Біологічні об`єкти в біотехнології

Відео: Кафедра біотехнології РХТУ

Перша спроба систематизації відомостей про організми належить Арістотелем (4-е століття до н.е.). Всі відомі на той час живі організми були поділені їм на два царства - рослини і тварини. У другій половині 19-го століття німецький вчений Е. Геккель запропонував виділити все мікроорганізми в окреме царство Protista (первосущества - від грец. "protos" - Найпростіший).

Подальше вивчення мікроорганізмів виявило їх неоднорідність, що спричинило поділ групи на вищі і нижчі протести. До вищих протестам були віднесені мікроскопічні тварини (найпростіші), мікроскопічні водорості (крім синьо-зелених, званих також ціанобактеріями) і мікроскопічні гриби (цвілі, дріжджі), до нижчих - все бактерії, включаючи ціанобактерії. Розподіл на вищі і нижчі протести здійснювалося відповідно до двох виявленими типами клітинної організації - еукаріотні і прокариотной. Вищі протести є еукаріотамі, нижчі -прокаріотамі.

Зазначені типи клітини мають як загальні риси, так і суттєві відмінності. / Клітина - це шматочок цитоплазми, відмежований мембраною, що має характерну ультраструктуру: два електронно-щільних слоя.каждий товщиною 2,5-3,0 нм, розділених електронно-прозорим проміжком. Такі мембрани називаються елементарними. | У будь-якій клітині присутні два види нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), білки, ліпіди, вуглеводи. Цитоплазма і елементарна мембрана є обов`язковими структурними елементами клітини. Прокаріотних клітина має одну внутрішню порожнину, утворену елементарної мембраною, званої цитоплазматичної (ЦПМ).

У еукаріотних клітинах, на відміну від прокариотних, є вторинні порожнини. Клітинні структури, обмежені елементарними мембранами і виконують в клітці певні функції, називаються органелами (органоидами). До них відносять ядро, мітохондрії, рибосоми, лізосоми, апарат Гольджі, хлоропласти і ін. Ядро виконує роль хранителя генетичної інформації, в якості носія якого виступає ДНК. Головними структурно-функціональними елементами ядра, що містять в лінійному порядку гени, є хромосоми. Мітохондрії забезпечують клітину енергією за рахунок окислення речовин за участю кисню. У них також синтезуються власні білки мітохондрій.

Всі інші клітинні білки синтезуються на рибосомах. Лізосоми містять ферменти для розщеплення різних біополімерів. Апарат Гольджі (названий по імені італійського вченого Камілло Гольджі, який отримав в 1906 р Нобелівську премію) бере участь у формуванні продуктів життєдіяльності клітини - різних секретів, колагену, глікогену, ліпідів та ін., В синтезі глікопротеїдів. У хлоропластах, присутніх тільки в рослинних клітинах, здійснюється фотосинтез.

У клітинах прокаріотів перераховані вище органели, типові для еукаріот, відсутні. Ядерна ДНК у них не відділена від цитоплазми мембраною. Принципові відмінності в структурі прокаріотних і еукаріотних клітин призвели до виділення прокариотних мікроорганізмів, що знаходяться на самому примітивному рівні клітинної організації, в особливе царство Мопега (Р. Віттекер). Мікроскопічні, в основному одноклітинні, недиференційовані форми життя включає царство Protista. Багатоклітинні еукаріоти представлені трьома царствами: Plantae (рослини), Fungi (гриби) і Animalia (тварини).

Розміри всіх живих організмів розташовуються в діапазоні від 10 2 (найдрібніші віруси) до 10" ангстрем (розміри кита). До мікроорганізмів, що є основними об`єктами біотехнології, відносять організми, що мають розміри менше межі видимості неозброєним оком (10 6 ангстрем). Найменші розміри, близькі до розмірів крупних органічних молекул - білків, мають безклітинні частки - віруси (16-200 нм). Віруси є паразитами і можуть розмножуватися тільки в клітинах інших організмів. Поза клітин віруси являють собою комплекси нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК) з білком.

Розміри більшості бактерій знаходяться в межах 0,5-3 мкм, проте зустрічаються серед них свої "гіганти" і "карлики". Наприклад, довжина клітини спірохети досягає 500 мкм. Найдрібніші з прокариотних клітин - бак терії, що належать до групи мікоплазм, діаметр їх клітин становить 0,1-0,15 мкм. Довгий час вважалося, що клітини прокаріотів мають форму сфери (коки), циліндра (палички) або спіралі (спірили або вібріони). Останнім часом показано, що, крім зазначених форм, бактерії можуть також мати форму кільця, зірки-для деяких видів характерно розгалуження. Багатоклітинні прокаріоти є скупчення різної конфігурації, частіше за все - нитки.

