Основными объектами биотехнологии являются микроскопические. Биологические объекты и методы биотехнологии. Обьекты биотехнологии и их уровни

В качестве объектов биотехнологии могут выступать: клетки микроорганизмов, животных и растений, трансгенные животные и растения, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и отдельные ферменты.

Основой большинства современных биотехнологических производств является микробный синтез, т. е. синтез разнообразных БАВ с помощью микроорганизмов. Независимо от природы объекта, первичным этапом разработки любого биотехнологического процесса является получение чистых культур организмов (если это микробы), клеток или тканей (если это более сложные организмы - растения или животные). Многие этапы дальнейших манипуляций с последними (т. е. с клетками растений или животных) являются принципами и методами, используемыми в микробиологических производствах. И культуры микробных клеток, и культуры тканей растений и животных с методической точки зрения практически не отличаются от культур микроорганизмов. Мир микроорганизмов крайне разнообразен. В н. время известно более 100 тысяч различных их видов. Это прокариоты (бактерии, актиномицеты, риккетсии, цианобактерии) и часть эукариот (дрожжи, нитчатые грибы, некоторые простейшие и водоросли). При большом разнообразии микроорганизмов важной проблемой является правильный выбор того организма, который способен обеспечить получение требуемого продукта, т. е. служить промышленным целям. Микроорганзмы:

1)Промышленные : кишечная палочка (Е. coli ), сенная палочка {Вас. sub-tilis ) и пекарские дрожжи (S. cerevisiae ). Обычно явл-ся сверхпродуцентами. Для получения сверхпродуцентов проводят генетико-селекционную работу, генно-инженерные подходы(внедрение генов челов. В бактерию: гены интерферонов,инсулина и т.д). ПШ д.быть запатентованы.

2)Базовые- используется в ограниченном числе, классифицируются как GRAS ("generally recognized as safe" обычно считаются безопасными)- бактерии Bacillus subtilis, Bacillus amylolique-faciens, др. виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces, грибы Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus , дрожжи Saccharomyces и др. GRAS -микроорганизмы непатогенные, нетоксичные и в основном не образуют антибиотики, поэтому при разработке нового биотехнологического процесса следует ориентироваться на данные микроорганизмы,.

3) Модельные- бациллы (продуценты протеолитических ферментов).Есть каталоги модельных микр.

Главным критерием при выборе биотехнологического объекта является способность синтезировать целевой продукт. микроорганизмы должны (требования):

Обладать высокой скоростью роста;

Утилизировать необходимые для их жизнедеятельности дешевые субстраты;

Быть резистентными к посторонней микрофлоре, т. е. обладать высокой конкурентоспособностью. (требования):способность к росту на дешевых субстратах, выс.экономич.коэф-т, миним-е образов-е побочных прод-в(токсич-х метаболитов, аллергенов)

Все вышеперечисленное обеспечивает значительное снижение затрат на производство целевого продукта. Ниже приводятся примеры, имеющие своей целью проиллюстрировать ранее сказанное.

1. Одноклеточные организмы характеризуются более высокими скоростями роста и синтетических процессов,

2. Особое внимание как объекты биотехнологических разработок представляют фотосинтезирующие микроорганизмы , использующие в своей жизнедеятельности энергию солнечного света.

3. термофильные микроорганизмы , растущие при 60-80 °С. Это их свойство является практически непреодолимым препятствием для развития посторонней микрофлоры.

24.Преимущества микроорганизмов перед другими объектами в решении современных биотехнологических задач:

· Небольшие размеры

· Вездесущны

· Разнообразные типы метаболизма

· Фототрофы

· Занимают небольшой объём (в 1 мл до 1 млрд. особей)

· Высокая скорость деления, быстрый рост

· Способны жить в различных условиях.

Фотосинтезирующие организмы перспективны как продуценты аммиака,водорода,белка.

Термофильные микроорганизмы,растущие при 60-80 град.,это является надёжной защитой при загрязнении. Ферменты,синтезируемые термофилами, характериз. повышенной устойчивостью к нагреванию,но при этом они малоактивны при обычных температурах.

Микроорганизмы как объекты биотехнологии. Классификация. Характеристика.

Бактерии чрезвычайно разнообразны по условиям обитания, приспособляемости, типам питания и биоэнергообразования, по отношению к макроорганизмам - животным и растениям. Наиболее древние формы бактерий - архебактерии 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 по источнику энергии:

· фототрофы, использующие энергию солнечного света;

· хемоавтотрофы, использующие энергию окисления неорганических веществ (соединений серы, метана, аммиака, нитритов, соединений двухвалентного железа и др.);

По типу окисления вещества:

· 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;

· литотрофы (неорганические вещества);

По типу источников углерода:

· гетеротрофные – используют органические вещества;

· афтотрофные – используют газ;

Для обозначения типа питания используется:

1. природа источника энергии фото- или хемо-;

2. Доноры электронов лито- или органо-;

3. Источники углерода афто- и гетеро-;

И заканчивается термин словами трофия. 8 различных типов питания.

Высшие животные и растение склоны к 2 типам питания:

1) Хемоорганогетеротрофия (животные)

2) Фотолитоафтотрофия (растения)

У микроорганизму представлены все типы питания при чем они могут переходить с одного на другой в зависимости от существования

Существует отдельный вид питания:

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.

Организация и структура биотехнологических производств. Отличительные особенности биотехнологического производства от традиционных видов технологий. Преимущества и недостатки биотехнологических производств по сравнению с традиционными технологиями.

Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение, приводит к необходимости рассмотреть общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании любого биотехнологического производства. Процессы промышленной биотехнологии разделяют на 2 большие группы: производство биомассы и получение продуктов метаболизма. Однако такая классификация не отражает наиболее существенных с технологической точки зрения аспектов промышленных биотехнологических процессов. В этом плане необходимо рассматривать стадии биотехнологического производства, их сходство и различие в зависимости от конечной цели биотехнологического процесса.

Существует 5 стадий биотехнологического производства.

Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.

Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.

На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.

Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так должны быть стерильными.

Основная цель биотехнологии - промышленное использование биологи­ческих процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм мик­роорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свой­ствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и техниче­ских наук.

Биотехнологический процесс - включает ряд этанов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.

Биотехнологические процессы могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.

Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значе­ние. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преиму­ществ перед другими видами технологий, например, химической.

1). Это, прежде всего, низкая энергоемкость. Биотехнологические процес­сы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.

2). Биотехпологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипною оборудования. Однотипные ферменты применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.

3). Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Мик­роорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью мик­роорганизмов в ходе другого производства.

4). Безотходность биотехнологических производств делает их экологиче­ски наиболее чистыми

5). Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капи­тальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.

К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся -создание и широкое освоение:

1)новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);

2)микробиологических средств защиты растений от болезней и вредите­

лей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений, новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;

3)ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для по­вышения продуктивности животноводства;

4)новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;

5)технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйствен­ных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

Традиционная (обычная) технология представляет собой разработки, отражающие средний уровень производства, достигнутый большинством производителей продукции в данной отрасли. Такая технология не обеспечивает ее покупателю значительных технико-экономических преимуществ и качество продукции по сравнению с аналогичной продукцией ведущих производителей, и рассчитывать на дополнительную (сверх средней) прибыль в данном случае не приходится. Ее преимуществами для покупателя являются сравнительно невысокая стоимость и возможность приобретения проверенной в производственных условиях технологии. Традиционная технология создается, как правило, в результате устаревания и широкомасштабного распространения прогрессивной технологии. Продажа такой технологии обычно осуществляется по ценам, компенсирующим продавцу издержки на ее подготовку и получение средней прибыли.

Преимущества биотехнологических процессов 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

·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.

Биотехнологическая стадия

Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента происходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт.

Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества.

Биотехнологическая стадия включает в себя:

Ферментация - процесс, осуществляемый с помощью культивирования микроорганизмов.

Биотрансформация - процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов или готовых ферментов.

Биокатализ - химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов-ферментов.

Биоокисление - потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.

Метановое брожение - переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.

Биокомпостирование - снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.

Биосорбция - сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях.

Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворенное состояние под действием специальных микроорганизмов.

Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.

Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один - жидкостной. В случае, если процесс протекает в твердой фазе (например, созревание сыра или биокомпостирование отходов), выходом является поток переработанного твердого продукта.

Подготовительные стадии

Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии.

На стадии подготовки могут быть использованы следующие процессы.

Стерилизация среды - для асептических биотехнологических процессов, где нежелательно попадание посторонней микрофлоры.

Подготовка и стерилизация газов (обычно воздуха), необходимых для протекания биотехнологического процесса. Чаще всего подготовка воздуха заключается в очистке его от пыли и влаги, обеспечении требуемой температуры и очистке от присутствующих в воздухе микроорганизмов, включая споры.

Подготовка посевного материала. Очевидно, что для проведения микробиологического процесса или процесса культивирования изолированных клеток растений или животных необходимо подготовить и посевной материал - предварительно выращенное малое по сравнению с основной стадией количество биологического агента.

Подготовка биокатализатора. Для процессов биотрансформации или биокатализа необходимо предварительно подготовить биокатализатор - либо фермент в свободном или закрепленном на носителе виде, либо биомассу микроорганизмов, выращенную предварительно до состояния, в котором проявляется ее ферментативная активность

Предварительная обработка сырья. Если сырье поступает в производство в виде, непригодном для непосредственного использования в биотехнологическом процессе, то проводят операцию по предварительной подготовке сырья. Например, при получении спирта пшеницу сначала дробят, а затем подвергают ферментативному процессу "осахаривания", после чего осахаренное сусло на биотехнологической стадии путем ферментации превращается в спирт.

Очистка продукта

Задача этой стадии - убрать примеси, сделать продукт максимально чистым.

Хроматография - процесс, напоминающий адсорбцию.

Диализ - процесс, в котором через полупроницаемую перегородку могут проходить низкомолекулярные вещества, а высокомолекулярные остаются.

Кристаллизация. Этот процесс базируется на различной растворимости веществ при разных температурах.

Концентрирование продукта

Дальнейшая задача - обеспечить его концентрирование.

На стадии концентрирования применяют такие процессы, как выпаривание, сушка, осаждение, кристаллизация с фильтрацией получившихся кристаллов, ультрафильтрация и гиперфильтрация или нанофильтрация, обеспечивающие как бы "отжим" растворителя из раствора.

Очистка стоков и выбросов

Очистка этих стоков и выбросов - специальная задача, которая обязательно должна решаться в наше экологически неблагополучное время. По существу очистка стоков - это отдельное биотехнологическое производство, имеющее свои подготовительные стадии, биотехнологическую стадию, стадию отстаивания биомассы активного ила и стадию дополнительной очистки стоков и переработки осадка.

Виды биологических объектов применяемых в биотехнологии, их классификация и характеристика. Биологические объекты животного происхождения. Биологические объекты растительного происхождения.

К объектам биотехнологии относятся: организованные внеклеточные частицы (вирусы), клетки бактерий, грибов, простейшие организмы, ткани грибов, растений, животных и человека, ферменты и ферментные компоненты, биогенные молекулы нуклеиновой кислоты, лектины, цитокинины, первичные и вторичные метаболиты.

В настоящее время большинство биообъектов биотехнологии представляется представителями 3-х надцарств:

1) Acoryotac – акориоты или безъядерные;

2) Procaryotac – прокариоты или предъядерные;

3) Eucaryotac – эукариоты или ядерные.

Представляются 5-ю царствами: к акариотам относят вирусы (неклеточная организованная частица); к прокариотам относят бактерии (морфологическая элементарная единица); к эукариотам относят грибы, растения и животные. Тип кодирование генетической информации ДНК (для вирусов ДНК или РНК).

Бактрии имеют клеточную организацию, но при этом материал ядра не отделен от цитоплазмы ни какими мембранами и не связан ни с какими белками. В основном бактерии одноклеточные их размер не превышает 10 микрометров. Все бактерии делятся на архиобактерии и эубактерии.

Грибы (Mycota) являются важными биотехнологическими объектами и продуцентами ряда важнейших соединений пищевых продуктов и добавок: антибиотики, растительные гормоны, красители, грибной белок, сыры различных типов. Микромицеты неформируют плодового тела, а макромицеты формируют. Имеют признаки животных и растений.

Растения (Plantae). Известно около 300 тысяч видов растений. Это дифференцированные органические растения, составные части которых ткани (мериместентные, покровные, проводимые, механические, основные и секреторные). К делению способны только мириместентные ткани. Любой вид растения при определенных условиях может давать неорганизованную клеточную массу делящихся клеток – каллус. Важнейшими биообъектами являются протопласты растительных клеток. Они лишены клеточной стенки. Используются в клеточной инженерии. Часто используют водоросли. Из них получают агар-агар и альгинаты (полисахариды, используемые для приготовления микробиологических сред).

