4 Главным звеном биотехнологического процесса является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии могут выступать клетки микроорганизмов, животных и растений, трансгенные животные и растения, грибы, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и отдельные ферменты. Основой большинства современных биотехнологических производств является микробный синтез, т. е. синтез разно образных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. К сожалению, объекты растительного и животного происхождения в силу ряда причин еще не нашли столь широкого применения. Поэтому в дальнейшем целе сообразно рассматривать микроорганизмы как основные объекты биотехнологии.
1 Микроорганизмы - основные объекты биотехнологии В настоящее время известно более 100 тысяч различных видов микроорганизмов. Это в первую очередь бактерии, актиномицеты, цианобактерии. При столь большом разнообразии микроорганизмов весьма важной, а зачастую и сложной проблемой является правильный выбор именно того организма, который способен обеспечить получение требуемого продукта, т.е. служить промышленным целям. 5
Во многих биотехнологических процессах используется ограниченное число микроорганизмов, которые классифицируются как GRAS ("generally recognized as safe" обычно считаются безопасными). К таким микроорганизмам относят бактерии Васillus subtilis, Васillus amyloliquefaciens, другие виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces. Сюда также относят виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, дрожжей Saccharomyces и др. GRAS-микроорганизмы непатогенные, нетоксичные и в основном не образуют антибиотики, поэтому при разработке нового биотехнологического процесса следует ориентироваться на данные микроорганизмы, как базовые объекты биотехнологии. 6
Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов микроорганизмов, которые первично были выделены из природных источников на основании их полезных свойств, а затем улучшены с помощью различных методов. В связи с расширением производства и ассортимента выпускаемой продукции в микробиологическую промышленность вовлекаются все новые и новые представители мира микробов. Следует отметить, что в обозримом будущем ни один из них не будет изучен в той же степени, как Е. соli и Вас. subtilis. Причина этого - колоссальная трудоемкость и высокая стоимость подобного рода исследований. 7
Следовательно, возникает проблема разработки стратегии и тактики исследований, которые обусловили бы с разумной затратой труда извлечь из потенциала новых микроорганизмов все наиболее ценное при создании промышленно важных штаммов- продуцентов, пригодных к использованию в биотехнологических процессах. Классический подход заключается в выделении нужного микроорганизма из природных условий. Из естественных мест обитания предполагаемого продуцента отбирают образцы материала (берут пробы материала) и производят посев в селективную среду, обеспечивающую преимущественное развитие инте ресующего микроорганизма, т.е. получают так называемые накопительные культуры. 8
Следующим этапом является выделение чистой культуры с дальнейшим изучением изолированного микроорганизма и, в случае необходимости, ориентировочным определением его продукционной способности. Существует и другой путь подбора микроорганизмов-продуцентов - это выбор нужного вида из имеющихся коллекций хорошо изученных и досконально охарактеризованных микроорганизмов. При этом, естественно, устраняется необходимость выполнения ряда трудоемких операций. 9
Главным критерием при выборе биотехнологического объекта является способность синтезировать целевой продукт. Однако помимо этого, в технологии самого процесса могут закладываться дополнительные требования, которые порой бывают очень и очень важными, чтобы не сказать решающими. В общих словах микроорганизмы должны обладать высокой скоростью роста, утилизировать необходимые для их жизнедеятельности дешевые субстраты, быть резидентными к посторонней микрофлоре, т. е, обладать высокой конкурентоспособностью. Все вышеперечисленное обеспечивает значительное снижение затрат на производство целевого продукта. 10
Приведем некоторые примеры, доказывающие роль микроорганизмов как объектов биотехнологии: 1. Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями роста и синтетических процессов, чем высшие организмы. Тем не менее, это присуще не всем микроорганизмам. Некоторые из них растут крайне медленно, однако представляют известный интерес, поскольку способны продуцировать различные очень ценные вещества. 11
2. Особое внимание как объекты биотехнологических разработок представляют фотосинтезирующие микроорганизмы, использующие в своей жизнедеятельности энергию солнечного света. Часть из них (цианобактерии и фотосинтезирующие эукариоты) в качестве источника углерода утилизируют СО 2, а некоторые представители цианобактерий, ко всему сказанному, обладают способностью усваивать атмосферный азот (т.е. являются крайне неприхотливыми к питательным веществам). Фотосинтезирующие микро- организмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и ряда органических соединений. Однако прогресса в их использовании вследствие ограниченности фундаментальных знаний об их генетической организации и молекулярно-биологических механизмах жизнедеятельности, по всей видимости, не следует ожидать в ближайшем будущем. 12
3. Определенное внимание уделяется таким объектам биотехнологии, как термофильные микроорганизмы, растущие при °С. Это их свойство является практически непреодолимым препятствием для развития посторонней микрофлоры при относительно не стерильном культивировании, т.е. является надежной защитой от загрязнений. Среди термофилов обнаружены продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода. Кроме того, скорость их роста и метаболическая активность в 1,5-2 раза выше, чем у мезофилов. Ферменты, синтезируемые термофилами, характеризуются повышенной устойчивостью к нагреванию, некоторым окислителям, детергентам, органическим растворителям и другим неблагоприятным факторам. В то же время они мало активны при обычных температурах. 13
