ur., Molecular genetics of dairy lactic acid bacteria (na jeziku: engleski), Springer US, str. 319—340, ISBN 978-1-4613-1121-8, doi:10.1007/978-1-4613-1121-8_10, Pristupljeno 2023-12-12 
  9. ^ Bourdichon, François; Casaregola, Serge; Farrokh, Choreh; Frisvad, Jens C.; Gerds, Monica L.; Hammes, Walter P.; Harnett, James; Huys, Geert; Laulund, Svend (2012-03-15). „Food fermentations: Microorganisms with technological beneficial use”. International Journal of Food Microbiology. 154 (3): 87—97. ISSN 0168-1605. doi:10.1016/j.ijfoodmicro.2011.12.030. 
  10. ^ Luoma, Eli (2009). Egyptian brewing : the production of beer based on archaeological evidence (Teza) (na jeziku: engleski). 
  11. ^ a b v g d Principles of Fermentation Technology. Elsevier. 2017. ISBN 978-0-08-099953-1. 
  12. ^ a b v g d Principles and Applications of Fermentation Technology. Wiley. ISBN 978-1-119-46026-8. 
  13. ^ „Fermentor (Bioreactor): History, Design and Its Construction”. Biology Discussion (na jeziku: engleski). 2016-09-16. Pristupljeno 2023-12-12. 
  14. ^ a b v Walsh, Gary (2012-06-01). „New Biopharmaceuticals: a review of new biologic drug approvals over the years, featuring highlights from 2010 and 2011”. Biopharm International (na jeziku: engleski). 25 (6): 34—38. 
  15. ^ Bud, Robert (1993). „Harnessing biotechnology for the 21st century”. Endeavour. 17 (2): 96. ISSN 0160-9327. doi:10.1016/0160-9327(93)90215-o. 
  16. ^ Nielsen, Jens (2013). „Production of biopharmaceutical proteins by yeast: Advances through metabolic engineering”. Bioengineered (na jeziku: engleski). 4 (4): 207—211. ISSN 2165-5979. PMC 3728191  . PMID 23147168. doi:10.4161/bioe.22856. 
  17. ^ Berlec, Aleš; Štrukelj, Borut (2013-04-01). „Current state and recent advances in biopharmaceutical production in Escherichia coli, yeasts and mammalian cells”. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 40 (3-4): 257—274. ISSN 1476-5535. doi:10.1007/s10295-013-1235-0. 
  18. ^ &NA;. „FDA product approvals”. Inpharma Weekly. &NA; (838): 22. ISSN 1173-8324. doi:10.2165/00128413-199208380-00049. 
  19. ^ Yim, Harry; Haselbeck, Robert; Niu, Wei; Pujol-Baxley, Catherine; Burgard, Anthony; Boldt, Jeff; Khandurina, Julia; Trawick, John D.; Osterhout, Robin E. (2011). „Metabolic engineering of Escherichia coli for direct production of 1,4-butanediol”. Nature Chemical Biology (na jeziku: engleski). 7 (7): 445—452. ISSN 1552-4469. doi:10.1038/nchembio.580. 
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Историја_биотехнологије&oldid=28508763”