Объекты биотехнологии (биологические системы, используемые в молекулярной биотехнологии)

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Дальневосточный федеральный университет»

ШКОЛА БИОМЕДИЦИНЫ

Департамент медицинской биологии и биотехнологии

Реферат

Объекты биотехнологии (биологические системы, используемые в молекулярной биотехнологии)

Н.А. Симонова

г. Владивосток - 2021



Введение

Биотехнология - это новая, сравнительно недавно получившая широкое развития наука о практическом использование различных биологических (генов, клеток, тканей, микроорганизмов, растений и животных) с целью получения антибиотиков, ферментов, кормовых белков, биоудобрений, безвирусных растений новых сортов растений и животных, переработки сырья, промышленных и сельскохозяйственных отходов, очистки сточных вод и газовоздушных выбросов и так далее. Успехи, достигнутые в области биотехнологии, стали возможными благодаря бурному развитию таких наук, как биохимия, генетика, цитология, микробиология, молекулярная биология и другие.

Биотехнология призвана не только совершенствовать традиционные методы, широко используемые в пищевой промышленности при производстве молочнокислых продуктов, сыра, пищевых кис лот, алкогольных напитков, но и создавать современные технологии для синтеза полимеров, искусственных приправ, сырья (текстильная промышленность), для получения метанола, этанола, биогаза и водорода, для извлечения некоторых металлов из руд.

Биологическими объектами биотехнологии являются различные представители живой природы, которые делятся на три надцарства: эукариоты (безъядерные), прокариоты (предъядерные) и эукариоты (ядерные) и 5 царств: вирусы, бактерии, в том числе микроскопические водоросли, грибы, а также растения и животные.

Актуальность реферата - изучив материал реферата, можно узнать возможности биотехнологии перед медициной, пищевой промышленностью и другими сферами жизни человечка.

Цель реферата - подготовить материал, с помощью которого можно подробно изучить объекты биотехнологии.

Задачи реферата:

- изучить характеристики объектов биотехнологии, предъявляемые к ним требования, преимущества и недостатки различных штаммов-продуцентов, использование биологических объектов;

- научиться работать с учебной и научной литературой и уметь делать обзор на неё.



Общие сведения о биологических объектах и их характеристика

Аукариоты (вирусы и вироиды)

Вирусы - образующиеся биологическим путем надмолекулярные комплексы, способные к самовоспроизведению в клетках-хозяевах. Вирусы - облигатные паразиты. Их воспроизведение возможно только в клетках-хозяевах.

Вирусы являются важнейшими возбудителями инфекционных заболеваний человека.

Общие свойства вирусов. Вирусы, имеющие белковую оболочку (большинство простых вирусов), сохраняют жизнеспособность при замораживании, высушивании, однако чувствительны к высокой температуре. Для вирусов характерен ряд общих свойств:

- молекулярная (неклеточная) структура;

- геном представлен только одним типом нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК); количество цепей (1 или 2) и их структура у разных вирусов существенно отличаются;

- вирусы обладают наследственностью и выраженной изменчивостью; филогенез вирусов подчиняется законам эволюции;

- размножение (или репродукция) вирусов происходит только в зараженных ими клетках (строгий внутриклеточный паразитизм);

- вирусы не обладают собственными системами синтеза белка и генерации энергии; для репродукции используют белоксинтезирующие и энергетические системы клеток хозяина;

- имеют минимальный размер (обычно в пределах от 10-20 до 400 нм);

- в природе распространены повсеместно (убиквитарность вирусов).

Структура вирионов. Сформированная вирусная частица, находящаяся вне клетки, вирион, является внеклеточной формой существования вируса.

Вирионы метаболически инертны и активируются только после взаимодействия с клеткой, чувствительной к данному вирусу. Благодаря рецепторным белкам и ферментам они проникают в клетку, где и происходит репродукция вирусов (инфекционность).

Вироиды. Вироиды - это инфекционные агенты, размножающиеся в клетках растений.

Строение вироидов. Вироиды имеют в своем составе только небольшую (250-400 нуклеотидов) циркулярную молекулу РНК, белки не выявлены. РНК вироидов способна к автономной репликации в растительных клетках.

Пути заражения. Вироиды способны передаваться контактно-механическим путем, с прививкой, пыльцой, семенами, насекомыми, растениями-паразитами (повиликой).

Вредоносность. Вызываемые ими заболевания носят наименование - «вироидозы». Число заболеваний, вызываемых вироидами на растениях, постоянно расширяется. Эти заболевания наносят значительный вред картофелю, томату, баклажану, огурцу.

Строение вирусов. Простые вирусы имеют только нуклеокапсид. Сложные вирусы окружены внешней оболочкой (суперкапсидом), состоящей из липидов и встроенных в нее белков (обычно - гликопротеинов). Суперкапсид иначе называют «пеплос» (от греч. peplos - мантия, покров), а его белки - пепломерами.

Существуют 2 основных типа симметрии:

- спиральный - винтообразная структура нуклеокапсида, капсомеры укладываются по спирали;

- икосаэдрический (или кубический) - в основе лежит фигура икосаэдра (20-гранника); капсомеры формируют грани многогранника;



Изображение 1 - Форма и величина вирионов некоторых вирусов

Возможен смешанный тип симметрии, сочетающий оба варианта (характерен для бактериофагов - головка фага имеет кубический тип симметрии, отросток - спиральный).

Классификация вирусов. Современная система классификации вирусов представляет собой объединение классификации ICTV и классификации по Балтимору, которая была разработана и предложена в 1971 г. Д.Балтимора.

Основой классификации вирусов по Балтимору является механизм образования мРНК. Каждое семейство вирусов обладает собственным механизмом осуществления данного процесса.

Д. Балтимор выделил 7 основных групп:

Группа 1 ? вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и не имеющее РНК-стадии (герпесвирусы, поксвирусы, паповавирусы).

