Основними об'єктами біотехнології є мікроскопічні. Біологічні об'єкти та методи біотехнології. Об'єкти біотехнології та їх рівні

Як про б'єктівбіотехнології можуть виступати: клітини мікроорганізмів, тварин і рослин, трансгенні тварини та рослини, а також багатокомпонентні ферментні системи клітин та окремі ферменти.

Основою більшості сучасних біотехнологічних виробництв є мікробний синтез, тобто синтез різноманітних БАВ за допомогою мікроорганізмів. Незалежно від природи об'єкта, первинним етапом розробки будь-якого біотехнологічного процесу є отримання чистих культурорганізмів (якщо це мікроби), клітин чи тканин (якщо це складніші організми - рослини чи тварини). Багато етапів подальших маніпуляцій з останніми (тобто з клітинами рослин чи тварин) є принципами та методами, які у мікробіологічних виробництвах. І культури мікробних клітин, і культури тканин рослин та тварин з методичної точки зору практично не відрізняються від культур мікроорганізмів. Світ м ікроорганізміввкрай різноманітний. У зв. час відомий понад 100 тисяч різних їх видів. Це прокаріоти(бактерії, актиноміцети, рикетсії, ціанобактерії) та частина е укаріот(дріжджі, нитчасті гриби, деякі найпростіші та водорості). При великому розмаїтті мікроорганізмів важливою проблемою є правильний вибір організму, який здатний забезпечити отримання необхідного продукту, тобто служити промисловим цілям. Мікроорганізми:

1)Промислові : кишкова паличка ( Е. coli), сінна паличка ( Вас. sub-tilis) та пекарські дріжджі ( S. cerevisiae). Зазвичай явл-ся надпродуцентами. Для отримання надпродуцентів проводять генетико-селекційну роботу, генно-інженерні підходи (впровадження генів осіб. У бактерію: гени інтерферонів, інсуліну тощо). ПШ д. бути запатентовані.

2) Базові- використовується в обмеженій кількості, класифікуються як GRAS("generally recognized as safe" зазвичай вважаються безпечними) - бактерії Bacillus subtilis, Bacillus amylolique-faciens,ін. види бацил і лактобацил, види Streptomyces,гриби Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, дріжджі Saccharomyces таін . GRAS-мікроорганізми непатогенні, нетоксичні і в основному не утворюють антибіотики, тому при розробці нового біотехнологічного процесу слід орієнтуватися на ці мікроорганізми.

3) Модельні- бацили (продуценти протеолітичних ферментів). Є каталоги модельних мікро.

Головним критеріємпри виборі біотехнологічного об'єкта є здатність синтезувати цільовий продукт. мікроорганізми повинні (вимоги):

Володіти високою швидкістю зростання;

Утилізувати необхідні для їхньої життєдіяльності дешеві субстрати;

Бути резистентними до сторонньої мікрофлори, тобто мати високу конкурентоспроможність. (вимоги): здатність до зростання на дешевих субстратах, вис.

Все перераховане вище забезпечує значне зниження витрат на виробництво цільового продукту. Нижче наводяться приклади, що мають на меті проілюструвати раніше сказане.

1. Одноклітинні організмихарактеризуються більш високими швидкостями росту та синтетичних процесів,

2. Особливу увагу як об'єкти біотехнологічних розробок представляють фотосинтезуючі мікроорганізми, що використовують у своїй життєдіяльності енергію сонячного світла

3. термофільні мікроорганізми, що ростуть за 60-80 °С. Це їхня властивість є практично непереборною перешкодою для розвитку сторонньої мікрофлори.

24. Переваги мікроорганізмів перед іншими об'єктами у вирішенні сучасних біотехнологічних завдань:

· Невеликі розміри

· Всюдисущі

· Різноманітні типи метаболізму

· Фототрофи

· Займають невеликий обсяг (в 1 мл до 1 млрд. особин)

· Висока швидкість поділу, швидке зростання

· Чи здатні жити в різних умовах.

Фотосинтезуючі організми перспективні як продуценти аміаку, водню, білка.

Термофільні мікроорганізми, що ростуть при 60-80 град., є надійним захистом при забрудненні. Ферменти, що синтезуються термофілами, характериз. підвищеною стійкістю до нагрівання, але вони малоактивні при нормальних температурах.

Мікроорганізми як біотехнології. Класифікація. Характеристики.

Бактерії надзвичайно різноманітні за умов проживання, пристосовуваності, типів харчування та біоенергоутворення, по відношенню до макроорганізмів - тварин та рослин. Найбільш давні форми бактерій - архебактерії здатні жити в екстремальних умовах (високі температури та тиску, концентровані розчини солей, кислі розчини). Еубактерії (типові прокаріоти, або бактерії) більш чутливі до умов довкілля.

За типом живлення бактерії діляться за джерелом енергії:

· Фототрофи, що використовують енергію сонячного світла;

· хемоавтотрофи, що використовують енергію окиснення неорганічних речовин (з'єднань сірки, метану, аміаку, нітритів, сполук двовалентного заліза та ін.);

За типом окиснення речовини:

· Органотрофи, які отримують енергію при розкладанні органічних речовин до мінеральних речовин; ці бактерії - основні учасники кругообігу вуглецю, до цієї групи належать бактерії, використовують енергію бродіння;

· Літотрофи (неорганічні речовини);

За типом джерел вуглецю:

· Гетеротрофні - використовують органічні речовини;

· Афтотрофні - використовують газ;

Для позначення типу живлення використовується:

1. природа джерела енергії фото-або хемо-;

2. Донори електронів літо-або органо-;

3. Джерела вуглецю афто-і гетеро-;

І закінчується термін словами «трофія». 8 різних типів харчування.

Вищі тварини та рослина схили до 2 типів харчування:

1) Хемоорганогетеротрофія (тварини)

2) Фотолітоафтотрофія (рослини)

У мікроорганізму представлені всі типи харчування, при чому вони можуть переходити з одного на інший залежно від існування.

Існує окремий вид харчування:

Бактерії є зручним об'єктом генетичних досліджень. Найбільш вивченою та широко застосовуваною в генно-інженерних дослідженнях є кишкова паличка Escherichia coli (Е. coli), яка мешкає в кишечнику людини.

Організація та структура біотехнологічних виробництв. Відмінні риси біотехнологічного виробництва від традиційних видів технологій. Переваги та недоліки біотехнологічних виробництв у порівнянні з традиційними технологіями.

Велика різноманітність біотехнологічних процесів, які знайшли промислове застосування, призводить до необхідності розглянути загальні, найважливіші проблеми, що виникають під час створення будь-якого біотехнологічного виробництва. Процеси промислової біотехнології поділяють на дві великі групи: виробництво біомаси та отримання продуктів метаболізму. Однак така класифікація не відображає найбільш суттєвих з технологічного погляду аспектів промислових біотехнологічних процесів. У цьому плані необхідно розглядати стадії біотехнологічного виробництва, їх схожість та відмінність залежно від кінцевої мети біотехнологічного процесу.

Існує 5 стадій біотехнологічного виробництва.