Животные (Animalia). В биотехнологии широко применяются такие биообъекты как клетки различных животных. Кроме клеток высших животных используются клетки простейших животных. Клетки высших животных используются для получения рекомбинантной ДНК и для проведения токсикологических исследований.

Главным объектом биотехнологического процесса является клетка. В ней синтезируется целевой продукт. По сути, клетка представляет собой миниатюр­ный химический завод, где ежеминутно синтезируются сотни сложнейших со­единений.

Основа современного биотехнологического производства - синтез различных веществ с помощью клеток микроорганизмов. Клетки высших растений и животных еще не нашли широкого применения, ввиду их высокой требовательности к условиям культивирования.

Начальным этапом биотехнологической разработки является получе­ние чистых культур клеток и тканей. Дальнейшие манипуляции с этими куль­турами характеризуется единообразием подходов, основанных на классических методах микробиологии. При этом культуры клеток и тканей высших растений и животных уподобляются культурам микроорганизмов.

Эукариотыи прокариоты. Большинство микроорганизмов - однокле­точные существа. Микробная клетка отделена от внешней среды клеточной стен­кой, а иногда лишь цитоплазматической мембраной и содержит различные суб­клеточные структуры. Существует два основных типа клеточного строения, кото­рые отличаются друг от друга рядом фундаментальных признаков. Это эукариотические и прокариотические клетки. Микроорганизмов, имеющих истинное яд­ро, называют эукариотами (эу - от греческого - истинный, карио - ядро). Микро­организмы с примитивным ядерным аппаратом относятся к прокариотам (до ядерным).

Среди микроорганизмов к прокариотам относятся бактерии, актиномицеты и сине-зеленые водоросли (цианобактерии), к эукариотам - прочие водо­росли (зеленые, бурые, красные), микомицеты (слизевики), низшие грибы - микромицеты (включая дрожжи), простейшие (жгутиконосцы, инфузории и др.).

Их общее свойство - малые размеры, они видны лишь в микроскоп. В на­стоящее время известно более 100 тыс. видов различных микроорганизмов.

У прокариот не происходят процессы митоза и мейоза. Они размножают­ся чаще простым делением клетки.

В эукариотической клетке имеется ядро, отделенное от окружающей его цитоплазмы двухслойной ядерной мембраной с порами. В ядре находятся 1-2 ядрышка - центры синтеза рибосомальной РНК и хромосомы - основные носите­ли наследственной информации, состоящие из ДНК и белка. При делении хромосомы распределяются между дочерними клетками в результате сложных процес­сов - митоза и мейоза. Цитоплазма эукариот содержит митохондрии, а у фотосинтезирующих организмов и хлоропласта. Цитоплазматическая мембрана, ок­ружающая клетку, переходит внутри цитоплазмы в эндоплазматическую сеть; имеется также мембранная органелла - аппарат Гольджи.

Прокариотическиеклетки устроены проще. В них нет четкой границы между ядром и цитоплазмой, отсутствует ядерная мембрана. ДНК в этих клетках не образует структур, похожих на хромосомы эукариот. У прокариот не происходят процессы митоза и мейоза. Большинство прокариот не образует внутрикле­точных органелл, ограниченных мембранами, нет митохондрий и хлоропластов.

Подбор форм микроорганизмов с заданными свойствами

Подбор необходимых для культивирования форм микроорганизмов с за­данными свойствами включает несколько этапов.

2.1. Выделение микроорганизмов. Отбираются пробы из мест обитания микроорганизмов (почва, растительные остатки и т.д.). Применительно к углеводородокисляющим микроорганизмам таким местом может быть почва возле бензоколонок, винные дрожжи обильно встречаются на винограде, анаэробные целлюлозаразлагающие и метанобразующие микроорганизмы в больших количест­вах обитают в рубце жвачных животных.

2.2. Получение накопительных культур. Образцы вносят в жидкие питательные среды специального состава, создают благоприятные условия для развития продуцента (температура, РН, источники энергии, углерода,
азота и т.д.). Для накопления продуцента холестериноксидазы используют среды с холестерином в качестве единственного источника углерода; углеводородокисляющих микроор­ганизмов - среды с парафинами; продуцентов протеолитических или липолитических ферментов - среды, содержащие белки или липиды.

2.3. Выделение чистых культур. На плотные питательные среды засевают образцы проб из накопительных культур. Отдельные клетки микроорганизмов на плотных питательных средах образуют изолированные
колонии или клоны, при их пересеве получаются чистые культуры, состоящие из клеток одного вида про­дуцента.

Другой путь подбора микроорганизмов - из имеющихся коллекций. Например, продуцентами антибиотиков чаще являются актиномицеты, этанола -дрожжи.

Клон - культура, полученная из одной клетки, чистая культура - сово­купность особей одного вида микроорганизмов, штаммы - культуры, выделен­ные из различных природных сред или из одной среды в разное время.

2.4. Определение способности синтезировать целевой продукт - главный критерий при отборе продуцентов. Микроорганизмы должны соответство­вать следующим требованиям:

1)обладать высокой скоростью роста;

2)использовать для жизнедеятельности дешевые субстраты;

3)быть устойчивыми к заражению посторонней микрофлорой.

Одноклеточные организмы характеризуются более высокими скоростями синтетических процессов, чем высшие растения и животные. Так, корова массой 500 кг в течение одних суток синтезирует около 0,5 кг белка. Такое Же количест­во белка за одни сутки можно получить с помощью 5 г дрожжей. Интерес пред­ставляют фотосинтезирующие микроорганизмы, использующие энергию света, способные к усвоению атмосферного азота. Выгодны термофильные микроорга­низмы. Их использование снижает дополнительные затраты на стерилизацию промышленного оборудования. Скорость роста и обмен веществ у этих организмов в 1,5-2 раза выше, чем у мезофилов. Синтезирующие ими ферменты устой­чивы к нагреванию, действию кислот, органических растворителей.

Методыбиотехнологии

В биотехнологии выделяют 2 метода: 1) Селекция; 2) Генная инженерия. Для получения высокоактивных продуктов используют методы селекции. С помощью селекции получены промышленные штаммы микроорганизмов, син­тетическая активность которых превышает активность исходных штаммов в де­сятки и сотни раз.