Бактерії надзвичайно різноманітні за умовами проживання, пристосовності, типам харчування і біоенергообразованія, по відношенню до макроорганізму - тваринам і рослинам. Найбільш древні форми бактерій - архебактерш здатні жити в екстремальних умовах (високі температури і тиску, концентровані розчини солей, кислі розчини). Еубактеріі (типові прокаріоти, або бактерії) більш чутливі до умов навколишнього середовища.

За типом харчування бактерії діляться на наступні групи:

• фототрофи, що використовують енергію сонячного світла;
• хемоавтотрофи, що використовують енергію окислення неорганічних речовин (сполук сірки, метану, аміаку, нітритів, з`єднань двовалентного заліза та ін.);
• органотрофи, які отримують енергію при розкладанні органічних речовин до мінеральних речовин-ці бактерії - основні учасники кругообігу вуглецю, до цієї ж групи належать бактерії, що використовують енергію бродіння;
• бактерії-паразити, що викликають хвороби людини, тварин і рослин. Хвороботворні мікроорганізми називаються патогенними.

Відео: Про світовою статистикою ГМО

Неболезнетворние бактерії, здатні жити на слизових оболонках і шкірних покривах, але не харчуються `` живим білком", Називаються сапрофіталш. Бактерії найбільш часто використовуються в біотехнологічних процесах. З біомаси бактерій отримують різні органічні речовини - амінокислоти, білки, в тому числі ферменти.

Бактерії є зручним об`єктом для генетичних досліджень. Найбільш вивченою і широко застосовується в генно-інженерних дослідженнях є кишкова паличка Escherichia coli (Е. coli), що мешкає в кишечнику людини.

До рослин належать водорості, які є водними організмами, і вищі рослини, що мешкають переважно на суші. Водорості не мають органів і тканин і складаються з недиференційованих (однакових) клітин. З водоростей отримують агар-агар та альгінати - полісахариди, які використовуються для виготовлення мікробіологічних середовищ і в харчовій промисловості. Вищі рослини є багатоклітинними організмами, що мають спеціалізовані органи - коріння, стебла, листя. Вони складаються з тканин, утворених спеціалізованими клітинами. Рослини служать постачальниками живильних речовин для інших організмів.

Незважаючи на те, що традиційні методи вилучення фізіологічно активних і лікарських сполук з рослин (екстракція, перегонка, фільтрація) як і раніше широко використовуються, все більшого значення набувають технології отримання біологічно активних речовин з клітинних культур, а також виробництво продуктів з генетично модифікованих рослин.

Гриби поєднують в собі риси клітин рослин і тварин. Вони мають клітинне ядро і, як у рослин, міцну клітинну стінку. Як клітини тварин, вони здатні синтезувати полісахариди - хітин і глікоген і потребують деяких вітамінах. Особливо цікаві для біотехнології мікроскопічні гриби - дріжджі, цвілеві гриби, вищі гриби, які застосовуються в хлібопекарській, пивоварної та молочної промисловості, а також для отримання органічних кислот, спиртів, антибіотиків, кормового білка, різних біологічно активних речовин.

Тварини складаються з двох основних груп: найпростіших (одноклітинних) і вищих (багатоклітинних). Їх клітини, як і клітини рослин, є ядерними. Оскільки багато найпростіші є паразитами і збудниками хвороб вищих тварин і людини, культивування їх на штучних середовищах утруднено. Вони використовуються в основному в токсикологічних дослідженнях. Тканини вищих тварин є джерелами білка, ліпідів, деяких вітамінів. Сировина тваринного походження найбільш дороге. У зв`язку з цим в даний час все частіше використовуються культури клітин тварин або людини, що вирощуються на штучних середовищах.

Прикладом такої технології є отримання противірусного препарату інтерферону, що застосовується для профілактики і лікування грипу та інших вірусних інфекцій. Найбільш перспективним способом виробництва біологічно активних речовин є генна інженерія. Зокрема, так отримують людський інсулін - гормон білкової природи.

С.В. Макаров, Т.Є. Никифорова, Н.А. Козлов