Дві початкові стадії включають підготовку сировини та біологічно діючого початку. У процесах інженерної ензимології вони зазвичай складаються з приготування розчину субстрату із заданими властивостями (рН, температура, концентрація) та підготовки партії ферментного препарату даного типу, ферментного або іммобілізованого. При здійсненні мікробіологічного синтезу необхідні стадії приготування живильного середовища та підтримки чистої культури, яка могла б постійно або в міру необхідності використовуватись у процесі. Підтримка чистої культури штаму-продуцента - головне завдання будь-якого мікробіологічного виробництва, оскільки високоактивний штам, що не зазнав небажаних змін, може служити гарантією отримання цільового продукту із заданими властивостями.

Третя стадія - стадія ферментації, де відбувається утворення цільового продукту. На цій стадії йде мікробіологічне перетворення компонентів живильного середовища спочатку на біомасу, потім, якщо це необхідно, на цільовий метаболіт.

На четвертому етапі з культуральної рідини виділяють та очищають цільові продукти. Для промислових мікробіологічних процесів характерно, як правило, утворення дуже розбавлених розчинів та суспензій, що містять, крім цільового, велику кількість інших речовин. При цьому доводиться розділяти суміші речовин дуже близької природи, що знаходяться в розчині в порівняних концентраціях, лабільних, що легко піддаються термічній деструкції.

Заключна стадія біотехнологічного виробництва – приготування товарних форм продуктів. Загальною властивістю більшості продуктів мікробіологічного синтезу є їх недостатня стійкість до зберігання, оскільки вони схильні до розкладання і в такому вигляді є прекрасним середовищем для розвитку сторонньої мікрофлори. Це змушує технологів вживати спеціальних заходів для підвищення безпеки препаратів промислової біотехнології. Крім того, препарати для медичних цілей вимагають спеціальних рішень на стадії розфасовки та закупорювання, тому повинні бути стерильними.

Основна мета біотехнології - промислове використання біологічних процесів та агентів на основі отримання високоефективних форм мікроорганізмів, культур клітин та тканин рослин та тварин із заданими властивостями. Біотехнологія виникла на стику біологічних, хімічних та технічних наук.

Біотехнологічний процес - включає низку етанів: підготовку об'єкта, його культивування, виділення, очищення, модифікацію та використання продуктів.

Біотехнологічні процеси можуть бути засновані на періодичному чи безперервному культивуванні.

У багатьох країнах світу біотехнології надається першочергового значення. Це з тим, що біотехнологія має низку істотних переваг над іншими видами технологій, наприклад, хімічної.

1). Це насамперед низька енергоємність. Біотехнологічні процеси відбуваються при нормальному тиску та температурах 20-40 ° С.

2). Біотехпологічне виробництво найчастіше базується на використанні стандартного однотипного обладнання. Однотипні ферменти застосовуються для амінокислот, вітамінів; ферментів, антибіотиків.

3). Біотехнологічні процеси неважко зробити безвідходними. Мікроорганізми засвоюють найрізноманітніші субстрати, тому відходи одного якогось виробництва можна перетворювати на цінні продукти з допомогою мікроорганізмів під час іншого виробництва.

4). Безвідходність біотехнологічних виробництв робить їх екологічно чистішими.

5). Дослідження в галузі біотехонології не вимагають великих капітальних вкладень, для їх проведення не потрібна дорога апаратура.

До першочергових завдань сучасної біотехнології відносяться створення і широке освоєння:

1) нових біологічно активних речовин та лікарських препаратів для медицини (інтерферонів, інсуліну, гормонів росту, антитіл);

2) мікробіологічних засобів захисту рослин від хвороб та шкодите

лей, бактеріальних добрив та регуляторів росту рослин, нових високопродуктивних та стійких до несприятливих факторів зовнішнього середовища гібридів сільськогосподарських рослин, отриманих методами генетичної та клітинної інженерії;

3) цінних кормових добавок та біологічно активних речовин (кормового білка, амінокислот, ферментів, вітамінів, кормових антибіотиків) для підвищення продуктивності тваринництва;

4) нових технологій отримання господарсько-цінних продуктів для використання у харчовій, хімічній, мікробіологічній та інших галузях промисловості;

5)технологій глибокої та ефективної переробки сільськогосподарських, промислових та побутових відходів, використання стічних вод та газоповітряних викидів для отримання біогазу та високоякісних добрив.

Традиційна (звичайна) технологія є розробки, що відображають середній рівень виробництва, досягнутий більшістю виробників продукції в даній галузі. Така технологія не забезпечує її покупцю значних техніко-економічних переваг та якість продукції порівняно з аналогічною продукцією провідних виробників, і розраховувати на додатковий (понад середній) прибуток у цьому випадку не доводиться. Її перевагами для покупця є порівняно невисока вартість та можливість придбання перевіреної у виробничих умовах технології. Традиційна технологія створюється, як правило, внаслідок старіння та широкомасштабного поширення прогресивної технології. Продаж такої технології зазвичай здійснюється за цінами, що компенсують продавцю витрати на її підготовку та отримання середнього прибутку.

Переваги біотехнологічних процесів у порівнянні з хімічною технологією має такі основні переваги:

· Можливість отримання специфічних та унікальних природних речовин, частина з яких (наприклад, білки, ДНК) ще не вдається отримувати шляхом хімічного синтезу;

· Проведення біотехнологічних процесів при відносно невисоких температурах і тисках;

·мікроорганізми мають значно вищі швидкості росту та накопичення клітинної маси, ніж інші організми

· В якості сировини в процесах біотехнології можна використовувати дешеві відходи сільського господарства та промисловості;

· Біотехнологічні процеси в порівнянні з хімічними зазвичай більш екологічні, мають менше шкідливих відходів, близькі до природних процесів, що протікають в природі;

· Як правило, технологія та апаратура в біотехнологічних виробництвах більш прості та дешеві.

Біотехнологічна стадія

Основною стадією є власне біотехнологічна стадія, де з використанням того чи іншого біологічного агента відбувається перетворення сировини в той чи інший цільовий продукт.

Зазвичай головним завданням біотехнологічної стадії є отримання певної органічної речовини.

Біотехнологічна стадія включає:

Ферментація – процес, який здійснюється за допомогою культивування мікроорганізмів.

Біотрансформація - процес зміни хімічної структури речовини під впливом ферментативної активності клітин мікроорганізмів чи готових ферментів.

Біокаталіз – хімічні перетворення речовини, що протікають з використанням біокаталізаторів-ферментів.

Біоокислення – споживання забруднюючих речовин за допомогою мікроорганізмів або асоціації мікроорганізмів в аеробних умовах.

Метанова бродіння - переробка органічних відходів за допомогою асоціації метаногенних мікроорганізмів в анаеробних умовах.

Біокомпостування - зниження вмісту шкідливих органічних речовин асоціацією мікроорганізмів у твердих відходах, яким надано спеціальну структуру, що розпушує, для забезпечення доступу повітря та рівномірного зволоження.

Біосорбція - сорбція шкідливих домішок із газів чи рідин мікроорганізмами, зазвичай закріпленими на спеціальних твердих носіях.