Селекция

Селекция - направленный отбор мутантов (организмов, наследственность которых претерпела скачкообразное изменение). Генеральный путь селекции -переход от простого отбора продуцентов к сознательному конструированию их геномов. На каждом из этапов из популяции микроорганизмов отбираются наи­более высокоэффективные клоны. Таким путем за длительное время были ото­браны штаммы пивных, винных, пекарских, уксуснокислых дрожжей, пропионовокислых бактерий и др. Применяется ступенчатый отбор: на каждом из этапов из популяции микроорганизмов отбираются наиболее высокоэффективные кло­ны. Ограниченность метода селекции, основанного на спонтанных мутациях, свя­зана с их низкой частотой, что значительно затрудняет интенсификацию процес­са. Изменения в структуре ДНК происходят редко. Ген должен удвоиться в сред­нем 10 6 -10 8 раз, чтобы возникла мутация. Примером отбора наиболее продуктив­ных мутантов при культивировании в непрерывном режиме является отбор дрожжей по признаку устойчивости к этанолу, продукту жизнедеятельности дрожжей. К значительному ускорению селекции ведет индуцированный мутагенез - резкое увеличение частоты мутаций биообъекта при искусственном повреждении генома. Мутагенным действием обладают ультрафиолетовое, рентгеновское или у-излучение, некоторые химические соединения, вызывающие изменения пер­вичной структуры ДНК. К числу наиболее известных и используемых мутагенов относятся азотистая кислота, алкилирующие агенты и т.д.

Проводят тотальную проверку (скрининг) полученных клонов. Отобрав наиболее продуктивные клоны, повторяют обработку тем же или другим мутагеном, вновь отбирают наиболее продуктивный вариант и т.д., т.е. речь идет о сту­пенчатом отборе по интересующему признаку.

Трудоемкость - основной недостаток метода индуцированного мутагенеза и последующего ступенчатого отбора. Недостатком метода является также от­сутствие сведений о характере мутаций, исследователь проводит отбор по конеч­ному результату.

Генетическая инженерия

Генетическая инженерия – направленная модификация биообъектов в ре­зультате введения искусственно созданных генетических программ. Уровни генетической инженерии:

1)генная – прямое манипулирование рекомбинантными ДНК, включающими отдельные гены;

2)хромосомная – манипулирование с группами генов или отдельными хромосомами;

3)геномная (клеточная) – перенос всего или большей части генетиче­кого материала от одной клетки к другой (клеточная инженерия). В современном понимании генетическая инженерия включает технологию рекомбинантных ДНК.

Работа в области генетической инженерии включает 4 этапа: 1) полу­чение нужного гена; 2) встраивание его в вектор, способный к репликации; 3) введение гена с помощью вектора в организм; 4) питание и селекция клеток, ко­торые приобрели желаемый ген.

Генетическая инженерия высших растений осуществляется на клеточном, тканевом и организменном уровне.

Основой клеточной инженерии является гибридизация соматических кле­ток – слияние неполовых клеток с образованием единого целого. Слияние клеток может быть полным или с введением их отдельных частей (митохондрий, хлоропластов и т.д.).

Соматическая гибридизация позволяет скрещивать генетически отдален­ные организмы. Растительные, грибные и бактериальные клетки перед слиянием освобождают от клеточной стенки и получают протопласты. Затем проводят де­поляризацию наружных цитоплазматических мембран переменным электриче­ским или магнитным полем, используют катионы Са + . Клеточную стенку под­вергают ферментативному гидролизу.

Вопросы для самопроверки

1. Что является объектом биотехнологии?

2. Какие существуют типы клеточного строения?

3. Какие выделяют этапы роста культуры?

4. Что такое селекция и генная инженерия?

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

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 1

Обьекты биотехнологии и их уровни

Биотехнология означает любой вид технологии,связанный с использованием биологических систем, живых организмов или их производных для изготовления или изменения продуктов или процессов с целью их конкретного использования.Биотехнологические ресурсы-это биологические ресурсы,используемые в биотехнологических процессах.

Объекты для производства должны соответствовать определенным требованиям:-способность к росту на дешевых питательных средах.-высокая скорость роста и образования целевого продукта;-минимальное образование побочных продуктов;-стабильность продуцента и отношении производственных свойтв;-безвредность продуцента и целевого продукта для человека и окружающей среды.Важным свойством биообъекта является устойчивость к ифекции,что важно для поддержания стерильности и фагоустойчивость. Функции биообъекта заключаются в полном биосинтезе целевого продукта, вклющающий ряд последовательных ферментативных реакций или катализ лишь одной ферментативной реакции,которая имеет ключевое значение для получения целевого продукта.

Объекты биотехнологии очень разнообразны и диапазон их распространяется от организованных частей (вирусов) до человека Биообъект,осуществлящий полный биосинтез целевого продукта.называется продуцентом.Биообъект,являющийся индивидуальным ферментом,используемой биотехнологом, называют промышленным биокатализатором.

б) бактерии и цианобактерии;

г) водоросли;

д) простейшие;

ж) растения – низшие (анабена-азолла) и высшие – рясковые.

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.

Какими способностями обладают клетки организмов?

Клетка - элементарная биологическая система, способная к самообновлению, самовоспроизведению и развитию. Клеточные структуры лежат в основе строения растений и животных. Каким бы многообразным ни представлялось строение организмов, в основе его лежат сходные структуры - клетки.
Клетка обладает всеми свойствами живой системы:
осуществляет обмен веществом и энергией;
растет;
размножается и передает по наследству свои признаки;
реагирует на внешний сигналы (раздражители) ;
способна передвигаться.
Она является низшей ступенью организации, обладающей всеми этими свойствами, наименьшей структурной и функциональной единицей живого. Она может жить и отдельно: изолированные клетки многоклеточных организмов продолжают жить и размножаться в питательной среде.

Функции в клетке распределены между различными органеллами, такими как клеточное ядро, митохондрии и т. д. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами.Одноклеточные организмы - внесистематическая категория живых организмов, тело которых состоит из одной (в отличие отмногоклеточных) клетки (одноклеточность ). К ней могут относиться как прокариоты, так и эукариоты. Считается, что одноклеточными были первые живые организмы Земли. Наиболее древними из них считаются бактерии и археи.Многоклеточный организм - внесистематическая категория живых организмов, тело которых состоит из многих клеток, большая часть которых (кроме стволовых, например, клеток камбия у растений) дифференцированы, то есть различаются по строению и выполняемым функциям. Следует отличать многоклеточность и колониальность . У колониальных организмов отсутствуют настоящие дифференцированные клетки, а следовательно, и разделение тела на ткани. Современная клеточная теория включает следующие положения:
1) клетка - единица строения и развития всех организмов;
2) клетки организмов разных царств живой природы сходны по строению, химическому составу, обмену веществ, основным проявлениям жизнедеятельности;
3) новые клетки образуются в результате деления материнской клетки;
4) в многоклеточном организме клетки образуют ткани;
5) из тканей состоят органы.

