Os principais objetos da biotecnologia são microscópicos. Objetos biológicos e métodos de biotecnologia. Objetos de biotecnologia e seus níveis

Como um objetos as biotecnologias podem incluir: células de microrganismos, animais e plantas, animais e plantas transgênicas, bem como sistemas enzimáticos multicomponentes de células e enzimas individuais.

A base da produção biotecnológica mais moderna é a síntese microbiana, ou seja, a síntese de várias substâncias biologicamente ativas a partir de microrganismos. Independentemente da natureza do objeto, a etapa principal no desenvolvimento de qualquer processo biotecnológico é a obtenção culturas puras organismos (se forem micróbios), células ou tecidos (se forem organismos mais complexos - plantas ou animais). Muitas etapas de manipulação adicional destas últimas (ou seja, células vegetais ou animais) são princípios e métodos utilizados na produção microbiológica. Do ponto de vista metodológico, tanto as culturas de células microbianas como as culturas de tecidos vegetais e animais praticamente não diferem das culturas microbianas. Mundo m gerar organismos extremamente diversificado. Pousada. Mais de 100 mil tipos diferentes deles são conhecidos. Esse procariontes(bactérias, actinomicetos, rickettsias, cianobactérias) e parte de e ukaryote(leveduras, fungos filamentosos, alguns protozoários e algas). Com uma grande variedade de microrganismos, um problema importante é a escolha correta do organismo que é capaz de fornecer o produto requerido, ou seja, servir a fins industriais. Microrganismos:

1) Industriais : Escherichia coli ( E. coli), pau de feno ( Você. sutilis) e fermento de padeiro ( S. cerevisiae). Geralmente eles são superprodutores. Para obter superprodutores, são realizados trabalhos de seleção genética e abordagens de engenharia genética (introdução de genes humanos em bactérias: genes para interferons, insulina, etc.). PS deve ser patenteado.

2) Básico- usado em número limitado, classificado como GRAS(“geralmente reconhecido como seguro” - bactérias Bacillus subtilis, Bacillus amylolique-faciens, outros tipos de bacilos e lactobacilos, espécies Streptomyces, cogumelos Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, levedura Saccharomyces e etc. . GRAS- os microrganismos são não patogênicos, não tóxicos e geralmente não formam antibióticos, portanto, ao desenvolver um novo processo biotecnológico, deve-se focar nesses microrganismos.

3) Modelo- bacilos (produtores de enzimas proteolíticas) Existem catálogos de microrganismos modelo.

O principal critério Na escolha de um objeto biotecnológico, a capacidade de sintetizar o produto alvo é importante. os microrganismos devem (requisitos):

Possuem uma alta taxa de crescimento;

Reciclar substratos baratos necessários à sua vida;

Ser resistente à microflora estrangeira, ou seja, ter alta competitividade. (requisitos): capacidade de cultivo em substratos baratos, alta eficiência econômica, formação mínima de subprodutos (metabólitos tóxicos, alérgenos)

Todos os itens acima proporcionam uma redução significativa no custo de produção do produto alvo. A seguir estão exemplos destinados a ilustrar o que foi dito acima.

1. Organismos unicelulares caracterizado por taxas mais altas de crescimento e processos sintéticos,

2. É dada especial atenção aos objetos de desenvolvimento biotecnológico microrganismos fotossintéticos, usando a energia da luz solar em suas vidas.

3. microrganismos termofílicos, crescendo a 60-80 °C. Esta propriedade é um obstáculo quase intransponível ao desenvolvimento da microflora estrangeira.

24. Vantagens dos microrganismos sobre outros objetos na resolução de problemas biotecnológicos modernos:

· Tamanhos pequenos

· Onipresente

· Vários tipos de metabolismo

· Fototróficos

· Ocupar um volume pequeno (1 ml até 1 bilhão de indivíduos)

·Alta taxa de divisão, crescimento rápido

· Capaz de viver em diversas condições.

Organismos fotossintéticos são promissores como produtores de amônia, hidrogênio e proteínas.

Microrganismos termofílicos que crescem a 60-80 graus são uma proteção confiável contra contaminação. As enzimas sintetizadas por termófilos são caracterizadas por maior resistência ao calor, mas ao mesmo tempo são inativos em temperaturas normais.

Microorganismos como objetos de biotecnologia. Classificação. Característica.

As bactérias são extremamente diversas em termos de condições de vida, adaptabilidade, tipos de nutrição e produção de bioenergia, em relação aos macroorganismos – animais e plantas. As formas mais antigas de bactérias - arqueobactérias - são capazes de viver em condições extremas (altas temperaturas e pressões, soluções salinas concentradas, soluções ácidas). As eubactérias (procariontes típicos ou bactérias) são mais sensíveis às condições ambientais.

De acordo com o tipo de nutrição, as bactérias são divididas de acordo com a fonte de energia:

· fototróficos que utilizam a energia da luz solar;

· quimioautotróficos, utilizando a energia de oxidação de substâncias inorgânicas (compostos de enxofre, metano, amônia, nitritos, compostos de ferro ferroso, etc.);

Por tipo de oxidação da substância:

organotróficos que obtêm energia a partir da decomposição de substâncias orgânicas em minerais; essas bactérias são os principais participantes do ciclo do carbono, as bactérias que utilizam a energia da fermentação pertencem ao mesmo grupo;

Litótrofos (substâncias inorgânicas);

Por tipo de fontes de carbono:

Heterotrófico – utiliza substâncias orgânicas;

· aftotrófico – utiliza gás;

Para indicar o tipo de fonte de alimentação:

1. a natureza da fonte de energia é foto ou quimio;

2. Doadores de elétrons lito- ou organo-;

3. Fontes de carbono afto- e hetero-;

E o termo termina com as palavras troféu. 8 tipos de energia diferentes.

Animais e plantas superiores são propensos a 2 tipos de nutrição:

1) Quimioorganoheterotrofia (animais)

2) Fotolitofotrofia (plantas)

O microrganismo possui todos os tipos de nutrição, podendo passar de um para outro dependendo de sua existência

Existe um tipo separado de comida:

As bactérias são objetos convenientes para pesquisa genética. A mais estudada e amplamente utilizada em pesquisas de engenharia genética é a Escherichia coli (E. coli), que vive no intestino humano.

Organização e estrutura da produção biotecnológica. Características distintivas da produção biotecnológica dos tipos tradicionais de tecnologias. Vantagens e desvantagens da produção biotecnológica em comparação com as tecnologias tradicionais.

A grande variedade de processos biotecnológicos que encontraram aplicação industrial leva à necessidade de considerar os problemas gerais e mais importantes que surgem na criação de qualquer produção biotecnológica. Os processos de biotecnologia industrial são divididos em 2 grandes grupos: produção de biomassa e produção de produtos metabólicos. Contudo, tal classificação não reflete os aspectos mais significativos dos processos biotecnológicos industriais do ponto de vista tecnológico. Nesse sentido, é necessário considerar as etapas da produção biotecnológica, suas semelhanças e diferenças dependendo do objetivo final do processo biotecnológico.

Existem 5 etapas de produção biotecnológica.

As duas etapas iniciais incluem a preparação de matérias-primas e princípios biologicamente ativos. Nos processos enzimáticos de engenharia, geralmente consistem na preparação de uma solução de um substrato com propriedades específicas (pH, temperatura, concentração) e na preparação de um lote de um determinado tipo de preparação enzimática, enzimática ou imobilizada. Na realização da síntese microbiológica são necessárias as etapas de preparação do meio nutriente e manutenção da cultura pura, que poderá ser utilizada constantemente ou conforme a necessidade do processo. Manter uma cultura pura da cepa produtora é a principal tarefa de qualquer produção microbiológica, pois uma cepa altamente ativa e que não sofreu alterações indesejáveis ​​pode servir como garantia de obtenção do produto alvo com as propriedades desejadas.

A terceira etapa é a fermentação, na qual ocorre a formação do produto alvo. Nesta fase, ocorre a transformação microbiológica dos componentes do meio nutriente, primeiro em biomassa e depois, se necessário, no metabólito alvo.

Na quarta etapa, os produtos alvo são isolados e purificados do líquido de cultura. Os processos microbiológicos industriais são tipicamente caracterizados pela formação de soluções e suspensões muito diluídas contendo, além do alvo, grande quantidade de outras substâncias. Neste caso, é necessário separar misturas de substâncias de natureza muito semelhante, que estão em solução em concentrações comparáveis, são muito lábeis e facilmente sujeitas à destruição térmica.

A etapa final da produção biotecnológica é a preparação das formas comerciais dos produtos. Uma propriedade comum da maioria dos produtos de síntese microbiológica é a falta de estabilidade de armazenamento, uma vez que são propensos à decomposição e, nesta forma, proporcionam um excelente ambiente para o desenvolvimento de microflora estranha. Isto obriga os tecnólogos a tomar medidas especiais para melhorar a segurança dos produtos biotecnológicos industriais. Além disso, os medicamentos para uso médico requerem soluções especiais na fase de embalagem e tampamento, por isso devem ser estéreis.

O principal objetivo da biotecnologia é o uso industrial de processos e agentes biológicos baseados na produção de formas altamente eficazes de microrganismos, culturas de células e tecidos de plantas e animais com propriedades desejadas. A biotecnologia surgiu na intersecção das ciências biológicas, químicas e técnicas.

Processo biotecnológico - inclui uma série de etanos: preparação do objeto, seu cultivo, isolamento, purificação, modificação e utilização de produtos.

Os processos biotecnológicos podem ser baseados em cultivo descontínuo ou contínuo.

Em muitos países ao redor do mundo, a biotecnologia é de suma importância. Isto se deve ao fato de que a biotecnologia apresenta uma série de vantagens significativas sobre outros tipos de tecnologia, por exemplo, a tecnologia química.

1). Isto é, antes de tudo, baixa intensidade energética. Os processos biotecnológicos são realizados à pressão normal e temperaturas de 20-40° C.

2). A produção biotecnológica baseia-se frequentemente na utilização de equipamento padrão do mesmo tipo. O mesmo tipo de enzimas é usado para produzir aminoácidos e vitaminas; enzimas, antibióticos.

3). Os processos biotecnológicos são fáceis de tornar livres de resíduos. Os microrganismos assimilam uma grande variedade de substratos, de modo que os resíduos de uma produção específica podem ser convertidos em produtos valiosos com a ajuda de microrganismos durante outra produção.

4). A natureza livre de resíduos da produção biotecnológica torna-a a mais ecológica

5). A investigação no domínio da biotecnologia não requer grandes investimentos de capital e não requer equipamentos caros.

As principais tarefas da biotecnologia moderna incluem a criação e o desenvolvimento generalizado de:

1) novas substâncias biologicamente ativas e medicamentos (interferons, insulina, hormônios de crescimento, anticorpos);

2) meios microbiológicos para proteger as plantas de doenças e danos

lei, fertilizantes bacterianos e reguladores de crescimento de plantas, novos híbridos de plantas agrícolas altamente produtivos e resistentes a fatores ambientais adversos obtidos por métodos de engenharia genética e celular;

3) aditivos alimentares valiosos e substâncias biologicamente ativas (proteínas alimentares, aminoácidos, enzimas, vitaminas, antibióticos alimentares) para aumentar a produtividade do gado;

4) novas tecnologias para obtenção de produtos economicamente valiosos para uso nas indústrias alimentícia, química, microbiológica e outras;

5) tecnologias para processamento profundo e eficiente de resíduos agrícolas, industriais e domésticos, utilização de águas residuais e emissões gasosas-ar para produzir biogás e fertilizantes de alta qualidade.

A tecnologia tradicional (convencional) representa desenvolvimentos que refletem o nível médio de produção alcançado pela maioria dos fabricantes de produtos da indústria. Esta tecnologia não proporciona ao seu comprador vantagens técnicas e econômicas significativas e qualidade do produto em comparação com produtos similares de fabricantes líderes, e neste caso não se pode contar com lucros adicionais (acima da média). Suas vantagens para o comprador são o custo relativamente baixo e a oportunidade de adquirir tecnologia testada em condições de produção. A tecnologia tradicional é criada, via de regra, como resultado da obsolescência e da disseminação em larga escala de tecnologia avançada. Essa tecnologia costuma ser vendida a preços que compensam o vendedor pelos custos de preparação e obtenção de lucro médio.

Vantagens dos processos biotecnológicos em comparação com a tecnologia química: a biotecnologia apresenta as seguintes vantagens principais:

· a possibilidade de obtenção de substâncias naturais específicas e únicas, algumas das quais (por exemplo, proteínas, ADN) ainda não podem ser obtidas por síntese química;

·realização de processos biotecnológicos a temperaturas e pressões relativamente baixas;

microrganismos têm taxas significativamente mais altas de crescimento e acúmulo de massa celular do que outros organismos

· resíduos agrícolas e industriais baratos podem ser utilizados como matéria-prima em processos biotecnológicos;

· os processos biotecnológicos, em comparação com os químicos, são geralmente mais ecológicos, têm menos resíduos nocivos e estão próximos dos processos naturais que ocorrem na natureza;

·Via de regra, a tecnologia e os equipamentos na produção biotecnológica são mais simples e baratos.

Estágio biotecnológico

A etapa principal é a própria etapa biotecnológica, na qual, por meio de um ou outro agente biológico, ocorre a transformação da matéria-prima em um ou outro produto alvo.

Normalmente a principal tarefa da etapa biotecnológica é a obtenção de uma determinada substância orgânica.

A etapa biotecnológica inclui:

A fermentação é um processo realizado pelo cultivo de microrganismos.

A biotransformação é o processo de alteração da estrutura química de uma substância sob a influência da atividade enzimática de células de microrganismos ou de enzimas prontas.

A biocatálise é a transformação química de uma substância que ocorre por meio de biocatalisadores-enzimas.

A biooxidação é o consumo de poluentes por microrganismos ou a associação de microrganismos em condições aeróbicas.

A fermentação do metano é o processamento de resíduos orgânicos utilizando uma associação de microrganismos metanogênicos em condições anaeróbicas.

A biocompostagem é a redução do teor de substâncias orgânicas nocivas pela associação de microrganismos nos resíduos sólidos, que recebem uma estrutura especial solta para garantir acesso ao ar e umidade uniforme.

Biossorção é a sorção de impurezas nocivas de gases ou líquidos por microrganismos, geralmente ligados a transportadores sólidos especiais.

A lixiviação bacteriana é o processo de conversão de compostos metálicos insolúveis em água em um estado dissolvido sob a influência de microrganismos especiais.

A biodegradação é a destruição de compostos nocivos sob a influência de microrganismos biodestrutores.

Tipicamente, um estágio biotecnológico tem uma corrente líquida e uma corrente gasosa como correntes de saída, às vezes apenas uma corrente líquida. Se o processo ocorrer na fase sólida (por exemplo, maturação de queijo ou biocompostagem de resíduos), a saída será um fluxo de produto sólido processado.

Etapas preparatórias

As etapas preparatórias servem para preparar e preparar os tipos de matérias-primas necessárias à etapa biotecnológica.

Os seguintes processos podem ser usados ​​durante a fase de preparação.

Esterilização do ambiente - para processos biotecnológicos assépticos onde a entrada de microflora estranha é indesejável.

Preparação e esterilização de gases (geralmente ar) necessários a um processo biotecnológico. Na maioria das vezes, a preparação do ar consiste em limpá-lo de poeira e umidade, garantindo a temperatura necessária e limpando-o de microorganismos presentes no ar, incluindo esporos.

Preparação de sementes. Obviamente, para a realização de um processo microbiológico ou de cultivo de células vegetais ou animais isoladas, é necessário preparar a semente - uma pequena quantidade pré-cultivada de um agente biológico em comparação com a etapa principal.

Preparação do biocatalisador. Para os processos de biotransformação ou biocatálise, é necessário primeiro preparar um biocatalisador - seja uma enzima na forma livre ou fixa em um transportador, ou uma biomassa de microrganismos previamente cultivada até um estado em que sua atividade enzimática se manifeste.

Pré-processamento de matérias-primas. Se as matérias-primas entrarem na produção em forma inadequada para uso direto no processo biotecnológico, é realizada uma operação de preparação preliminar das matérias-primas. Por exemplo, na produção de álcool, o trigo é primeiro triturado e depois submetido ao processo enzimático de “sacarificação”, após o qual o mosto sacarificado é convertido em álcool na fase biotecnológica por fermentação.

Limpeza do Produto

A tarefa desta etapa é remover impurezas e tornar o produto o mais puro possível.

A cromatografia é um processo semelhante à adsorção.

A diálise é um processo no qual substâncias de baixo peso molecular podem passar através de um septo semipermeável, enquanto permanecem substâncias de alto peso molecular.

Cristalização. Este processo é baseado nas diferentes solubilidades das substâncias em diferentes temperaturas.

Concentração do produto

A outra tarefa é garantir sua concentração.

Na etapa de concentração são utilizados processos como evaporação, secagem, precipitação, cristalização com filtração dos cristais resultantes, ultrafiltração e hiperfiltração ou nanofiltração, que proporcionam uma espécie de “espremer” o solvente da solução.

Tratamento de Efluentes e Emissões

A purificação destas águas residuais e emissões é uma tarefa especial que deve ser resolvida nos nossos tempos ambientalmente desfavoráveis. Essencialmente, o tratamento de águas residuais é uma produção biotecnológica separada, que possui etapas preparatórias próprias, uma etapa biotecnológica, uma etapa de sedimentação de biomassa de lodo ativado e uma etapa adicional de tratamento de águas residuais e processamento de lodo.

Tipos de objetos biológicos utilizados em biotecnologia, sua classificação e características. Objetos biológicos de origem animal. Objetos biológicos de origem vegetal.

Os objetos da biotecnologia incluem: partículas extracelulares organizadas (vírus), células de bactérias, fungos, protozoários, tecidos de fungos, plantas, animais e humanos, enzimas e componentes enzimáticos, moléculas biogênicas de ácidos nucléicos, lectinas, citocininas, metabólitos primários e secundários.

Atualmente, a maioria dos objetos biológicos da biotecnologia são representados por representantes de 3 super-reinos:

1) Acoriotas – acoriotas ou anucleadas;

2) Procariotos – procariontes ou pré-nucleares;

3) Eucariotac - eucariotos ou nucleares.