Бактеріальне вилуговування - процес переведення нерозчинних у воді сполук металів у розчинений стан під дією спеціальних мікроорганізмів.

Біодеградація – деструкція шкідливих сполук під впливом мікроорганізмів-біодеструкторів.

Зазвичай біотехнологічна стадія має як вихідні потоки один рідинний потік і один газовий, іноді тільки один - рідинний. Якщо процес протікає у твердій фазі (наприклад, дозрівання сиру або біокомпостування відходів), виходом є потік переробленого твердого продукту.

Підготовчі стадії

Підготовчі стадії служать для приготування та підготовки необхідних видів сировини біотехнологічної стадії.

На стадії підготовки можуть бути використані такі процеси.

Стерилізація середовища – для асептичних біотехнологічних процесів, де небажано попадання сторонньої мікрофлори.

Підготовка та стерилізація газів (зазвичай повітря), необхідних для протікання біотехнологічного процесу. Найчастіше підготовка повітря полягає в очищенні його від пилу та вологи, забезпеченні необхідної температури та очищенні від присутніх у повітрі мікроорганізмів, включаючи суперечки.

Підготовка до посівного матеріалу. Очевидно, що для проведення мікробіологічного процесу або процесу культивування ізольованих клітин рослин або тварин необхідно підготувати і посівний матеріал – попередньо вирощену малу порівняно з основною стадією кількість біологічного агента.

Підготовка біокаталізатора. Для процесів біотрансформації або біокаталізу необхідно попередньо підготувати біокаталізатор - або фермент у вільному або закріпленому на носії вигляді, або біомасу мікроорганізмів, попередньо вирощену до стану, в якому проявляється її ферментативна активність

Попередня обробка сировини. Якщо сировина надходить у виробництво у вигляді, непридатному для безпосереднього використання в біотехнологічному процесі, проводять операцію з попередньої підготовки сировини. Наприклад, при отриманні спирту пшеницю спочатку дроблять, а потім піддають ферментативному процесу "оцукрювання", після чого оцукровене сусло на біотехнологічній стадії шляхом ферментації перетворюється на спирт.

Очищення продукту

Завдання цієї стадії – прибрати домішки, зробити продукт максимально чистим.

Хроматографія – процес, що нагадує адсорбцію.

Діаліз - процес, у якому через напівпроникну перегородку можуть проходити низькомолекулярні речовини, а високомолекулярні залишаються.

Кристалізація. Цей процес базується на різній розчинності речовин за різних температур.

Концентрування продукту

Подальше завдання – забезпечити його концентрування.

На стадії концентрування застосовують такі процеси, як випарювання, сушіння, осадження, кристалізація з фільтрацією кристалів, що вийшли, ультрафільтрація і гіперфільтрація або нанофільтрація, що забезпечують як би "віджим" розчинника з розчину.

Очищення стоків та викидів

Очищення цих стоків і викидів - спеціальне завдання, яке обов'язково має вирішуватись у наш екологічно неблагополучний час. По суті очищення стоків - це окреме біотехнологічне виробництво, що має свої підготовчі стадії, біотехнологічну стадію, стадію відстоювання біомаси активного мулу та стадію додаткового очищення стоків та переробки осаду.

Види біологічних об'єктів, що застосовуються в біотехнології, їх класифікація та характеристика. Біологічні об'єкти тваринного походження Біологічні об'єкти рослинного походження.

До об'єктів біотехнології відносяться: організовані позаклітинні частки (віруси), клітини бактерій, грибів, найпростіші організми, тканини грибів, рослин, тварин і людини, ферменти та ферментні компоненти, біогенні молекули нуклеїнової кислоти, лектини, цитокінини, первинні та вторинні метаболіти.

В даний час більшість біооб'єктів біотехнології є представниками 3-х надцарств:

1) Acoryotac - акоріоти або без'ядерні;

2) Procaryotac - прокаріоти або перед'ядерні;

3) Eucaryotac – еукаріоти чи ядерні.

Представляються 5-ма царствами: до акаріотів відносять віруси (неклітинна організована частка); до прокаріот відносять бактерії (морфологічна елементарна одиниця); до еукаріотів відносять гриби, рослини та тварини. Тип кодування генетичної інформації ДНК (для вірусів ДНК чи РНК).

Бактрії мають клітинну організацію, але при цьому матеріал ядра не відокремлений від цитоплазми жодними мембранами і не пов'язаний з якими білками. В основному бактерії одноклітинні їх розмір не перевищує 10 мікрометрів. Усі бактерії діляться на архіобактерії та еубактерії.

Гриби (Mycota) є важливими біотехнологічними об'єктами та продуцентами низки найважливіших сполук харчових продуктів та добавок: антибіотики, рослинні гормони, барвники, грибний білок, сири різних типів. Мікроміцети неформують плодового тіла, а макроміцети формують. Мають ознаки тварин та рослин.

Рослини (Планета). Відомо близько 300 тисяч видів рослин. Це диференційовані органічні рослини, складові яких тканини (мериместентные, покривні, проведені, механічні, основні та секреторні). До поділу здатні лише мириместентні тканини. Будь-який вид рослини за певних умов може давати неорганізовану клітинну масу клітин, що діляться - каллус. Найважливішими біооб'єктами є протопласти рослинних клітин. Вони позбавлені клітинної стінки. Використовуються у клітинній інженерії. Часто використовують водорості. З них отримують агар-агар та альгінати (полісахариди, що використовуються для приготування мікробіологічних середовищ).

Тварини (Animalia). У біотехнології широко застосовують такі біооб'єкти як клітини різних тварин. Крім клітин найвищих тварин використовуються клітини найпростіших тварин. Клітини вищих тварин використовуються для отримання рекомбінантної ДНК та для проведення токсикологічних досліджень.

Головним об'єктом біотехнологічного процесу є клітина. У ньому синтезується цільовий продукт. По суті, клітина є мініатюрним хімічним заводом, де щохвилини синтезуються сотні найскладніших сполук.

Основа сучасного біотехнологічного виробництва – синтез різних речовин за допомогою клітин мікроорганізмів. Клітини вищих рослин і тварин ще не знайшли широкого застосування через їх високу вимогливість до умов культивування.

Початковим етапом біотехнологічної розробкиє отримання чистих культур клітин та тканин.Подальші маніпуляції із цими культурами характеризується однаковістю підходів, заснованих на класичних методах мікробіології. При цьому культури клітин та тканин вищих рослин та тварин уподібнюються до культур мікроорганізмів.

Еукаріотії прокаріоти.Більшість мікроорганізмів – одноклітинні істоти. Мікробна клітина відокремлена від зовнішнього середовища клітинною стінкою, інколи ж лише цитоплазматичною мембраною і містить різні субклітинні структури. Існує два основних типи клітинної будови, що відрізняються один від одного поруч фундаментальних ознак. Це еукаріотичні та прокаріотичні клітини. Мікроорганізмів, що мають справжнє ядро, називають еукаріот (еу - від грецького - істинний, каріо - ядро). Мікроорганізми з примітивним ядерним апаратом відносяться до прокаріотів (до ядерних).

