Біотехнологія штамів мікроорганізмів

Біотехноло́гія шта́мів мікрооргані́змів — галузь науки, яка використовує природний потенціал мікроорганізмів (бактерій, актиноміцетів, дріжджів, грибів, мікроводоростей) для розробки інноваційних продуктів широкого спектру застосування.

Історична довідка

У практичних цілях люди користувалися цінними властивостями мікроорганізмів, що уможливлюють процеси бродіння, задовго до визнання їхнього існування (для приготування кисломолочних продуктів, вина, хліба). Хоча ці процеси відбуваються за участі природних мікроорганізмів, їхній біотехнологічний зміст полягає саме в здатності певних штамів дріжджів і бактерій перетворювати органічні речовини в цінні продукти.

Відкриття А. Левенгука у 2-й половині 17 ст. і Л. Пастера у 19 ст. сприяли зародженню та розвитку мікробіології як науки. У 20 ст. з розвитком промислової мікробіології розпочато цілеспрямоване виділення та селекція продуктивних штамів мікроорганізмів. Виробництво антибіотиків (зокрема пеніциліну) під час Другої світової війни сприяло розробленню методів масштабного культивування Penicillium notatum, що вимагало відбору штамів з найвищою продуктивністю.

У 2-й половині 20 ст. розвиток біотехнології був тісно пов’язаний із досягненнями інженерії генної. У 1970-х вперше було здійснено перенесення генів між організмами, що дозволило створювати рекомбінантні штами бактерій для синтезу людського інсуліну, гормонів росту, інтерферонів та інших терапевтичних білків.

У 21 ст. біотехнологія штамів мікроорганізмів увійшла в еру синтетичної біології: вчені не лише модифікують існуючі організми, а й проєктують нові мікробні системи, використовуючи інструменти цифрового дизайну, автоматизованої оптимізації та штучного інтелекту.

Характеристика

Живі організми та продукти їхньої життєдіяльності використовують для вирішення технологічних завдань, а також створення нових організмів з заданими властивостями. Мікроорганізмам притаманні високі метаболічна активність і швидкість росту, здатність швидко пристосовуватися до нових умов існування і накопичувати цінні речовини, можливості генетичної модифікації, що робить їх важливими біологічними об’єктами як для наукових досліджень, так і для промислового виробництва корисних продуктів.

Розвиток сучасних методів молекулярної біології, генетичної інженерії та синтетичної біології дозволяє створювати штами з заданими характеристиками: підвищеною продуктивністю, стійкістю до стресових чинників, здатністю синтезувати нові біомолекули.

Методологія

Отримання та селекція штамів

Створення ефективних штамів мікроорганізмів є ключовим етапом у розробці біотехнологічних процесів. Від вибору або конструювання штаму залежать продуктивність, стабільність та економічна доцільність виробництва цільових продуктів. У практичній біотехнології використовують як природні, так і генетично модифіковані штами, отримані за допомогою різноманітних методів селекції та інженерії.

Природні ізоляти

Одним із основних джерел штамів є природні середовища: ґрунти, водойми, рослинні рештки, екстремальні екосистеми. Мікроорганізми з потенційно корисними властивостями виділяють за допомогою класичних мікробіологічних методів. Зокрема використовують посів на селективні середовища, які сприяють росту і розмноженню штамів з певними потрібними властивостями, або вирощування у середовищах з високою концентрацією певних речовин, що сприяє відбору штамів з підвищеною стійкістю до цих речовин. Потім мікроорганізми ідентифікують за морфологічними, фізіолого-біохімічними ознаками та молекулярно-генетичними маркерами (наприклад, аналіз 16S/ITS-рРНК).

Класичні методи селекції

Для підвищення біосинтетичних властивостей природних ізолятів застосовують методи індукованого штучного мутагенезу: фізичного (ультрафіолетове випромінювання або випромінювання йонізуюче) або хімічного (нітрозогуанідин, етилметансульфонат). Індукція генетичних змін спричинює появу потрібних властивостей, наприклад, підвищення продуктивності ферментів або стійкості до певних умов. Після обробки з популяції відбирають мутаційні варіанти з підвищеною продуктивністю або іншими бажаними ознаками.

Інший підхід — адаптаційна селекція, що базується на поступовому привчанні мікроорганізмів до стресових умов (високі концентрації продукту, нестача поживних речовин, зміна температури) і стимулює утворення нових пристосованих форм.