Клетки грибов, растений и животных имеют сходное строение. В клетке различают три основные части: ядро, цитоплазму и плазматическую мембрану. Плазматическая мембрана состоит из липидов и белков. Она обеспечивает поступление веществ в клетку и выделение их из клетки. В клетках растений, грибов и большинства бактерий над плазматической мембраной имеется клеточная оболочка. Она выполняет защитную функцию и играет роль скелета. У растений клеточная оболочка состоит из целлюлозы, а у грибов из хитиноподобного вещества. Клетки животных покрыты полисахаридами, обеспечивающими контакты между клетками одной ткани.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ -3

1. Требования предьявляемые к биообьектам? Биообъект -это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

Требования, предъявляемые к биологическим объектам

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 являются 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 вследствие нестерильности системы.

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.

Перечислите генные ресурсы?

Ресурсы биологические - организмы, которые являются или могут быть объектами промысла; все живые средообразующие компоненты биосферы (продуценты, консументы, редуценты). Они относятся к категории исчерпаемых возобновимых природных ресурсов. Различают растительные ресурсы, ресурсы животного мира, охотничьи, пастбищные и др. Особо выделяют генетические ресурсы, т. е. наследственная генетическая информация, заключенная в генетическом коде живых существ.

Развитие биотехнологии тесно связано с использованием генетических ресурсов. Они, как правило, являются уникальной принадлежностью отдельных регионов мира, и на их применении часто основаны вековые традиции и национальные особенности земледелия, животноводства, медицины.

Генетические ресурсы - генетический материал, представляющий фактическую или потенциальную ценность.

В свою очередь, генетический материал определяется как любой материал растительного, животного, микробного или иного происхождения, содержащий функциональные единицы наследственности.

Биологические ресурсы - генетические ресурсы, организмы или их части, популяции или любые другие биотические компоненты экосистем, имеющие фактическую или потенциальную полезность либо ценность для человечества.

Каковы функции биообьектов?

Главным звеном биотехнологического процесса являются биообъекты.

Биообъект - центральный и обязательный элемент биотехнологического производства, создающий его специфику.

Биообъектом может быть целостный сохранивший жизнеспособность многоклеточный или одноклеточный организм. Им могут являться изолированные клетки многоклеточного организма, а также вирусы и выделенные из клеток мультиферментные комплексы, включенные в определенный метаболический процесс. Также биообъектом может быть индивидуальный изолированный фермент.

Функция биообъекта - полный биосинтез целевого продукта, включающий ряд последовательных ферментативных реакций или катализ лишь одной ферментативной реакции, которая имеет ключевое значение для получения целевого продукта.

Доказано, что использование ферментов в производстве в иммобилизованном виде, т.е. связанных с нерастворимым носителем, наиболее рационально, так как в этом случае обеспечиваются многократность их применения и стандартность повторяющихся производственных циклов.

К биообъектам относятся как макромолекулы, так и микро- и макроорганизмы. В качестве макромолекул используются ферменты. Их использование наиболее рационально, так как в этом случае обеспечиваются многократность их применения и стандартность повторяющихся производных циклов.

В качестве биообъектов для приготовления вакцин используются вирусы. Доминирующее положение в современном биотехнологическом процессе занимают микробные клетки эукариот и прокариот. Они являются продуцентами (биообъект, осуществляющий полный биосинтез целевого продукта) используемых в качестве лекарственных средств первичных метаболитов.

Высшие растения являются наиболее обширным источником получения лекарственных средств. При использовании растений в качестве биообъектов основное внимание сосредоточено на вопросах культивирования растительных тканей на искусственных средах.

Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации:

а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК);

б) бактерии и цианобактерии;

г) водоросли;

д) простейшие;

е) культуры клеток растений и животных;

ж) растения - низшие (анабена-азолла) и высшие - рясковые.

Типы и функции ДНК?

Нуклеиновые кислоты

Среди прочих химических веществ ДНК была выделена в отдельную группу в 1869 г. Однако строение и трехмерную структуру ДНК удалось расшифровать английскому ученому Ф.Крику и американскому Дж.Уотсону только в 1953 г. Ими была построена модель ДНК. Она представляет собой двойную спираль, оба тяжа которой скручены вокруг воображаемой оси.

Состоит ДНК из множества единиц дезоксирибонуклеотидов, которые делятся на четыре типа. Они образуют специфические последовательности, характерные для каждого конкретного живого организма. Эти дезоксирибонуклеотиды представляют собой трехкомпонентные образования, которые состоят из гетероциклического основания (пурины - аденин или гуанин, или пиримидины - тимин или цитозин), которые в свою очередь соединяются с дизоксирибозой.

В клетках прокариот содержится одна хромосома, в состав которой входит двойная цепь ДНК. Эукариотические клетки содержат несколько молекул ДНК, которые связаны с белками и организованы внутри ядра. Ядро окружено двухмембранной системой.

Функция ДНК состоит в том, что она хранит генетическую информацию, которая используется для кодирования структуры всех белков и всех видов РНК каждого вида организма, регулирует клеточный и тканевый биосинтез компонентов и обеспечивает индивидуальность каждого организма. Некоторые вирусы также используют ДНК в качестве генетического материала. Вирусные ДНК по размеру меньше, чем ДНК бактерий.

Структура ДНК. В ДНК условно можно выделить первичную, вторичную и третичную структуры.

Первичная структура ДНК – это количество, качество и порядок расположения остатков дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидных цепях.

Вторичная структура ДНК - представляетсобой организацию полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, направленных противоположно друг другу и правозакрученых вокруг спиральной оси с образованием двойного типа спирали. Ее диаметр составляет 1,8-2,0 нм с периодом идентичности 3,4 нм.

Углеводно-фосфатные группы в спирали расположены снаружи (сахарофосфатное основание), а азотистые основания - внутри. Азотистые основания двух цепей связываются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аденин образует двойную связь с тимином, а гуанин в свою очередь - три связи с цитозином. Двойная спираль - характерное строение для большинства ДНК-молекул. Одноцепную ДНК содержат некоторые вирусы, а также кольцевые формы ДНК - плазмиды.