Серед мікроорганізмів до прокаріотіввідносяться бактерії, актиноміцети та синьо-зелені водорості (ціанобактерії), до еукаріотів- інші водорості (зелені, бурі, червоні), мікоміцети (слизовики), нижчі гриби - мікроміцети (включаючи дріжджі), найпростіші (жгутиконосці, інфузорії та ін.).

Їхня загальна властивість - малі розміри, вони видно лише в мікроскоп. Нині відомо понад 100 тис. видів різних мікроорганізмів.

У прокаріотів не відбуваються процеси мітозу і мейозу. Вони розмножуються найчастіше простим розподілом клітини.

В еукаріотичній клітиніє ядро, відокремлене від навколишньої цитоплазми двошарової ядерної мембраною з порами. У ядрі знаходяться 1-2 ядерця – центри синтезу рибосомальної РНК та хромосоми – основні носії спадкової інформації, що складаються з ДНК та білка. При розподілі хромосоми розподіляються між дочірніми клітинами внаслідок складних процесів - мітозу та мейозу. Цитоплазма еукаріотів містить мітохондрії, а у фотосинтезуючих організмів та хлоропласту. Цитоплазматична мембрана, що оточує клітину, перетворюється всередині цитоплазми в ендоплазматичну мережу; є також мембранна органела - апарат Гольджі.

Прокаріотичні клітинивлаштовані простіше. Вони немає чіткої межі між ядром і цитоплазмою, відсутня ядерна мембрана. ДНК у цих клітинах не утворює структур, схожих на хромосоми еукаріотів. У прокаріотів не відбуваються процеси мітозу і мейозу. Більшість прокаріотів не утворює внутрішньоклітинних органел, обмежених мембранами, немає мітохондрій та хлоропластів.

Підбір форм мікроорганізмів із заданими властивостями

Підбір необхідних культивування форм мікроорганізмів із заданими властивостями включає кілька етапів.

2.1. Виділення мікроорганізмів.Відбираються проби з місць проживання мікроорганізмів (ґрунт, рослинні залишки тощо). Стосовно вуглеводневих мікроорганізмів таким місцем може бути грунт біля бензоколонок, винні дріжджі рясно зустрічаються на винограді, анаеробні целюлорозкладаючі і метанообразующие мікроорганізми у великих кількостях живуть в рубці жуйних тварин.

2.2. Одержання накопичувальних культур.Зразки вносять у рідкі живильні середовища спеціального складу, створюють сприятливі умови для розвитку продуцента (температура, РН, джерела енергії, вуглецю,
азоту і т.д.). Для накопичення продуцента холестериноксидази використовують середовища з холестерином як єдине джерело вуглецю; вуглеводневих мікроорганізмів - середовища з парафінами; продуцентів протеолітичних чи ліполітичних ферментів - середовища, що містять білки чи ліпіди.

2.3. Виділення чистих культур.На щільні живильні середовища засівають зразки проб із накопичувальних культур. Окремі клітини мікроорганізмів на щільних живильних середовищах утворюють ізольовані
колонії або клони, при їх пересіванні виходять чисті культури, що складаються з клітин одного виду продуцента.

Інший шлях підбору мікроорганізмів – з наявних колекцій.Наприклад, продуцентами антибіотиків найчастіше є актиноміцети, етанолу-дріжджі.

Клон- культура, одержана з однієї клітини, чиста культура- сукупність особин одного виду мікроорганізмів, штами- культури, виділені з різних природних середовищ або з одного середовища у різний час.

2.4. Визначення здатності синтезувати цільовий продукт.Основний критерій при доборі продуцентів. Мікроорганізми повинні відповідати таким вимогам:

1)володіти високою швидкістю зростання;

2) використовувати для життєдіяльності дешеві субстрати;

3) бути стійкими до зараження сторонньою мікрофлорою.

Одноклітинні організми характеризуються вищими швидкостями синтетичних процесів, ніж вищі рослини та тварини. Так, корова масою 500 кг протягом однієї доби синтезує близько 0,5 кг білка. Таке ж кількість білка за одну добу можна отримати за допомогою 5 г дріжджів. Інтерес представляють фотосинтезуючі мікроорганізми, що використовують енергію світла, здатні засвоєння атмосферного азоту. Вигідними є термофільні мікроорганізми. Їхнє використання знижує додаткові витрати на стерилізацію промислового обладнання. Швидкість зростання та обмін речовин у цих організмів у 1,5-2 рази вища, ніж у мезофілів. Синтезують ними ферменти стійкі до нагрівання, дії кислот, органічних розчинників.

Методи біотехнології

У біотехнології виділяють два методи: 1) Селекція; 2) Генна інженерія. Для отримання високоактивних продуктів використовують методи селекції. За допомогою селекції отримані промислові штами мікроорганізмів, синтетична активність яких перевищує активність вихідних штамів у десятки та сотні разів.

Селекція

Селекція -спрямований відбір мутантів (організмів, спадковість яких зазнала стрибкоподібної зміни). Генеральний шлях селекції -перехід від простого відбору продуцентів до свідомого конструювання їх геномів. На кожному з етапів популяції мікроорганізмів відбираються найбільш високоефективні клони. Таким шляхом за тривалий час було відібрано штами пивних, винних, пекарських, оцтовокислих дріжджів, пропіоновокислих бактерій та ін. Застосовується ступінчастий відбір: на кожному з етапів з популяції мікроорганізмів відбираються найвищі клони. Обмеженість методу селекції, заснованого на спонтанних мутаціях, пов'язана з їх низькою частотою, що ускладнює інтенсифікацію процесу. Зміни у структурі ДНК відбуваються рідко. Ген повинен подвоїтися в середньому 106-108 разів, щоб виникла мутація. Прикладом відбору найбільш продуктивних мутантів при культивуванні в безперервному режимі є відбір дріжджів за ознакою стійкості до етанолу, продукту життєдіяльності дріжджів. До значного прискорення селекції веде індукований мутагенез різке збільшення частоти мутацій біооб'єкта при штучному пошкодженні геному. Мутагенну дію мають ультрафіолетове, рентгенівське або у-випромінювання, деякі хімічні сполуки, що викликають зміни первинної структури ДНК. До найбільш відомих і використовуваних мутагенів відносяться азотиста кислота, алкілуючі агенти і т.д.

Проводять тотальну перевірку (скринінг)отриманих клонів. Відібравши найбільш продуктивні клони, повторюють обробку тим самим мутагеном, знову відбирають найбільш продуктивний варіант і т.д., тобто. мова йде про ступінчастий відбір за ознакою, що цікавить.

Трудомісткість - основний недолік методу індукованого мутагенезу та подальшого ступеневого відбору. Недоліком методу є відсутність відомостей про характер мутацій, дослідник проводить відбір за кінцевим результатом.

Генетична інженерія

Генетична інженерія – спрямована модифікація біооб'єктів у результаті запровадження штучно створених генетичних програм. Рівні генетичної інженерії:

1)генна- Пряме маніпулювання рекомбінантними ДНК, що включають окремі гени;

2)хромосомна- Маніпулювання з групами генів або окремими хромосомами;

3)геномна(клітинна) – перенесення всього або більшої частини генетичного матеріалу від однієї клітини до іншої (клітинна інженерія). У сучасному розумінні генетична інженерія включає технологію рекомбінантної ДНК.

