Микро- и макроорганизмы как объекты биотехнологии

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, клетки и ткани растений и животных, некоторые биогенные и функционально сходные с ними вещества (ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты и др.). Следовательно, объекты биотехнологии могут быть представлены организованными частицами (вирусы), клетками (тканями) или их метаболитами (первичными, вторичными).

Чтобы с максимальной продуктивностью использовать биообъект в биотехнологическом процессе, необходимо знать и учитывать его структурно-функциональные особенности применительно к конкретным условиям производства. В большинстве случаев качество и количество целевого продукта в значительной степени находятся в прямо пропорциональной зависимости от качества и количества продуцента. Совершенно очевидно, что подходы здесь к акариотам, прокариотам и эукариотам должны быть различными, поскольку первые, например, являются облигатными паразитами и могут развиваться лишь в живых клетках (тканях); бактерии структурно менее дифференцированы, чем эукариоты и поэтому они в большинстве своем менее требовательны к условиям обитания, чем грибные, растительные и животные организмы.

Вирусы

Вирусы характеризуются наименьшей величиной (несколько нм) и облигатным паразитизмом (вирусы бактерий, животных, растений и грибов). Структурно вирусы представляют собой организованные частицы, содержащие один какой-либо тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), не обладающие обменом веществ, но способные к репликации в клетках организма-хозяина или интеграции с его геномом, ведя при этом "скрытое существование". Под организованностью вирусной частицы понимают специфическое построение, или архитектонику структурных блоков, характерную для того или иного вируса существующего вне организма - вирион. Каждый вирион в очищенном виде представляет собой истинный кристалл, который построен из нуклеиновой кислоты и белка, не связанных друг с другом ковалентными связями. Понятие "вирион" относится к интактной вирусной частице, способный к инфицированию или заражению.

Нуклеиновые кислоты — вещества наследственности вирусов. По типу нуклеиновой кислоты их подразделяют на РНК-содержащие вирусы и ДНК-содержащие вирусы. К первым относят все вирусы растений, вирусы гриппа человека, бешенства, полиомиелита, ко вторым — большинство бактериофагов, ряд вирусов человека и животных (аденовирусы, вирусы герпеса, осповакцины и др.).

Белок структурируется вокруг вирусной нуклеиновой кислоты (генома) в виде оболочки и называется капсидом. Форма вириона определяется его капсидом. Вместе с нуклеиновой кислотой капсид образует нуклеокапсид.

Необходимо подчеркнуть, что вирусы не размножаются, а репродуцируются, или воспроизводятся, то есть правильнее говорить не об их потомстве, а их "копиях" (братьях и сестрах). Репродукцию вирусов можно подразделить на семь этапов: адсорбцию, пенетрацию (проникновение вируса в клетку), транскрипцию, трансляцию, репликацию, сборку вирусных частиц и выход организованных вирусных частиц из клетки. На каждом этапе совершаются многоактовые процессы, зависимые как от вирусов, так и от клеток — их реципиентов.

Репродукция происходит только в живых клетках (тканях) и поэтому биотехнологические процессы, основанные на использовании вирусов, исключительно дорогостоящи. Однако создание противовирусных биопрепаратов (вакцин) сегодня очень насущная задача. Ряд бактериофагов, вирусов растений и млекопитающих широко используют в биотехнологии, особенно — в рДНК-биотехнологии. Кроме того, решение многих фундаментальных проблем в области молекулярной биологии нередко возможно исключительно на вирусных системах.

Бактерии — существа клеточной организации, у которых ядерный материал не отделен от цитоплазмы элементарными мембранами и не связан какими-либо основными белками. Цитоплазма в них с нерегулярно разбросанными рибосомами (70S-типа) неподвижна, клетки не обладают способностями к эндо- и экзоцитозу. В большинстве своем бактерии одноклеточны, наименьший диаметр их 0,2 — 10,0 мкм.

Все бактерии составляют единое царство Bacteria, хотя одни из них — археобактерии (Archaeobacteria) заметно отличаются от других, названных эубактериями (Eubacteria).

Согласно определителю Д. X. Берги (1986) археобактерии относятся к отделу мендосикутов, все другие бактерии — к отделам: грациликутов, фирмикутов и тенерикутов.