Генетична та геномна інженерія

Сучасна біотехнологія заснована на можливості прямого редагування геному мікроорганізмів. Використовуючи методи генної інженерії (трансформація, трансдукція, кон’югація), у клітини мікроорганізмів вводять рекомбінантні ДНК-конструкції, які кодують цільові білки або ферменти. Зокрема, широко застосовують систему CRISPR/Cas9 для точкових мутацій, активації або інактивації генів, а також створення нових метаболічних шляхів.

Синтетична біологія та штучне проєктування

Синтетична біологія дозволяє створювати цілком нові штами зі стандартних генетичних елементів. За допомогою комп’ютерного моделювання та автоматизованого складання дезоксирибонуклеїнової кислоти конструюють мікроорганізми з чітко заданими функціями. Застосовують для біосинтезу нових антибіотиків, руйнування токсичних речовин або виробництва біоматеріалів.

Промислове використання штамів мікроорганізмів

Штами мікроорганізмів є основою для багатьох промислових біотехнологічних процесів, які охоплюють широкий спектр галузей — від хімічної промисловості та харчової промисловості до медицини, сільського господарства, екології.

Виробництво ферментів

Ферменти, які широко використовуються в промисловості (амілази, протеази, ліпази, целюлази, лактази) отримують за допомогою бактерій Bacillus spp. та Streptomyces spp., мікроміцетів Aspergillus spp. та Trichoderma spp., і дріжджів. Ці ферменти застосовують у харчовій промисловості (хлібопечення, сироваріння), у виробництві мийних засобів, текстилю, паперу та біопалива.

Біосинтез амінокислот, органічних кислот, вітамінів

За допомогою штамів Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, Brevibacterium spp. отримують амінокислоти (глутамінова кислота, лізин, триптофан), а також кислоти органічні (бурштинову, кислоту лимонну, кислоту молочну, кислоту оцтову) для харчової та фармацевтичної промисловості. Мікроорганізми також є продуцентами вітамінів B₂, B₁₂, C, K.

Антибіотики та інші біоактивні речовини

Багато антибіотиків відкриті завдяки дослідженню штамів актиноміцетів (наприклад, Streptomyces spp.), грибів (Penicillium, Cephalosporium), бактерій. Промислове виробництво антибіотиків, зокрема пеніциліну (продуцент — Penicillium chrysogenum), стрептоміцину (продуцент — Streptomyces griseus), тетрациклінів, еритроміцину тощо, засноване на біотехнології штамів мікроорганізмів. Окрім класичних антибіотиків, мікроорганізми продукують бактеріоцини, рибоциди, антимікробні пептиди та ферменти, імуносупресори (див. Імуносупресія), протипухлинні агенти, біостимулятори (див. Біогенні стимулятори). Зростання резистентності до лікарських засобів намагаються подолати за допомогою постійного пошуку нових штамів з антимікробною активністю.

Біополімери та біопластики

Деякі мікроорганізми, наприклад, Cupriavidus necator, здатні синтезувати полігідроксіалканоати (PHA) — біорозкладні полімери, що є екологічною альтернативою нафтохімічним пластикам.

Біоконверсія та трансформація речовин

Мікроорганізми застосовують для перетворення дешевої сировини або відходів у цінні продукти. Наприклад, за допомогою мікробної трансформації грибів роду Rhizopus виробляють гормони стероїдні; бактерії-окисники перетворюють нафтові фракції, гліцерин або целюлозу на корисні хімічні сполуки.

=Виробництво біопалива

Штами Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis, Clostridium spp. використовують для одержання етанолу, бутанолу, біогазу з рослинної біомаси, відходів харчової промисловості або сільського господарства. Генетично модифіковані штами здатні ефективно розщеплювати лігноцелюлозу, що відкриває шлях до другого покоління біопалива.

Харчова та косметична промисловість

Мікроорганізми беруть участь у ферментації (при виробництві соєвого соусу, оцту, йогуртів, квашених овочів, пробіотичних напоїв), синтезі сполук ароматичних, натуральних барвників і загущувачів (ксантан, пулулан, гелан).

Рекомбінантні білки та гормони

Генетично модифіковані штами кишкової палички та дріжджів Saccharomyces cerevisiae і Pichia pastoris активно використовують для синтезу рекомбінантних білків (людського інсуліну, гормону росту, інтерферонів, еритропоетину, факторів згортання крові тощо). Завдяки таким технологіям знижено ризик імуногенності та покращено доступ до біопрепаратів.