Робота в галузі генетичної інженерії включає 4 етапи: 1) отримання необхідного гена; 2) вбудовування його у вектор, здатний до реплікації; 3) введення гена за допомогою вектора до організму; 4) харчування та селекція клітин, які придбали бажаний ген.

Генетична інженерія вищих рослин здійснюється на клітинному, тканинному та організмовому рівні.

Основою клітинної інженерії є гібридизація соматичних клітин – злиття нестатевих клітин із заснуванням єдиного цілого. Злиття клітин може бути повним або з введенням окремих частин (мітохондрій, хлоропластів і т.д.).

Соматична гібридизація дозволяє схрещувати генетично віддалені організми. Рослинні, грибні та бактеріальні клітини перед злиттям звільняють від клітинної стінки та отримують протопласти. Потім проводять деполяризацію зовнішніх цитоплазматичних мембран змінним електричним або магнітним полем, використовують катіони Са+. Клітинну стінку піддають ферментативному гідролізу.

Запитання для самоперевірки

1. Що об'єктом біотехнології?

2. Які типи клітинного будови?

3. Які виділяють етапи зростання культури?

4. Що таке селекція та генна інженерія?

4 Головною ланкою біотехнологічного процесу є біологічний об'єкт, здатний здійснювати певну модифікацію вихідної сировини та утворювати той чи інший необхідний продукт. Як такі об'єкти біотехнології можуть виступати клітини мікроорганізмів, тварин і рослин, трансгенні тварини та рослини, гриби, а також багатокомпонентні ферментні системи клітин та окремі ферменти. Основою більшості сучасних біотехнологічних виробництв є мікробний синтез, тобто синтез різноманітних біологічно активних речовин за допомогою мікроорганізмів. На жаль, об'єкти рослинного та тваринного походження через низку причин ще не знайшли такого широкого застосування. Тому в подальшому цілі слід розглядати мікроорганізми як основні об'єкти біотехнології.

1 Мікроорганізми - основні об'єкти біотехнології Нині відомо понад 100 тисяч різних видів мікроорганізмів. Це насамперед бактерії, актиноміцети, ціанобактерії. При такому великому розмаїтті мікроорганізмів дуже важливою, а найчастіше і складною проблемою є правильний вибір саме організму, здатний забезпечити отримання необхідного продукту, тобто. служити промисловим цілям. 5

У багатьох біотехнологічних процесах використовується обмежена кількість мікроорганізмів, які класифікуються як GRAS ("generally recognized as safe" зазвичай вважаються безпечними). До таких мікроорганізмів відносять бактерії Васіллус subtilis, Васіллус amyloliquefaciens, інші види бацил і лактобацил, види Streptomyces. Сюди також відносять види грибів Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, дріжджів Saccharomyces та ін. 6

Мікробіологічна промисловість в даний час використовує тисячі штамів мікроорганізмів, які первинно були виділені з природних джерел на підставі їх корисних властивостей, а потім покращені за допомогою різних методів. У зв'язку з розширенням виробництва та асортименту продукції в мікробіологічну промисловість залучаються все нові і нові представники світу мікробів. Слід зазначити, що в найближчому майбутньому жоден з них не буде вивчений так само, як Е. соli і Вас. subtilis. Причина цього - колосальна трудомісткість і висока вартість таких досліджень. 7

Отже, виникає проблема розробки стратегії та тактики досліджень, які зумовили б з розумною витратою праці витягти з потенціалу нових мікроорганізмів усе найбільш цінне при створенні промислово важливих штамів-продуцентів, придатних до використання у біотехнологічних процесах. Класичний підхід полягає у виділенні потрібного мікроорганізму із природних умов. З природних місць існування передбачуваного продуцента відбирають зразки матеріалу (беруть проби матеріалу) і виробляють посів у селективне середовище, що забезпечує переважне розвиток цікавого мікроорганізму, тобто. одержують так звані накопичувальні культури. 8

Наступним етапом є виділення чистої культури з подальшим вивченням ізольованого мікроорганізму і, у разі потреби, орієнтовним визначенням його продукційної спроможності. Існує й інший шлях підбору мікроорганізмів-продуцентів – це вибір потрібного виду з наявних колекцій добре вивчених та досконало охарактеризованих мікроорганізмів. У цьому, звісно, ​​усувається необхідність виконання низки трудомістких операцій. 9

Головним критерієм під час виборів біотехнологічного об'єкта є здатність синтезувати цільової продукт. Однак крім цього, в технології самого процесу можуть закладатися додаткові вимоги, які часом бувають дуже важливими, щоб не сказати вирішальними. У загальних словах мікроорганізми повинні володіти високою швидкістю зростання, утилізувати необхідні для їх життєдіяльності дешеві субстрати, бути резидентними до сторонньої мікрофлори, тобто володіти високою конкурентоспроможністю. Все перераховане вище забезпечує значне зниження витрат на виробництво цільового продукту. 10

Наведемо деякі приклади, що доводять роль мікроорганізмів як об'єктів біотехнології: 1. Одноклітинні організми, як правило, характеризуються вищими швидкостями росту та синтетичних процесів, ніж вищі організми. Проте це властиво не всім мікроорганізмам. Деякі з них ростуть вкрай повільно, проте становлять відомий інтерес, оскільки здатні продукувати різні дуже цінні речовини. 11

2. Особливу увагу як об'єкти біотехнологічних розробок представляють фотосинтезуючі мікроорганізми, що використовують у своїй життєдіяльності енергію сонячного світла. Частина з них (ціанобактерії та фотосинтезуючі еукаріоти) як джерело вуглецю утилізують СО 2, а деякі представники ціанобактерій, до всього сказаного, мають здатність засвоювати атмосферний азот (тобто є вкрай невибагливими до поживних речовин). Фотосинтезуючі мікроорганізми перспективні як продуценти аміаку, водню, білка та ряду органічних сполук. Однак прогресу в їх використанні внаслідок обмеженості фундаментальних знань про їхню генетичну організацію та молекулярно-біологічні механізми життєдіяльності, очевидно, не слід очікувати в найближчому майбутньому. 12

3. Певна увага приділяється таким об'єктам біотехнології, як термофільні мікроорганізми, що ростуть за °С. Це їхня властивість є практично непереборною перешкодою для розвитку сторонньої мікрофлори при відносно не стерильному культивуванні, тобто. є надійним захистом від забруднень. Серед термофілів виявлено продуценти спиртів, амінокислот, ферментів, молекулярного водню. Крім того, швидкість їх росту та метаболічна активність у 1,5-2 рази вища, ніж у мезофілів. Ферменти, які синтезуються термофілами, характеризуються підвищеною стійкістю до нагрівання, деяким окислювачам, детергентам, органічним розчинникам та іншим несприятливим факторам. У той самий час вони мало активні за нормальних температур. 13