Группа 2 ? вирусы содержащее одноцепочную молекулу ДНК (парвовирусы).

Группа 3 ? вирусы, содержащие двухцепочечную РНК (ротавирусы).

Группа 4 ? вирусы, содержащие одноцепочную молекулу РНК положительной полярности (пикорнавирусы, флавивирусы).

Группа 5 ? вирусы, содержащие одноцепочную молекулу РНК негативной или двойной полярности (ортомиксовирусы, филовирусы).

Группа 6 ? вирусы, содержащие одноцепочную положительную молекулу РНК и имеющие в своём жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК (ретровирусы)

Группа 7 ? вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК и имеющие в своём жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК (вирус гепатита B).

Дальнейшее деление производится на основе признаков, предложенных и используемых в классификации ICTV.

Свойства вирусов. Сложные вирусы, окруженные липидной оболочкой, чувствительны к детергентам, спиртам, эфирам.

На вирусы не действуют антибиотики. Препараты, подавляющие активность вирусов, отнесены к отдельной группе противовирусных лекарственных средств.

Механизм инфицирования. Вирусы не размножаются клеточным делением. Вместо этого они используют ресурсы клетки-хозяина для создания копий самих себя, их сборка производится внутри клетки.

Условный цикл вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно распределить на несколько этапов:

Прикрепление - образование специфической связи между белками вирусного капсида и рецепторами клеточной мембраной.

Проникновение в клетку. На этом этапе вирусы доставляют свой генетический материал внутрь клетки. Некоторые вирусы помимо своего генома переносят собственные белки. Разные вирусы используют различные стратегии проникновения в клетку, так, например, пикорнавирусы впрыскивают свою РНК через плазматическую мембрану. Вирусы также различаются по месту реализации репликации: некоторые вирусы реплицируются в цитоплазме, а некоторые - в ядре.

Перепрограммирование клетки. При заражении клетки активируются специальные механизмы противовирусной защиты Зараженные клетки начинают синтезировать сигнальные молекулы (например интерфероны), которые предупреждают окружающие клетки и активируют системы иммунитета. При повреждении клетки вирусом, системы клеточного контроля должны будут запустить процесс апоптоза, т. е. за программируемой клеточной гибели, и от способности вируса преодолевать системы клеточного контроля зависит его выживание. Неудивительно что в процессе эволюции многие вирусы научились блокировать процессы создания интерферонов, апоптоза, а также создавать благоприятные условия для создания своего потомства.

Персистенция. Некоторые вирусы способны пребывать в состоянии персистенции, это характерно для бактерии фагов. Это состояние, в котором вирус не проявляет себя, пока клетка находится в благоприятных условиях, но как только клетка попадает в неблагоприятные условия, то вирус захватывает контроль над клеткой. И начинает репликацию своего потомства. После зрелые фаги покидают клетку прорывая клеточную мембрану, тем самым убивая клетку. С персистенцией также связаны некоторые онкологические заболевания.

Репликация вирусов подразумевает прежде всего репликацию геном. Репликация вируса включает в себя синтез мРНК, синтез вирусных белков, возможно сборку сложных вирусных белков.

Вслед за этим происходит сборка вирусных частиц, позже модификация вирусных белков.

Выход из клетки. Вирусы могут покинуть клетку после лизаса, процесса, в ходе которого клетка погибает из-за разрыва мембраны. Некоторые вирусы подвергаются лизогенному циклу, где вирусный генов встраивается в геном клетки-хозяина. Тогда вирусный геном называется провирусом. Когда клетка делится, то вирусный геном также удваивается, таким образом клетка может продолжить жить и продуцировать вирус.

Роль вирусов в жизни человека. Наиболее широко вирусы применяют в вакцинном производстве и в генетической инженерии, где они используются в качестве векторов для внесения чужеродной ДНК, несущей нужный ген, в клетку-хозяина. Фаги могут применяться в качестве диагностических препаратов для установления рода и вида бактерий, выделенных в ходе бактериологического исследования больных людей. Однако чаще всего их используют для лечения и профилактики некоторых инфекционных заболеваний. Лечебное и профилактическое действие фагов основано на их литической активности.

Прокариоты (бактерии)

Бактерии являются важнейшими продуцентами в биотехнологии.

Строение бактерий. Большинство бактерий по своему строению - одноклеточные, за исключение актиномицетов и нитчатых цианобактерий. Прокариоты не имеют оформленного ядра. Для них характерно бинарное деление клеток.

Выделяют три основные формы бактерий:

- шаровидные или сферические бактерии (кокки);

- палочковидные бактерии;

- изогнутые и извитые бактерии (спиралевидные, вибриоидные).

Кроме этих форм обнаруживаются ветвящиеся, нитевидные, треугольные и звездообразные бактерии. Бактериальные клетки могут располагаться не только одиночно, но и образовывать скопления.

Изображение 2 - Морфологическое разнообразие прокариот: 1-- кокки; 2--палочки; 3 -- извитые формы; 4, 5 -- простеко-бактерии; 6- нитчатые бактерии.

Внутри бактериальной клетки располагаются следующие компоненты:

- цитоплазма;

- нуклеоид - содержит геномную ДНК, выступая в роли ядра;

- гранулы - источник энергии;

- мезосомы - участвуют в процессе деления и спорообразования;

- рибосомы - требуются для синтеза белка;

- плазмиды - выполняют регуляторные и кодирующие функции (присутствуют не у всех бактерий).

Размножение бактерий. Бактерии размножаются бесполым путём посредством деления.

На определённом этапе развития кольцевая молекула ДНК удваивается (образуя копию), обе её части закрепляются на клеточной стенке, а при удлинении тела бактерии расходятся в разные стороны.