Пробіотики та мікробна терапія

Штами бактерій Lactobacillus, Bifidobacterium та дріжджів Saccharomyces boulardii використовують як пробіотики для відновлення мікробіоти кишківника, профілактики антибіотико-асоційованої діареї, зміцнення імунної системи. Сучасні дослідження розглядають також використання персоналізованих пробіотиків, постбіотиків і навіть трансплантацію мікробіому як потенційні методи лікування метаболічних та психоневрологічних розладів.

Вакцини та антивірусні засоби

Мікроорганізми широко застосовують як платформи для виробництва вакцин. Інактивовані або атенуйовані (відомі як живі ослаблені) штами використовують безпосередньо як вакцини (наприклад, БЦЖ — Бацила Кельметта — Герена), а рекомбінантні штами бактерій і дріжджів продукують антигени для субодиничних вакцин. Наприклад, дріжджі Saccharomyces cerevisiae застосовують у промисловому синтезі антигенів для вакцини проти гепатиту B.

Імуностимулятори, ад’юванти, протипухлинні агенти

Деякі мікроорганізми або їхні фрагменти (наприклад, β-глюкани з грибів, ліпополісахариди бактерій) використовують як імуностимулятори або ад’юванти у вакцинах. Активно досліджують штами мікроорганізмів, здатних синтезувати протипухлинні метаболіти, які пригнічують ріст злоякісних клітин або активують імунну відповідь організму.

Мікроорганізми у діагностиці

Біотехнологічні штами застосовують у розробленні діагностичних систем: тест-системи з використанням рекомбінантних антигенів, індикаторних бактерій, маркерних ферментів. Такі системи дозволяють швидко й точно виявляти інфекції, онкологічні та аутоімунні захворювання.

Біотехнології в сільському господарстві

Застосування штамів мікроорганізмів у аграрному секторі є основою сучасних біотехнологій, спрямованих на підвищення врожайності, збереження родючості ґрунтів, зменшення хімічного навантаження на довкілля та забезпечення сталого розвитку сільського господарства. Біопрепарати на основі мікроорганізмів використовують дедалі активніше як ефективніші й безпечніші, зменшуючи застосування синтетичних добрив і пестицидів. Триває розроблення генетично модифікованих штамів мікроорганізмів, які адресно доставлятимуть поживні речовини, зможуть контролювати експресію генів росту в рослинах або пригнічувати певні патогени. Використання ГМО-штамів має великий потенціал у сільському господарстві, але потребує суворого регулювання та оцінки всіх можливих ризиків. В умовах клімату зміни та деградації ґрунтів використання біотехнологій штамів мікроорганізмів дає можливість отримувати високі врожаї екологічно безпечної продукції.

Біодобрива та стимулятори росту

Штами азотфіксувальних бактерій (Rhizobium, Azotobacter, Bradyrhizobium, Azospirillum) широко застосовують для покращення азотного живлення рослин. Фосфат-мобілізувальні мікроорганізми (зокрема бактерії Bacillus megaterium, гриби Penicillium spp. та актиноміцети) здатні перетворювати недоступні форми фосфору в ґрунті (неорганічні фосфати) на доступні для рослин, з підвищеною біодоступністю фосфору.

Деякі штами виділяють фітогормони (ауксини, гібереліни, цитокініни), що стимулюють ріст кореневої системи та покращують адаптацію до стресів.

Біозахист рослин

Штами антагоністичних мікроорганізмів (наприклад, грибів Trichoderma spp., бактерій Bacillus subtilis та Pseudomonas fluorescens) використовують для боротьби з фітопатогенами. Вони здатні пригнічувати розвиток грибкових і бактеріальних хвороб, продукувати антибіотики та ферменти, конкурувати за екологічну нішу. Такі біофунгіциди і біобактерициди є екологічно безпечною альтернативою пестицидам.

Мікориза та симбіотичні асоціації

Мікоризні гриби (переважно роду Glomus) утворюють симбіоз із кореневою системою рослин, покращуючи поглинання води й мінералів, особливо фосфору. Препарати на основі мікоризи активно застосовують у вирощуванні зернових культур, овочевих і плодових культур, а також у лісовому господарстві.

Біодеструкція агровідходів і фітотоксинів

Деякі штами мікроорганізмів здатні розкладати залишки гербіцидів, пестицидів та інших агрохімікатів у ґрунті. Використання таких штамів сприяє біоочищенню екосистем, зниженню токсичності та відновленню мікробіологічної рівноваги ґрунтів.

Біотехнології в харчовій промисловості

Штами мікроорганізмів відіграють провідну роль у виробництві харчових продуктів, особливо в процесах ферментації, біосинтезу функціональних інгредієнтів, покращення смакових властивостей та збереження продукції. Біотехнології на основі мікроорганізмів дозволяють не лише вдосконалювати традиційні продукти, а й створювати інноваційні продукти з підвищеною біологічною цінністю.

Ферментовані продукти

Ферментативна активність мікроорганізмів є основою для виробництва великого спектра традиційних харчових продуктів: Молочнокисле бродіння (штами бактерій Lactobacillus, Streptococcus, Bifidobacterium) застосовують у виробництві йогуртів, кефіру, сиру, сметани, кисляку.

Алкогольне бродіння з використанням дріжджів Saccharomyces cerevisiae — основний продуцент у пивоварінні, виноробстві, хлібопеченні.

Оцтове бродіння (бактерії Acetobacter spp.) застосовують для виробництва оцту. Квашення і соління овочів (штами молочнокислих бактерій) забезпечують збереження продуктів і формують характерні органолептичні властивості.

Біосинтез функціональних інгредієнтів

Мікроорганізми здатні синтезувати біологічно активні речовини, які додають до харчових продуктів (вітаміни B₂, B₁₂, K, C), ароматичні сполуки, поліфеноли, органічні кислоти, полісахариди тощо.

Пробіотики і функціональні продукти

Пробіотичні штамів бактерій Lactobacillus rhamnosus, Bifidobacterium animalis, Saccharomyces boulardii використовують для виготовлення продуктів функціонального харчування та дієтичних добавок із позитивним впливом на мікробіоту кишківника, імунітет та обмін речовин.

Покращення безпеки та стабільності продуктів

Деякі штами продукують природні консерванти (наприклад, бактеріоцини: педіоцин та інші), які пригнічують ріст патогенних і псувальних мікроорганізмів. Це дозволяє зменшити використання синтетичних консервантів і подовжити термін зберігання харчових продуктів.

Альтернативні джерела протеїну

Сучасні біотехнології штамів мікроорганізмів використовують для отримання протеїну з біомаси мікрорганізмів, наприклад, дріжджів (Candida utilis), мікроскопічних грибів (Fusarium venenatum) або ціанобактерій (Spirulina).

Біотехнології в екології та енергетиці

Штами мікроорганізмів використовують у технологіях очищення довкілля, переробки відходів, біодеструкції токсичних речовин, для одержання відновлюваних джерел енергії, що є основою сталого розвитку (Сталого розвитку концепція) та зеленої економіки.

У біоочисних спорудах застосовують активні шлами, які містять штами нітрифікувальних, денітрифікувальних, сіркоокислювальних бактерій, які забезпечують ефективне очищення стічних вод. Для переробки органічних відходів у біогаз використовують метаногенні консорціуми, що поєднує очищення та виробництво енергії.

За допомогою мікроорганізмів проводять біоремедіацію — очищення забруднених ґрунтів, вод, повітря. Для цього застосовують спеціалізовані штами, здатні розкладати або нейтралізувати шкідливі речовини. Наприклад, бактерії Pseudomonas, Rhodococcus, Mycobacterium здатні розкладати нафтопродукти, феноли, пестициди; гриби Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor — деструктори ксенобіотиків і барвників; консорціуми бактерій використовують для очищення стічних вод від органіки та важких металів.

Відходи виробництва в агросекторі ефективно утилізують за допомогою біоконверсії. Для перетворення рослинної біомаси (солома, лушпиння, деревина) на прості цукри із подальшим отриманням біопалива, біодобрив або органічних кислот застосовують штами грибів (Aspergillus, Trichoderma) та бактерій (Bacillus, Cellulomonas).

Біопалива другого покоління виробляють за участі мікроорганізмів:

• Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis беруть участь у синтезі біоетанолу;
• Clostridium acetobutylicum — у синтезі біобутанолу;
• метаногенні археї — у виробництві біогазу з відходів;
• мікроводорості (Chlorella, Spirulina, Nannochloropsis) — для отримання біодизелю та біомаси з високим вмістом ліпідів.

Розробляються також мікробні елементи палива, в яких бактерії генерують струм електричний з органічних сполук.