Так, протеази одного з представників термофільних мікроорганізмів при 20 °С у 100 разів менш активні, ніж при 75 °С. Останнє є дуже важливою властивістю деяких промислових виробництв. Наприклад, широке застосування генетичної інженерії знайшов фермент Tag-полимераза з термофільної бактерії Thermus aquaticus. Раніше вже згадувалося про ще одну дуже істотну властивість цих організмів, а саме, що при їх культивуванні температура середовища, в якому вони перебувають, значно перевищує температуру навколишнього середовища. Цей високий перепад температур забезпечує швидкий та ефективний обмін тепла, що дозволяє використовувати біологічні реактори без громіздких охолоджувальних пристроїв. А останнє, у свою чергу, полегшує перемішування, аерацію, піногасіння, що в сукупності значно здешевлює процес. 14

2 Виділення і селекція мікроорганізмів Невід'ємним компонентом у процесі створення найцінніших і найактивніших продуцентів, тобто. при доборі об'єктів у біотехнології є їх селекція. Головним шляхом селекції є свідоме конструювання геномів кожному етапі відбору потрібного продуцента. Така ситуація не завжди могла бути реалізована, внаслідок відсутності ефективних методів зміни геномів селективних організмів. У розвитку мікробних технологій відіграли важливу роль методи, що базуються на селекції спонтанно виникаючих змінених варіантів, що характеризуються необхідними корисними ознаками. 15

За таких методів зазвичай використовується ступінчаста селекція: кожному етапі відбору з популяції мікроорганізмів відбираються найактивніші варіанти (спонтанні мутанти), у тому числі наступному етапі відбирають нові, ефективніші штами, тощо. Незважаючи на явну обмеженість даного методу, що полягає в низькій частоті виникнення мутантів, його можливості рано вважати повністю вичерпаними. 16

p align="justify"> Процес селекції найбільш ефективних продуцентів значно прискорюється при використанні методу індукованого мутагенезу. Як мутагенних впливів застосовуються УФ, рентгенівське та гамма-випромінювання, певні хімічні речовини та ін. Однак і цей прийом також не позбавлений недоліків, головним з яких є його трудомісткість та відсутність відомостей про характер змін, оскільки експериментатор веде відбір за кінцевим результатом. 17

Наприклад, стійкість організму до іонів важких металів може бути пов'язана з придушенням системи поглинання даних катіонів бактеріальною клітиною, активацією процесу видалення катіонів з клітини або перебудовою системи (систем), яка піддається інгібуючої дії катіону в клітині. Природно, знання механізмів підвищення стійкості дозволить вести спрямований вплив з метою отримання кінцевого результату за більш короткий час, а також селектувати варіанти, які краще підходять до конкретних умов виробництва. Застосування перелічених підходів разом із прийомами класичної селекції є суттю сучасної селекції мікроорганізмів- продуцентів. 18

Наприклад, стійкість організму до іонів важких металів може бути пов'язана з придушенням системи поглинання даних катіонів бактеріальною клітиною, активацією процесу видалення катіонів з клітини або перебудовою системи (систем), яка піддається інгібуючої дії катіону в клітині. Природно, знання механізмів підвищення стійкості дозволить вести спрямований вплив з метою отримання кінцевого результату за більш короткий час, а також селектувати варіанти, які краще підходять до конкретних умов виробництва. Застосування перелічених підходів разом із прийомами класичної селекції є суттю сучасної селекції мікроорганізмів- продуцентів. 19

ЕКЗАМЕНАЦІЙНИЙ КВИТОК № 1

Об'єкти біотехнології та їх рівні

Біотехнологія означає будь-який вид технології, пов'язаний з використанням біологічних систем, живих організмів або їх похідних для виготовлення або зміни продуктів або процесів з метою їх конкретного використання. Біотехнологічні ресурси є біологічними ресурсами, що використовуються в біотехнологічних процесах.

Об'єкти для виробництва повинні відповідати певним вимогам: - здатність до зростання на дешевих поживних середовищах. - висока швидкість росту та утворення цільового продукту; - мінімальна освіта побічних продуктів; середовища. Важливою властивістю біооб'єкта є стійкість до інфекції, що важливо для підтримки стерильності та фагостійкості. Функції біооб'єкта полягають у повному біосинтезі цільового продукту, що включає ряд послідовних ферментативних реакцій або каталіз лише однієї ферментативної реакції, яка має ключове значення для отримання цільового продукту.

Об'єкти біотехнології дуже різноманітні і діапазон їх поширюється від організованих частин (вірусів) до людини. Біооб'єкт, що здійснює повний біосинтез цільового продукту. називається продуцентом.

б) бактерії та ціанобактерії;

г) водорості;

д) найпростіші;

ж) рослини – нижчі (анабена-азолла) та вищі – ряскові.

У такому разі біооб'єкти можуть бути молекулами (ферменти, імуномодулятори, нуклеозиди, оліго- та поліпептиди та ін.), організованими частинами (віруси, фаги), одноклітинними (бактерії, дріжджі) та багатоклітинними особинами (нитчасті вищі гриби, рослинні тканини). клітин ссавців), цілими організмами рослин та тварин. Але навіть при використанні біомолекул як об'єкта біотехнології її початковий біосинтез здійснюється в більшості випадків відповідними клітинами. Отже, можна стверджувати, що об'єкти біотехнології належать або до мікробів, або до рослинних і тваринних організмів.

Які здібності мають клітини організмів?

Клітина - елементарна біологічна система, здатна до самооновлення, самовідтворення та розвитку. Клітинні структури лежать в основі будови рослин та тварин. Яким би різноманітним не було будова організмів, в основі його лежать подібні структури - клітини.
Клітина має всі властивості живої системи:
здійснює обмін речовиною та енергією;
зростає;
розмножується та передає у спадок свої ознаки;
реагує на зовнішні сигнали (подразники);
здатна пересуватися.
Вона є нижчою щаблем організації, що володіє усіма цими властивостями, найменшою структурною та функціональною одиницею живого. Вона може жити й окремо: ізольовані клітини багатоклітинних організмів продовжують жити та розмножуватися у живильному середовищі.

Функції в клітині розподілені між різними органелами, такими як клітинне ядро, мітохондрії і т. д. Усі живі організми або, як багатоклітинні тварини, рослини і гриби, складаються з безлічі клітин, або, як багато найпростіших і бактерій, є одноклітинними організмами. Одноклітинні організми- позасистематична категорія живих організмів, тіло яких складається з однієї (на відміну від багатоклітинних) клітин ( одноклітинність). До неї можуть належати як прокаріоти, так і еукаріоти. Вважається, що одноклітинними були перші живі організми Землі. Найбільш давніми з них вважаються бактерії та археї. Багатоклітинний організм- позасистематична категорія живих організмів, тіло яких складається з багатьох клітин, більшість яких (крім стовбурових, наприклад, клітин камбію у рослин) диференційовані, тобто розрізняються за будовою та виконуваними функціями. Слід розрізняти багатоклітинністьі колоніальність. У колоніальних організмів відсутні справжні диференційовані клітини, отже, і поділ тіла на тканини. Сучасна клітинна теорія включає такі положення:
1) клітина - одиниця будови та розвитку всіх організмів;
2) клітини організмів різних царств живої природи подібні за будовою, хімічним складом, обміном речовин, основним проявам життєдіяльності;
3) нові клітини утворюються в результаті розподілу материнської клітини;
4) у багатоклітинному організмі клітини утворюють тканини;
5) із тканин складаються органи.

