Biotechnologia pozyskiwania żywności pochodzenia roślinnego i zwierzęcego

Prace współczesnych biotechnologów zmierzają do genetycznego ulepszania znanych roślin, jak również do poszukiwania nowych i wartościowych gatunków (zwłaszcza tropikalnych), które mogłyby po adaptacji wzbogacić grupę roślin uprawnych.

Do ważnych zadań biotechnologii zalicza się zwiększenie i polepszenie tradycyjnej produkcji roślinnej. Dlatego dąży się do zwiększenia wydajności plonowania, m.in. Przez: zwiększenie odporności roślin uprawnych na chemiczne środki ochrony niesprzyjające warunki, np. zasolenie gleb, susze, krańcowe pH gleby zwiększenie odporności roślin na nie fizjologiczne warunki środowiska (mrozoodporności, tolerancji na obecność w glebie niektórych kationów i anionów występujących w dużych stężeniach) uodporniania roślin na szkodniki, choroby i herbicydy zwiększenie zawartości aminokwasów niezbędnych w podstawowych frakcjach białek zbóż oraz roślin strączkowych (modyfikacji endogennych genów strukturalnych w kierunku wprowadzenia dodatkowych kodonów biorących udział w biosyntezie metioniny lub lizyny) wprowadzenie do genomu rośliny genów kodujących biosyntezę białek o korzystniejszej wartości biologicznej i lepszych właściwościach funkcjonalnych, a nawet leczniczych zmniejszenie kosztów i energochłonności produkcji rolnej przez zwiększenie wydajności fotosyntezy zmniejszenie zależności plonowania od nawożenia chemicznego przez zwiększenie biologicznego wiązania azotu i jednoczesne ograniczenie strat azotu w procesąch nitryfikacji i denitryfikacji,

Prace aplikacyjne związane z biotechnologią zwierząt są jednak mniej zaawansowane niż dotyczące produkcji roślinnej.

1.Na podkreślenie zasługuje postęp w biotechnologii rozrodu zwierząt.

Wyraża się on np. zwiększeniem produkcji mleka lub zwiększeniem wydajności rozrodczej sąmic, głównie bydła. Opanowano metody wywoływania mnogiej owulacji i przenoszenia zarodków. Do ważnych kierunków biotechnologii rozrodu zalicza się reprodukcję metodami pozapłodowymi oraz wytwarzanie zwierząt transgenicznych. Zapładnianie pozaustrojowe, połączone z regulacją płci, oraz klonowanie zarodków zwiększają możliwości replikacji zwierząt transgenicznych.

2.Duże nadzieje biotechnologów wiążą się z uzyskiwaniem zwierząt transgenicznych, a wiec takich, których genotyp będzie uformowany nie metodami selekcji, lecz przez wprowadzenie do niego z zewnątrz struktury genetycznej, która zadecyduje o ekspresji określonej cechy użytkowej. Zastosowanie transgenezy u ssąków umożliwia np. doskonalenie składu mleka. Króliki i bydło transgeniczne mogą być specyficznymi bioreaktorami do produkcji mleka o składzie modyfikowanym na potrzeby żywienia diabetyków.

3.Oddzialywanie współczesnej biotechnologii w produkcji zwierzęcej polega również na biosyntezie różnego rodzaju szczepionek przeciwko powszechnie występującym chorobom zwierząt, np. kokcydiozie drobiu.

Dzięki dokonaniom biotechnologii można uodporniać zwierzęta na takie choroby jak pryszczyca lub grypa jeszcze przed urodzeniem, tj. w fazie rozwoju embrionalnego.

4.Do ważnych gospodarczo kierunków oddziaływania biotechnologii w produkcji zwierzęcej należy zaliczyć stosowanie hormonów wzrostu, doskonalenie produkcji pasz oraz ich zastosowanie przez modyfikacje składu mikroflory przewodu pokarmowego.