Третичная структура ДНК - это образование в пространстве спиралевидных и суперспиралевидных форм молекулы ДНК. Третичная структура ДНК (прокариот и эукариот) отличается некоторыми особенностями, которые связаны со строением и функцией клеток. Третичная структура ДНК эукариот образуется благодаря множественной суперспирализации молекулы и реализуется в виде комплексов ДНК с белками.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 5_____

Классификация биообъектов

Макромолекулы

Ферменты всех классов (чаще гидролазы и трансферазы); в т.ч. в иммобилизированном виде (связанные с носителем) обеспечивающем многократность использования и стандартность повторяющихся производственных циклов;

ДНК и РНК - в изолированном виде, в составе чужеродных клеток.

Микроорганизмы

Вирусы (с ослабленной патогенностью используются для получения вакцин);

Клетки прокариоты и эукариоты - продуценты первичных метаболитов: аминокислот, азотистых оснований, коферментов, моно- и дисахаров, ферментов для заместительной терапии и т.д.); -продуценты вторичных метаболитов:антибиотики, алкалоиды, стероидные гормоны, и др.;

Нормофлоры - биомасса отдельных видов микроорганизмов применяемые для профилактики и лечения дисбактериозов;

Возбудители инфекционных заболеваний - источники антигенов для производства вакцин;

Трансгенные м/о или клетки - продуценты видоспецифичных для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета и т.д.

Макроорганизмы

Высшие растения - сырье для получения БАВ;

Животные - млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, членистоногие, рыбы, моллюски, человек;

Трансгенные организмы.

Типы и функции РНК?

Одним из важнейших открытий во второй половине двадцатого столетия стали нуклеиновые кислоты РНК и ДНК, благодаря которым человек приблизился к разгадкам тайн природы.

Нуклеиновые кислоты - это органические соединения, обладающие высокомолекулярными свойствами. В их состав входят водород, углерод, азот и фосфор.

Она представляет собой одну полинуклеотидную цепочку (кроме вирусов), которая намного короче, чем у ДНК. Один мономер РНК - это остатки следующих веществ: основания азота; пятиуглеродного моносахарида; кислоты фосфора. РНК имеют пиримидиновые (урацил и цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин) основания. Рибоза является моносахаридом нуклеотида РНК.

Клетка РНК впервые была открыта биохимиком из Германии Р. Альтманом при исследовании дрожжевых клеток. В середине двадцатого века была доказана роль ДНК в генетике. Лишь тогда описали и типы РНК, функции.

В зависимости от вида РНК, функции ее также отличаются. Существуют несколько видов:

1) Информационная РНК (и-РНК). Иногда данный биополимер называют матричной РНК (м-РНК). Данный вид РНК располагается как в ядре, так и в цитоплазме клетки. Основное назначение – перенос информации о строении белка от дезоксирибонуклеиновой кислоты к рибосомам, где и происходит сбор белковой молекулы. Относительно небольшая популяция молекул РНК, составляющая менее 1% от всех молекул.

2) Рибосомная РНК (р-РНК). Самый распространенный вид РНК (около 90% от всех молекул данного вида в клетке). Р-РНК расположена в рибосомах и является матрицей для синтеза белковых молекул. Имеет наибольшие, по сравнению с другими видами РНК, размеры. Молекулярная масса может достигать 1,5 миллионов к Дальтон и более.

3) Транспортная РНК (т-РНК). Расположена, преимущественно, в цитоплазме клетки. Основное назначение - осуществление транспорта (переноса) аминокислот к месту синтеза белка (в рибосомы). Транспортная РНК составляет до 10% от всех молекул РНК, располагающихся в клетке. Имеет наименьше, по сравнению с другими РНК- молекулами, размеры (до 100 нуклеотидов).

4) Минорные (малые) РНК. Это молекулы РНК, чаще всего с небольшой молекулярной массой, располагающиеся в различных участках клетки (мембране, цитоплазме, органеллах, ядре и т.д.). Их роль до конца не изучена. Доказано, что они могут помогать созреванию рибосомной РНК, участвуют в переносе белков через мембрану клетки, способствуют редупликации молекул ДНК и т.д.

5) Рибозимы. Недавно выявленный вид РНК, принимающие активное участие в ферментативных процессах клетки в качестве фермента (катализатора).

6) Вирусные РНК. Любой вирус может содержать только один вид нуклеиновой кислоты: либо ДНК либо РНК. Соответственно, вирусы, имеющие в своём составе молекулу РНК, получили название РНК-содержащие. При попадании в клетку вируса данного типа может происходить процесс обратной транскрипции (образование новых ДНК на базе РНК), и уже вновь образовавшаяся ДНК вируса встраивается в геном клетки и обеспечивает существование, а также размножение возбудителя. Вторым вариантом сценария является образование комплиментарной РНК на матрице поступившей вирусной РНК. В этом случае, образование новых вирусных белков, жизнедеятельность и размножение вируса происходит без участия дезоксирибонуклеиновой кислоты только на основании генетической информации, записанной на вирусной-РНК.

Типы и функции генов?