Клітини грибів, рослин та тварин мають подібну будову. У клітині розрізняють три основні частини: ядро, цитоплазму та плазматичну мембрану. Плазматична мембрана складається з ліпідів та білків. Вона забезпечує надходження речовин у клітину та виділення їх із клітини. У клітинах рослин, грибів та більшості бактерій над плазматичною мембраною є клітинна оболонка. Вона виконує захисну функцію та відіграє роль скелета. У рослин клітинна оболонка складається з целюлози, а у грибів із хітиноподібної речовини. Клітини тварин покриті полісахаридами, що забезпечують контакти між клітинами однієї тканини.

ЕКЗАМЕНАЦІЙНИЙ КВИТОК -3

1. Вимоги до біооб'єктів? Біооб'єкт-Це продуцент, біосинтезуючий корисний препарат, або каталізатор, фермент, який каталізує властиву йому реакцію.

Вимоги до біологічних об'єктів

Для реалізації біотехнологічних процесів важливими параметрами біооб'єктів є : чистота, швидкість розмноження клітин та репродукції вірусних частинок, активність та стабільність біомолекул або біосистем.

Слід мати на увазі, що при створенні сприятливих умов для обраного біооб'єкта біотехнології ці умови можуть виявитися сприятливими, наприклад, і для мікробів – контамінантів, або забруднювачів. Представниками контамінуючої мікрофлори є віруси, бактерії та гриби, що знаходяться в культурах рослинних або тваринних клітин. У цих випадках мікроби-контамінанти виступають шкідниками виробництв біотехнології. При використанні ферментів як біокаталізаторів виникає необхідність запобігання їх в ізольованому або іммобілізованому стані від деструкції банальною сапрофітною (не хвороботворною) мікрофлорою, яка може проникнути у сферу біотехнологічного процесу ззовні внаслідок нестерильності системи.

Активність та стабільність в активному стані біооб'єктів – одні з найважливіших показників їхньої придатності для тривалого використання в біотехнології.

Таким чином, незалежно від систематичного положення біооб'єкта, на практиці використовують або природні організовані частинки (фаги, віруси) і клітини з природною генетичною інформацією, або клітини зі штучно заданою генетичною інформацією, тобто в будь-якому випадку використовують клітини, мікроорганізм, рослина, тварина чи людина. Наприклад можна назвати процес отримання вірусу поліомієліту на культурі клітин нирок мавп з метою створення вакцини проти цього небезпечного захворювання. Хоча ми зацікавлені тут у накопиченні вірусу, репродукція його протікає у клітинах тваринного організму. Інший приклад із ферментами, які будуть використані в іммобілізованому стані. Джерелом ферментів є також ізольовані клітини або спеціалізовані асоціації їх у вигляді тканин, з яких ізолюють потрібні біокаталізатори.

Перерахуйте генні ресурси?

Ресурси біологічні – організми, які є або можуть бути об'єктами промислу; всі живі середоутворюючі компоненти біосфери (продуценти, консументи, редуценти). Вони належать до категорії вичерпних поновлюваних природних ресурсів. Розрізняють рослинні ресурси, ресурси тваринного світу, мисливські, пасовищні та ін. Особливо виділяють генетичні ресурси, тобто спадкова генетична інформація, яка міститься в генетичному коді живих істот.

Розвиток біотехнології був із використанням генетичних ресурсів. Вони, як правило, є унікальною приналежністю окремих регіонів світу, і на їх застосуванні часто ґрунтуються вікові традиції та національні особливості землеробства, тваринництва, медицини.

Генетичні ресурси - генетичний матеріал, що становить фактичну чи потенційну цінність.

У свою чергу генетичний матеріал визначається як будь-який матеріал рослинного, тваринного, мікробного або іншого походження, що містить функціональні одиниці спадковості.

Біологічні ресурси - генетичні ресурси, організми чи його частини, популяції чи будь-які інші біотичні компоненти екосистем, мають фактичну чи потенційну корисність чи цінність людства.

Які функції біооб'єктів?

Головною ланкою біотехнологічного процесу є біооб'єкти.

Біооб'єкт - центральний та обов'язковий елемент біотехнологічного виробництва, що створює його специфіку.

Біооб'єктом може бути цілісний багатоклітинний або одноклітинний організм, що зберіг життєздатність. Їм можуть бути ізольовані клітини багатоклітинного організму, а також віруси та виділені з клітин мультиферментні комплекси, включені у певний метаболічний процес. Також біооб'єктом може бути індивідуальний ізольований фермент.

Функція біооб'єкта- повний біосинтез цільового продукту, що включає ряд послідовних ферментативних реакцій або каталіз лише однієї ферментативної реакції, яка має ключове значення для одержання цільового продукту.

Доведено, що використання ферментів у виробництві іммобілізованому вигляді, тобто. пов'язаних з нерозчинним носієм, найбільш раціонально, тому що в цьому випадку забезпечуються багаторазовість їх застосування і стандартність виробничих циклів, що повторюються.

До біооб'єктів відносяться як макромолекули, так і мікро-і макроорганізми. Як макромолекул використовуються ферменти. Їх використання найбільш раціонально, тому що в цьому випадку забезпечуються багаторазовість їх застосування і стандартність похідних циклів, що повторюються.

Як біооб'єкти для приготування вакцин використовуються віруси. Домінуюче становище у сучасному біотехнологічному процесі займають мікробні клітини еукаріотів та прокаріотів. Вони є продуцентами (біооб'єкт, що здійснює повний біосинтез цільового продукту) первинних метаболітів, що використовуються як лікарські засоби.

Вищі рослини є найбільшим джерелом отримання лікарських засобів. При використанні рослин як біооб'єкти основна увага зосереджена на питаннях культивування рослинних тканин на штучних середовищах.

Біотехнологічні об'єкти знаходяться на різних щаблях організації:

а) субклітинні структури (віруси, плазміди, ДНК мітохондрій та хлоропластів, ядерна ДНК);

б) бактерії та ціанобактерії;

г) водорості;

д) найпростіші;

е) культури клітин рослин та тварин;

ж) рослини - нижчі (анабена-азолла) та вищі - ряскові.

Типи та функції ДНК?

Нуклеїнові кислоти

Серед інших хімічних речовин ДНК була виділена в окрему групу в 1869 р. Однак будову та тривимірну структуру ДНК вдалося розшифрувати англійському вченому Ф.Крику та американському Дж.Уотсону тільки в 1953 р. Ними була побудована модель ДНК. Вона являє собою подвійну спіраль, обидва тяжи якої скручені навколо уявної осі.

Складається ДНК з безлічі одиниць дезоксирибонуклеотидів, які поділяються на чотири типи. Вони утворюють специфічні послідовності, характерні кожного конкретного живого організму. Ці дезоксирибонуклеотиди є трикомпонентними утвореннями, які складаються з гетероциклічної основи (пурини - аденін або гуанін, або піримідини - тимін або цитозин), які у свою чергу з'єднуються з дизоксирибозою.