Изображение 3 - Деление прокариотической клетки

Между образовавшимися таким образом ДНК на теле бактерии начитает формироваться стяжка, которая, плавно сжимаясь, делит клетку надвое. Каждая половинка сразу же начинает самостоятельную жизнь, развивается, созревает, делится и т.д. Почкование наблюдается крайне редко.

В процессе конъюгации, направленного переносе генетического материала путем прямого контакта между клетками, может произойти горизонтальный перенос генов. Биологическая значимость стала известна после внедрения в медицинскую практику антибиотиков. Устойчивость к антибиотикам можно получить в ходе мутаций. Так, изменившись, генетическая информация может быстро разойтись среди сходных бактерий, благодаря процессу конъюгации. Данный процесс значим только для бактерий одного вида. Но для реализации передачи информации необходим F-фактор - плазмида, кодирующая информацию, для конъюгации.

Бактериальные клетки обладают свойством трансформации - передачи генов при помощи свободной растворимой ДНК, выделяемой их клеток доноров. Погибшие бактерии высвобождают свое ДНК, которая может быть воспринята другими бактериями. Как правило любая чужеродная ДНК расщепляется эндонуклеазами, но в отдельных случаях чужеродная ДНК может быть включена в геном бактерии. При горизонтальном переносе новых генов не образуется, образуются новые их комбинации. Данные свойства очень важны для генной инженерии.

Трансдукция - передача бактериофагом участков бактериальной ДНК от клетки донора клетке реципиенту. В клетке, инфицированной бактериофагом, в ходе сборке дочерней популяции в головках некоторых фагов может быть по мимо вирусной ДНК, так же и фрагменты бактериальной ДНК или плазмиды. Так как вирусы ограничены в объеме хранения генетической информации, то чтобы освободить пространство для фрагмента хромосомной ДНК, некоторые участки вирусной ДНК «переносятся в жарту». При этом фаговая частица может стать дефектной. При такой форме трансдукции в клетки-реципиенты могут быть внесены практически любые гены.

Классификация бактерий. Для идентификации бактерий применяют различные методы. Наиболее распространённым является «Определитель Берджи», который систематизирует все известные виды бактерий по нашедшим в практике принципам идентификации, основанным на различии в строении клеточной стенки и отношении к окраске по Граму. По определителю различают 4 вида бактерий:

Gracillicutes - виды с тонкой клеточной стенкой, окрашивающиеся грамотрицательно;

Firmicutes - виды с толстой клеточной стенкой, окрашивающиеся грамположительно;

Tenericutes - бактерии лишеные клеточной стенки;

Mendosicutes - архебактерии.

Описание бактерий дается по группам, в состав которых включены семейства, роды и виды.

Роль бактерий в природе и жизни человека. Примером может служить симбиоз (взаимовыгодное сожительство) бактерий с растениями семейства бобовых.

Бактерии разлагают органические вещества, выполняя функции санитаров планеты, участвуют в почвообразовании, создавая перегной, синтезируют минеральные соединения, которые поглощаются корнями растений.

Бифидобактерии активно участвуют в процессе пищеварения и образуют биологический барьер, препятствующий проникновению болезнетворных микробов. Помимо этого, они вырабатывают ферменты, которые подавляют размножение патогенных форм.

Без бифидобактерий невозможен синтез некоторых витаминов и кислот, а также нормальное усвоение кальция и железа.

Лактобактерии образуют лактозу, необходимую для расщепления молочного сахара. Вырабатывая молочную кислоту, они поддерживают оптимальный уровень кислотности в ЖКТ и стимулируют иммунную систему.

Роль бактерий в промышленности. С помощью бактерий получают вино, молочные продукты, закваски и другие пищевые продукты, ацетон и бутанол, этанол, уксусную лимонную кислоты, витамины, ряд ферментов, антибиотики и каротиноиды. Благодаря бактериям и плазмидам стало возможным развитие генетической инженерии.

Изучение бактерий сыграло огромную роль в становлении многих направлений биологии, в медицине, агрономии и др. Велико их значение в развитии генетики, т.к. они стали классическом объектом для изучения природы генов и механизмов их действия. С бактериями связано установление путей метаболизма различных соединений и др.

Эукариоты (грибы, водоросли, простейшие, высшие растения, животные)

Эукариоты - надцарство живых организмов, клетки которых содержат ядра.

Все клетки эукариот состоят из трех основных частей:

- клеточной оболочки (ограничивает клетку от окружающей среды и защищает ее);

- цитоплазмы (составляет внутреннее содержимое клетки, в котором расположены все органоиды клетки);

- ядра (содержит генетический материал клетки).

К отличительным свойствам эукариот от прокариот и аукариот можно отнести наличие уникальных органелл, которые имеют собственный генетический аппарат, размножаются делением и окружены мембранами (одной или более).

Грибы. Грибы - особая форма жизни, царство живой природы, объединяющее эукариотические организмы, сочетающие в себе некоторые признаки как растений, так и животных. Они играют важную роль в биосфере, разлагая всевозможные органические материалы.

Строение грибов. Грибы отличаются от всех эукариотов наиболее простым строением клетки. Обычно она состоит из оболочки, сферического образования клетки (протопласта), вакуолей. В состав протопласта входит цитоплазма и ядро. Цитоплазма содержит органоиды, находящиеся в гиалоплазме. Тело гриба состоит из тонких (диаметром около 5 мкм) нитей, называемых гифами, которые, переплетаясь, образуют мицелий. В зависимости от строения гифов грибы подразделяют на низшие и высшие. В зависимости от строения мицелия его подразделяют на неклеточный, т. е. он представляет собой одну большую клетку с множеством ядер, и клеточный, разделённый на клетки, содержащие одну или несколько ядер.

Размножение грибов. Размножение у грибов бывает вегетативное, бесполое и половое.

- Вегетативное размножение: фрагментация мицелия, размножение столонами, почкование.

- Бесполое размножение осуществляется с помощью спор, которые распространяются водой, животными, насекомыми, токами воздуха. Они могут рассеиваться активно и пассивно на очень большие расстояния. Споры разнообразны по строению, способам образования, биологическому значению.