Ген, классификация и организация генов
Генетика изучает универсальные для всех живых организмов закономерности наследственности и изменчивости.
Элементарными дискретными единицами наследственности являются гены . Воспроизведение и действие генов непосредственно связано с матричными процессами. В настоящее время ген рассматривается как единица функционирования наследственного материала. Химической основой гена является молекула ДНК.
Существует несколько подходов к классификации генов, каждый из которых отражает особенности их функционирования в процессе онтогенеза. Гены, как единицы функции наследственного материала, разделяются на структурные, регуляторные и гены-модуляторы.
Структурные гены содержат информацию о структуре белка (полипептидов) и рибонуклеиновых кислот (рибосомальной и транспортной), при этом генетическая информация реализуется в процессе транскрипции и трансляции или только транскрипции.У человека насчитывается около 30 000 структурных генов, но только часть из них экспрессирована.
Жизнедеятельность клеток обеспечивается небольшим набором функционирующих генов, среди них различают гены «домашнего хозяйства» - ГОФ (гены общеклеточных функций)и гены «роскоши» - ГСП (гены специализированных функций). ГОФ обеспечивают осуществление универсальных клеточных функций, которые необходимы для деятельности всех клеток (гены гистонов, гены р-РНК и т-РНК и др.). ГСП: 1- избирательно экспрессируются в специализированных клетках, определяя их фенотип (гены глобинов, иммуноглобулинов и др.); 2 - функционируют при определенных условиях внешней среды и представляют гены “адаптивного ответа”. Принадлежность к ГОФ или ГСП определяется структурой инициатора.
Регуляторные гены (ген - регулятор лактозного оперона, ген TFM и др.) координируют активность структурных генов на уровне клетки, а также дерепрессию и репрессию генов на уровне организма. Наряду с регуляторными генами, имеются регуляторные последовательности (промотор, оператор, терминатор, энхансеры, сайленсеры, элемент перед промотором), функция которых выявляется во взаимодействии со специфическими белками.
Гены-модуляторы усиливают или ослабляют действие структурных генов, изменяя их функциональную активность.
Структурные гены различным образом организованы у прокариот и эукариот.
У прокариот структурные гены организованы в виде независимых генов, транскрипционных единиц и оперонов.
Независимые гены состоят из непрерывной последовательности кодонов, они постоянно экспрессированы и не регулируются на уровне транскрипции (ген-регулятор лактозного оперона). Транскрипционные единицы - группы разных генов, которые связаны функционально и транскрибируются одновременно, что обеспечивает в последующем одинаковое количество синтезируемых продуктов. Обычно это гены белков или нуклеиновых кислот (у кишечной палочки в составе одного из транскриптонов находятся два гена т-РНК, три гена р-РНК).
Оперон - это группа структурных генов, следующих друг за другом, находящихся под контролем оператора - определённого участка ДНК.
Структурные гены имеют общий промотор, оператор и терминатор, участвуют в одном метаболическом цикле и регулируются координированно
У эукариот структурные гены, функция которых связана с регуляторными, организованы в виде независимых генов, повторяющихся генов и кластеров генов.
Независимые гены, как правило, располагаются индивидуально, их транскрипция не связана с транскрипцией других генов. Активность некоторых из них регулируется гормонами.
Повторяющиеся гены присутствуют в хромосоме в виде повторов (копий) одного гена - гены гистонов, тРНК, рРНК. Причина повторяемости гистоновых генов определяется необходимостью синтезировать большое количество гистонов, которые являются основными структурными белками ядра (суммарная масса гистонов равна массе ДНК).
Кластер генов - это группа различных генов с родственными функциями, локализованных в определённых участках хромосом. В состав кластера входят активно функционирующие гены и псевдогены (Нуклеотидные последовательности псевдогенов сходны с последовательностями функционально активных генов, но псевдогены не экспрессируются и не образуют белок. Часто кластеры являются семейством генов, произошедшим от некоего гена-предка.
Классическим примером являются гены глобина в составе А и В кластеров. Гемоглобин представлен гемом и белком тетрамером-глобином. Глобиновый тетрамер состоит из двух идентичных цепей и двух идентичных цепей. Аминокислотная последовательность каждой глобиновой цепи и кодируется своим собственным геном, входящим соответственно в состав А или В кластера. У человека А кластер располагается в 16 хромосоме, а В кластер в 11 хромосоме (рис. 20). Кластер В занимает участок ДНК размером 50 тысяч пар нуклеотидов и включает в себя пять функционально активных генов и один псевдоген: ген (эпсилон); два гена (гамма); псевдоген (бэта); ген (дельта) и ген (бэта).
Кластер А располагается более компактно и занимает участок ДНК размером более 28 тысяч пар нуклеотидов и включает в себя активный ген (дзета), псевдоген (дзета), псевдоген (альфа) и гены (альфа) два и (альфа) один, кодирующие идентичные белки. Гены глобина по внутреннему строению являются мозаичными.
Повторяющиеся гены и кластеры глобиновых генов относятся к мультигенным семейства

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 7_____

Продуценты белка

Производство микробной биомассы - самое крупное микробиологическое производство. Микробная биомасса может быть хорошей белковой добавкой для домашних животных, птиц и рыб. Производство микробной биомассы особенно важно для стран, не культивирующих в больших масштабах сою (соевую муку используют как традиционную белковую добавку к кормам).

При выборе микроорганизма учитывают удельную скорость роста и выход биомассы на данном субстрате, стабильность при поточном культивировании, величину клеток. Клетки дрожжей крупнее, чем бактерий, и легче отделяются от жидкости при центрифугировании. Можно выращивать полиплоидные мутанты дрожжей с крупными клетками. В настоящее время известны только две группы микроорганизмов, которым присущи свойства, необходимые для крупномасштабного промышленного производства: это дрожжи рода Candida на n-алканах (нормальных углеводородах) и бактерии Methylophillus methylotrophus на метаноле.

Микроорганизмы можно выращивать и на других питательных средах: на газах, нефти, отходах угольной, химической, пищевой, винно-водочной, деревообрабатывающей промышленности. Экономические преимущества их использования очевидны. Так, килограмм переработанной микроорганизмами нефти дает килограмм белка, а, скажем, килограмм сахара - всего 500 граммов белка. Аминокислотный состав белка дрожжей практически не отличается от такового, полученного из микроорганизмов, выращенных на обычных углеводных средах. Биологические испытания препаратов из дрожжей, выращенных на углеводородах, которые проведены и у нас в стране и за рубежом, выявили полное отсутствие у них какого-либо вредного влияния на организм испытуемых животных. Опыты были проведены на многих поколениях десятков тысяч лабораторных и сельскохозяйственных животных. В непереработанном виде дрожжи содержат неспецифические липиды и аминокислоты, биогенные амины, полисахариды и нуклеиновые кислоты, а их влияние на организм пока еще плохо изучено. Поэтому и предлагается выделять из дрожжей белок в химически чистом виде. Освобождение его от нуклеиновых кислот также уже стало несложным.

В современных биотехнологических процессах, основанных на использовании микроорганизмов, продуцентами белка служат дрожжи, другие грибы, бактерии и микроскопические водоросли.

