1-Мавзу. Кириш. Биотехнология фанининг ривожланиш тарихи, предмети ва ахамияти

1-Мавзу. Кириш. Биотехнология фанининг ривожланиш тарихи, предмети ва ахамияти
“Биотехнология” тушунчаси жамловчи бўлиб, фермент технологияси, иммобилланган микроорганизмлар ёки энзимлардан фойдаланган ҳолда, биологик объектларни қўллаш, ген инженерияси, оқсил ва иммун технологияси, ҳайвон ва ўсимлик типидаги ҳужайра культураларидан фойдаланиш технологиясини ўз ичига қамраб олади.
Биотехнология – бу технологик методларнинг мажмуаси, шунингдек, дори воситаларини ишлаб чиқариш учун тирик организмлар ва биологик жараёнлардан фойдаланувчи ген инженерияси ёки тирик системаларни қўллаш ва уларни қайта ишлаш ҳақидаги фан, шунингдек, биологик характерга эга нотирик системалардан технологик жараёнлар ва ишлаб чиқаришда фойдаланишдир.
Фаннинг янги йўналиши – энзимология муҳандислиги – тез суръатда тараққий этди. Бу соҳада биоорганик катализаторлар, ферментларнинг кимёвий реакциялардаги кўплаб янги хусусиятларининг очилиши бир неча йўналишларнинг пайдо бўлишига имкон яратди. Энзимология муҳандислиги фаннинг тенг ҳуқуқли соҳаси сифатида ривожланиши асосида энзимологияда фундаментал тадқиқотлар яратилди ва ферментларни ажратиш соҳасидаги ютуқлар, шунингдек, аҳамиятли даражада кимёвий реакцияларнинг тезлиги ҳақидаги маълумотларнинг ривожланиши катта аҳамият касб этди. Биокатализаторларнинг ноёб хусусиятларининг: уларнинг спецификлиги ва юқори каталитик активлиги, ҳамда фермент молекулалари структурасини тутувчи боғларнинг тушунтириб берилиши қатор илмий масалаларни ҳал этишга қаратилган тадқиқотлар предмети сифатида қаралади.
Иммобилланган оқсиллар ва турли биологик фаол моддалар (БФМ) билан биргаликдаги полимер системалар биотехнология ва тиббиётнинг турли соҳаларида кенг қўлланилиб келинмоқда. Юқори специфик активлик, мукаммал субстрат спецификлик каби ферментларнинг ноёб хусусиятлари улардан амалий фойдаланиш имкониятларини аниқлаб берди. Тиббиётда ва саноатда турли ферментлардан фойдаланишнинг юқори эффективлигига қарамай уларнинг ўзгарувчан, антиген ва пироген хусусиятларини ҳисобга олиш керак.
Натив ферментларнинг кўпчилиги камёблиги ва уларнинг организмдан тезда чиқарилиши ёки улардан фойдаланилиши уларнинг кенг қўлланилишини чегаралаб қўяди. Бу камчиликларни ферментларнинг турли табиий ва синтетик ташувчилар воситасида иммобиллаш орқали бартараф этиш мумкин.
Энзимологияни тиббиёт ва фармацевтикага тез суръатларда киритишнинг муҳим асоси уларга янги хусусиятларни берган ҳолда ферментлар модификациясининг назарий ва амалий масалаларини ечишдир. Шу жараёнларда иммобилизация методларини ўрганиш, ташувчилар хусусиятлари ва уларнинг иммобилланган биологик актив моддаларга таъсири, ҳамда олинган имобилланган препаратларнинг модель эксплутацион шароитларда текширишнинг муҳимлиги намоён бўлади.