- Половое размножение у грибов включает слияние двух ядер, образование зиготы и мейоз или редукционное деление, при котором число хромосом уменьшается до исходного (гаплоидного).

Значение грибов. Практическое значение грибов для человека:

- использование грибов в пищевой промышленности (изготовление сыра и кисломолочных продуктов, спиртовое брожение, хлебопечение, кондитерские изделия)

- использование грибов в рециклизации отходов (грибы используют для очистки сточных вод)

- с открытием пенициллина было получено множество разных антибиотиков не только из грибов, но и из прокариотов (актиномицетов).

- грибы полезны в растениеводстве (микоризные грибы, гиббереллины, паразитические и хищные грибы)

Водоросли. Водоросли - это наиболее древняя и сравнительно просто устроенная обширная группа организмов. Водоросли представляют собой обширную группу автотрофных фотосинтезирующих бессосудистых, слоевищных организмов, у которых, отличие от высших растений, отсутствуют настоящие ткани и органы. Среди водорослей имеются не только водные, но и наземные организмы.

Строение водорослей. Клетки водорослей схожи по строению с клетками растений, у них также присутствует клеточная стенка, вакуоль с клеточным соком. Вместо хлоропластов у клеток водорослей располагаются хроматофоры. В хроматофоры входят системы пигментов, в состав которой входит хлорофилл, каротиноиды, фикобиллины. Их соотношение и определяет окраску водорослей.

Вегетативные клетки таллома покрыты снаружи твердой клеточной стенкой, состоящей из целлюлозы и пектиновых веществ. Кроме крахмала, в качестве запасных веществ могут накапливаться капельки масла.

Не расчлененное на органы тело водорослей называется талломом (слоевищем).

Можно выделить несколько основных структур таллома:

Монадные водоросли (монады) представляют собой одноклеточные организмы со жгутиком.

Амебоидные (ризоподиальные) передвигаются за счет образования ложноножек (псевдоподий).

Одноклеточные водоросли, не имеющие ни жгутиков, ни псевдоподий, называются коккоидными водорослями (шаровидной или округлой формы).

Некоторые коккоидные водоросли прикрепляются к субстрату и выделяют большие количества слизи, окутывающую клетку толстым слоем. Это пальмеллоидная (капсанальная) структура таллома (пальмеллы).

Простейшие многоклеточные водоросли имеют нитчатый (трихальный) таллом, в котором клетки соединены в цепочку друг за другом.

Разнонитчатые (гетеротрихальные) водоросли образуют нити разных (двух или более) типов.

Пластинчатые водоросли имеют таллом в виде пластинки, состоящей из одного или нескольких слоев клеток.

Сифональные (сифоновые) водоросли - структура, при которой таллом представляет собой как бы одну большую клетку с огромным количеством ядер.

Сифонокладальная структура представлена многоядерными клетками, соединенными в нитчатые или иной формы многоклеточные талломы.

Наиболее высокоорганизованная структура таллома - ложнотканевая (псевдопаренхиматозная). Такая структура напоминает пластинчатую, но состоит из клеток различных типов, образующих подобие тканей. У водорослей она встречается очень редко (только у бурых водорослей).

Тканевая (паренхиматозная) структура образуется в результате делений клеток нити не только в поперечном, но и продольном направлении в виде паренхиматозных пластинок.

Изображение 4 - Типы морфологической дифференциации таллома у водорослей: А - монадный у Chlamydomonas; Б - амебоидный у Rhizochrysis; В - гемимоиадный у Hydrurus; Г - коккоидный у Pediastrum; Д - сарциноидный у Chlorosarcina; F - нитчатый у Ulothrix; Ж - разнонитчатый у Frilschiella; 3 - ложнотканевый у Furcellaria; И - тканевый у Laminaria; К - сифональный у Caulerpa; Л - сифонокладальный у Cladophora



Ризоиды - выросты клеток водорослей, предназначенные для закрепления таллома на субстрате. Обычно ризоиды находятся на нижних клетках талломов, контактирующих с субстратом. Иногда они образуются даже у одноклеточных организмов. У крупных водорослей встречаются крупные многоклеточные ризоиды.

Классификация водорослей Обычно выделяют 9 отделов водорослей:

- Сине-зеленые водоросли, или цианобактерии - Сyanophyta (Сyanobacteria)

- Зеленые водоросли - Сhlorophyta Эвгленовые - Euglenophyta

- Золотистые водоросли, или Хризофитовые - Сhrysophyta

- Динофитовые водоросли, или Динофлагелляты - Dinophyta

- Желто-зеленые водоросли, или Разножгутиковые - Xanthophyta (Heterocontae)

- Диатомовые водоросли - Bacillariophyta (Diatomophyta)

- Бурые водоросли - Phaeophyta

- Красные водоросли, или Багрянки - Rodophyta

Размножение водорослей. Размножение происходит бесполым, вегетативным или половым путем.

Вегетативное размножение одноклеточных водорослей происходит путем простого деления клеток надвое. Более специализированная форма вегетативного размножения - образование толстостенных, переполненных запасными продуктами клеток, которые предназначены для перенесения неблагоприятных условий. Такие клетки, называемые акинетами, часто развиваются у нитчатых зеленых и сине-зеленых водорослей.

Бесполое размножение осуществляется специализированными клетками - спорами. У водорослей споры образуются в спорангиях. Самый распространенный способ бесполого размножения - посредством зооспор (как правило, голых монадных клеток). Из содержимого каждой клетки может сформироваться только одна зооспора или чаще содержимое клетки делится на 2,4,8 или более частей и продуцируется соответствующее количество зооспор.