Eles são representados por 5 reinos: os acariontes incluem os vírus (partículas organizadas não celulares); Os procariontes incluem bactérias (unidade morfológica elementar); Os eucariotos incluem fungos, plantas e animais. Tipo de codificação da informação genética do DNA (para vírus DNA ou RNA).

As bactérias têm uma organização celular, mas o material nuclear não está separado do citoplasma por nenhuma membrana e não está associado a nenhuma proteína. A maioria das bactérias é unicelular; seu tamanho não excede 10 micrômetros. Todas as bactérias são divididas em arquiobactérias e eubactérias.

Os cogumelos (Mycota) são importantes objetos biotecnológicos e produtores de uma série de importantes compostos e aditivos alimentares: antibióticos, hormônios vegetais, corantes, proteínas de cogumelos, vários tipos de queijos. Os micromicetos não formam o corpo frutífero, enquanto os macromicetos o fazem. Possuem características de animais e plantas.

Plantas (Plantae). São conhecidas cerca de 300 mil espécies de plantas. São plantas orgânicas diferenciadas, cujas partes constituintes são os tecidos (merimestent, tegumentar, condutor, mecânico, basal e secretor). Apenas os tecidos miméticos são capazes de se dividir. Qualquer tipo de planta, sob certas condições, pode produzir uma massa celular desorganizada de células em divisão - calo. Os objetos biológicos mais importantes são protoplastos de células vegetais. Eles não têm parede celular. Usado em engenharia celular. Algas marinhas são frequentemente usadas. Deles são obtidos ágar-ágar e alginatos (polissacarídeos utilizados na preparação de meios microbiológicos).

Animais (Animalia). Na biotecnologia, objetos biológicos, como células de vários animais, são amplamente utilizados. Além das células de animais superiores, são utilizadas células de animais protozoários. Células de animais superiores são utilizadas para obter DNA recombinante e para estudos toxicológicos.

O principal objeto do processo biotecnológico é a célula. O produto alvo é sintetizado nele. Em essência, uma célula é uma fábrica química em miniatura onde centenas de compostos complexos são sintetizados a cada minuto.

A base da produção biotecnológica moderna é a síntese de diversas substâncias a partir de células microbianas. Células de plantas e animais superiores ainda não encontraram uso generalizado, devido às suas altas demandas nas condições de cultivo.

A fase inicial do desenvolvimento biotecnológico está recebendo culturas puras de células e tecidos. Outras manipulações com estas culturas são caracterizadas pela uniformidade de abordagens baseadas em métodos microbiológicos clássicos. Neste caso, as culturas de células e tecidos de plantas e animais superiores são comparadas a culturas de microrganismos.

Eucariontes e procariontes. A maioria dos microrganismos são criaturas unicelulares. Uma célula microbiana é separada do ambiente externo por uma parede celular, e às vezes apenas por uma membrana citoplasmática, e contém várias estruturas subcelulares. Existem dois tipos principais de estrutura celular, que diferem entre si em uma série de características fundamentais. Estas são células eucarióticas e procarióticas. Os microrganismos que possuem núcleo verdadeiro são chamados de eucariotos (eu - do grego - verdadeiro, karyo - núcleo). Microrganismos com aparato nuclear primitivo são classificados como procariontes (pré-nucleares).

Entre microorganismos para procariontes incluem bactérias, actinomicetos e algas verde-azuladas (cianobactérias), para eucariotos- outras algas (verdes, marrons, vermelhas), micomicetos (bolores viscosos), fungos inferiores - micromicetos (incluindo leveduras), protozoários (flagelados, ciliados, etc.).

Sua propriedade comum é o tamanho pequeno, sendo visíveis apenas através de um microscópio. Atualmente, são conhecidas mais de 100 mil espécies de diversos microrganismos.

Os procariontes não passam pelos processos de mitose e meiose. Eles se reproduzem com mais frequência por simples divisão celular.

Em uma célula eucariótica há um núcleo separado do citoplasma circundante por uma membrana nuclear de duas camadas com poros. O núcleo contém 1-2 nucléolos - centros de síntese de RNA ribossômico e cromossomos - os principais portadores de informação hereditária, constituídos por DNA e proteínas. Durante a divisão, os cromossomos são distribuídos entre as células-filhas como resultado de processos complexos - mitose e meiose. O citoplasma dos eucariotos contém mitocôndrias e, nos organismos fotossintéticos, o cloroplasto. A membrana citoplasmática que envolve a célula passa dentro do citoplasma para o retículo endoplasmático; há também uma organela de membrana - o aparelho de Golgi.

Células procarióticas mais simples. Eles não têm uma fronteira clara entre o núcleo e o citoplasma e não há membrana nuclear. O DNA nessas células não forma estruturas semelhantes aos cromossomos eucarióticos. Os procariontes não passam pelos processos de mitose e meiose. A maioria dos procariontes não forma organelas intracelulares delimitadas por membranas; não há mitocôndrias ou cloroplastos.

Seleção de formas de microrganismos com propriedades específicas

A seleção de formas de microrganismos com propriedades desejadas e necessárias ao cultivo inclui várias etapas.

2.1. Isolamento de microrganismos. As amostras são retiradas dos habitats dos microrganismos (solo, resíduos vegetais, etc.). Em relação aos microrganismos oxidantes de hidrocarbonetos, tal local pode ser o solo próximo aos postos de gasolina, a levedura do vinho é abundantemente encontrada nas uvas, microrganismos anaeróbicos que decompõem a celulose e formam o metano vivem em grandes quantidades no rúmen dos ruminantes.

2.2. Obtenção de culturas de enriquecimento. As amostras são introduzidas em meios nutrientes líquidos de composição especial, criando condições favoráveis ​​​​ao desenvolvimento do produtor (temperatura, pH, fontes de energia, carbono,
nitrogênio, etc.). Para acumular o produtor de colesterol oxidase, utilizam-se meios com colesterol como única fonte de carbono; microrganismos oxidantes de hidrocarbonetos - ambientes com parafinas; produtores de enzimas proteolíticas ou lipolíticas - meios contendo proteínas ou lipídios.

2.3. Isolamento de culturas puras. Amostras de culturas de enriquecimento são inoculadas em meio nutriente sólido. Células individuais de microrganismos em meio nutriente sólido se formam isoladas
colônias ou clones, quando ressemeadas, obtêm-se culturas puras, constituídas por células de um tipo de produtor.

Outra forma de selecionar microrganismos é a partir de coleções existentes. Por exemplo, os produtores de antibióticos são frequentemente actinomicetos e etanol - leveduras.

Clone- cultura obtida de uma célula, cultura pura- uma coleção de indivíduos de um tipo de microorganismos, Deformação- culturas isoladas de ambientes naturais diferentes ou do mesmo ambiente em épocas diferentes.

2.4. Determinação da capacidade de sintetizar o produto alvo - o principal critério na seleção dos produtores. Os microrganismos devem atender aos seguintes requisitos:

1) possuem alta taxa de crescimento;

2) usar substratos baratos para o resto da vida;

3) ser resistente à infecção por microflora estranha.

Os organismos unicelulares são caracterizados por taxas mais altas de processos sintéticos do que plantas e animais superiores. Assim, uma vaca de 500 kg sintetiza cerca de 0,5 kg de proteína em um dia. A mesma quantidade de proteína pode ser obtida em um dia com 5 g de fermento. De interesse são os microrganismos fotossintéticos que utilizam a energia luminosa e são capazes de assimilar o nitrogênio atmosférico. Microorganismos termofílicos são benéficos. Seu uso reduz custos adicionais para esterilização de equipamentos industriais. A taxa de crescimento e metabolismo desses organismos é 1,5-2 vezes maior que a dos mesófilos. As enzimas que sintetizam são resistentes ao calor, ácidos e solventes orgânicos.

Métodos de biotecnologia

Na biotecnologia existem 2 métodos: 1) Seleção; 2) Engenharia genética. Métodos de seleção são utilizados para obter produtos altamente ativos. Usando a seleção, foram obtidas cepas industriais de microrganismos cuja atividade sintética excede a atividade das cepas originais em dezenas e centenas de vezes.

Seleção

Seleção - seleção dirigida de mutantes (organismos cuja hereditariedade sofreu mudanças abruptas). O caminho geral da seleção é a transição da simples seleção de produtores para o desenho consciente de seus genomas. Em cada etapa, os clones mais eficazes são selecionados da população de microrganismos. Desta forma, durante um longo período de tempo, foram selecionadas cepas de leveduras de cerveja, vinho, padeiro, levedura de ácido acético, bactérias de ácido propiônico, etc.. A seleção passo a passo é usada: em cada etapa, os clones mais altamente eficazes são selecionados a partir do população de microrganismos. As limitações do método de seleção baseado em mutações espontâneas estão associadas à sua baixa frequência, o que dificulta significativamente a intensificação do processo. Mudanças na estrutura do DNA são raras. Um gene deve duplicar em média 10 6 -10 8 vezes para que ocorra uma mutação. Um exemplo de seleção dos mutantes mais produtivos durante o cultivo em modo contínuo é a seleção de leveduras com base na resistência ao etanol, um resíduo da levedura. A mutagênese induzida leva a uma aceleração significativa da seleção - um aumento acentuado na frequência de mutações de um objeto biológico devido a danos artificiais ao genoma. A radiação ultravioleta, de raios X ou y e alguns compostos químicos que causam alterações na estrutura primária do DNA têm efeito mutagênico. Alguns dos mutagênicos mais conhecidos e usados ​​incluem ácido nitroso, agentes alquilantes, etc.

Faça uma verificação total (triagem) os clones resultantes. Tendo selecionado os clones mais produtivos, repetem o tratamento com o mesmo ou outro mutagênico, selecionam novamente a opção mais produtiva, etc., ou seja, Estamos falando de seleção gradual com base na característica de interesse.

A intensidade do trabalho é a principal desvantagem do método de mutagênese induzida e subsequente seleção gradual. A desvantagem do método também é a falta de informações sobre a natureza das mutações: o pesquisador seleciona de acordo com o resultado final.

Engenharia genética

A engenharia genética é a modificação direcionada de objetos biológicos como resultado da introdução de programas genéticos criados artificialmente. Níveis de engenharia genética:

1)genético– manipulação direta de DNA recombinante, incluindo genes individuais;

2)cromossômico– manipulação de grupos de genes ou cromossomos individuais;

3)genômico(celular) – transferência de todo ou da maior parte do material genético de uma célula para outra (engenharia celular). No entendimento moderno, a engenharia genética inclui a tecnologia do DNA recombinante.

O trabalho na área de engenharia genética inclui 4 etapas: 1) obtenção do gene desejado; 2) inseri-lo em um vetor capaz de replicação; 3) introdução de um gene no corpo por meio de um vetor; 4) nutrição e seleção de células que adquiriram o gene desejado.

A engenharia genética de plantas superiores é realizada nos níveis celular, tecidual e organismo.

A base da engenharia celular é a hibridização de células somáticas - a fusão de células não reprodutivas para formar um único todo. A fusão das células pode ser completa ou com a introdução de suas partes individuais (mitocôndrias, cloroplastos, etc.).

A hibridização somática permite o cruzamento de organismos geneticamente distantes. Antes da fusão, as células vegetais, fúngicas e bacterianas são liberadas da parede celular e os protoplastos são obtidos. Em seguida, as membranas citoplasmáticas externas são despolarizadas com um campo elétrico ou magnético alternado, usando cátions Ca +. A parede celular é submetida à hidrólise enzimática.

Perguntas de autoteste

1. Qual é o objeto da biotecnologia?

2. Que tipos de estrutura celular existem?

3. Quais são as fases do crescimento da cultura?

4. O que é seleção e engenharia genética?

4 O principal elo do processo biotecnológico é um objeto biológico capaz de realizar determinada modificação na matéria-prima e formar um ou outro produto necessário. Tais objetos de biotecnologia podem incluir células de microrganismos, animais e plantas, animais e plantas transgênicas, fungos, bem como sistemas enzimáticos multicomponentes de células e enzimas individuais. A base da produção biotecnológica mais moderna é a síntese microbiana, ou seja, a síntese de várias substâncias biologicamente ativas com a ajuda de microrganismos. Infelizmente, objetos de origem vegetal e animal, por uma série de razões, ainda não encontraram uso tão difundido. Portanto, no futuro é aconselhável considerar os microrganismos como os principais objetos da biotecnologia.

1 Os microrganismos são os principais objetos da biotecnologia, sendo atualmente conhecidos mais de 100 mil tipos diferentes de microrganismos. Estas são principalmente bactérias, actinomicetos e cianobactérias. Com uma variedade tão grande de microrganismos, um problema muito importante e muitas vezes difícil é a escolha correta do organismo exato que é capaz de fornecer o produto necessário, ou seja, servem para fins industriais. 5

Muitos processos biotecnológicos utilizam um número limitado de microrganismos classificados como GRAS (geralmente reconhecidos como seguros). Tais microrganismos incluem as bactérias Basillus subtilis, Basillus amyloliquefaciens, outros tipos de bacilos e lactobacilos e espécies de Streptomyces. Isso também inclui espécies de fungos Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, levedura Saccharomyces, etc. Os microrganismos GRAS são não patogênicos, não tóxicos e geralmente não formam antibióticos, portanto, ao desenvolver um novo processo biotecnológico, deve-se focar nestes. microorganismos como objetos básicos da biotecnologia. 6

A indústria de microbiologia utiliza atualmente milhares de cepas de microrganismos que foram inicialmente isoladas de fontes naturais com base em suas propriedades benéficas e depois melhoradas através de vários métodos. Em conexão com a expansão da produção e da gama de produtos, cada vez mais representantes do mundo dos micróbios estão envolvidos na indústria microbiológica. Deve-se notar que, num futuro próximo, nenhum deles será estudado na mesma medida que E. coli e Bac. sutilis. A razão para isso é a enorme intensidade de trabalho e o alto custo desse tipo de pesquisa. 7

Consequentemente, surge o problema de desenvolver uma estratégia e táticas de pesquisa que permitam, com uma quantidade razoável de trabalho, extrair do potencial de novos microrganismos tudo o que há de mais valioso na criação de cepas produtoras industrialmente importantes e adequadas para uso em processos biotecnológicos. A abordagem clássica é isolar o microrganismo desejado das condições naturais. Dos habitats naturais do suposto produtor, são retiradas amostras de material (são retiradas amostras de material) e inoculadas em ambiente seletivo que garanta o desenvolvimento preferencial do microrganismo de interesse, ou seja, receber as chamadas culturas de enriquecimento. 8

O próximo passo é o isolamento de uma cultura pura com estudo mais aprofundado do microrganismo isolado e, se necessário, determinação aproximada de sua capacidade de produção. Existe outra maneira de selecionar microrganismos produtores - esta é selecionar as espécies desejadas a partir das coleções disponíveis de microrganismos bem estudados e minuciosamente caracterizados. Isto, obviamente, elimina a necessidade de realizar uma série de operações que exigem muita mão-de-obra. 9

O principal critério na escolha de um objeto biotecnológico é a capacidade de sintetizar o produto alvo. Porém, além disso, a própria tecnologia do processo pode conter requisitos adicionais, que às vezes são muito, muito importantes, para não dizer decisivos. Em geral, os microrganismos devem ter uma alta taxa de crescimento, utilizar substratos baratos necessários à sua vida e ser residentes em microflora estrangeira, ou seja, ter alta competitividade. Todos os itens acima proporcionam uma redução significativa no custo de produção do produto alvo. 10

Aqui estão alguns exemplos que comprovam o papel dos microrganismos como objetos da biotecnologia: 1. Os organismos unicelulares, via de regra, são caracterizados por taxas de crescimento e processos sintéticos mais elevados do que os organismos superiores. No entanto, isto não é característico de todos os microrganismos. Alguns deles crescem extremamente lentamente, mas são de particular interesse porque são capazes de produzir diversas substâncias muito valiosas. onze

2. De particular interesse como objetos de desenvolvimento biotecnológico são os microrganismos fotossintéticos que utilizam a energia da luz solar nas suas atividades vitais. Alguns deles (cianobactérias e eucariotos fotossintéticos) utilizam CO 2 como fonte de carbono, e alguns representantes das cianobactérias, além de todos os itens acima, têm a capacidade de assimilar o nitrogênio atmosférico (ou seja, são extremamente despretensiosos em nutrientes). Os microrganismos fotossintéticos são promissores como produtores de amônia, hidrogênio, proteínas e vários compostos orgânicos. No entanto, o progresso na sua utilização, devido ao conhecimento fundamental limitado sobre a sua organização genética e mecanismos biológicos moleculares da vida, aparentemente não deve ser esperado num futuro próximo. 12

3. É dada alguma atenção a objetos biotecnológicos como microrganismos termofílicos que crescem a °C. Esta propriedade é um obstáculo quase intransponível ao desenvolvimento de microflora estranha durante o cultivo relativamente não estéril, ou seja, fornece proteção confiável contra contaminação. Produtores de álcoois, aminoácidos, enzimas e hidrogênio molecular foram encontrados entre os termófilos. Além disso, sua taxa de crescimento e atividade metabólica são 1,5-2 vezes maiores que as dos mesófilos. As enzimas sintetizadas pelos termófilos são caracterizadas por maior resistência ao calor, alguns agentes oxidantes, detergentes, solventes orgânicos e outros fatores desfavoráveis. Ao mesmo tempo, eles são pouco ativos em temperaturas normais. 13

Assim, as proteases de um dos representantes dos microrganismos termofílicos são 100 vezes menos ativas a 20°C do que a 75°C. Esta última é uma propriedade muito importante para alguma produção industrial. Por exemplo, a enzima Tag polimerase da bactéria termofílica Thermus aquaticus encontrou ampla aplicação na engenharia genética. Foi anteriormente mencionada outra propriedade muito significativa destes organismos, nomeadamente, que quando são cultivados, a temperatura do ambiente em que residem excede significativamente a temperatura ambiente. Esta alta diferença de temperatura garante troca de calor rápida e eficiente, permitindo o uso de reatores biológicos sem dispositivos de resfriamento volumosos. E este último, por sua vez, facilita a mistura, a aeração e a remoção de espuma, o que em conjunto reduz significativamente o custo do processo. 14

2 Isolamento e seleção de microrganismos Um componente integral no processo de criação dos produtores mais valiosos e ativos, ou seja, Ao selecionar objetos em biotecnologia, a sua seleção é importante. A principal forma de seleção é o desenho consciente dos genomas em cada etapa de seleção do produtor desejado. Esta situação nem sempre pôde ser concretizada devido à falta de métodos eficazes para alterar os genomas de organismos selecionados. No desenvolvimento de tecnologias microbianas, métodos baseados na seleção de variantes modificadas que surgem espontaneamente e caracterizadas pelas características úteis desejadas têm desempenhado um papel importante. 15

Com tais métodos, geralmente é usada a seleção gradual: em cada estágio de seleção, as variantes mais ativas (mutantes espontâneos) são selecionadas da população de microrganismos, das quais novas cepas mais eficazes são selecionadas no estágio seguinte, e assim por diante. Apesar das limitações óbvias deste método, que consiste na baixa frequência de ocorrência de mutantes, ainda é cedo para considerar que as suas capacidades estão completamente esgotadas. 16

O processo de seleção dos produtores mais eficazes é significativamente acelerado quando se utiliza o método de mutagênese induzida. Como efeitos mutagênicos são utilizadas radiações UV, raios X e gama, certos produtos químicos, etc.. No entanto, esta técnica também apresenta inconvenientes, sendo os principais a intensidade do trabalho e a falta de informação sobre a natureza das alterações, uma vez que o experimentador seleciona de acordo com o resultado final. 17

Por exemplo, a resistência do organismo a íons de metais pesados ​​​​pode estar associada à supressão do sistema de absorção desses cátions pela célula bacteriana, à ativação do processo de remoção de cátions da célula ou à reestruturação do sistema (sistemas) que é sujeito ao efeito inibitório do cátion na célula. Naturalmente, o conhecimento dos mecanismos de aumento da sustentabilidade permitirá exercer influências direcionadas para obter o resultado final em menos tempo, bem como selecionar opções mais adequadas às condições específicas de produção. O uso das abordagens listadas em combinação com técnicas de seleção clássicas é a essência da seleção moderna de microrganismos produtores. 18

Por exemplo, a resistência do organismo a íons de metais pesados ​​​​pode estar associada à supressão do sistema de absorção desses cátions pela célula bacteriana, à ativação do processo de remoção de cátions da célula ou à reestruturação do sistema (sistemas) que é sujeito ao efeito inibitório do cátion na célula. Naturalmente, o conhecimento dos mecanismos de aumento da sustentabilidade permitirá exercer influências direcionadas para obter o resultado final em menos tempo, bem como selecionar opções mais adequadas às condições específicas de produção. O uso das abordagens listadas em combinação com técnicas de seleção clássicas é a essência da seleção moderna de microrganismos produtores. 19

BILHETE DE EXAME Nº 1

Objetos de biotecnologia e seus níveis

Biotecnologia significa qualquer tipo de tecnologia que envolva a utilização de sistemas biológicos, organismos vivos ou seus derivados para fabricar ou modificar produtos ou processos para um uso específico.Recursos biotecnológicos são recursos biológicos utilizados em processos biotecnológicos.

Os objetos para produção devem atender a certos requisitos: - capacidade de crescer em meios nutritivos baratos; - alta taxa de crescimento e formação do produto alvo; - formação mínima de subprodutos; - estabilidade do produtor e em relação às propriedades de produção; - inocuidade do produtor e do produto alvo para os seres humanos e o meio ambiente.Uma propriedade importante de um objeto biológico é a resistência à infecção, que é importante para manter a esterilidade e a resistência aos fagos. As funções de um objeto biológico são a biossíntese completa do produto alvo, incluindo uma série de reações enzimáticas sequenciais ou a catálise de apenas uma reação enzimática, o que é de fundamental importância para a obtenção do produto alvo.

Os objetos da biotecnologia são muito diversos e seu alcance se estende desde partes organizadas (vírus) até seres humanos. Um objeto biológico que realiza a biossíntese completa do produto alvo é chamado de produtor. Um objeto biológico, que é uma enzima individual usada por um biotecnologista , é chamado de biocatalisador industrial.

b) bactérias e cianobactérias;

d) algas;

e) protozoários;

g) plantas – inferiores (anabena-azolla) e superiores – lentilha-d'água.

Neste caso, os objetos biológicos podem ser moléculas (enzimas, imunomoduladores, nucleosídeos, oligo e polipeptídeos, etc.), partes organizadas (vírus, fagos), indivíduos unicelulares (bactérias, leveduras) e multicelulares (fungos filamentosos superiores, tecidos vegetais, culturas de camada única células de mamíferos), organismos inteiros de plantas e animais. Mas mesmo quando uma biomolécula é utilizada como objeto de biotecnologia, sua biossíntese inicial é realizada na maioria dos casos pelas células correspondentes. Consequentemente, pode-se argumentar que os objetos da biotecnologia pertencem ou a micróbios ou a organismos vegetais e animais.

Quais habilidades as células dos organismos possuem?

Uma célula é um sistema biológico elementar capaz de auto-renovação, auto-reprodução e desenvolvimento. As estruturas celulares são a base da estrutura das plantas e dos animais. Não importa quão diversa possa parecer a estrutura dos organismos, ela se baseia em estruturas semelhantes - as células.
A célula possui todas as propriedades de um sistema vivo:
troca matéria e energia;
cresce;
reproduz e transmite suas características por herança;
reage a sinais externos (estímulos);
capaz de se mover.
É o nível mais baixo de organização, possuindo todas essas propriedades, a menor unidade estrutural e funcional dos seres vivos. Também pode viver separadamente: células isoladas de organismos multicelulares continuam a viver e a se multiplicar em meio nutriente.

As funções em uma célula são distribuídas entre várias organelas, como o núcleo celular, mitocôndrias, etc. Todos os organismos vivos são, como animais multicelulares, plantas e fungos, compostos de muitas células, ou, como muitos protozoários e bactérias, são únicos. organismos celulares. Organismos unicelulares- uma categoria não sistemática de organismos vivos cujo corpo consiste em uma célula (em oposição a células multicelulares) ( unicelularidade). Pode incluir procariontes e eucariontes. Acredita-se que os primeiros organismos vivos na Terra eram unicelulares. Os mais antigos deles são considerados bactérias e arquéias. Organismo multicelular- uma categoria extra-sistemática de organismos vivos, cujo corpo é composto por muitas células, a maioria das quais (exceto células-tronco, por exemplo, células do câmbio nas plantas) são diferenciadas, ou seja, diferem em estrutura e funções. Deveria ser distinguido multicelularidade E colonialidade. Os organismos coloniais carecem de células verdadeiramente diferenciadas e, conseqüentemente, da divisão do corpo em tecidos. A teoria celular moderna inclui as seguintes disposições:
1) célula - unidade de estrutura e desenvolvimento de todos os organismos;
2) células de organismos de diferentes reinos da natureza viva são semelhantes em estrutura, composição química, metabolismo e manifestações básicas da atividade vital;
3) novas células são formadas como resultado da divisão da célula-mãe;
4) em um organismo multicelular, as células formam tecidos;
5) os órgãos são constituídos por tecidos.

As células de fungos, plantas e animais têm estrutura semelhante. Uma célula tem três partes principais: o núcleo, o citoplasma e a membrana plasmática. A membrana plasmática é composta por lipídios e proteínas. Garante a entrada de substâncias na célula e sua liberação da célula. Nas células das plantas, fungos e na maioria das bactérias existe uma membrana celular acima da membrana plasmática. Desempenha uma função protetora e desempenha o papel de esqueleto. Nas plantas, a parede celular consiste em celulose e, nos fungos, é feita de uma substância semelhante à quitina. As células animais são cobertas por polissacarídeos que proporcionam contatos entre células do mesmo tecido.

BILHETE DE EXAME -3

1. Requisitos para objetos biológicos? Bioobjetoé um produtor que biossintetiza o produto desejado, ou um catalisador, uma enzima que catalisa sua reação inerente.

Requisitos para objetos biológicos

Para a implementação de processos biotecnológicos, parâmetros importantes de objetos biológicos são : pureza, taxa de proliferação celular e reprodução de partículas virais, atividade e estabilidade de biomoléculas ou biossistemas.

Deve-se ter em mente que ao criar condições favoráveis ​​para um objeto biológico selecionado da biotecnologia, essas mesmas condições podem revelar-se favoráveis, por exemplo, para micróbios - contaminantes, ou poluentes. Representantes da microflora contaminante são vírus, bactérias e fungos encontrados em culturas de células vegetais ou animais. Nestes casos, os micróbios contaminantes atuam como pragas da produção biotecnológica. Ao utilizar enzimas como biocatalisadores, há necessidade de protegê-las em estado isolado ou imobilizado da destruição pela microflora saprófita banal (não patogênica), que pode penetrar no processo biotecnológico de fora devido à esterilidade do sistema.

A atividade e a estabilidade no estado ativo dos objetos biológicos são um dos indicadores mais importantes de sua adequação para uso a longo prazo em biotecnologia.

Assim, independentemente da posição sistemática do objeto biológico, na prática utilizam partículas organizadas naturalmente (fagos, vírus) e células com informação genética natural, ou células com informação genética especificada artificialmente, ou seja, em qualquer caso utilizam células, seja um microrganismo, uma planta, um animal ou uma pessoa. Por exemplo, podemos citar o processo de obtenção do vírus da poliomielite a partir de uma cultura de células renais de macaco para criar uma vacina contra esta perigosa doença. Embora estejamos interessados ​​aqui no acúmulo do vírus, sua reprodução ocorre nas células do corpo animal. Outro exemplo são as enzimas que serão utilizadas no estado imobilizado. A fonte das enzimas também são células isoladas ou suas associações especializadas na forma de tecidos, dos quais são isolados os biocatalisadores necessários.

Liste os recursos genéticos?

Recursos biológicos – organismos que são ou podem ser objetos de pesca; todos os componentes da biosfera que formam o ambiente vivo (produtores, consumidores, decompositores). Eles pertencem à categoria de recursos naturais renováveis ​​esgotáveis. Existem recursos vegetais, recursos animais, caça, pastoreio, etc. Ênfase especial é dada aos recursos genéticos, ou seja, informação genética hereditária contida no código genético dos seres vivos.

O desenvolvimento da biotecnologia está intimamente relacionado com a utilização de recursos genéticos. Eles, via de regra, são uma propriedade única de regiões individuais do mundo, e tradições centenárias e características nacionais de agricultura, pecuária e medicina são frequentemente baseadas em seu uso.

Os recursos genéticos são materiais genéticos de valor real ou potencial.

Por sua vez, material genético é definido como qualquer material de origem vegetal, animal, microbiana ou outra que contenha unidades funcionais de hereditariedade.

Os recursos biológicos são recursos genéticos, organismos ou partes deles, populações ou quaisquer outros componentes bióticos dos ecossistemas que tenham utilidade ou valor real ou potencial para a humanidade.

Quais são as funções dos objetos biológicos?

O principal elo do processo biotecnológico são os objetos biológicos.

Bioobjeto - elemento central e obrigatório da produção biotecnológica, criando a sua especificidade.

Um objeto biológico pode ser um organismo multicelular ou unicelular integral que manteve sua viabilidade. Podem ser células isoladas de um organismo multicelular, bem como vírus e complexos multienzimáticos isolados de células que estão incluídas em um determinado processo metabólico. Além disso, um objeto biológico pode ser uma enzima individual isolada.

Função de um objeto biológico- biossíntese completa do produto alvo, incluindo uma série de reações enzimáticas sequenciais ou catálise de apenas uma reação enzimática, o que é de fundamental importância para a obtenção do produto alvo.

Está comprovado que a utilização de enzimas na produção na forma imobilizada, ou seja, associado a um carreador insolúvel é o mais racional, pois neste caso é garantida a recorrência do seu uso e a padronização de ciclos de produção repetidos.

Objetos biológicos incluem macromoléculas e micro e macroorganismos. As enzimas são usadas como macromoléculas. A sua utilização é mais racional, pois neste caso é garantida a recorrência da sua utilização e a padronização de ciclos repetidos de derivadas.

Os vírus são utilizados como objetos biológicos para a preparação de vacinas. A posição dominante no processo biotecnológico moderno é ocupada por células microbianas de eucariontes e procariontes. São produtores (objeto biológico que realiza a biossíntese completa do produto alvo) de metabólitos primários utilizados como medicamentos.

As plantas superiores são a fonte mais extensa de medicamentos. Ao utilizar plantas como objetos biológicos, a atenção principal está voltada para as questões do cultivo de tecidos vegetais em meio artificial.

Os objetos biotecnológicos estão localizados em diferentes níveis de organização:

a) estruturas subcelulares (vírus, plasmídeos, DNA mitocondrial e de cloroplasto, DNA nuclear);

b) bactérias e cianobactérias;

d) algas;

e) protozoários;

f) culturas de células vegetais e animais;

g) plantas - inferior (anabena-azolla) e superior - lentilha d'água.

Tipos e funções do DNA?

Ácidos nucleicos

Entre outras substâncias químicas, o DNA foi isolado em um grupo separado em 1869. No entanto, a estrutura e a estrutura tridimensional do DNA foram decifradas pelo cientista inglês F. Crick e pelo americano J. Watson apenas em 1953. Eles construíram um modelo de ADN. É uma dupla hélice, ambas as vertentes são torcidas em torno de um eixo imaginário.

O DNA consiste em muitas unidades de desoxirribonucleotídeos, que são divididas em quatro tipos. Eles formam sequências específicas características de cada organismo vivo específico. Esses desoxirribonucleotídeos são formações de três componentes que consistem em uma base heterocíclica (purinas - adenina ou guanina, ou pirimidinas - timina ou citosina), que por sua vez são combinadas com a desoxirribose.

As células procarióticas contêm um cromossomo, que contém uma fita dupla de DNA. As células eucarióticas contêm várias moléculas de DNA associadas a proteínas e organizadas dentro do núcleo. O núcleo é cercado por um sistema de membrana dupla.

Função do DNAé que armazena a informação genética que serve para codificar a estrutura de todas as proteínas e todos os tipos de RNA de cada tipo de organismo, regula a biossíntese celular e tecidual dos componentes e garante a individualidade de cada organismo. Alguns vírus também usam DNA como material genético. O DNA viral é menor em tamanho que o DNA bacteriano.

Estrutura do ADN. O DNA pode ser dividido em estruturas primárias, secundárias e terciárias.

Estrutura primária do DNA- esta é a quantidade, qualidade e ordem de disposição dos resíduos de desoxirribonucleotídeos nas cadeias polinucleotídicas.

Estrutura secundária do DNA- representa a organização das cadeias polinucleotídicas em uma molécula de DNA. Uma molécula de DNA consiste em duas cadeias polinucleotídicas direcionadas opostas uma à outra e destras em torno de um eixo helicoidal para formar uma dupla hélice. Seu diâmetro é de 1,8-2,0 nm com um período de identidade de 3,4 nm.

Os grupos carboidrato-fosfato na hélice estão localizados na parte externa (base açúcar-fosfato) e as bases nitrogenadas estão na parte interna. As bases nitrogenadas das duas cadeias são conectadas entre si por ligações de hidrogênio de acordo com o princípio da complementaridade: a adenina forma uma ligação dupla com a timina e a guanina, por sua vez, forma três ligações com a citosina. Uma dupla hélice é uma estrutura característica da maioria das moléculas de DNA. Alguns vírus contêm DNA de fita simples, bem como formas circulares de DNA - plasmídeos.

Estrutura terciária do DNA- esta é a formação no espaço de formas helicoidais e super-hélices da molécula de DNA. A estrutura terciária do DNA (procariontes e eucariontes) difere em algumas características associadas à estrutura e função das células. A estrutura terciária do DNA eucariótico é formada devido ao superenrolamento múltiplo da molécula e é realizada na forma de complexos de DNA com proteínas.

BILHETE DE EXAME Nº 5_____

Classificação de objetos biológicos

Macro moléculas

Enzimas de todas as classes (geralmente hidrolases e transferases); incluindo. de forma imobilizada (associada a um transportador) garantindo a reutilização e padronização de ciclos de produção repetidos;

DNA e RNA - de forma isolada, como parte de células estranhas.

Microrganismos

Vírus (com patogenicidade enfraquecida são usados ​​para obter vacinas);

As células procarióticas e eucarióticas são produtoras de metabólitos primários: aminoácidos, bases nitrogenadas, coenzimas, mono e dissacarídeos, enzimas para terapia de reposição, etc.); -produtores de metabólitos secundários: antibióticos, alcalóides, hormônios esteróides, etc.;

Normoflora - biomassa de certos tipos de microrganismos utilizados na prevenção e tratamento da disbacteriose;

Os agentes de doenças infecciosas são fontes de antígenos para a produção de vacinas;

M/o ou células transgênicas são produtoras de hormônios proteicos específicos da espécie para humanos, fatores proteicos de imunidade inespecífica, etc.

Macroorganismos

As plantas superiores são matérias-primas para a produção de substâncias biologicamente ativas;

Animais – mamíferos, aves, répteis, anfíbios, artrópodes, peixes, moluscos, humanos;

Organismos transgênicos.

Tipos e funções do RNA?

Uma das descobertas mais importantes da segunda metade do século XX foram os ácidos nucléicos RNA e DNA, graças aos quais o homem esteve mais perto de desvendar os segredos da natureza.

Ácidos nucleicos- São compostos orgânicos com altas propriedades moleculares. Eles contêm hidrogênio, carbono, nitrogênio e fósforo.

É uma cadeia polinucleotídica única (exceto para vírus), que é muito mais curta que o DNA. Um monômero de RNA são resíduos das seguintes substâncias: bases nitrogenadas; monossacarídeo de cinco carbonos; ácidos fosforosos. O RNA possui bases pirimidina (uracila e citosina) e purina (adenina, guanina). Ribose é um nucleotídeo monossacarídeo de RNA.

O RNA celular foi descoberto pela primeira vez pelo bioquímico alemão R. Altmann enquanto estudava células de levedura. Em meados do século XX, o papel do DNA na genética foi comprovado. Só então foram descritos os tipos de RNA e funções.

Dependendo do tipo de RNA, suas funções também diferem. Existem vários tipos:

1) RNA mensageiro (i-RNA). Este biopolímero é às vezes chamado de RNA mensageiro (m-RNA). Este tipo de RNA está localizado tanto no núcleo quanto no citoplasma da célula. O objetivo principal é transferir informações sobre a estrutura da proteína do ácido desoxirribonucléico para os ribossomos, onde a molécula da proteína é montada. Uma população relativamente pequena de moléculas de RNA, representando menos de 1% de todas as moléculas.

2) RNA ribossômico (r-RNA). O tipo mais comum de RNA (cerca de 90% de todas as moléculas desse tipo na célula). O R-RNA está localizado nos ribossomos e é um modelo para a síntese de moléculas de proteínas. Tem o maior tamanho em comparação com outros tipos de RNA. O peso molecular pode chegar a 1,5 milhão de Daltons ou mais.

3) RNA transportador (tRNA). Localizado principalmente no citoplasma da célula. O objetivo principal é transportar (transferir) aminoácidos para o local de síntese protéica (para os ribossomos). O RNA de transferência é responsável por até 10% de todas as moléculas de RNA localizadas na célula. Possui o menor tamanho em comparação com outras moléculas de RNA (até 100 nucleotídeos).

4) RNAs menores (pequenos). São moléculas de RNA, na maioria das vezes de pequeno peso molecular, localizadas em várias partes da célula (membrana, citoplasma, organelas, núcleo, etc.). O seu papel não é totalmente compreendido. Está comprovado que podem auxiliar na maturação do RNA ribossômico, participar na transferência de proteínas através da membrana celular, promover a reduplicação de moléculas de DNA, etc.

5) Ribozimas. Tipo de RNA recentemente identificado que participa ativamente dos processos enzimáticos celulares como uma enzima (catalisador).

6) RNA viral. Qualquer vírus pode conter apenas um tipo de ácido nucleico: DNA ou RNA. Conseqüentemente, os vírus que contêm uma molécula de RNA são chamados de vírus que contêm RNA. Quando um vírus desse tipo entra em uma célula, pode ocorrer o processo de transcrição reversa (formação de novo DNA baseado em RNA), e o DNA recém-formado do vírus é integrado ao genoma da célula e garante a existência e reprodução do patógeno. O segundo cenário é a formação de RNA complementar na matriz do RNA viral recebido. Nesse caso, a formação de novas proteínas virais, a atividade vital e a reprodução do vírus ocorrem sem a participação do ácido desoxirribonucléico apenas com base na informação genética registrada no RNA viral.

Tipos e funções dos genes?

Gene, classificação e organização genética
A genética estuda as leis da hereditariedade e da variabilidade que são universais para todos os organismos vivos.
As unidades elementares discretas de hereditariedade são genes. A reprodução e ação dos genes estão diretamente relacionadas aos processos matriciais. Atualmente, o gene é considerado uma unidade de funcionamento do material hereditário. A base química de um gene é a molécula de DNA.
Existem várias abordagens para a classificação dos genes, cada uma das quais reflete as características de seu funcionamento durante a ontogênese. Os genes, como unidades de função do material hereditário, são divididos em genes estruturais, reguladores e moduladores.
Os genes estruturais contêm informações sobre a estrutura das proteínas (polipeptídeos) e ácidos ribonucleicos (ribossômicos e de transporte), enquanto a informação genética é realizada no processo de transcrição e tradução ou apenas transcrição. Em humanos, existem cerca de 30.000 genes estruturais, mas apenas alguns deles são expressos.
A atividade vital das células é assegurada por um pequeno conjunto de genes funcionais, entre eles estão os genes “domésticos” - GOP (genes de funções celulares gerais) e genes “de luxo” - GSP (genes de funções especializadas). Os HOPs garantem a implementação de funções celulares universais que são necessárias para a atividade de todas as células (genes de histonas, genes de r-RNA e t-RNA, etc.). GSP: 1- expresso seletivamente em células especializadas, determinando seu fenótipo (genes de globinas, imunoglobulinas, etc.); 2 - funcionam sob certas condições ambientais e representam genes de “resposta adaptativa”. Pertencer ao GOF ou SHG é determinado pela estrutura do iniciador.
Os genes reguladores (gene regulador do operon da lactose, gene TFM, etc.) coordenam a atividade dos genes estruturais no nível celular, bem como a desrepressão e repressão dos genes no nível do organismo. Junto com os genes reguladores, existem sequências reguladoras (promotor, operador, terminador, intensificadores, silenciadores, elemento anterior ao promotor), cuja função é revelada na interação com proteínas específicas.
Os genes moduladores potencializam ou enfraquecem a ação dos genes estruturais, alterando sua atividade funcional.
Os genes estruturais são organizados de maneira diferente em procariontes e eucariontes.
Nos procariontes, os genes estruturais são organizados em genes independentes, unidades de transcrição e operons.
Os genes independentes consistem em uma sequência contínua de códons, são constantemente expressos e não são regulados no nível transcricional (o gene regulador do operon lactose). Unidades de transcrição são grupos de genes diferentes que estão funcionalmente relacionados e transcritos simultaneamente, o que posteriormente garante o mesmo número de produtos sintetizados. Geralmente são genes para proteínas ou ácidos nucléicos (em E. coli, uma das transcrições contém dois genes de t-RNA e três genes de r-RNA).
Um operon é um grupo de genes estruturais, um após o outro, sob o controle de um operador - uma determinada seção do DNA.
Os genes estruturais têm um promotor, operador e terminador comuns, participam do mesmo ciclo metabólico e são regulados de forma coordenada.
Nos eucariotos, os genes estruturais, cuja função está relacionada às regulatórias, são organizados na forma de genes independentes, genes repetidos e agrupamentos de genes.
Os genes independentes, via de regra, estão localizados individualmente e sua transcrição não está associada à transcrição de outros genes. A atividade de alguns deles é regulada por hormônios.
Genes repetidos estão presentes no cromossomo na forma de repetições (cópias) de um gene - genes de histonas, tRNA, rRNA. O motivo da repetição dos genes das histonas é determinado pela necessidade de sintetizar um grande número de histonas, que são as principais proteínas estruturais do núcleo (a massa total das histonas é igual à massa do DNA).
Um cluster de genes é um grupo de genes diferentes com funções relacionadas, localizados em certas regiões dos cromossomos. O cluster inclui genes e pseudogenes que funcionam ativamente (as sequências de nucleotídeos dos pseudogenes são semelhantes às sequências de genes funcionalmente ativos, mas os pseudogenes não são expressos e não formam uma proteína. Os clusters são frequentemente uma família de genes descendentes de um gene ancestral.
Um exemplo clássico são os genes da globina nos clusters A e B. A hemoglobina é representada pelo heme e pela proteína tetrâmero-globina. O tetrâmero de globina consiste em duas cadeias idênticas e duas cadeias idênticas. A sequência de aminoácidos de cada cadeia de globina é codificada por seu próprio gene, que faz parte do cluster A ou B, respectivamente. Em humanos, o cluster A está localizado no cromossomo 16 e o ​​cluster B está localizado no cromossomo 11 (Fig. 20). O cluster B ocupa uma seção de DNA medindo 50 mil pares de bases e inclui cinco genes funcionalmente ativos e um pseudogene: gene (épsilon); dois genes (gama); pseudogene (beta); gene (delta) e gene (beta).
O cluster A está localizado de forma mais compacta e ocupa uma região de DNA de mais de 28 mil pares de bases e inclui o gene ativo (zeta), pseudogene (zeta), pseudogene (alfa) e genes (alfa) dois e (alfa) um, codificando proteínas idênticas. Os genes da globina são em mosaico na estrutura interna.
Genes repetidos e agrupamentos de genes de globina pertencem a famílias multigênicas

BILHETE DE EXAME Nº 7_____

Produtores de proteínas

A produção de biomassa microbiana é a maior produção microbiológica. A biomassa microbiana pode ser um bom suplemento protéico para animais de estimação, pássaros e peixes. A produção de biomassa microbiana é especialmente importante para países que não cultivam soja em grande escala (o farelo de soja é usado como aditivo proteico tradicional para rações).

Ao escolher um microrganismo, são levados em consideração a taxa de crescimento específica e o rendimento de biomassa em um determinado substrato, a estabilidade durante o cultivo em fluxo e o tamanho da célula. As células de levedura são maiores que as bactérias e são mais facilmente separadas do líquido por centrifugação. Mutantes de levedura poliplóides com células grandes podem ser cultivados. Atualmente, são conhecidos apenas dois grupos de microrganismos que possuem as propriedades necessárias à produção industrial em larga escala: as leveduras do gênero Candida sobre n-alcanos (hidrocarbonetos normais) e as bactérias Methylophillus metilotrophus sobre metanol.

Os microrganismos também podem ser cultivados em outros meios nutrientes: gases, petróleo, resíduos das indústrias de carvão, química, alimentícia, de vinho e vodca e de marcenaria. As vantagens económicas da sua utilização são óbvias. Assim, um quilograma de óleo processado por microorganismos fornece um quilograma de proteína e, digamos, um quilograma de açúcar - apenas 500 gramas de proteína. A composição de aminoácidos da proteína de levedura praticamente não difere daquela obtida de microrganismos cultivados em meios convencionais de carboidratos. Testes biológicos de preparações de leveduras cultivadas em hidrocarbonetos, realizados tanto no nosso país como no estrangeiro, revelaram a completa ausência de quaisquer efeitos nocivos no organismo dos animais testados. Experimentos foram realizados em muitas gerações de dezenas de milhares de animais de laboratório e de fazenda. Na sua forma não processada, a levedura contém lípidos e aminoácidos inespecíficos, aminas biogénicas, polissacarídeos e ácidos nucleicos, e o seu efeito no corpo ainda é pouco compreendido. Portanto, propõe-se isolar a proteína da levedura numa forma quimicamente pura. Livrá-lo dos ácidos nucléicos também se tornou simples.

Nos processos biotecnológicos modernos baseados na utilização de microrganismos, os produtores de proteínas são leveduras, outros fungos, bactérias e algas microscópicas.

Do ponto de vista tecnológico, o melhor deles é o fermento. A sua vantagem reside principalmente na “capacidade de fabricação”: a levedura é fácil de cultivar em condições de produção. Eles são caracterizados por uma alta taxa de crescimento, resistência à microflora estranha, são capazes de absorver qualquer fonte de alimento, são facilmente separados e não poluem o ar com esporos. As células de levedura contêm até 25% de matéria seca. O componente mais valioso da biomassa de levedura é a proteína, que é superior em composição de aminoácidos à proteína dos grãos de cereais e apenas ligeiramente inferior às proteínas do leite e da farinha de peixe. O valor biológico da proteína da levedura é determinado pela presença de uma quantidade significativa de aminoácidos essenciais. Em termos de conteúdo vitamínico, o fermento é superior a todos os alimentos protéicos, incluindo farinha de peixe. Além disso, as células de levedura contêm oligoelementos e uma quantidade significativa de gordura, dominada por ácidos graxos insaturados. Ao alimentar vacas com fermento, a produção de leite e o teor de gordura no leite aumentam, e a qualidade da pele em animais peludos melhora. Leveduras que possuem enzimas hidrolíticas e são capazes de crescer em polissacarídeos sem sua hidrólise preliminar também são de interesse. A utilização de tal levedura evitará a dispendiosa etapa de hidrólise de resíduos contendo polissacarídeos. Existem mais de 100 espécies de leveduras que crescem bem com amido como única fonte de carbono. Dentre elas, destacam-se duas espécies, que formam tanto glucoamilases quanto β-amilases, crescem em amido com alto coeficiente econômico e podem não apenas assimilar, mas também fermentar amido: Schwanniomyces occidentalis e Saccharomycopsis fibuliger. Ambas as espécies são promissoras produtoras de proteínas e enzimas amilolíticas em resíduos contendo amido. Também está em andamento a busca por leveduras que possam quebrar a celulose nativa. Celulases foram encontradas em diversas espécies, por exemplo em Trichosporon pullulans, mas a atividade dessas enzimas é baixa e ainda não se fala em uso industrial dessas leveduras. Leveduras do gênero Kluyveromyces crescem bem com inulina, a principal substância de armazenamento dos tubérculos de alcachofra de Jerusalém, uma importante cultura alimentar que também pode ser usada para produzir proteína de levedura.

Classificação de enzimas

A classificação das enzimas é baseada no seu mecanismo de ação e inclui 6 classes.

As enzimas como biocatalisadores possuem uma série de propriedades únicas, como alta atividade catalítica e seletividade de ação. Em alguns casos, as enzimas possuem especificidade absoluta, catalisando a transformação de apenas uma substância. Cada enzima tem seu próprio pH ideal, no qual seu efeito catalítico é máximo. Com uma mudança brusca no pH, as enzimas são inativadas devido à desnaturação irreversível. A aceleração da reação com o aumento da temperatura também é limitada a certos limites, pois já a uma temperatura de 40-50 o C muitas enzimas desnaturam. Essas propriedades das enzimas devem ser levadas em consideração no desenvolvimento da tecnologia de um novo medicamento.

Como as enzimas são substâncias de natureza proteica, é quase impossível determinar sua quantidade em mistura com outras proteínas. A presença de uma enzima numa preparação só pode ser determinada pelo curso da reação que a enzima catalisa. Neste caso, uma avaliação quantitativa do teor de enzima pode ser dada através da determinação da quantidade de produtos de reação formados ou da quantidade de substrato consumido. Uma unidade de atividade enzimática é considerada a quantidade de enzima que catalisa a conversão de um micromole de substrato por minuto sob determinadas condições padrão - uma unidade padrão de atividade.

A principal parte das enzimas produzidas industrialmente são as hidrolases. Estes incluem principalmente enzimas amilolíticas: α-amilase, β-amilase, glucoamilase. Sua principal função é a hidrólise do amido e do glicogênio. Durante a hidrólise, o amido é decomposto em dextrinas e depois em glicose. Essas enzimas são utilizadas na indústria de álcool e na panificação.

As enzimas proteolíticas formam uma classe de hidrolases peptídicas. Sua ação é acelerar a hidrólise das ligações peptídicas em proteínas e peptídeos. Sua característica importante é a natureza seletiva de sua ação nas ligações peptídicas da molécula de proteína. Por exemplo, a pepsina atua apenas na ligação com aminoácidos aromáticos, a tripsina atua na ligação entre arginina e lisina. Na indústria, as enzimas proteolíticas são classificadas de acordo com sua capacidade de serem ativas em uma determinada faixa de pH:

· pH 1,5 - 3,7 - proteases ácidas;

· pH 6,5 - 7,5 - proteases;

· pH > 8,0 - proteases alcalinas.

As proteases encontram ampla aplicação em vários setores:

· carne - para amaciar a carne;

· curtimento - amaciamento de peles;

· produção de filmes - dissolução da camada de gelatina durante a regeneração do filme;

· perfumaria - aditivos para pastas de dente, cremes, loções;

· produção de detergentes - aditivos para remoção de contaminantes proteicos;

· medicamento - no tratamento de processos inflamatórios, trombose, etc.

As enzimas pectolíticas reduzem o peso molecular e reduzem a viscosidade das substâncias de pectina. As pectinases são divididas em dois grupos - hidrolases e transeliminases. As hidralases clivam resíduos metílicos ou quebram ligações glicosídicas. As transeliminases aceleram a degradação não hidrolítica das substâncias da pectina com a formação de ligações duplas. São utilizados na indústria têxtil (embeber o linho antes do processamento), na vinificação - para clarificar vinhos e também para enlatar sumos de fruta.

BILHETE DE EXAME 8

1 Quais são os representantes mais comuns das cianobactérias? As cianobactérias, ou algas verde-azuladas (lat. Cyanobacteria), são um grande grupo de grandes bactérias gram-negativas, cuja característica distintiva é a capacidade de fotossintetizar. As cianobactérias são os procariontes mais complexos e diferenciados. As cianobactérias são comuns nos mares e corpos de água doce, na cobertura do solo e podem participar de simbioses (líquenes). Espécies raras são tóxicas e oportunistas para os humanos. As algas verde-azuladas são os principais elementos que causam o “florescimento” da água, o que leva à morte em massa de peixes, envenenamento de animais e pessoas. Algumas espécies são caracterizadas por uma rara combinação de propriedades: a capacidade de fotossintetizar e ao mesmo tempo fixar o nitrogênio do ar atmosférico.

As cianobactérias são organismos unicelulares que podem formar colônias; formas filamentosas são conhecidas. A reprodução é realizada por fissão binária, sendo possível a fissão múltipla. O ciclo de vida em condições favoráveis ​​é de 6 a 12 horas.

As cianobactérias estão amplamente distribuídas em uma ampla variedade de nichos ecológicos ao redor do mundo, o que lhes valeu o nome de organismos cosmopolitas. Essa ampla distribuição está associada às propriedades biológicas das cianobactérias - metabolismo específico, alta resistência a mudanças em parâmetros ambientais como temperatura, umidade, luz, salinidade, exposição ultravioleta e radiação, etc. As cianobactérias vivem na tundra, na neve e no gelo, nos desertos, em fontes termais com temperaturas de até 80ºC, em lagos salinos e no solo.

BILHETE DE EXAME Nº 9

BILHETE DE EXAME Nº 10

BILHETE DE EXAME Nº 11

CARTÃO DE EXAME Nº 12

1. Como são chamadas as bactérias benéficas? Dê exemplos dessas bactérias?

As bactérias benéficas são classificadas como eubactérias. As bactérias do ácido acético, representadas pelos gêneros Gluconobacter e Acetobacter, são bactérias gram-negativas que convertem etanol em ácido acético e ácido acético em dióxido de carbono e água. O gênero Bacillus pertence a bactérias gram-positivas que são capazes de formar endósporos e apresentam flagelação peritríquia. B.subtilis é um aeróbio estrito, enquanto B.thuringiensis pode viver em condições anaeróbicas. Bactérias anaeróbicas formadoras de esporos são representadas pelo gênero Clostridium. C. acetobutylicum fermenta açúcares em acetona, etanol, isopropanol e n-butanol (fermentação de acetobutanol), outras espécies também podem fermentar amido, pectina e vários compostos contendo nitrogênio.