Микроб биотехнологияси Узбекистон учун энг кенжа фанлардан бўлиб, унинг тарихи узоққа бормайди. (Кадимий биотехнологиялар; нон пишириш, қатиқ тайёрлаш ва ҳ.к. бундан истисно). Бу фан асосан Узбекистон Фанлар академиясининг микробиология институтида, генетика ва ўсимликлар эксперементал биологияси институтида ҳамда Республика Кимё бирлашмасига қарашли бир қатор заводларда (Янгийўл биокимё заводи, Андижон гидролиз заводи, Кўқон спирт заводи) ривожланиб келмоқда. Биотехнология ихтисослиги бўйича биринчи бўлиб ўзбек академиги А.^[.Холмуродов (1939-1996) фузариум авлодига мансуб замбуруғлардан НАД-коферменти ва витамин комплекси (В гуруҳига кирувчи витамин PP,Q 10 ва ҳ.к.) тайёрлаш технологиясини яратди. Академик М.И.Мавлоний Узбекистонда учрайдиган нонвойчилик, виночилик ва чорвачиликка кўл келадиган турларини топди ва улар асосида махсус ҳамиртурушлар ва виночилик учун ачитқи тайёрлаш технологияларини яратди. Шу билан бирга улар сомон ва ғузапояни парчалашда «триходерма ҳарзианум» деб аталлиш замбуруғ ферментларидан фойдаланиш мумкинлигини илмий асослаб берди ва бу технологияни амалиётга қўллаш таклиф ва мулоҳазаларини чоп этди. Олимлар яратган ушбу технология қўлланилганда сомонда шакар миқдори 6-7 % етгани, унда витаминлар, аминокислоталар пайдо бўлганлиги ва шу туфайли сомонни озуқа-бирлиги бир неча баробар ошганлиги исботлаб берилган.
Бугунги кунда хам ўзбек олимлари мамлакатимизда микроб биотехнологиясининг ривожлантириш устида чуқур илмий ва амалий ишлар олиб бормоқдалар.Микроблар дунёси улуғ ва хилма-хилдир. Уларга прокариотлар-бактериялар, актиномицентлар (шуълали замбуруғлар), риккетсийлар ва қисман эукариотлар - ачитқи замбуруғлари (дрожжи), ипсимон замбуруғлар, энг содда жониворлар (простейшие) ва сув ўтлари киради. Уларни умумлаштириб турган хусусиятлари кичиклиги бўлиб, улар фақат микроскоп остида яққол кўринадилар.
Ҳозиргача микроорганизмларнинг 100 мингдан кўпроқ турлари аниқланган. Аниқланмаганлари ҳам шундан кўпроқ, бўлса ажаб эмас. Шунча кўп микроорганизмлардан кераклиси қандай танлаб олиш мумкин? Қандай қилиб витаминлар, оқсил моддалари, антибиотиклар, декстрин, қўйингки, бизга керакли бўлган моддаларни ишлаб чиқариш имкониятига эга бўлганларини танлаб олишимиз мумкин?
Бу саволларга жавоб олиш учун энг аввало микроорганизмларни ажратишни тўғри ўлга қўйиш зарур. Ўзига ҳос жойлардан, яъни ёғ парчаловчи фермент синтез қиладиган мкроорганизмларни ёғ завод тупроқлардан; углеводород оксидловчиларни - бензин қўйиш шахобчалари тупроқларидан, виночиликда қўл келадиган ачитқиларни -ток ўсимлигидан, кислородсиз шароитда (анаэробньге) целлюлоза парчаловчи ва метан ҳосил қилувчиларни - йирик шохли ҳайвонларнинг оғиз бўшлиғидан ва ҳ.к. қидирмоқ ва ажратмоқ даркор. Ажратиб олинган тажриба нусхалари махсус таркибга эга бўлган суюқ озуқа муҳитига ўтказилади. Бу озуқа муҳитини -электив озуқа муҳити деб аталади.
Кейинги босқич - тоза культурани (штамм ёки микроорганизм деб аташ мумкин) ажратиш. Бунинг учун қуюқ озуқа муҳити ишлатилиб, унинг юзасига, олдинги босқичдан олинган микроорганизмлар тўплами экилади. Петри ликобчасига экилган микроорганизмлар алоҳида-алоҳида тўплам ҳосил қилиб ўсиб чиқадилар. Алоҳида униб чиққан тўпламлар, қайта экиш натижасида тоза продуцент (маълум ФФМ синтез қилувчи микроблар) культураси ажратиб олинади. Кўпчилик ҳолларда бу культура бир турга мансуб микроорганизмлардан иборат бўлади.
Биотехнология нўқтаи назаридан фотосинтез қилувчи микроорганизмлар алоҳида эътиборга лойиқ. Улар ўзларининг ҳаёт шароитларида қуёш энергиясини ютиб, ҳужайра учун зарур бўлган бир қатор моддалар синтез қиладилар ва бу жараёнда карбонат ангидридни қайтариш ва сувни оксидлаш (цианобактериялар ва баъзи бир эукариотлар) ҳаводаги азотни ютиш (прокариотлар) имкониятларига эгалар.
Бошқача қилиб айтганда, энг арзон энергия ва углерод манбаи, қайтариш эквивалентлари ва азот ҳисобидан ҳаёт кечиришлари мумкин.
Фотосинтетик микроорганизмларнинг асосий фарқи ва устунлиги ҳам шундан иборатки. Фототроф микроорганизмлар -аммиак, водород, оқсил моддалар ва бошқа биопрепаратлар олиш учун истиқболли манбалардан ҳисобланадилар. Бу гуруҳга кирувчи микроорганизмлар яқин келажакда ген мухандислиги йўли билан қуёш энергияси асосида қурилажак янги биотехнологиялар яратишда катта аҳамият касб этиши турган гап. Фақатгина фототроф микроорганизмларнинг генетикаси ва молекуляр биологиясини чуқур билмасликгина бу йўналишни жуда секин кетишига сабаб бўлиб турибди.
Биотехнология учун маълум манба, бу термофил микроорганизмлар асосида яратилган жараёнлар. Термофиллар юқори даражада усадилар (60-80⁰С,) баъзилари эса ундан ҳам баландроқ ҳароратда -110⁰С, қайноқ сув чиқадиган манбаларда, айниқса катта океан тагларидан отилиб чиқадиган сувларда 3000⁰С гача яшай оладиган микроорганизмлар топилган. Бундан баланд ҳароратда бошқа микроорганизмлар ўса олмаслиги аниқ. Термофил микроорганизмлар асосида спиртлар, аминокислоталар, фермент, молекуляр водород синтез қиладиганлари илмий адабиётларда келтирилган. Термофиллардан фойдаланиш стерилизацияга келадиган ҳаражатларни пасайишига сабаб бўлади. Бундан ташқари уларда (термофилларда) ўсиш ва метаболитик фаоллик мезофилларга нисбатан 1,5-2,0 баробар баланд туради. Термофиллар хосил қиладиган ферментлар ўзларининг мутадиллиги билан ажралиб туради. Масалан,
Thermus caldophilus ёки Thermus aguaticus ҳосил қиладиган протеаза ферменти ҳароратга, органик эритувчилар таъсирига, оксидловчилар, детергентлар таъсирида ўта чидамлиликлари билан ажралиб турадилар. Шунинг билан бир вақтда улар оддий ҳароратда паст фаолликка эгалар. Масалан, Thermus caldophilus дан ажратилган протеазанинг фаоллиги 20⁰С да 75⁰С га нисбатан 100 маротаба пастроқ. Ферментнинг бу хусусияти жуда катта аҳамиятга эга, масалан, озиқ -овқат саноатида. Термофилларнинг яна бир афзал томони биореакторларни совутиш билан боғлиқ. Термофилларни ўстириш учун ишлатиладиган реактор-ферментёрлар, атроф муҳит ҳароратидан бир мунча баланд ҳароратда ишлашини ҳамда юқори ҳароратда иссиқликни тез ўтказилишини ҳисобга олган ҳолда, биореакторлари соддалаштирилган чизмаларидан фойдаланиш мумкин ҳусусан, иссиқ ҳарорат берувчи ускуна, аэрация, аралаштиргич, кўпикбосувчи ускуналари анча соддалашган бўлиши мумкин, бу эса анча маблағ иқтисод қилинишига олиб келади.