Так, протеазы одного из представителей термофильных микроорганизмов при 20 °С в 100 раз менее активны, чем при 75 °С. Последнее является очень важным свойством для некоторых промышленных производств. Например, широкое применение в генетической инженерии нашел фермент Tag-полимераза из термофильной бактерии Thermus aquaticus. Ранее уже упоминалось о еще одном весьма существенном свойстве этих организмов, а именно, что при их культивировании температура среды, в которой они пребывают, значительно превышает температуру окружающей среды. Данный высокий перепад температур обеспечивает быстрый и эффективный обмен тепла, что позволяет использовать биологические реакторы без громоздких охлаждающих устройств. А последнее, в свою очередь, облегчает перемешивание, аэрацию, пеногашение, что в совокупности значительно удешевляет процесс. 14
2 Выделение и селекция микроорганизмов Неотъемлемым компонентом в процессе создания наиболее ценных и активных продуцентов, т.е. при подборе объектов в биотехнологии, является их селекция. Главным путем селекции является сознательное конструирование геномов на каждом этапе отбора нужного продуцента. Такая ситуация не всегда могла быть реализована, вследствие отсутствия эффективных методов изменения геномов селек тируемых организмов. В развитии микробных технологий сыграли важную роль методы, базирующиеся на селекции спонтанно возникающих измененных вариантов, характеризующихся нужными полезными признаками. 15
При таких методах обычно используется ступенчатая селекция: на каждом этапе отбора из популяции микроорганизмов отбираются наиболее активные варианты (спонтанные мутанты), из которых на следующем этапе отбирают новые, более эффективные штаммы, и так далее. Несмотря на явную ограниченность данного метода, заключающуюся в низкой частоте возникновения мутантов, его возможности рано считать полностью исчерпанными. 16
Процесс селекции наиболее эффективных продуцентов значительно ускоряется при использовании метода индуцированного мутагенеза. В качестве мутагенных воздействий применяются УФ, рентгеновское и гамма-излучения, определенные химические вещества и др. Однако и этот прием также не лишен недостатков, главным из которых является его трудоемкость и отсутствие сведений о характере изменений, поскольку экспериментатор ведет отбор по конечному результату. 17
Например, устойчивость организма к ионам тяжелых металлов может быть связана с подавлением системы поглощения данных катионов бактериальной клеткой, активацией процесса удаления катионов из клетки или перестройкой системы (систем), которая подвергается ингибирующему действию катиона в клетке. Естественно, знание механизмов повышения устойчивости позволит вести направленное воздействие с целью получения конечного результата за более короткое время, а также селектировать варианты, лучше подходящие к конкретным условиям производства. Применение перечисленных подходов в сочетании с приемами классической селекции является сутью современной селекции микроорганизмов- продуцентов. 18
Например, устойчивость организма к ионам тяжелых металлов может быть связана с подавлением системы поглощения данных катионов бактериальной клеткой, активацией процесса удаления катионов из клетки или перестройкой системы (систем), которая подвергается ингибирующему действию катиона в клетке. Естественно, знание механизмов повышения устойчивости позволит вести направленное воздействие с целью получения конечного результата за более короткое время, а также селектировать варианты, лучше подходящие к конкретным условиям производства. Применение перечисленных подходов в сочетании с приемами классической селекции является сутью современной селекции микроорганизмов- продуцентов. 19
Биотехнология как наука и сфера производства. Предмет, цели и задачи биотехнологии, связь с фундаментальными дисциплинами.
Биотехнология - это технологические процессы с использованием биотехнологических систем - живых организмов и компонентов живой клетки. Системы могут быть разными - от микробов и бактерий до ферментов и генов. Биотехнология - это производство, основанное на достижениях современной науки: генетической инженерии, физико-химии ферментов, молекулярной диагностики и молекулярной биологии, селекционной генетики, микробиологии, биохимии, химии антибиотиков.
В сфере производства лекарственных средств биотехнология вытесняет традиционные технологии, открывает принципиально новые возможности. Биотехнологическим способом производят генно-инженерные белки (интерфероны, интерлейкины, инсулин, вакцины против гепатита и т.п.), ферменты, диагностические средства (тест-системы на наркотики, лекарственные вещества, гормоны и т.п.), витамины, антибиотики, биодеградируемые пластмассы, биосовместимые материалы.
Иммунная биотехнология, с помощью которой распознают и выделяют из смесей одиночные клетки, может применяться не только непосредственно в медицине для диагностики и лечения, но и в научных исследованиях, в фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности, а также использоваться для получения препаратов, синтезируемых клетками защитной системы организма.
В настоящее время достижения биотехнологии перспективны в следующих отраслях:
в промышленности (пищевая, фармацевтическая, химическая, нефтегазовая) - использование биосинтеза и биотрансформации новых веществ на основе сконструированных методами генной инженерии штаммов бактерий и дрожжей с заданными свойствами на основе микробиологического синтеза;
в экологии - повышение эффективности экологизированной защиты растений, разработка экологически безопасных технологий очистки сточных вод, утилизация отходов агропромышленного комплекса, конструирование экосистем;
в энергетике - применение новых источников биоэнергии, полученных на основе микробиологического синтеза и моделированных фотосинтетических процессов, биоконверсии биомассы в биогаз;
в сельском хозяйстве - разработка в области растениеводства трансгенных агрокультур, биологических средств защиты растений, бактериальных удобрений, микробиологических методов, рекультивации почв; в области животноводства - создание эффективных кормовых препаратов из растительной, микробной биомассы и отходов сельского хозяйства, репродукция животных на основе эмбриогенетических методов;
В медицине - разработка медицинских биопрепаратов, мо-ноклональных антител, диагностикумов, вакцин, развитие иммунобиотехнологии в направлении повышения чувствительности и специфичности иммуноанализа заболеваний инфекционной и неинфекционной природы.