Kierunki (obszary) prac biotechnologii w produkcji roślinnej: 1.Rośliny jako bioreaktory 2.Rośliny transgeniczne 3.Modyfikacja technologicznych cech roślin 4.Doskonalenie kultury uprawy i produkcji biomasy roślin a)intensyfikacja fotosyntezy b)biologiczne wiązanie azotu atmosferycznego c)hodowle tkankowe i komórkowe d)hodowla komórek roślinnych w bioreaktorze

ROŚLINY JAKO BIOREAKTORY Biomasą roślin, jako efekt tzw. produkcji pierwotnej, jest jedynym źródłem pożywienia dla zwierząt, tworzących produkcje wtórna, oraz dla człowieka.

Oblicza się, ze obecnie w wyniku fotosyntezy powstaje w skali globalnej tylko ok.

12500 t glukozy/s, czyli 400*10 9 t rocznie. Stanowi to zaledwie 0,25% idealnego maksimum fotosyntezy.

Zwiększenie produktywności roślin, przez zwiększenie stopnia wykorzystania energii słonecznej do biosyntezy składników biomasy roślin, jest ważnym zadaniem biologów. Korzyści wynikające z biologicznych procesów jednostkowych, przebiegających w komórkach i tkankach roślin zielonych, są często niedoceniane.

Rośliny to niezwykle bioreaktory, w których przy współudziale energii promieniowania słonecznego z ditlenku węgla i wody jest przeprowadzana biosynteza heksoz, z których następnie, w wyniku biokonwersji, powstają polisącharydy, Bialika. lipidy, sterydy i witaminy.

Natężenie fotosyntezy jest głównie uwarunkowane genetycznie. Zależy także od zmieniających się czynników zewnętrznych, np. temperatury, natężenia światła, zawartości składników mineralnych w glebie, wilgotności, a także stężenia CO2 w atmosferze. Czynniki te maja różne wartości na różnych szerokościach geograficznych i zmieniają się w sposób regularny (cykle dobowe i roczne) lub nieregulamy.

Do bardzo produktywnych należą rośliny typu C-4, np. trzcina cukrowa, kukurydza, sorgo, proso, które asymilują COz z natężeniem ok. 60 mg CO 2 /(dm 2 . h), wykazując przy tym małe fotooddychanie. Większość znanych roślin uprawnych to rośliny typu C-3, u których natężenie fotosyntezy nie przekracza 30 mg CO 2 /(dm 2 . h) i występuje duże fotooddychanie.

Różnice miedzy roślinami typu C-3 i C-4 wyrażają się jakością bezpośrednich produktów wiązania COz oraz produktywnością biomasy. U roślin typu C-3 pierwotnymi produktami wiązania COz są związki trójweglowe, np. kwas fosfoglicerynowy, aldehyd fosfoglicerynowy, a u roślin typu C-4 są to związki czterowęglowe, np. szczawiooctan, jabłczan, asparaginian. Roczna produktywność roślin typu C-3 wynosi 10-30 t/ha, a roślin typu C-4 60-80 t/ha.

Większość znanych roślin typu C-4 nie ma powszechnego znaczenia gospodarczego, gdyż są one uprawiane głównie w strefie tropikalnej. Prace nad polepszeniem produktywności roślin dotyczą przede wszystkim roślin typu C 3. Najczęściej nowe odmiany uzyskuje się przez hybrydyzacje międzygatunkowa. Do najbardziej wartościowych składników biomasy roślin zalicza się Bialika.

Dlatego hodowców interesuje uzyskanie nie tylko odmian, które wytwarzałyby znaczne ilości biomasy w jednostce czasu, ale jednocześnie miałyby zwiększona zawartość białek lub lipidów.

Duże znaczenie w doskonaleniu składu oraz właściwości roślin przypisuje się genetyce tzw.

mendlowskiej.

W tej dziedzinie wyróżnia się następujące kierunki: •

genetykę komórek somatycznych

, która ma prowadzić do pokonania bariery niekrzyżowalnosci; warunkiem praktycznego upowszechnienia tego kierunku prac genetyków jest opanowanie metod regeneracji dojrzałych roślin z połączonych komórek rośliny o utrwalonych cechach hybrydowych; •

transplantację organelli komórkowych

(jądra, chloroplasty, mitochondria) z komórek rośliny-dawcy do komórek rośliny-biorcy; w tym celu stosuje się otoczki lipidowe (liposomy), aby w ten sposób przenieść ww. organelle w postaci nieuszkodzonej ; •

transformacje komórek roślinnych,

przy użyciu materiału genetycznego obcego pochodzenia, przez bezpośrednią mikroiniekcję DNA do jader komórkowych lub za pośrednictwem wektorów plazmidowych (plazmidy T1, R1 z

Agrobacterium tumefaciens, Agrobacterium rhizogenes)

lub wirusowych (DNA wirusa mozaiki kalafiora). Stosując tę metodę, wprowadza się do roślin obce geny i uzyskuje się ich ekspresję, a to daje możliwości "konstruowania" roślin uprawnych o pożądanych cechach.

Skuteczność transformacji jest pochodna następujących czynników: częstosci integracji transgenu do genomu biorcy; rozdzielczosci metody selekcji, czyli możliwości odróżniania komórek lub innych obiektów, które uległy transformacji od odpowiednich obiektów znanych; możliwości zastosowania u dowolnego gatunku lub odmiany.

Za niezwykle trudne do transformacji są uważane rośliny jednoliścienne. Pokonano te trudności, stosując metodę biolistyczna, polegającą na mikrowstrzeliwaniu DNA do komórek i tkanek.

Dobre efekty otrzymuje sie, stosujac - jako wektor -

Agrobacterium tumefaciens.

Skutecznej transformacji dokonano u ryżu, pszenicy, kukurydzy, manioku, asparagusa.

Konstruowanie roślin transgenicznych z udziałem wektorów

Agrobacterium tumefaciens

przebiega w czterech etapach: wprowadzenie obcych genów do szczepu bakterii; kokultywacja bakterii z komórkami lub tkankami roślinnymi; -eliminacja bakterii, selekcja tkanek nietransformowanych, regeneracja struktur stransformowanych; analiza i weryfikacja ekspresji genów w roślinach stransformowanych.

Warunkiem decydującym o użyteczności i większym zastosowaniu metod inżynierii genetycznej do ulepszenia roslin uprawnych jest trwale utrzymywanie sie wprowadzonego genu w kolejnych generacjach.

Wiele bakterii bytujących w glebie powoduje detoksykację (rozkład) herbicydów. Niektóre bakterie wytwarzają związki toksyczne dla wielu szkodników roślin. Jeśli będą opanowane metody trwałego wprowadzania do roślin genów kodujących odpowiednie enzymy czy toksyny ochronne, można będzie im nadać cechę właściwej odporności. Przykładem może być udzielony USA patent na odmianę kukurydzy, która jest wyposażona w gen warunkujący odporność na herbicydy zawierające imidazol Znacznie trudniejsze jest opanowanie metod manipulowania zespołami wielogenowymi u roślin. W tym zakresie rozważa się genetyczne doskonalenie właściwości technologicznych zbóż (wypiek chleba, fermentacje alkoholowa) przez modyfikacje składu oraz właściwości białek i zapasowych cukrów ziarniaków. Bialka zapasowe zbóż sa kodowane przez zespoły wielogenowe, np. zeine kukurydzy koduje ok. 150 blisko ze sobą spokrewnionych genów, i dlatego modyfikacja pojedynczego genu mogłaby tylko w niewielkim stopniu doprowadzić do zamierzonego polepszenia składu zbóż.

Jednym z ważnych ograniczeń praktycznego zastosowania efektów genetycznego doskonalenia komórek roślinnych jest konieczność sprawdzenia, czy zmiany uzyskane na poziomie komórek nie wpływają ujemnie na takie cechy, jak plenność, zdolności produkcyjne itp.

Modyfikacja technologicznych cech roślin

Doskonalenie składu chemicznego i właściwości użytkowych roślin jest przedmiotem badan genetyków od dawna. Przykładem efektów tych prac sa wyhodowane w Polsce, z udziałem technik genetyki mendlowskiej, odmiany rzepaku "dwuzerowego". Nasiona tych odmian nie zawierają związków wolotwórczych, a w składzie frakcji olejowej nie wystepuje kwas erukowy. Innym przykladem jest wyhodowanie pszenżyta, zboża o dobrej plenności w polskich warunkach klimatycznych oraz dużej przydatności technologicznej.

Postęp w biologii molekularnej oraz opanowanie technik inżynierii genetycznej zwiększyło możliwości polepszenia składu chemicznego oraz właściwości roślin stosowanych w technologii żywności. Pierwsze rośliny transgeniczne pojawiły się w doświadczalnych uprawach polowych w 1986 r. W 1994 r., w USA, pomidory transgeniczne uzyskały formalna akceptację prawną i konsumencką.

Obecnie istnieje sporo przykładów wyhodowania roślin transgenicznych, których nowe właściwości wychodzą naprzeciw zainteresowaniom technologów żywności.

Przykładem sa ziemniaki transgeniczne: 1.

2.

uzyskano zwiększenie zawartości skrobi w bulwach odmiany transgeniczne, u których występuje wyłącznie amylopektyna sa surowcem bardziej przydatnym w technologii krochmalu 3.ważną cechą technologiczną ziemniaków transgenicznych jest mała zawartość sacharydów redukujących oraz zwiększony poziom cyklodekstryn. 4.odmiany ziemniaków transgenicznych o większej zawartości skrobi są technologicznie i ekonomicznie bardziej atrakcyjne w przerobie przemysłowym.

5.wiadomo, ze w czasie zbioru i transportu bulwy ziemniaczane są narażone na uszkodzenia mechaniczne, gdzie miąższ ciemnieje wskutek aktywności oksydazy polifenolowej. Zmniejsza to atrakcyjność surowca, powoduje znaczne ubytki przy obieraniu i zwiększa straty w czasie przechowywania. Wyhodowano odmiany u których zmniejszono aktywność tego enzymu 6.W bulwach ziemniaków występują także alkaloidy. Często w czasie przechowywania ziemniaków zawartość alkaloidów zwiększa się, co pogarsza smak bulw. Ich zawartość można radykalnie zmniejszyć metodami inżynierii genetycznej.

7. otrzymano odmiany ziemniaków transgenicznych odporne na stonkę. Ziemniaki transgeniczne zawierają gen wyizolowany z naturalnie wystepujacej w glebie bakterii

Bacillus thuringensis.

Efektem działania tego genu jest wytwarzanie przez roślinę białka uodporniającego ziemniaki na działanie stonki ziemniaczanej.

Innym przykładem dokonań inżynierii genetycznej, o dużym znaczeniu praktycznym, są odmiany pomidorów transgenicznych: 1.uzyskano odmiany pomidorów odpornych na choroby grzybicze, bakteryjne, wirusowe. Stosując technikę transformacji, otrzymano pomidory o zwiększonej odporności na infekcje

Fusarium oxysporum

lub na chorobę pomidora powodowana przez

Pseudomonas syringae pr. tomato.

2.d

zięki transformacji genów można otrzymać pomidory charakteryzujące się tolerancją na herbicydy, np. glufosiat (Basta) i glifosat (Roundup). Tolerancje na herbicyd Basta otrzymano, wprowadzając do genomu pomidora gen kodujący acetylotransferazę fosinotricyny. Wprowadzenie genu kodującego syntezę 5 endopirogrono-szikimo-3 fosforanu umożliwiło otrzymanie pomidorów tolerancyjnych na glifosat.

3.W doskonaleniu cech pomidorów zwrócono uwagę na metabolizm ściany komórkowej, w którym duże znaczenie ma poligalakturonaza, wpływająca na tempo dojrzewania owoców pomidora. Powoduje ona miękniecie owoców na skutek częściowej depolimeryzacji frakcji pektyn ściany komórkowej. Doskonalenie genomu pomidora polega na otrzymaniu owoców charakteryzujących się brakiem aktywności poligalakturonazy. Owoce pomidorów transgenicznych, modyfikowanych w ten sposób, nie miękną podczas dojrzewania, sa odporne na marszczenie i pękanie podczas tzw. przejrzewania, maja także lepsze właściwości przetwórcze, otrzymuje się z nich więcej koncentratu.

4.znane sa również odmiany pomidorów transgenicznych, u których częściowo zahamowano aktywność esteraz pektynowych. Owoce tych pomidorów maja większą zawartość suchej substancji.