Половое размножение водорослей очень разнообразно. Сущность полового процесса заключается в слиянии (копуляции) двух половых гаплоидных клеток (гамет), в результате чего образуется диплоидная зигота. У одноклеточных водорослей половое размножение, как правило, происходит довольно просто. Половое размножение многоклеточных водорослей обычно происходит со сменой двух поколений - спорофита и гаметофита.

Значение водорослей. Значение водорослей очень велико.

1. Полезные водоросли. Некоторые виды используются человеком в пищу (морская капуста Laminaria, порфира). Из многих водорослей получают ценные химические вещества (соединения йода и агар-агар из красных водорослей, альгулозу из бурых). Поглощая из воды органические вещества, гетеротрофные одноклеточные зеленые водоросли участвуют в биологической очистке сточных вод (хламидомонада и хлорелла). В сушеном виде водоросли используются при приготовлении кормов для животных и как удобрение для сельскохозяйственных культур. Имея большую биомассу, водоросли играют важную роль в циркуляции химических элементов на земле.

2. Вредные водоросли. Основной вред приносят морские водоросли, поселяющиеся на различных подводных конструкциях и постепенно разрушающие их. Неблагоприятным явлением во многих случаях является и цветение воды, при котором в воду выделяются ядовитые для животных вещества, вызывающие замор рыбы и отравление людей при употреблении этой воды. Крупные морские водоросли, выбрасываемые волнами на берег, загрязняют пляжи и мешают купанию людей.

Простейшие. Простейшие - это одноклеточные животные организмы, являющиеся самими многочисленными представителями мира животных и характеризующиеся чрезвычайным разнообразием форм и поведения.

Простейшие относятся к числу нетрадиционных объектов биотехнологии. До недавнего времени они использовались лишь как компонент активного ила при биологической очистке сточных вод. В настоящее время они привлекли внимание исследователей как продуценты биологически активных веществ.

Строение простейших. Большинство простейших - мелкие организмы. Среди них есть фотосинтезирующие организмы (эвглена), и хищники, поглощающие за счет фагоцитоза бактерии или других простейших. Некоторые из них быстро плавают в воде, другие - прикрепляются к другим объектам. Форма тела простейших разнообразна. Среди них имеются виды с непостоянной формой тела, как амебы. Наиболее широко распространенными жизненными формами являются: амебовидные, раковинные, жгутиконосцы и ресничные, радиальные (лучистые), стебельчатые, интерстициалы, а также покоящиеся формы.

Классификация простейших. Самыми распространенными видами простейших являются: амеба простейшая, эвглена зеленая и инфузория туфелька.

автотрофный вирус биологический клетка

Таблица 1 - Признаки простейших одноклеточных животных

Признаки простейших одноклеточных	Амеба обыкновенная (Класс Корненожки)	Эвглена зеленая (класс Жгутиконосцы)	Инфузория туфелька (класс Инфузории)
Строение	Состоит из цитоплазмы, ядра, сократительной вакуоли, ложноножки, пищеварительной вакуоли	Состоит из оболочки, ядра, жгутика, глазок, сократительной вакуоли, питательных веществ, хлоропласты	Состоит из мембраны, малого и большого ядра, сократительной и пищеварительной вакуоли, рот, порошица, реснички
Движение	«Перетекание» с помощью ложноножек	Передвижение с помощью жгутика	Передвижение с помощью ресничек
Питание	Кормом могут быть бактерии, микроскопические водоросли. Амёба захватывает пищу, вытягивая ложноножки на любом участке тела. Они обволакивают добычу и вместе с небольшим количеством воды погружают её в цитоплазму. Так образуется пищеварительная вакуоль - фагоцитоз, захват капель жидкости - пиноцитоз. Из пищеварительной вакуоли растворимые продукты пищеварения поступают в цитоплазму, а непереваренные остатки выводятся из организма в любой части клетки.	Автотрофное (фотосинтез) или гетеротрофное (фагоцитоз и пиноцитоз)	Питаются различными микроорганизмами, преимущественно бактериями. Движением ресничек, расположенных вдоль ротового углубления, загоняют в него добычу. Вместе с водой она попадает в клеточный рот, затем в глотку. Образуется пищеварительная вакуоль, непереваренные остатки выбрасываются через порошицу.
Размножение	Амеба размножается делением.	Размножение организмов данного вида эвглен бесполое - делением клетки пополам, в отличие от инфузории-туфельки, для которой характерен еще и половой процесс.	Инфузории размножаются бесполым путём. Для инфузорий характерен и половой процесс в форме конъюгации (слияние двух клеток и обмен генетической информацией)

Инфузории относятся к самым высокоорганизованным простейшим, многие из которых обладают надклеточным уровнем организации и являются лиэнергидными.

Значение простейших в природе и жизни человека. В последнее время все шире используются простейшие для биотехнологии. Разводят инфузорий на корм малькам ценных пород рыб на рыбзаводах. Простейших используют в системе очистки вод в больших городах. Имеется опыт разведения паразитических простейших для микробиологической борьбы с вредными насекомыми.

Также простейших используют для биоиндикации степени органического загрязнения водоемов.

Практическое значение простейших связано с тем, что многие из них являются возбудителями болезней человека и животных, например плазмодий малярии, дизентерийная амеба.

Простейшие обладают разнообразными биосинтетическими возможностями потому широко распространенными в природе. Использование простейших в этом направлении уже началось.

Высшие растения. В отличие от низших высшие растения- сложные дифференцированные многоклеточные организмы, приспособленные к жизни в наземной среде.

Жизненный цикл высших растений состоит из двух ритмически чередующихся фаз, или поколений - полового (гаметофита) и бесполого (спорофита). Половые органы развиваются на гаметофите. Половые органы бывают двух типов - мужские - антеридии и женские - архегонии. В антеридиях образуются мужские гаметы, а в архегониях - женские гаметы.

Классификация высших растений. Высшие растения делятся на 2 группы - высшие споровые и семенные растения. Высшие споровые - отделы: Моховидные, Плауновидные, Хвощевидные, Папоротниковидные. Семенные растения - отделы: Голосеменные и Покрытосеменные растения.