По сравнению с химической технологией биотехнология имеет следующие основные преимущества:
Возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не удается получать путем химического синтеза;
Проведение биотехнологических процессов при относительно невысоких температурах и давлениях;
Микроорганизмы имеют значительно более высокие скорости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы. Например, с помощью микроорганизмов в ферментере объемом 300 м 3 за сутки можно выработать 1 т белка (365 т/год). Чтобы такое же количество белка в год выработать с помощью крупного рогатого скота, нужно иметь стадо 30 000 голов. Если же использовать для получения такой скорости производства белка бобовые растения, например горох, то потребуется иметь поле гороха площадью 5400 га;
В качестве сырья в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;
Биотехнологические процессы по сравнению с химическими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам;
Как правило, технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дешевы.
В качестве первоочередной задачи перед биотехнологией стоит создание и освоение производства лекарственных препаратов для медицины: интерферонов, инсулинов, гормонов, антибиотиков, вакцин, моноклональных антител и других, позволяющих осуществлять раннюю диагностику и лечение сердчено-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфекционных, в том числе вирусных заболеваний.
Понятие "биотехнология" собирательное и охватывает такие области, как ферментационная технология, применение биофакторов с использованием иммобилизованных микроорганизмов или энзимов, генная инженерия, иммунная и белковая технологии, технология с использованием клеточных культур как животного, так и растительного происхождения.
Биотехнология - это совокупность технологических методов, в том числе и генной инженерии, использующих живые организмы и биологические процессы для производства лекарственных средств, или наука о разработке и применении живых систем, а также неживых систем биологического происхождения в рамках технологических процессов и индустриального производства.
Современная биотехнология - это химия, где изменение и превращение веществ происходит с помощью биологических процессов. В острой конкуренции успешно развиваются две химии: синтетическая и биологическая.
Биообъекты как средство производства лечебных, реабилитационных, профилактических и диагностических средств. Классификация и общая характеристика биообъектов.
Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы - микромицеты и макромицеты, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, некоторые биогенные и функционалъно сходные с ними вещества (например, ферменты, простагландины, пектины, нуклеиновые кислоты и др.). Следовательно, объекты биотехнологии могут быть представлены организованными частицами (вирусы), клетками (тканями) или их метаболитами (первичными, вторичными). Даже при использовании биомолекулы как объекта биотехнологии исходный биосинтез ее осуществляется в большинстве случаев соответствующими клетками. В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относятся либо к микробам, либо к растительным и животным организмам. В свою очередь организм можно образно характеризовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, саморегулируемого и, следовательно, целенаправленного биохимического производства, устойчиво и активно протекающего при оптимальном поддержании всех необходимых параметров. Из такого определения следует, что вирусы не являются организмами, но по содержанию молекул наследственности, приспособляемости, изменчивости и некоторым другим свойствам они относятся к представителям живой природы.
Как видно из приводимой схемы, объекты биотехнологии исключительно разнообразны, диапазон их распространяется от организованных частиц (вирусов) до человека.
В настоящее время большинство объектов биотехнологии составляют микробы, относящиеся к трем надцарствам (безъядерные, предъядерные, ядерные) и пяти царствам (вирусы, бактерии, грибы, растения и животные). Причем первые два надцарства состоят исключительно из микробов.
Микробами среди растений являются микроскопические водоросли (Аlgае), а среди животных.- микроскопические простейшие (Рrotozoa). Из эукариот к микробам относятся грибы и, при определенных оговорках, лишайники, которые являются природными симбиотическими ассоциациями микроскопических грибов и микроводорослей или грибов и цианобактерий.
Аcaryotа - безъядерные, Рrосаrуоtа - предъядерные и Еuсаrуоtа - ядерные (от греч. а - нет, рrо - до, еu - хорошо, полностью, саrуоn - ядро). К первому относятея организованные частицы - вирусы и вироиды, ко второму - бактерии, к третьему - все другие организмы (грибы, водоросли, растения, животные).
Микроорганизмы образуют огромное количество вторичных метаболитов, многие из которых также нашли применение, например, антибиотики и другие корректоры гомеостаза клеток млекопитающих.
Пробиотики - препараты на основе биомассы отдельных видов микроорганизмов используются при дисбактериозах для нормализации микрофлоры желудочнокишечного тракта. Микроорганизмы необходимы также при производстве вакцин. Наконец, микробные клетки методами генной инженерии могут быть превращены в продуценты видоспецифических для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета и т.д.
Высшие растения являются традиционным и к настоящему времени все еще наиболее обширным иеточником получения лекарственных средств. При использовании растений в качестве биообъектов основное внимание сосредоточено на вопросах культивирования растительных тканей на искусственных средах (каллусные и суспензионные культуры) и открывающихся при этом новых перспективах.
Макробиообъекты животного происхождения. Человек как донор и объект иммунизации. Млекопитающие, птицы, рептилии и др.
В последние годы в связи с развитием технологии рекомбинантной ДНК стремительно возрастает важность такого биообъекта как человек, хотя на первый взгляд это кажется парадоксальным.
Однако биообъектом с позиций биотехнологии (при использовании биореакторов) человек стал лишь после реализации возможности клонирования его ДНК (точнее ее экзонов) в клетках микроорганизмов. За счет такого подхода был ликвидирован дефицит сырья для получения видоспецифических белков человека.
Важное значение в биотехнологии имеют макрообъекты, к которым относятся различные животные и птицы. В случае производства иммунной плазмы человек выступает, кроме того, в качестве объекта иммунизации.
Для получения различных вакцин в качестве объектов для размножения вирусов используют органы и ткани, в том числе эмбриональные, различных животных и птиц: Необходимо отметить, что термином «донор» в данном случае обозначен биообъект, поставляющий материал для процесса производства лекарственного средства без ущерба для собственной жизнедеятельности, а термином «донатор» - биообъект, у которого забор материала для производства лекарственного средства оказывается несовместимым с продолжением жизнедеятельности.
Из эмбриональных тканей наиболее широко используемыми являются эмбриональные ткани цыпленка. Особенной выгодой отличаются куриные эмбрионы (по доступности) десяти-двенадцатисуточного возраста, используемые преимущественно для репродукции вирусов и последующего изготовления вирусных вакцин. Куриные эмбрионы введены в вирусологическую практику в 1931 г. Г. М. Вудруфом и Е. У. Гудпасчером. Такие эмбрионы рекомендуют также для выявления, идентификации и определения инфицирующей дозы вирусов, для получения антигенных препаратов, применяемых в серологических реакциях.
Инкубированные при 38°С куриные яйца овоскопируют (просвечивают), отбраковывают, "прозрачные" неоплодотворенные экземпляры и сохраняют оплодотворенные, в которых хорошо видны наполненные кровеносные сосуды хорионаллантоисной оболочки и движения эмбрионов.
Заражение эмбрионов можно проводить вручную и автоматизированно. Последний способ применяют в крупномасштабном производстве, например, противогриппозных вакцин. Материал, содержащий вирусы, вводят с помощью шприца (батареи шприцов) в различные части эмбриона (эмбрионов).
Все этапы работы с куриными эмбрионами после овоскопии проводят в асептичных условиях. Материалом для заражения могут быть суспензия растертой мозговой ткани (применительно к вирусу бешенства), печени, селезенки, почек (применительно к хламидиям орнитоза) и т. д. В целях деконтаминации вирусного материала от бактерий или в целях предотвращения его бактериального загрязнения можно использовать соответствующие антибиотики, например, пенициллин с каким-либо ами-ногликозидом порядка 150 МЕ каждого на 1 мл суспензии виру-сосодержащего материала. Для борьбы с грибковым заражением эмбрионов целесообразно воспользоваться некоторыми антибио-тиками-полиенами (нистатин, амфотерицин В) или отдельными производными бензимидазола (например дактарин и др.).
Чаще всего суспензию вирусного материала вводят в аллантоисную полость или, реже, на хорионаллантоисную оболочку в количестве 0,05-0,1 мл, прокалывая продезинфицированную скорлупу (например, иодированным этанолом) на расчетную глубину. После этого отверстие закрывают расплавленным парафином и эмбрионы помещают в термостат, в котором поддерживается оптимальная температура для репродукции вируса, например 36-37,5°С. Продолжительность инкубации зависит от типа и активности вируса. Обычно через 2-4 суток можно наблюдать изменение оболочек с последующей гибелью эмбрионов. Зараженные эмбрионы контролируют ежедневно 1-2 раза (овоскопируют, поворачивают другой стороной). Погибшие эмбрионы затем передают в отделение сбора вирусного материала. Там их дезинфицируют, аллантоисную жидкость с вирусом отсасывают и переносят в стерильные емкости. Инактивацию вирусов при определенной температуре проводят обычно с помощью формалина, фенола или других веществ. Применяя высокоскоростное центрифугирование или афинную хроматографию (см.), удается получать высокоочищенные вирусные частицы.
Собранный вирусный материал, прошедший соответствующий контроль, подвергают лиофильной сушке. Контролю подлежат следующие показатели: стерильность, безвредность и специфическая активность. Применительно к стерильности имеют в виду отсутствие: живого гомологичного вируса в убитой вакцине, бактерий и грибов. Безвредность и специфическую активность оценивают на животных и только после этого вакцину разрешают испытывать на волонтерах или добровольцах; после успешного проведения клинической апробации вакцину разрешают применять в широкой медицинской практике.
На куриных эмбрионах получают, например, живую противогриппозную вакцину. Она предназначается для интраназального введения (лицам старше 16 лет и детям от 3 до 15 лет). Вакцина представляет собой высушенную аллантоисную жидкость, взятую от зараженных вирусом куриных эмбрионов. Тип вируса подбирают согласно эпидемиологической ситуации и прогнозам. Поэтому препараты могут выпускаться в виде моновакцины или дивакцины (напрмер, включающая вирусы А2 и В) в ампулах с 20 и 8 прививочными дозами для соответствующих групп населения. Высушенная масса в ампулах обычно имеет светло-желтый цвет, который сохраняется и после растворения содержимого ампулы в прокипяченой остуженной воде.
Живые противогриппозные вакцины для взрослых и детей готовят и для приема через рот. Такие вакцины представляют собой специальные вакцинные штаммы, репродукция которых происходила в течение 5-15 пассажей (не менее и не более) на культуре почечной ткани куриных эмбрионов. Их выпускают в сухом виде во флаконах. При растворении в воде цвет из светло-желтого переходит в красноватый.
Из других вирусных вакцин, получаемых на куриных эмбрионах, можно назвать противопаротитную, против желтой лихорадки.
Из прочих эмбриональных тканей используют эмбрионы мышей или других млекопитающих животных, а также абортированные плоды человека.
Эмбриональные перевиваемые ткани доступны после обработки трипсином, поскольку в таких тканях еще не формируется большого количества межклеточных веществ (в том числе небелковой природы). Клетки разделяются и после необходимых обработок их культивируют в специальных средах в монослое или в суспендированном состоянии.
Ткани, изолируемые от животных после рождения, относятся к разряду зрелых. Чем их возраст больше, тем с большим трудом они культивируются. Однако после успешного выращивания они затем "выравниваются" и мало чем отличаются от эмбриональных клеток.
Кроме полиомиелита специфическую профилактику живыми вакцинами проводят при кори. Противокоревую живую сухую вакцину изготавливают из вакцинного штамма, репродукция которого осуществлялась на клеточных культурах почек морских свинок или фибробластах японских перепелок.
Биообъекты растительного происхождения. Дикорастущие растения и культуры растительных клеток.
Для растений характерны: способность к фотосинтезу, наличие целлюлозы, биосинтез крахмала.
Водоросли - важный источник различных полисахаридов и других биологичоски активных веществ. Размножаются оии вегетативио, бесполым и половым путями. Как биообъекты используются недостаточно, хотя, например, ламинария под названием морской капусты производится промышленностью разлнчных стран. Хоро-шо известны агар-агар и альгинаты, получаемые из водорослей.
Клетки высших растеиий. Высшие растения (порядка 300 000 видов) - зто дифференцированные многоклеточные, преимущественно наземные организмы. Из всех тканей лишь меристематические способны к делению и за их счет образуются все другие ткани. Это важно для получения клеток, которые затем должны быть включены в биотехнологический процесс.
Клетки меристемы, задерживающиеся на эмбриоиальной стадии развития в течение всей жизни растения, называготся инициальными, другие постепенно дифференцируются и превращаются в клетки различных постоянных тканей - конечные клетки.
В зависимости от топологии в растении меристемы подразделяют на верхушечные, или апикальные (отлат. арех - верхушка), боковые, или латеральные (от лат. lateralis - боковой) и промежуточные, или интеркалярные (от лат. Intercalaris - промежугочный, вставной.
Тотипотентность - это свойство соматических клеток растений полностью реализовать свой потенциал развития вплоть до образования целого растения.
Любой вид растения может дать в соответствующих условиях неорганизованную массу делящихся клеток - каллус (отлат. callus - мозоль), особенно при индуцирующем влиянии растительных гормонов. Массовое производство каллусов с дальнейшей регенерацией побегов пригодно для крупномасштабного производства растений. Вообще каллус представляет собой основной тип культивируемой на питательной среде растительной клетки. Каллусная ткань из любого расгения может длительно рекультивироваться. При этом первоначальные растения (в том числе и меристематические), дифференцируются и деспециализируются, но индуцируются к делению, формируя первичный каллус.
Кроме выращивания каллусов удается культивировать клетки некоторых растений в суспензионных культурах. Важными биообъектами представляются также и протопласты растительных клеток. Методы их получения принципиально сходны с методами получения бактериальных и грибных протопласгов. Последующие клеточно-иижснерныс эксперименты с ними заманчивы по возможным ценным результатам.
Биообъекты - микроорганизмы. Основные группы получаемых биологически активных веществ.
Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы - микромицсты и макромицеты, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, некоторые биогенные и функционалъно сходные с ними вещества (например, ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты и др.). Следовательно, объекты биотехнологии могут быть представлены организованными частицами (вирусы), клетками (тканями) или их метаболитами (первичными, вторичными). Даже при использовании биомолекулы как объекта биотехнологии исходный биосинтез ее осуществляется в большинстве случаев соответствующими клетками. В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относятся либо к микробам, либо к растительным и животным организмам. В свою очередь организм можно образно характеризовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, само-регулируемого и, следовательно, целенаправленного биохимиче-ского производства, устойчиво и активно протекающего при оптимальном поддержании всех необходимых параметров. Из такого определения следует, что вирусы не являются организмами, но по содержанию молекул наследственности, приспособляемости, изменчивости и некоторым другим свойствам они относятся к представителям живой природы.
В настоящее время большинство объектов биотехнологии составляют микробы, относящиеся к трем надцарствам (безъядерные, предъядерные, ядерные) и пяти царствам (вирусы, бактерии, грибы, растения и животные). Причем первые два надцарства состоят исключительно из микробов,.
Клетки грибов, водорослей, растений и животных имеют настоящее, отграниченное от цитоплазмы, ядро и поэтому их относят к эукариотам.
Биообъекты - макромолекулы с ферментативной активностью. Использование в биотехнологических процессах.
В последнее время группа ферментных препаратов получила новое направление применения - это инженерная энзимология, которая является разделом биотехнологии, где биообъектом выступает фермент.
Органотерапия, т.е. лечение органами и препаратами из органов, тканей и выделений животных, долгое время покоилась на глубоком эмпиризме и противоречивых представлениях, занимая видное место в медицине всех времен и народов. Лишь во второй половине XIX столетия в результате успехов, достигнутых биологической и органической химией, и развития экспериментальной физиологии органотерапия становится на научную основу. Это связано с именем французского физиолога Броун-Секара. Особое внимание привлекали работы Броун-Секара связанные с введением в организм человека вытяжек из семенников быка, оказавших положительное влияние на работоспособность и самочувствие.
Первыми официнальными препаратами (ГФ VII) были адреналин, инсулин, питуитрин, пепсин и панкреатин. В дальнейшем в результате обширных исследований, проведенных советскими эндокринологами и фармакологами, оказалось возможным последовательно расширить круг официнальных и неофицинальных органопрепаратов.
Тем не менее, некоторые аминокислоты получают химическим синтезом, например глицин, а также D-, L-метионин, D-изомер которого малотоксичен, поэтому медицинский препарат на основе метионина содержит D- и L-формы, хотя за рубежом в медицине используется препарат, содержащий только L-форму метионина. Там рацемическую смесь метионина разделяют биоконверсией D-формы в L-форму под влиянием специальных ферментов живых клеток микроорганизмов.
Иммобилизованные ферментные препараты обладают рядом существенных преимуществ при использовании их в прикладных целях по сравнению с нативными предшественниками. Во-первых, гетерогенный катализатор легко отделить от реакционной среды, что дает возможность: а) остановить в нужный момент реакцию; б) использовать катализатор повторно; в) получать продукт, не загрязненный ферментом. Последнее особенно важно в ряде пищевых и фармацевтических производств.
Во-вторых, использование гетерогенных катализаторов позволяет проводить ферментативный процесс непрерывно, например в проточных колоннах, и регулировать скорость катализируемой реакции, а также выход продукта путем изменения скорости потока.
В-третьих, иммобилизация или модификация фермента способствует целенаправленному изменению свойств катализатора, в том числе его специфичности (особенно в отношении к макромолекулярным субстратам), зависимости каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров среды и, что очень важно, его стабильности по отношению к различного рода денатурирующим воздействиям. Отметим, что крупный вклад в разработку общих принципов стабилизации ферментов был сделан советскими исследователями.
В-четвертых, иммобилизация ферментов дает возможность регулировать их каталитическую активность путем изменения свойств носителя под действием некоторых физических факторов, таких, как свет или звук. На этой основе создаются механо- и звукочувствительные датчики, усилители слабых сигналов и бессеребряные фотографические процессы.
В результате внедрения нового класса биоорганических катализаторов - иммобилизованных ферментов, перед прикладной энзимологией открылись новые, ранее недоступные пути развития. Одно лишь перечисление областей, в которых находят применение иммобилизованные ферменты, могло бы занять немало места.
Направления совершенствования биообъектов методами селекции и мутагенеза. Мутагены. Классификация. Характеристика. Механизм их действия.
Что мутации - это первоисточник изменчивости организмов, создающий основу для эволюции. Однако во второй половине XIX в. для микроорганизмов был открыт еще один источник изменчивости - перенос чужеродных генов - своего рода «генная инженерия природы».
Долгое время понятие мутации относили только к хромосомам у прокариот и хромосомам (ядру) у эукариот. В настоящее время кроме хромосомных мутаций появилось также понятие мутаций цитоплазматических (плазмидных - у прокариот, митохондриальных и плазмидных - у эукариот).
Мутации могут быть обусловлены как перестройкой репликона (изменением в нем числа и порядка расположения генов), так и изменениями внутри индивидуального гена.
Применительно к любым биообъектам, но особенно часто в случае микроорганизмов, выявляются так называемые спонтанные мутации, обнаруживаемые в популяции клеток без специального воздействия на нее.
По выраженности почти любого признака клетки в микробной популяции составляют вариационный ряд. Большинство клеток имеют среднюю выраженность признака. Отклонения «+» и «–» от среднего значения встречаются в популяции тем реже, чем больше величина отклонения в любую сторону (рис. I). Первоначальный, самый простой подход к совершенствованию биообъекта заключался в отборе отклонений «+» (предполагая, что именно эти отклонения соответствуют интересам производства). В новом клоне (генетически однородное потомство одной клетки; на твердой среде - колония), полученном из клетки с отклонением «+» вновь проводился отбор по тому же принципу. Однако такая процедура при ее неоднократном повторении довольно быстро теряет эффективность, т. е. отклонения «+» становятся в новых клонах все меньше по величине.
100 р бонус за первый заказ
Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line
Узнать цену
Объектами биотехнологии являются отдельные части клеток (митохондрии, рибосомы, хромосомы, мембраны и т.д.), сами клетки и их коллективы - клеточные культуры, отдельные микроорганизмы (грибы, водоросли, бактерии, простейшие, вирусы и т.д.), и их колонии, а также - самостоятельные многоклеточные растительные и животные микроорганизмы. Диапазоны распространяются от вирусов до человека. Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистка, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул. Следует учитывать, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными и для микробов-контаминтантов или загрязнений. Представителями контаминирующей микрофлоры оказываются вирусы, бактерии, грибы, которые находятся в культурах растительных и животных клеток. Здесь микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии.
Микроорганизмы - это удивительно совершенные творения природы. Микробная клетка в состоянии жить и размножаться, используя в качестве источника питания часто только один-единственный органический субстрат и минеральные соли. Бактерии способны жить в аэробных и анаэробных условиях при температурах, близких к 0 и +80 ОС.
Быстрый рост численности населения нашей планеты и исчерпание природных ресурсов - источников питания, кормов и сырья для перерабатывающей промышленности - не позволяют развивать народное хозяйство традиционными методами. Это определяет актуальность развития биотехнологических процессов сегодня и позволяет считать их наиболее перспективными.