Obok regulacji syntezy substancji zapasowych celem modyfikacji genetycznych jest ulepszanie cech organoleptycznych i wartości żywieniowej roślin, np. modyfikowanie składu aminokwasowego białek roślinnych, ilości i jakości kwasów tłuszczowych woleju rzepakowym lub biosyntezy karotenoidów.

Większość właściwości roślin można szybko zmienić stosownie do wymagań technologii ich przetwarzania. W przyszłości można oczekiwać bardziej kompleksowych zmian wlasciwosci w kierunku łączenia cech technologicznych, żywieniowych i leczniczych.

Przykładem mogą być wyniki badan potwierdzających możliwości otrzymania roślin transgenicznych zawierających antygeny ludzkiego wirusa zapalenia watroby typu B.

Doskonalenie kultury uprawy i produkcji biomasy roślin

Prace biotechnologów zmierzają do polepszenia produktywności biomasy, odporności na herbicydy, odporności na choroby i szkodniki. Interesujące sa prace zmierzające do intensyfikacji fotosyntezy oraz wiązania azotu atmosferycznego przez rośliny niemotylkowe.

Intensyfikacja fotosyntezy

Prace nad mechanizmem fotosyntezy i racjonalnym zastosowaniem energii słonecznej sa zaliczane do najważniejszych kierunków badawczych sprzyjających zwiększeniu plonów. Dotyczą one następujących zagadnień: genetycznego doskonalenia enzymów, które powodują asymilacje CO jak i genetycznej modyfikacji aktywności biologicznej białek, 2 oraz białek chloroplastowych,w celu zarówno zwiększenia ich poziomu w komórce, -ograniczenia strat energii w procesach fotooddychania oraz przyswajania CO 2 przez modulacje mechanizmów na poziomie molekularnym oraz adaptacje struktur membranowych komórek, lepszego poznania mechanizmów regulujących wzrost i starzenie, sterowanych przez regulatory wzrostu; optymalizacje rozprowadzania produktów asymilacji; wprowadzenia odmian roślin uprawnych, których budowa oraz właściwości fizjologicznie sprzyjałyby wykorzystaniu energii slonecznej.

Biologiczne wiązanie azotu atmosferycznego

Wiadomo że biologiczne wiązanie azotu rośliny jest możliwe dzieki ich symbiozie z bakteriami z rodzaju R

hizobium.

Wspólczesna biotechnologia zmierza do zwiększenia zdolności asymilacji azotu atmosferycznego przez rośliny, takie jak pszenica, kukurydza itp. Poznano juz mechanizm wiązania azotu atmosferycznego przez mikroorganizmy (głównie bakterie), które dzięki obecności enzymu nitrogenazy redukują azot atmosferyczny do amoniaku. Nitrogenaza jest białkiem odznaczającym się niezwykle złożoną budową, o wyjątkowej wrażliwości na obecność tlenu. Znany jest zespól genów okreslany nazwa "nif" (ang.

nitrogen fixation),

który można przenosić z jednego gatunku mikroorganizmów na drugi, np. z

Klebsiella pneumoniae

do

E. coli.

Wiadomo również, ze "nif" składa sie z ok. 20 róznych genów ułożonych w 7-8 jednostek transkrypcyjnych. W tych brodawkach znajdują się bakterie. Komórki brodawek wytwarzają leghemoglobine bialko, które latwo laczy sie z tlenem i skutecznie chroni przed nim nitrogenaze.

Większość badan prowadzonych w tym zakresie zmierza do: opanowania procesu symbiozy organizmów asymilujących azot z atmosfery we współżyciu z roślinami, nie tylko motylkowymi; zwiększenia intensywności asymilacji azotu przez oddziaływanie na genetyczne mechanizmy regulacyjne; utworzenia nowych systemów asymilacji azotu przez konstrukcje somatycznych mieszańców komórek pochodzących z fuzji komórek wybranej odmiany uprawnej i komórek roślin przyswajających azot lub też przez przeniesienie zespołu genów "nif" do nowych symbiotycznych albo tez wolno żyjących mikroorganizmów.

Bardziej realne jest tworzenie nowych odmian mikroorganizmów żyjących w symbiozie z roślinami uprawnymi, przede wszystkim zbożami.

Hodowle tkankowe i komórkowe

Poznano budowę tkanek merystema tycznych, czyli zespołu komórek znajdujących się w tzw. stożku wzrostu, od którego rozpoczyna się wzrost i rozmnażanie organów całej rośliny. Stwierdzono również, ze jest możliwe wydzielenie niewielkiej grupy komórek z tej tkanki, które można następnie hodować potomnych metoda rozmnażania Regeneracja roślin

in vitro in vitro, in vitro.

i otrzymanie ta metoda nowej rośliny. Hodowla tkanki merystematycznej z jednego krzaka maliny umożliwia uzyskanie 50000 jednostek W hodowli tkankowej roślin korzysta sie z ich zdolności wytwarzania swej całkowitej reprodukcji - kopii z małego kawałka liścia lub pędu odbywa się zazwyczaj metodą somatycznej embriogenezy lub organogenezy. Somatyczna embriogeneza jest procesem, w wyniku którego komórki diploidalne i haploidalne mogą podlegać różnicowaniu oraz tworzyć zarodki z pominięciem zapłodnienia i wytwarzania zygoty. W kulturach

in vitro

somatyczne zarodki, zwane tez zarodkami dodatkowymi (ang.

accessory embryos),

przybyszowymi (ang.

adventive embryos)

lub embrioidami (ang.

embryoids),

mogą powstawać z komórek kalusa, zawiesiny czy tkanek eksplantatu.

Somatyczna embriogeneza, oprócz możliwości szybkiego rozmnażania roślin, umożliwia także otrzymywanie roślin jednolitych genetycznie, a w konsekwencji morfologicznie, a ponadto jest tania w porównaniu z metodami tradycyjnymi.

W rozmnażaniu wegetatywnym stosuje się regeneracje roślin z pojedynczych komórek. W tym celu doprowadza się najpierw do usunięcia ściany komórkowej i otrzymania protoplastów, które umieszczone w roztworze o określonym składzie chemicznym i ciśnieniu osmotycznym tworzą kalusy. Z kalusa, modyfikując warunki środowiskowe, regeneruje się dojrzałą roślinę genetycznie identyczną z tą, z której pobrano protoplasty.

Technikę tę zastosowano z powodzeniem w pozyskiwaniu oraz hodowli nowych odmian ziemniaków. Okazalo sie, ze pod wzgledem genetycznym nie sa one identyczne ani ze sobą, ani tez z rośliną macierzysta, wskutek różnic genetycznych miedzy poszczególnymi komórkami somatycznymi. Nowe odmiany ziemniaków przewyższają odmianę wyjściową wieloma cechami ważnymi w produkcji, np. odpornością na choroby, szkodniki. Technikę prowadzenia kultur tkankowych wykorzystuje sie w pracach nad pozyskiwaniem nowych odmian zbóż, np. kukurydzy, której białko będzie bogatsze w lizynę.

Zastosowanie hodowli tkanek i komórek w celu poszukiwania linii zbóz o pożądanych właściwościach jest znacznie tańsze niż osiągnięcia tego samego celu konwencjonalnymi metodami selekcji. Jednakże występowanie pożądanej cechy w komórkach nie zawsze daje gwarancje, ze ta cecha wystąpi w całej roślinie.

Wykorzystując mutacje zachodzące w kulturach komórkowych, pozyskano wiele cennych odmian zbóż haploidalnych, diploidalnych lub o zwiększonej liczbie chromosomów. Z komórek haploidalnych wyhodowano linie zbóż o korzystnych cechach użytkowych, np. odmiany jęczmienia, pszenżyta oraz ryżu. Stwarzając specjalne warunki hodowli, otrzymano również rośliny odporne na niekorzystne warunki środowiskowe, np. ryz odporny na duże zasolenie gleb oraz pszenice odporna na niskie temperatury. Hodowle tkankowe zastosowano z powodzeniem w produkcji ważnych składników zywnosci, np. barwników i komponentów aromatotwórczych.

Hodowla komórek roślinnych w bioreaktorze

Komórki roślinne wyróżniają się bardzo dużym współczynnikiem konwersji źródła węgła i energii w masę komórkowa, mieszczącym sie w granicach 0,65-0,85.

Rozwój komórek roślinnych w hodowli wgłębnej w bioreaktorze przypomina dynamikę procesów mikrobiologicznych. Przyrost liczby komórek i biomasy ma charakter wykładniczy (w tzw. fazie logarytmicznej) lub liniowy.

Zawartość metabolitów wtórnych w biomasie (w suchej substancji) wynosi od kilku do kilkunastu procent, czasami nawet 20%. Na przykład w hodowli

Coleus blumei

uzyskano 25% (5,5 g/dm3) kwasu rozmarynowego, a w hodowli

Lithospermum erythrorhizon

otrzymano 23% (6,4 g/dm3) szikoniny. Wielkości te ustępują wydajności mikrobiologicznej biosyntezy metabolitów, ale sa podstawa do dalszych prac nad doskonaleniem warunków hodowli roślinnej biomasy w bioreaktorach. Jedną z możliwości w tym zakresie jest hodowla immobilizowanych komórek roślinnych. W bioreaktorze z komórkami immobilizowanymi jest możliwe uzyskanie znacznie większego ich zagęszczenia, aniżeli w zawiesinie, co zwiększa ich produktywność w porównaniu z komórkami "wolnymi". Perspektywy hodowli roślin w bioreaktorach sa związane z produkcja szikoniny, glikozydów nasercowych digitalis, alkaloidów opium, alkaloidów (atharanthus), olejków zapachowych oraz roślinnych prekursorów leków steroidowych.

Surowce zwierzęce

W produkcji żywca rzeźnego, głównie trzody chlewnej, zwraca się uwagę na konstruowanie nowych linii genetycznych. Zwierzęta doskonalone genetycznie bardzo dobrze wykorzystują składniki pasz. Stosując perfekcyjnie zbilansowane diety można w krótkim okresie tuczu (kilka miesięcy) wyhodować tuczniki, które maja pożądaną mięsność i sa mało otłuszczone.

Celem doskonalenia zwierząt rzeźnych jest polepszenie jakości mięsa kulinarnego, przede wszystkim wolowego, wieprzowego, drobiowego, co może polepszyć jego konsumpcje w postaci nieprzetworzonej. W zakresie produkcji drobiarskiej dominuje hodowla kurcząt Do ważnych sektorów produkcji zwierzęcej zalicza się jajczarstwo. Dokonania w zakresie zmian żywienia kur oraz ich doskonalenie genetyczne umożliwia uzyskanie szerokiego asortymentu jaj, o składzie wzbogaconym lub modyfikowanym, ważnym ze względów żywieniowych. Do nich należą np. jaja o żółtku wzbogaconym w wielonienasycone kwasy tłuszczowe, witaminy A, D, E, K; o zmniejszonej zawartości cholesterolu itp.

Do grupy surowców zwierzęcych zalicza się także ryby oraz inne organizmy wodne. Znane sa wyniki prac biotechnologów nad skutecznym zastosowaniem metod inżynierii genetycznej w hodowli ryb. Perspektywy produkcji mleka i jego przetworów sa związane z koncentracja i specjalizacja produkcji zwierzęcej, zmniejszeniem kosztów pozyskiwania mleka. W tym zakresie ważne jest także doskonalenie genetyczne bydła, polepszenie mleczności krów oraz jakości mleka.

Zwierzęta transgeniczne

Od kilkunastu lat są prowadzone badania nad zastosowaniem transgenezy w doskonaleniu zwierząt gospodarskich Dotychczasowy postęp w zakresie uzyskiwania zwierząt transgenicznych pozwala z umiarkowanym optymizmem patrzeć na rozwiązanie takich problemów, jak uzyskanie zwierząt o udoskonalonych cechach produkcyjnych. Najważniejsze z nich to korzystniejsze tempo wzrostu i większa produkcja mięsa oraz zwiększona wydajność mleczna i polepszona jakość mleka. Znanymi kierunkami transgenezy zwierząt sa: doskonalenie biokonwersji składników pasz, ulepszanie zestawu enzymów trawiennych, polepszenie naturalnej odporności na choroby.

W odniesieniu do zwierząt gospodarskich największe zainteresowanie jest skierowane na transgeneze świń i bydła. Wiekszość manipulacji genetycznych, prowadzonych na genomie świń, zmierza do otrzymania zwierząt z podwyższonym poziomem hormonu wzrostu, uzyskania większych przyrostów masy ciała, lepszego wykorzystania paszy lub redukcji tłuszczu.

Spore zainteresowanie budzi modyfikacja genetyczna Świn mająca na celu zwiększenie ich odporności na choroby Interesującym kierunkiem badan nad wyhodowaniem zwierząt transgenicznych jest uzyskanie świń jako dawców serca dla ludzi. W transgenezie bydła mlecznego szczególna uwagę zwraca się na doskonalenie składu mleka.

Ssaki transgeniczne, a ściślej ich gruczoł mleczny, można uznać jako swoista, naturalna fabrykę białek, które sa syntetyzowane w dużych ilościach i wydzielane na zewnatrz. W ten sposób można pozyskiwać białka bez konieczności zabijania zwierząt.

Transgeniczny gruczol mleczny jest miejscem syntezy i modyfikacji bialek o aktywności biologicznej. W gruczole mlecznym zwierząt transgenicznych sa produkowane aktywne biologicznie białka ludzkie, np. czynnik krzepliwości IX lub antytrombina. Produkcje ludzkich białek można prowadzić także w krwi zwierząt. Uzyskano np. świnie transgeniczne wytwarzające w komórkach krwi ok. 9% ludzkiej hemoglobiny, o zdolności wiązania tlenu identycznej ze zdolnością hemoglobiny krwi człowieka.

Bioreaktorem może także być pęcherz moczowy zwierząt transgenicznych. Uznając zwierzęta transgeniczne jako potencjalne bioreaktory, w których prowadzi sie produkcje składników aktywnych biologicznie, należy uwzględnić również wielkość zwierząt. Małe zwierzęta, np. króliki transgeniczne, mogłyby być opłacalnymi producentami farmaceutyków, jednak produkcja białek aktywnych biologicznie w gruczole mlecznym krowy, owcy lub kozy dałaby lepsze rezultaty, ponieważ objętość mleka wytwarzanego przez te zwierzęta jest nieporównywalnie większa. Króliki maja jednak te zaletę, ze ich mleko zawiera 3 krotnie więcej białka niż mleko krowie, a łatwość uzyskania, hodowli i rozmnażania królików czyni je aktywnym bioreaktorem zwierzęcym.

Zwierzęta transgeniczne jako "żywe bioreaktory"

Z badan nad transgeneza gruczołu mlecznego wynika, ze jest możliwa modyfikacja składu mleka krów, owiec, kóz. Modyfikacji składu mleka można dokonać, wprowadzając nowe lub doskonaląc istniejące geny białek mleka. Zmiana składu białek mleka może zwiększyć wartość odżywcza mleka lub polepszyć jego właściwości jako surowca do przetwórstwa. Projektuje się "humanizacje" mleka krowiego przez zastąpienie, przynajmniej częściowe, białek krowich białkami ludzkimi. Uważa się, ze mleko krowie wzbogacone w ludzkie białka będzie lepszym produktem odżywczym dla dzieci. Planuje się wzbogacenie mleka krowiego w białka o działaniu przeciwbakteryjnym i obronnym, w celu ochrony krów przed zapaleniem wymienia

(mastitis)

i ochrony cieląt przed zakażeniami bakteryjnymi. Będzie można także zmniejszyć zawartość tłuszczu w mleku przez unieczynnienie genu któregoś z enzymów uczestniczących w biosyntezie lipidów, a także zwiększyć udział kwasów tłuszczowych nienasyconych, zdrowszych dla konsumenta. Zmniejszenie produkcji tłuszczu przez laktujace krowy mogłoby dodatkowo przynieść korzyści ekonomiczne. Synteza tłuszczów jest bardzo kosztowna energetycznie. Szacuje sie, ze zmniejszenie stężenia tłuszczu w mleku krowim z 3,8 do 2%, zmniejszyłoby o 22% wydatki na pasze potrzebna do wytwarzania mleka.