Біобезпека та етика

Використання живих мікроорганізмів, особливо генетично модифікованих, супроводжують потенційні ризики для здоров’я людей, довкілля та біорізноманіття. Тому питання біобезпеки, біоетики та регулювання є невід’ємною частиною біотехнологічної практики.

Для контролю над ризиками застосовують систему класифікації мікроорганізмів за рівнями патогенності (від 1 до 4):

• 1-й рівень — безпечні непатогенні мікроорганізми, які використовують у харчовій, сільськогосподарській та освітній діяльності;
• 2-й–4-й рівні — включають умовно патогенні або патогенні організми, які потребують спеціального лабораторного обладнання та заходів біозахисту.

У роботі з такими штамами необхідно дотримуватися національних та міжнародних стандартів біобезпеки.

З етичної точки зору важливо дотримуватися наступних принципів:

• справедливості і доступності (результати біотехнологічних розробок мають приносити користь суспільству, а не лише комерційним структурам);
• поваги до природи (втручання в геноми мікроорганізмів повинно бути обґрунтованим, з урахуванням довгострокових екологічних наслідків);
• інформованої згоди (використання мікроорганізмів у медицині, наприклад, пробіотиків, мікробіомної терапії, засноване на добровільному і поінформованому виборі пацієнта).

Значення

Біотехнології штамів мікроорганізмів використовуються в медицині (медична діагностика, виробництво широкого спектра біологічно активних сполук, лікарських засобів, вакцин, діагностичних реагентів, пробіотиків тощо), сільському господарстві (моніторинг здоров’я тварин та ґрунтових процесів), харчовій промисловості (контроль безпеки харчових продуктів), охороні навколишнього природного середовища (моніторинг стічних вод). Біотехнологія штамів мікроорганізмів відіграє ключову роль у формуванні інноваційної економіки та забезпеченні сталого розвитку людства.

Екологічні біотехнології з використанням мікроорганізмів сприяють досягненню цілей сталого розвитку (зокрема щодо чистої енергії, боротьби зі зміною клімату, відповідального споживання ресурсів і захисту екосистем), забезпечують природоорієнтовані рішення для очищення навколишнього середовища, раціонального використання ресурсів і створення безвуглецевих джерел енергії.

Джерела

Про приєднання України до Картахенського протоколу про біобезпеку до Конвенції про біологічне різноманіття: Закон України № 152-IV від 12 вересня 2002 р. // Відомості Верховної Ради України. 2002. № 44. Ст. 320. URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/152-15#Text

1. Laboratory Biosecurity Guidance. Geneva : World Health Organization, 2024. 110 p. URL: https://www.who.int/publications/i/item/9789240095113
2. The International Biorisk Management Standard (CWA 15793:2008) // CEN. URL: www.cen.eu/CENORM/sectors/technicalcommitteesworkshops/workshops/ws31.asp

Література

1. Бісько Н. А., Ломберг М. Л., Митропольська Н. Ю., Михайлова О. Б. Колекція культур шапинкових грибів. Київ : Aльтерпрес, 2016. 120 с.
2. Борисова О. В., Царенко П. М., Коніщук М. О. Колекція культур мікроводоростей (IBASU-A) як об’єкт національного надбання України // Український ботанічний журнал. 2016. Т. 73. № 5. С. 453–460.
3. Білоус О. П., Незбрицька І. М., Клоченко П. Д., Кірпенко Н. І. Колекція культур мікроводоростей HPDP. Київ : б. в. 2018. 36 с.
4. Карлаш Ю. В., Красінько В. О. Основи проєктування біотехнологічних виробництв. Київ : НУХТ, 2022. 373 с.
5. Sharma A., Arya S. K., Singh J. et al. Prospects of Chitinase in Sustainable Farming and Modern Biotechnology: an Update on Recent Progress and Challenges // Biotechnology and Genetic Engineering Reviews. 2024. Vol. 40. Is. 1. P. 310–340.
6. Sokra I., Somaly S., Meta H. CRISPR–Cas9–Based Genome Editing in Microbial Biotechnology: Advances in Metabolic Engineering, Fermentation Systems, and Industrial Applications // Journal of Agriculture and Technology. 2026. Vol. 2. Is. 1. P. 154–166.

Автор

В. О. Красінько, М. Л. Ломберг

Покликання на цю статтю: Красінько В. О., Ломберг М. Л. Біотехнологія штамів мікроорганізмів // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Біотехнологія штамів мікроорганізмів (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 29.12.2025