11688 0
Первая попытка систематизации сведений об организмах принадлежит Аристотелю (4-й век до н.э.). Все известные к тому времени живые организмы были поделены им на два царства - растения и животные. Во второй половине 19-го века немецкий ученый Э. Геккель предложил выделить все микроорганизмы в отдельное царство Protista (первосущества - от греч. "protos" - простейший).
Дальнейшее изучение микроорганизмов выявило их неоднородность, что повлекло деление группы на высшие и низшие протесты. К высшим протестам были отнесены микроскопические животные (простейшие), микроскопические водоросли (кроме сине-зеленых, называемых также цианобактериями) и микроскопические грибы (плесени, дрожжи), к низшим - все бактерии, включая цианобактерии. Деление на высшие и низшие протесты осуществлялось в соответствии с двумя обнаруженными типами клеточной организации - эукариотной и прокариотной. Высшие протесты являются эукариотами, низшие -прокариотами.
Указанные типы клетки имеют как общие черты, так и существенные различия. /Клетка - это кусочек цитоплазмы, отграниченный мембраной, имеющей характерную ультраструктуру: два электронно-плотных слоя.каждый толщиной 2,5-3,0 нм, разделенных электронно-прозрачным промежутком. Такие мембраны называются элементарными.| В любой клетке присутствуют два вида нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белки, липиды, углеводы. Цитоплазма и элементарная мембрана являются обязательными структурными элементами клетки. Прокариотная клетка имеет одну внутреннюю полость, образуемую элементарной мембраной, называемой цитоплазматической (ЦПМ).
В эукариотных клетках, в отличие от прокариотных, есть вторичные полости. Клеточные структуры, ограниченные элементарными мембранами и выполняющие в клетке определенные функции, называются органеллами (органоидами). К ним относят ядро, митохондрии, рибосомы, лизосомы, аппарат Гольджи, хлоропласты и др. Ядро выполняет роль хранителя генетической информации, в качестве носителя которого выступает ДНК. Главными структурно-функциональными элементами ядра, содержащими в линейном порядке гены, являются хромосомы. Митохондрии снабжают клетку энергией за счет окисления веществ при участии кислорода. В них также синтезируются собственные белки митохондрий.
Все остальные клеточные белки синтезируются на рибосомах. Лизосомы содержат ферменты для расщепления различных биополимеров. Аппарат Гольджи (назван по имени итальянского ученого Камилло Гольджи, получившего в 1906 г. Нобелевскую премию) участвует в формировании продуктов жизнедеятельности клетки - различных секретов, коллагена, гликогена, липидов и др., в синтезе гликопротеидов. В хлоропластах, присутствующих только в растительных клетках, осуществляется фотосинтез.
В клетках прокариот перечисленные выше органеллы, типичные для эукариот, отсутствуют. Ядерная ДНК у них не отделена от цитоплазмы мембраной. Принципиальные различия в структуре прокариотных и эукариотных клеток явились причиной выделения прокариотных микроорганизмов, находящихся на самом примитивном уровне клеточной организации, в особое царство Мопега (Р. Виттэкер). Микроскопические, в основном одноклеточные, недифференцированные формы жизни включает царство Protista. Многоклеточные эукариоты представлены тремя царствами: Plantae (растения), Fungi (грибы) и Animalia (животные).
Размеры большинства бактерий находятся в пределах 0,5-3 мкм, однако встречаются среди них свои "гиганты" и "карлики". Например, длина клетки спирохеты достигает 500 мкм. Самые мелкие из прокариотных клеток - бак терии, принадлежащие к группе микоплазм, диаметр их клеток составляет 0,1-0,15 мкм. Долгое время считалось, что клетки прокариот имеют форму сферы (кокки), цилиндра (палочки) или спирали (спириллы или вибрионы). В последнее время показано, что, помимо указанных форм, бактерии могут также иметь форму кольца, звезды; для некоторых видов характерно ветвление. Многоклеточные прокариоты представляют собой скопления различной конфигурации, чаще всего - нити.
Бактерии чрезвычайно разнообразны по условиям обитания, приспособляемости, типам питания и биоэнергообразования, по отношению к макроорганизмам - животным и растениям. Наиболее древние формы бактерий - архебактерш способны жить в экстремальных условиях (высокие температуры и давления, концентрированные растворы солей, кислые растворы). Эубактерии (типичные прокариоты, или бактерии) более чувствительны к условиям окружающей среды.
Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований. Наиболее изученной и широко применяемой в генно-инженерных исследованиях является кишечная палочка Escherichia coli (Е. coli), обитающая в кишечнике человека.
К растениям относятся водоросли, являющиеся водными организмами, и высшие растения, обитающие преимущественно на суше. Водоросли не имеют органов и тканей и состоят из недифференцированных (одинаковых) клеток. Из водорослей получают агар-агар и альгинаты - полисахариды, используемые для изготовления микробиологических сред и в пищевой промышленности. Высшие растения являются многоклеточными организмами, имеющими специализированные органы - корни, стебли, листья. Они состоят из тканей, образованных специализированными клетками. Растения служат поставщиками питательных веществ для других организмов.
Несмотря на то, что традиционные методы извлечения физиологически активных и лекарственных соединений из растений (экстракция, перегонка, фильтрация) по-прежнему широко используются, все большее значение приобретают технологии получения биологически активных веществ из клеточных культур, а также производство продуктов из генетически модифицированных растений.