Все перечисленные отделы, исключая моховидные, характеризуются преобладанием спорофита, в органах которого имеются сосуды или трахеиды, поэтому их нередко называют сосудистыми растениями.

Применение высших растений в промышленности. Культивируемые клетки высших растений могут рассматриваться как типичные микрообъекты, достаточно простые в культуре, что позволяет применять к ним не только аппаратуру и технологию, но и логику экспериментов, принятых в микробиологии. Для культивирования используют клетки каллуса - неорганизованной массы дифференцированных растительных клеток.

Растения являются источником многих биологических активных веществ (БАВ), принадлежащих к продуктам вторичного обмена. В настоящие время большинство растений используется в фармакологической, косметической и пищевой промышленности. Лекарственные растения вносят огромный вклад в фармакологическую промышленность, и составляют около 25 % важнейших лекарственных средств.

Одним из способов биологической очистки вод является использование высших растений. Они поглощают биогенные элементы и некоторые органические вещества, способны накапливать токсичные вещества и превращать в нетоксичные, способствуют оседанию взвешенных веществ.

Животные. В биотехнологии часто используют животные организмы, а также их культуры клеток.

Изначально культуры клеток животных применяли для выращивания и репродукции в таких клетках вирусов. Совершенствование методик культивирования клеток животных позволило использовать их для накопления больших количеств вирусного материала с целью производства из него вакцин.

Наиболее перспективным направлением в клеточной инженерии является гибридомная технология. Гибридомные клетки образуются в результате слияния клеток с различными генетическими программами, нормальных дифференцированных и трансформированных клеток

Ферменты

Ферменты (энзимы) - это биокатализаторы, т.е. вещества биологического происхождения, ускоряющие химические реакции. Почти все ферменты являются белками.

Свойства ферментов. Ферменты отличаются от химических катализаторов четырьмя характерными особенностями.

Во-первых, они проявляют чрезвычайно высокую каталитическую активность.

Во-вторых, ферменты обладают высокой специфичностью. Благодаря этому они ускоряют определенную реакцию, не влияя на скорость других.

В-третьих, ферменты катализируют реакции гидролиза, поликонденсации, окисления-восстановления, дегидрирования и т.д. Все биологически значимые реакции в организме являются ферментативными.

В-четвертых, активность самих ферментов в клетке строго регулируется. Скорость синтеза ферментов, а также их концентрация находятся под генетическим контролем и регулируются с помощью малых молекул.

Кроме того, ферменты могут существовать как в активной, так и в неактивной формах, скорость и степень их превращения в каждом конкретном случае зависит от свойств окружающей среды.

Классификация ферментов. Итак, все ферменты разделяют на следующие 6 классов в зависимости от типа реакции:

1. Оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции.

2. Трансферазы, катализирующие реакции межмолекулярного переноса различных химических групп и остатков.

3. Гидролазы, катализирующие реакции гидролиза внутримолекулярных связей.

4. Лиазы (синтазы), катализирующие расщепление или образование связи без участия окисления или гидролиза.

5. Изомеразы, катализирующие реакции изомеризации.

6. Лигазы (синтетазы), катализирующие реакции присоединения, сопряженные с разрывом макроэргической связи в АТФ или ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ.

Иммобилизированные ферменты. Иммобилизация ферментов - это перевод их в нерастворимое состояние с сохранением (частичным или полным) каталитической активности.

Иммобилизованные ферменты более устойчивы к внешним воздействиям, чем растворимые ферменты.

Роль ферментов в жизни человека. Ферменты нетоксичны, обладают высокой эффективностью и работают при нормальных условиях и вне клетки, благодаря этому их можно применять в качестве экологически чистых и недорогих биокатализаторов в промышленности.

Также ферменты широко применяют в медицине и фармакологии. Так энзимы используют для лечения большинства заболеваний, например амилазы, липазы, пепсин, трипсин и химотрипсин используют для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта и печени; эластаза задерживает развитие атеросклероза. На основе изменения уровня активности и соотношения его множественных форм можно проводить различные диагностики заболеваний.

Ферментативные реакции лежат в основе производства продуктов питания таких как вино, пиво, хлеб и хлебобулочные изделия и др. Производители пищевых продуктов все большее внимание уделяют вопросам.

Трипсин. Применение. Ферменты нашли широкое применение в производстве биологических лекарственных препаратов. Одним из широко используемых в производстве биологических лекарственных препаратов является трипсин - реагент животного происхождения. Он обнаружен у всех позвоночных животных и человека.

Роль трипсина в системе пищеварительных ферментов желудочно-кишечного тракта животных и человека заключается в катализе расщепления пептидных связей белков и пептидов, поступающих с пищей, активации всех образуемых в поджелудочной железе проферментов, а также гидролизе сложных эфиров амидов гидрофобных и некоторых карбоновых кислот.

Трипсин обладает свойствами расщепления в фибринозных образований, омертвевших участков тканей, вязких экссудатов и секретов.

В офтальмологии трипсин применяют в виде глазных капель и ванночек при кровоизлияниях в камеру глаза, отёках окологлазничных тканей, непроходимости слезоотводящих путей, удаление катаракт.

Биологически активные химические вещества

автотрофный вирус биологический клетка

Биологически активные вещества (БАВ) - химические вещества, необходимые для поддержания жизнедеятельности живых организмов. Обладают высокой физиологической активностью при небольших концентрациях по отношению к определенным группам живых организмов или их клеткам, злокачественным опухолям, избирательно задерживая (или ускоряя) их рост или полностью подавляя их развитие.

Многие БАВ впервые были получены из природного растительного и животного сырья путем специальной его обработки.

Классификация БАВ. Природные БАВ образуются в процессе жизнедеятельности живых организмов. Они могут образовываться в процессе обмена веществ, выделяясь в окружающую среду (экзогенные) или накапливаться внутри организма (эндогенные).

К экзогенным природным БАВ можно отнести:

Колины - органические соединения, выделяемые высшими растениями через корневую систему, вызывающие угнетение низших растений;

Фитонциды - летучие органические соединения, выделяемые высшими растениями в атмосферный воздух, вызывающие гибель патогенных микроорганизмов;

Антибиотики - органические вещества - продукты жизнедеятельности микроорганизмов в процессе обмена веществ, выделяющиеся в окружающую среду или накапливающиеся внутри клетки, подавляющие или угнетающие другие виды микроорганизмов;

Маразмины - органические вещества, выделяемые микроорганизмами, вызывающие угнетение низших растений.

Микотоксины - биологически активные вещества, вырабатываемые грибами (рода Fusarium, Aspergillus и др.) в процессе обмена веществ, которые выделяются в организм высших растений (злаковых) при их совместном развитии, и вызывающие заболевание последних. Многие микотоксины обладают канцерогенными свойствами.

Душистые вещества - органические вещества, обладающие характерным приятным запахом. Душистые вещества используют для получения косметических и парфюмерных композиций. К природным стабилизаторам запаха относятся мускусные препараты.

К эндогенным БАВ можно отнести: белки, жиры, углеводы, аминокислоты, витамины, ферменты, гормоны, красители.

Белки - природные полимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Белки необходимы для образования клеток, тканей организма, составляют основу биомембран, а также поддержания жизненных функций живых организмов. Белки выполняют каталитические (ферменты), регуляторные (гормоны), транспортные (гемоглобин, миоглобин), структурные (колаген, фиброин), двигательные (миозин), защитные (иммуноглобулин, интерферон) функции. Высокой интенсивностью синтеза белков отличаются многие микроорганизмы, причем белки микробных клеток имеют повышенное содержание незаменимых аминокислот.

Витамины - низкомолекулярные органические вещества, обладающие высокой биологической активностью и выполняющие роль биорегуляторов. Они входят в состав каталитических центров ферментов или являются переносчиками функциональных групп. При недостатке этих веществ понижается активность ферментов прекращаются биохимические процессы, что приводит к серьезным заболеваниям. Организмы человека и животных не способны к синтезу витаминов. Основным источником их поступления в организм человека и животных являются растения и микроорганизмы, которые синтезируют почти все витамины (за исключением В12). Делятся на жирорастворимые витамины (К,А, Д, Е, F) и водорастворимые (С, В, Д).

Липиды являются обязательным компонентом клетки. По химической природе жиры представляют собой эфиры глицерина и жирных кислот. Длительное отсутствие в живом организме приводит к нарушению центральной нервной системы, снижается устойчивость к инфекциям, сокращается продолжительность жизни.

Ферменты используются в различных областях практической деятельности человека как биологические катализаторы. Основным поставщиком ферментов долгое время были грибы.

Углеводы делятся на моносахариды и полисахариды. Наибольшей биологической активностью обладают моносахариды, которые являются сильными восстановителями. При длительном отсутствии углевода глюкозы в крови происходит нарушение поведения, бред, потеря сознания, структурные изменения в мозге и в конечном итоге может наступить смерть.

Фитогормоны - вещества, которые синтезируются в растениях в процессе обмена веществ, транспортируются по ним и способны вызывать ростовые или формативные эффекты (деформации). Фитогормоны играют важную роль в реализации наследственной программы и адаптации к меняющимся условиям среды, отвечают за формирование и развитие стебля, листа и корня, ускоряя дифференцирование клеток, клеточные деления, образование новых тканей и органов, темпы роста и развития растений, их продуктивность и качество урожая.

Пестициды. Пестициды - это ядовитые органические и неорганические химические соединения, токсичные для живых организмов. Биологическая активность пестицидных препаратов определяется физико-химическими свойствами действующего химического вещества: структурой, реакционной способностью, летучестью, растворимостью в воде, липидах.

Лекарственные препараты. Лекарственные препараты являются биологически активными веществами эндо- или экзогенной природы, законодательно разрешенные для профилактики и лечения заболеваний человека. Эти вещества при определенных концентрациях должны оказывать четко выраженные бактерицидное, антисептическое, наркотическое, дезинфицирующее и другие действия. При определенных дозах лекарственные препараты могут привести к отравлению или смерти. Терапевтическое действие оказывают и БАВ, образующиеся в организме растений, животных и человека (алкалоиды, гормоны, витамины, антибиотики).

Культуры эукариотических клеток

Клеточная культура - это культура, полученная в результате разрушения до единичных клеток (ферментативного, механического, химического) исходной ткани.

В последнее время большое внимание уделают стволовым клеткам, которые выделяют из эмбрионов на стадии бластоцисты. Он сохраняют возможность делиться в среде in vitro и обладают свойством плюрипотентности, то есть способностью к дифференцированию в любую клетку животного.

Основное условие успешного культивирования - стерильность. Загрязнение (контаминация) бактериями, грибами, микоплазмами, вирусами приводит к гибели клеточных культур

Способы культивирования растительных клеток. Существует два способа культивирования растительных клеток: поверхностное культивирование на плотной (агаризованной) питательной среде (каллусные культуры) и глубинное культивирование клеток в жидкой питательной среде (суспензионные культуры).

Каллус - недифференцированные растительные клетки, выращиваемые поверхностным способом на полутвердой питательной среде. Каллус может образоваться не только в искусственных условиях, но и в природе, например, на раневой поверхности. Каллусная ткань способствует зарастанию ран, срастанию прививок и служит для восстановления (регенерации) утраченных органов.

Суспензионная культура - отдельные клетки или клеточные агрегаты, выращиваемые в жидкой питательной среде во взвешенном состоянии 6 Необходимое условие для поддержания суспензионных культур - постоянное перемешивание питательной среды.