Мутантлар ДНК ташкил этувчи нуклеотидлар кетма-кетлигининг ўзгарганлиги сабабли, наслдан-наслга ўтувчи ирсий хусусияти ўзгарган хужайрадир. Селекциянинг бош йўли продуцетларни таваккал танлашдан геном тузулишини ақлий ўзгартиришгача бўлган йўлидир. Шунга қарамасдан тасаддуф танлаш усули микроб биотехнологияси учун жуда катта роль уйнайди.
Шу йўл билан узоқ вақтлар мобайнида пиво, вино, озиқ-овқат (нон) ачитқилари, уксус, пропион кислоталари ҳосил қилувчи бактериялар танлаб олинган.
Бу ерда, босқичма-босқич танлов ҳақида гап кетади, яъни ҳар бир босқичда. Ўзидан олдинги босқичдагисидан фаолроқ бўлган штаммларни танлаб олиш йўли билан биотехнология талабларига жавоб бера оладиган штаммларини танлаш мумкин бўлади. Бу усулни камчилиги, биотехнологик жараёнларни бирданига кўтарилмаслигидир. Бундан мутантлар ДНКсида ўзгаришлар жуда ҳам кам учрайди. Умуман олганда ирсий ўзгариши учун ( мутация бўлиши учун) ген ўрта ҳисобда 10⁶ - 10⁸ маротаба иккиланиши лозим.
Шунга қарамасдан бу усулнинг имкониятлари ҳозирча тўгагани йўқ. Микроб ҳужайралари сони кўп бўлган (1 мл суюқликда камида 10⁹ ҳужайра бўлган) шароитда ва катта хажмда, узоқ вақт тўхтовсиз ўстириш натижасида янги мутантлар кўпроқ ҳосил бўлиши кузатилган. Бунга мисол қилиб, Saccharomuces uvarum ачитқисининг серҳосилроқ ва спиртга чидамли мутантини кўрсатиш мумкин. Бу ачитқини узоқ вақт ўстириш натижасида (650 соат) ҳатто 10% спирт эритмасига чидамли бўлган мутанти ҳосил бўлган.
Молекуляр генетика фани ютуқлари селекцияни янги, ўта таъсирчан йўлини яратишга олиб келади, у ҳам бўлса мутантларни, кўзда тутилган маҳсулотга кимёвий ўхшаш моддаларга нисбатан муътадиллиги.
Бу усул керакли махсулотни синтезида қатнашадиган ферментлар тизимини бошқаришга асосланган. Маълумки, керакли маҳсулот миқдорини ошиши, шу маҳсулотни синтез қилувчи ферментларнинг ўшилгандагина ўсиш қобилиятига эга бўлади. Шунинг билан бирга супрессорли (ўрнини босадиган) мутантлар ҳам мавжуд бўлиб, уларга етишмай турган махсулот синтезини альтернатив йўл билан тўплаш имкони бўлади.
Микроорганизмларни прототрофдан ауксотроф (маълум моддаларга) ҳолатига ўтиб боришига асосланган. Баъзи вақтларда тескари яъни ауксотрофдан протрофга ўтказиш масаласини ечишга тўғри келади. Масалан, нормал шароитда ўсимлик ҳужайралари фотогармонларсиз (ауксинлар, цитокининлар) ўсмайдилар. Охирги йилларда ўсимлик ҳужайраларини шундай клонлари топилдики, улар триптофанни индолацетаминга, кейин эса ауксин типидаги табиий гармон -индолилсирка кислотасига айлантириб беради. Ажралган клонларни баъзилари цитокининга ўхшаган, златинрибозин гармони синтез қилиш мумкинлиги ҳам исботланган. Ўсимлик тўқималарини бу турда мутантланиши фаоллигини ёки шу ферментни синтезини тўхтатишга олиб келади.