С технологической точки зрения наилучшими из них являются дрожжи. Их преимущество заключается прежде всего в "технологичности": дрожжи легко выращивать в условиях производства. Они характеризуются высокой скоростью роста, устойчивостью к посторонней микрофлоре, способны усваивать любые источники питания, легко отделяются, не загрязняют воздух спорами. Клетки дрожжей содержат до 25% сухих веществ. Наиболее ценный компонент дрожжевой биомассы - белок, который по составу аминокислот превосходит белок зерна злаковых культур и лишь немного уступает белкам молока и рыбной муки. Биологическая ценность дрожжевого белка определяется наличием значительного количества незаменимых аминокислот. По содержанию витаминов дрожжи превосходят все белковые корма, в том числе и рыбную муку. Кроме того, дрожжевые клетки содержат микроэлементы и значительное количество жира, в котором преобладают ненасыщенные жирные кислоты. При скармливании кормовых дрожжей коровам повышаются удои и содержание жира в молоке, а у пушных зверей улучшается качество меха. Интерес представляют и дрожжи, обладающие гидролитическими ферментами и способные расти на полисахаридах без их предварительного гидролиза. Использование таких дрожжей позволит избежать дорогостоящую стадию гидролиза полисахаридсодержащих отходов. Известно более 100 видов дрожжей, которые хорошо растут на крахмале как на единственном источнике углерода. Среди них особенно выделяются два вида, которые образуют как глюкоамилазы, так и β-амилазы, растут на крахмале с высоким экономическим коэффициентом и могут не только ассимилировать, но и сбраживать крахмал: Schwanniomyces occidentalis и Saccharomycopsis fibuliger. Оба вида - перспективные продуценты белка и амилолитических ферментов на крахмалсодержащих отходах. Ведутся поиски и таких дрожжей, которые могли бы расщеплять нативную целлюлозу. Целлюлазы обнаружены у нескольких видов, например у Trichosporon pullulans, однако активность этих ферментов низкая и о промышленном использовании таких дрожжей говорить пока не приходится. Дрожжи из рода Kluyveromyces хорошо растут на инулине - основном запасном веществе в клубнях топинамбура - важной кормовой культуры, которая также может быть использована для получения дрожжевого белка.

Классификация ферментов

Классификация ферментов основана на механизме их действия и включает 6 классов.

Ферменты как биокатализаторы обладают рядом уникальных свойств, например, таких как высокая каталитическая активность и избирательность действия. В ряде случаев ферменты обладают абсолютной специфичностью, катализируя превращение только одного вещества. Для каждого фермента существует свой оптимум рН, при котором его каталитическое действие максимально. При резком изменении рН ферменты инактивируются из-за необратимой денатурации. Ускорение реакции при повышении температуры также лимитировано определенными пределами, поскольку уже при температуре 40-50 о С многие ферменты денатурируют. Эти свойства ферментов приходится учитывать при разработке технологии нового препарата.

Поскольку ферменты - вещества белковой природы, в смеси с другими белками их количество определить практически невозможно. Наличие фермента в препарате может быть установлено лишь по протеканию той реакции, которую катализирует фермент. При этом количественную оценку содержания фермента можно дать, определив либо количество образовавшихся продуктов реакции, либо количество израсходовавшегося субстрата. За единицу активности фермента принимают то его количество, которое катализирует превращение одного микромоля субстрата в 1 минуту при заданных стандартных условиях - стандартная единица активности.

Основную часть ферментов, получаемых промышленным способом, составляют гидролазы. К ним относятся, в первую очередь амилолитические ферменты: α-амилаза, β-амилаза, глюкоамилаза. Их основная функция - гидролиз крахмала и гликогена. Крахмал при гидролизе расщепляется на декстрины, а затем до глюкозы. Эти ферменты применяются в спиртовой промышленности, хлебопечении.

Протеолитические ферменты образуют класс пептидгидролаз. Их действие заключается в ускорении гидролиза пептидных связей в белках и пептидах. Важная их особенность - селективный характер действия на пептидные связи в белковой молекуле. Например, пепсин действует только на связь с ароматическими аминокислотами, трипсин - на связь между аргинином и лизином. В промышленности протеолитические ферменты классифицируют по способности проявлять активность в определенной области рН:

· рН 1.5 - 3.7 - кислые протеазы;

· рН 6.5 - 7.5 - протеазы;

· pH > 8.0 - щелочные протеазы.

Протеазы находят широчайшее применение в разных отраслях промышленности:

· мясная - для смягчения мяса;

· кожевенная - смягчение шкур;

· кинопроизводство - растворение желатинового слоя при регенерации пленок;

· парфюмерная - добавки в зубную пасту, кремы, лосьоны;

· производство моющих средств - добавки для удаления загрязнений белковой природы;

· медицина - при лечении воспалительных процессов, тромбозов и т.д.

Пектолитические ферменты уменьшают молекулярную массу и снижают вязкость пектиновых веществ. Пектиназы делятся на две группы - гидролазы и трансэлиминазы. Гидралазы отщепляют метильные остатки или разрывают гликозидные связи. Трансэлиминазы ускоряют негидролитическое расщепление пектиновых веществ с образованием двойных связей. Применяются в текстильной промышленности (вымачивание льна перед переработкой), в виноделии - осветление вин, а также при консервировании фруктовых соков.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ 8

1 Назовите наиболее распространенных представителей цианобактерии? Цианобактерии, или сине-зеленые водоросли (лат. Cyanobacteria) - обширная группа грамотрицательных бактерий крупных размеров, отличительной особенностью которых является способность к фотосинтезу. Цианобактерии - это наиболее сложно устроенные и дифференцированные прокариоты. Цианобактерии распространены в морях и пресных водоемах, почвенном покрове, могут участвовать в симбиозах (лишайники). Редкие виды обладают токсичностью и условно-патогенны для человека. Сине-зеленые водоросли основные элементы, вызывающие «цветение» воды, что приводит к массовой гибели рыб, отравлениям животных и людей. Для некоторых видов характерна редкая комбинация свойств: способность к фотосинтезу и одновременно фиксации азота из атмосферного воздуха.

Цианобактерии – одноклеточные организмы, могут формировать колонии, известны нитчатые формы. Размножение осуществляется посредством бинарного деления, возможно множественное деление. Продолжительность жизненного цикла при благоприятных условиях составляет 6-12 часов.

Цианобактерии широко распространены в самых разнообразных экологических нишах по всему земному шару, за что получили название космополитных организмов. Такое широкое распространение связано с биологическими свойствами цианобактерии - специфическим метаболизмом, высокой устойчивостью к изменению таких параметров среды, как температура, влажность, освещенность, засоленность, ультрафиолетовое и радиационное облучение и т.д. Цианобактерии обитают в тундре, в снегах и льдах, в пустынях, в горячих исто чниках с температурой до 80С, в засоленных озерах и почве.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №9

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №10

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 11

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 12

1. Как называют полезные бактерии? Приведите примеры таких бактерии?

Полезные бактерии относятся к эубактериям. Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, - это грамотрицательные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту в углекислый газ и воду. Род Bacillus относится к грамположительным бактериям, которые способны образовывать эндоспоры и имеют перитрихиальное жгутикование. B.subtilis - строгий аэроб, а B.thuringiensis может жить и в анаэробных условиях. Анаэробные, образующие споры бактерии представлены родом Clostridium. C.acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n-бутанол (ацетобутаноловое брожение), другие виды могут также сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения.