Биологические объекты в биотехнологии

Видео: Кафедра биотехнологии РХТУ

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 всех живых организмов располагаются в диапазоне от 10 2 (мельчайшие вирусы) до 10" ангстрем (размеры кита). К микроорганизмам, являющимся основными объектами биотехнологии, относят организмы, имеющие размеры менее предела видимости невооруженным глазом (10 6 ангстрем). Самые малые размеры, близкие к размерам крупных органических молекул - белков, имеют бесклеточные частицы - вирусы (16-200 нм). Вирусы являются паразитами и могут размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток вирусы представляют собой комплексы нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) с белком.

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.

По типу питания бактерии делятся на следующие группы:

фототрофы, использующие энергию солнечного света;
хемоавтотрофы, использующие энергию окисления неорганических веществ (соединений серы, метана, аммиака, нитритов, соединений двухвалентного железа и др.);
органотрофы, получающие энергию при разложении органических веществ до минеральных веществ- эти бактерии - основные участники круговорота углерода, к этой же группе относятся бактерии, использующие энергию брожения;
бактерии-паразиты, вызывающие болезни человека, животных и растений. Болезнетворные микроорганизмы называются патогенными.

Видео: О мировой статистике ГМО

Неболезнетворные бактерии, способные обитать на слизистых оболочках и кожных покровах, но не питающиеся ``живым белком", называются сапрофиталш. Бактерии наиболее часто используются в биотехнологических процессах. Из биомассы бактерий получают различные органические вещества - аминокислоты, белки, в том числе ферменты.

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.

Животные состоят из двух основных групп: простейших (одноклеточных) и высших (многоклеточных). Их клетки, как и клетки растений, являются ядерными. Поскольку многие простейшие являются паразитами и возбудителями болезней высших животных и человека, культивирование их на искусственных средах затруднено. Они используются в основном в токсикологических исследованиях. Ткани высших животных являются источниками белка, липидов, некоторых витаминов. Сырье животного происхождения наиболее дорогое. В связи с этим в настоящее время все чаще используются культуры клеток животных или человека, выращиваемых на искусственных средах.

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