Способы культивирования животных клеток также включают два варианта: культивирование на поверхности культурального сосуда в виде монослоя (монослойные культуры) и глубинное культивирование в жидкой питательной среде (суспензионные культуры).

Монослойные культуры - культуры, клетки которых размножаются в форме монослоя, прикрепившись к субстрату.

Суспензионные культуры - культуры, клетки которых способны расти будучи суспендированными в питательной среде

Культуры клеток растений и животных широко используются для решения фундаментальных задач биологии.

Метод культуры клеток - неотъемлемая составная часть генной инженерии, клеточной инженерии и других направлений экспериментальной биологии.

Генная инженерия - совокупность методик, позволяющих выделять нужный ген из генома одного организма и вводить его в геном другого организма.

Клеточная инженерия - конструирование клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции.

Значение культивации клеток. Культивирование клеток растений позволяет сократить сроки выведения новых сортов пшеницы, сои и других важнейших сельскохозяйственных культур до одного-двух лет. Клетки животных и человека служат продуцентами различных веществ, например биологически активных химических веществ, интерферона или различных гормонов.

Направления практического использования культур животных клеток:

Получение биологически активных веществ.

Тестирование и изучение механизма действия различных веществ (гормонов, лекарственных препаратов, детергентов, косметических средств, инсектицидов, консервантов).

В медицине при решении следующих задач:

- исследование механизмов перерождения нормальных клеток в опухолевые; - изучение тканевой несовместимости и других иммунных реакций;

- в онкологии для оценки противоопухолевых средств (культуры опухолевых клеток);

- реконструкция различных поврежденных тканей и органов путем трансплантации нормальных здоровых клеток, выращенных in vitro.

Клонирование животных.

Получение трансгенных животных.

Создание банков клеточных линий.

Требования, предъявляемые к биологическим объектам

Биообъект - это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микробов-контаминантов, или загрязнителей. Представителями контаминирующей микрофлоры оказываются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии.

При использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофитной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне.

Скорости размножения клеток и репродукции вирусных частиц прямо пропорционально сказываются на возрастании клеточной массы и образовании метаболитов или, применительно к фагам, на возрастании массы лизирующихся клеток. В этом смысле подавляющее большинство микроорганизмов выгодно отличается от клеток растений и животных.

Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов - одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.

Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках животного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником ферментов также являются изолированные клетки или специализированные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.



Преимущества и недостатки различных штаммов-продуцентов

Классификация штаммов-продуцентов. В промышленной биотехнологии применяют 3 вида штаммов микроорганизмов:

1) природные штаммы, улучшенные естественным и искусственным отбором (при производстве микробной биомассы);

2) штаммы, полученные в результате индуцированного мутагенеза;

3) генно-модифицированные (рекомбинантные) штаммы, обладающие самой высокой генетической нестабильностью.

Требования к штаммам-продуцентам. Промышленные штаммы должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Безвредность для потребителя и обслуживающего персонала.

2. Высокая скорость роста биомассы и целевого продукта (БАВ) при экономичном потреблении питательной среды.

3. Направленная биосинтетическая активность при минимальном образовании побочных продуктов.

4. Генетические однородность и стабильность в отношении к субстратам и условиям культивирования.

5. Отсутствие токсических веществ в целевом продукте и промышленных стоках.

6. Устойчивость к фагам и другой посторонней микрофлоре.

7. Способность расти на дешевых и доступных субстратах, отходах пищевой и химической промышленности при высокой плотности клеток.

Бактериальные клетки. Бактерия E. Coli - грамотрицательная непатогенная подвижная палочка, средой обитания которой служит кишечник человека. Так же она может высеваться из воды и почвы. Благодаря способности размножаться простым делением на средах, содержащих только ионы, E. Coli стала излюбленным объектом для научных исследований. Ее можно культивировать как аэробных, так и в анаэробных условиях. Однако для оптимальной продукции рекомбинантных белков E. Coli (и другие микроорганизмы), обычно, выращивают в аэробных условиях.

Таблица 2 - Характеристика штаммов-продуцентов

Продуценты	Преимущества	Недостатки
Бактерии: E. Coli, B. Subtillis	1. Быстрый рост культуры; 2. Относительно высокий выход целевого продукта 3. Низкая цена ростовой среды 4. Низкая стоимость ферментации 5. Возможность получения микрокристаллов целевого белка	1. Затруднен биосинтез крупных полипептидов 2. Отсутствует система гликозилирования 3. Ограниченные возможности секреции белков 4. Ряд гетерологических белков токсичные для клеток 5. Многие гетерологичные белки образуют только тела включения 6. Затруднено образование дисульфидных связей
Дрожжи: Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris	1. Относительно быстрый рост культуры 2. Высокий выход целевого продукта 3 Низкая цена ростовой среды 4. Умереная стоимость ферментации 5. Возможность экспресии крупынх полипептидов 6. Возможно гликозилирование 7. Секреция белка осуществляется в ростовую среду и низкий уровень секреции протеаз	1. N-гликозилирование дает иммуногенные олигосахариды 2. Не все белки эффективно секретируется

Дрожжевые клетки. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae - это непатогенные одноклеточные микроорганизмы, которые во многих отношениях представляют собой эукариотический аналог E. Coli.

S. сerevisiae размножаются почкованием и хорошо растут на такой же среде, как и E. Coli. Их способность к превращению сахара в этанол и углекислый газ издавна использовались для изготовления алкогольных напитков и хлеба.

Возможности бактерий к быстрому размножению намного превосходят другие виды организмов, и это их свойство является важнейшим при производстве микробного белка и БАВ. Бактерии биохимически универсальны в том смысле, что могут усваивать самые разнообразные питательные вещества и даже способны выбирать наилучшие органические соединения из смеси, поэтому могут приспосабливаться к самым разнообразным условиям существования.

...