Грациликуты объединяют грамотрицательные бактерии с двухслойной клеточной стенкой (они, как правило, содержат фосфолипидную мембрану во внешнем слое клеточной стенки) форма клеток у них различная — от сферической до палочковидной, от прямых до искривленных (изогнутых); подвижные или неподвижные; не образуют эндоспор, размножаются делением (некоторые - почкованием); многие обладают пилями (волосками, или фимб-риями). По типам питания к грациликутам относятся фототрофы (включая цианобактерии) и хемотрофы, по типам дыхания — аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы, по патогенности - сапрофиты и паразиты.

Микроорганизмы с многослойным муреиновым каркасом относятся к фирмикутам. Все они грамположительные, спорообразующие или не образующие спор; сюда же включены актиномицеты и родственные им бактерии. Форма клеток различная — круглые, палочковидные, ветвящиеся, нитевидные, неветвящиеся. По типу питания — преимущественно хемогетеротрофы, по типу дыхания — аэробы, анаэробы и микроаэрофилы, патогенные и сапрофиты.

К тенерикугам относятся микоплазмы и спироплазмы. Это мельчайшие свободноживущие полиморфные бактерии, без клеточной стенки. Воспроизводятся они почкованием, делением, сегментацией ветвистых структур; цитоплазматическая мембрана трехслойна; все известные виды микоплазм патогенны. Диаметр их 0,15 - 0,25 мкм, хотя полиморфизм по длине клеток весьма широкий. Микоплазмы полностью устойчивы к пенициллину; растут на специальных агаризованных средах.

Почти во всех больших таксономических группах имеются представители, с успехом использующиеся в соответствующих биотехнологических процессах — будь это сапрофитные или патогенные виды. Для сравнения можно указать на лактобактерии и туберкулезные микобактерии. Первые используются для получения препаратов пробиотиков, вторые — для приготовления вакцины BCG и туберкулина (диагностическое средство при туберкулезе). Пневмококки используются для изготовления полисахаридных вакцин, применяемых для профилактики и лечения пневмоний, вызванных различными сероварами Streptococcus pneumoniae.

Важным параметром, характеризующим большинство прокариотических клеток, является скорость их размножения, измеряемая минутами (в среднем от 8 — 10 мин до 30 — 40 мин). Это важно в тех случаях, когда биомасса клеток является целевым продуктом в конкретном производстве, или когда количество образующегося метоболита (целевого продукта) находится в прямопропорциональной зависимости от количества вырастающих клеток за конкретный временной интервал.

Грибы.

К царству низших эукариот — Mycota относятся микромицеты, то есть микроскопические грибы (например, дрожжи, пенициллы, аспергиллы и др.) и макромицеты, формирующие в процессе своего роста и развития визуально наблюдаемые плодовые тела — трутовики, агариковые грибы и др. Микро- и макромицеты могут быть объектами биотехнологии.

Примечательно, что грибы имеют сходство и с растениями (наличие хорошо выраженной клеточной стенки; неподвижность в вегетативном состоянии; размножение спорами; способность к синтезу витаминов; поглощение пищи путем всасывания (адсорбции), верхушечный, или апикальный рост, наличие вакуолей и поперечных перегородок у многих из них) и с животными (гетеротрофный тип питания, большая или меньшая потребность в витаминах, наличие хитина или хитозана, синтез гликогена). Следовательно, грибы эволюционно произошли раньше — до дивергенции растений и животных в самостоятельные царства. В то же время лишь грибам присуще мицелиальное строение и, как следствие, абсорбционный способ питания (осмотрофия); для них известны явления дикариозиса (раздельное на­хождение двух ядер в одной клетке, способных к одновременному делению и имитирующих диплоидное ядро) и гетерокариозиса (нахождение разнокачественных ядер в одной клетке).

Из грибов наиболее широкое применение в биотехнологии нашли дрожжи Sacchoromyces cerevisiae – непатогенные одноклеточные организмы с диаметром клетки около 5 мкм, во многих отношениях представляют эукариотический аналог Е. coli. S. cerevisiae размножаются почкованием, их способность к превращению сахара в этанол и углекислый газ издавна использовалась для изготовления напитков и хлеба. Клетки дрожжей делятся каждые 1,5-2 ч. S. cerevisiae является удобной моделью для исследования других эукариот, в т.ч. человека, так как многие гены, ответственные за регуляцию клеточного деления S. ccerevisiae, сходны с таковыми у человека. Это способствовало идентификации и характеристике генов человека, отвечающих за развитие новообразова­ний. Генетическая система дрожжей является непременным участником всех исследований по изучению ДНК человека.

Дата добавления: 2015-07-07