Грибы сочетают в себе черты клеток растений и животных. Они имеют клеточное ядро и, как у растений, прочную клеточную стенку. Как клетки животных, они способны синтезировать полисахариды - хитин и гликоген и нуждаются в некоторых витаминах. Особенно интересны для биотехнологии микроскопические грибы - дрожжи, плесневые грибы, высшие грибы, применяемые в хлебопекарной, пивоваренной и молочной промышленности, а также для получения органических кислот, спиртов, антибиотиков, кормового белка, различных биологически активных веществ.
Примером такой технологии является получение противовирусного препарата интерферона, применяющегося для профилактики и лечения гриппа и других вирусных инфекций. Наиболее перспективным способом производства биологически активных веществ является генная инженерия. В частности, так получают человеческий инсулин - гормон белковой природы.
С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов
В химико-биологических процессов относятся те из них, в которых используют биологические объекты различной природы (микробной, растительной или животной), например, при производстве продукции различного назначения
Антибиотиков, вакцин, ферментов, кормового и пищевого белка, гормонов, аминокислот, био-газа, органических удобрений и т.п..
Объекты биотехнологии очень разнообразны и диапазон их распространяется от организованных частей (вирусов) до человека (рис. 1.1.).
Биообъекты характеризуются такими показателями, как уровень структурной организации, способность к размножению (или репродукции), наличие или отсутствие собственного метаболизма при культивировании в надлежащих условиях. Что касается характера биообъектов, то под этим следует понимать их структурную организацию. В таком случае биообъекты могут быть молекулами (ферменты, иммуномодуляторы, нуклеозиды, олиго-и полипептиды и др.), организованными частями (вирусы, фаги), одноклеточными (бактерии, дрожжи) и многоклеточными особями (нитчатые высшие грибы, растительные ткани, однослойные культуры клеток млекопитающих), целыми организмами растений и животных. Но даже при использовании биомолекулы как объекта биотехнологии ее первоначальный биосинтез осуществляется в большинстве случаев соответствующими клетками. Следовательно, можно утверждать, что объекты биотехнологии принадлежат или к микробам, или в растительных и животных организмов.
Таким образом, независимо от систематического положения биообъектов на практике используют или естественные организованы частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, или клетки с искусственно заданной генетической информации, то есть в любом случае используют клетки - то микроорганизм, растение, животное или человек. Сейчас большинство объектов биотехнологии составляют микробы, мир которых очень велик и разнообразен. К ним относятся все прокариоты - бактерии, актиномицеты, риккетсии, сине-зеленые водоросли и часть эукариот - дрожжи, нитчатые грибы, простейшие и водоросли (рис. 1.2). Микробами среди растений есть микроскопические водоросли, а среди животных - микроскопические простейшие. Основой современного биотехнологического производства является микробиологический синтез, т.е. синтез различных веществ с помощью микроорганизмов. Объекты растительного и животного происхождения еще не нашли широкого распространения из-за высокой требовательности к условиям культивирования, что значительно здо-рожчуе производство.
Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частей, активность и стабильность биомоле-кул или биосистем.
При использовании ферментов (в изолированном или иммобилизованных состоянии) как биокатализаторов возникает необходимость охраны их от деструкции банальной сапрофитной микрофлорой, которая может проникать в сферу биотехнологического процесса извне вследствие нестерильности системы, например, из-за негерметичности оборудования. Скорость размножения клеток и репродукция вирусных частей прямо пропорционально отражаются на увеличении биомассы и образовании метаболитов.
Активность и стабильность пребывания биообъектов в активном состоянии - важнейшие показатели их пригодности для длительного использования в биотехнологии.
Главным звеном биотехнологического процесса, определяет его сущность, является клетка. Именно в ней синтезируется целевой продукт. По меткому выражению Овчинникова Ю.А. (1985), клетка - это миниатюрный химический завод, который работает с колоссальной производительностью, с предельной согласованности и по заданной программе. В ней ежеминутно синтезируются сотни сложных соединений, включая гигантские биополимеры, в первую очередь белки.
Методы биотехнологии. Биотехнологии присущи свои специфические методы. Это крупномасштабное глубинное культивирование биообъектов в периодическом, полунепрерывного или непрерывном режиме и выращивания клеток растительных и животных тканей в особых условиях. Биотехнологические методы культивирования биообъектов выполняются в специальном оборудовании, например, в ферментерах выращивают бактерии и грибы при получении антибиотиков, ферментов, органических кислот, некоторых витаминов и т.п..
В подобных ферментерах выращивают некоторые клетки человека (бласты) для получения белка-интерферона, а также некоторые виды растительных клеток. Однако последние чаще выращивают в стационарных условиях на среде с уплотненной (например, агар-зированный) подкладкой в стеклянных или полиэтиленовых емкостях.
Другие методы, используемые в биотехнологии, являются общими, например с методами в микробиологии, биохимии, органической химии и других науках. Особенно нужно выделить методы клеточной и генетической инженерии, лежащие в основе современной биотехнологии.
Отличием методов, используемых в биотехнологии, является то, что они должны выполняться, как правило, в асептических условиях (от греческого а - нет, septicos - гнилостный), т.е. с исключения возможности попадания в среду, где культивируется биообъектов, патогенных и сапрофитных микроорганизмов.
Патогенные виды представляют непосредственную опасность для за-деяний в производстве людей и для потребителей конечных продуктов; сапрофитные виды могут выступать конкурентами за питательные субстраты, антагонистами, продуцентами токсических веществ, включая пирогены.