У клітинах прокаріотів міститься одна хромосома, до складу якої входить подвійний ланцюг ДНК. Еукаріотичні клітини містять декілька молекул ДНК, які пов'язані з білками та організовані всередині ядра. Ядро оточене двомембранною системою.

Функція ДНКполягає в тому, що вона зберігає генетичну інформацію, яка використовується для кодування структури всіх білків та всіх видів РНК кожного виду організму, регулює клітинний та тканинний біосинтез компонентів та забезпечує індивідуальність кожного організму. Деякі віруси також використовують ДНК як генетичний матеріал. Вірусні ДНК за розміром менші, ніж ДНК бактерій.

Структура ДНК.У ДНК умовно можна виділити первинну, вторинну та третинну структури.

Первинна структура ДНК– це кількість, якість та порядок розташування залишків дезоксирибонуклеотидів у полінуклеотидних ланцюгах.

Вторинна структура ДНК- представляє собою організацію полінуклеотидних ланцюгів в молекулі ДНК. Молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, спрямованих протилежно один до одного та правозакручених навколо спіральної осі з утворенням подвійного типу спіралі. Її діаметр становить 1,8-2,0 нм із періодом ідентичності 3,4 нм.

Вуглеводно-фосфатні групи в спіралі розташовані зовні (сахарофосфатна основа), а азотисті основи – усередині. Азотисті основи двох ланцюгів зв'язуються між собою водневими зв'язками за принципом комплементарності: аденін утворює подвійний зв'язок із тиміном, а гуанін у свою чергу – три зв'язки з цитозином. Подвійна спіраль - характерна будова більшості ДНК-молекул. Одноланцюгові ДНК містять деякі віруси, а також кільцеві форми ДНК - плазміди.

Третинна структура ДНК- це утворення у просторі спіралеподібних та суперспіралеподібних форм молекули ДНК. Третинна структура ДНК (прокаріотів та еукаріотів) відрізняється деякими особливостями, які пов'язані з будовою та функцією клітин. Третинна структура ДНК еукаріотів утворюється завдяки множинні суперспіралізації молекули і реалізується у вигляді комплексів ДНК з білками.

ЕКЗАМЕНАЦІЙНИЙ КВИТОК № 5_____

Класифікація біооб'єктів

Макромолекули

Ферменти всіх класів (частіше гідролази та трансферази); в т.ч. в іммобілізованому вигляді (пов'язані з носієм) забезпечує багаторазовість використання і стандартність виробничих циклів, що повторюються;

ДНК та РНК – в ізольованому вигляді, у складі чужорідних клітин.

Мікроорганізми

Віруси (з ослабленою патогенністю використовують для отримання вакцин);

Клітини прокаріоти та еукаріоти – продуценти первинних метаболітів: амінокислот, азотистих основ, коферментів, моно- та дисахарів, ферментів для замісної терапії тощо); -продуценти вторинних метаболітів: антибіотики, алкалоїди, стероїдні гормони та ін;

Нормофлори - біомаса окремих видів мікроорганізмів, що застосовуються для профілактики та лікування дисбактеріозів;

Збудники інфекційних захворювань – джерела антигенів для виробництва вакцин;

Трансгенні м/о або клітини – продуценти видоспецифічних для людини білкових гормонів, білкових факторів неспецифічного імунітету тощо.

Макроорганізми

Вищі рослини – сировина для отримання БАВ;

Тварини - ссавці, птахи, рептилії, амфібії, членистоногі, риби, молюски, людина;

Трансгенні організми.

Типи та функції РНК?

Одним з найважливіших відкриттів у другій половині ХХ століття стали нуклеїнові кислоти РНК і ДНК, завдяки яким людина наблизилася до розгадок таємниць природи.

Нуклеїнові кислоти- це органічні сполуки, що мають високомолекулярні властивості. До їх складу входять водень, вуглець, азот та фосфор.

Вона являє собою один полінуклеотидний ланцюжок (крім вірусів), який набагато коротший, ніж у ДНК. Один мономер РНК – це залишки наступних речовин: основи азоту; п'ятивуглецевого моносахариду; кислоти фосфору. РНК мають піримідинові (урацил і цитозин) та пуринові (аденін, гуанін) основи. Рибоза є моносахаридом нуклеотиду РНК.

Клітину РНК вперше було відкрито біохіміком з Німеччини Р. Альтманом щодо дріжджових клітин. У середині ХХ століття було доведено роль ДНК у генетиці. Тільки тоді описали і типи РНК, функції.

Залежно від виду РНК функції її також відрізняються. Існує кілька видів:

1) Інформаційна РНК (і-РНК).Іноді цей біополімер називають матричною РНК (м-РНК). Цей вид РНК розташовується як і ядрі, і у цитоплазмі клітини. Основне призначення – перенесення інформації про будову білка від дезоксирибонуклеїнової кислоти до рибосом, де відбувається збір білкової молекули. Відносно невелика популяція молекул РНК, що становить менше ніж 1% від усіх молекул.

2) Рибосомна РНК (Р-РНК).Найпоширеніший вид РНК (близько 90% від усіх молекул цього виду в клітині). Р-РНК розташована в рибосомах та є матрицею для синтезу білкових молекул. Має найбільші, проти іншими видами РНК, розміри. Молекулярна маса може досягати 1,5 мільйонів до Дальтона і більше.

3) Транспортна РНК (Т-РНК).Розташована переважно в цитоплазмі клітини. Основне призначення - здійснення транспорту (перенесення) амінокислот до місця синтезу білка (у рибосоми). Транспортна РНК становить до 10% від усіх молекул РНК, що знаходяться в клітині. Має найменше, порівняно з іншими РНК-молекулами, розміри (до 100 нуклеотидів).

4) Мінорні (малі) РНК.Це молекули РНК, найчастіше з невеликою молекулярною масою, що розташовуються в різних ділянках клітини (мембрані, цитоплазмі, органелах, ядрі тощо). Їх роль остаточно не вивчена. Доведено, що можуть допомагати дозріванню рибосомної РНК, беруть участь у перенесенні білків через мембрану клітини, сприяють редуплікації молекул ДНК тощо.

5) Рибозими.Нещодавно виявлений вид РНК, які беруть активну участь у ферментативних процесах клітини як фермент (каталізатор).

6) Вірусні РНК.Будь-який вірус може містити лише один вид нуклеїнової кислоти: або ДНК або РНК. Відповідно, віруси, що мають у своєму складі молекулу РНК, отримали назву РНК-містять. При попаданні в клітину вірусу даного типу може відбуватися процес зворотної транскрипції (утворення нових ДНК на базі РНК), і ДНК вірусу, що вже утворилася, вбудовується в геном клітини і забезпечує існування, а також розмноження збудника. Другим варіантом сценарію є утворення компліментарної РНК на матриці вірусної РНК, що надійшла. У цьому випадку утворення нових вірусних білків, життєдіяльність і розмноження вірусу відбувається без участі дезоксирибонуклеїнової кислоти тільки на підставі генетичної інформації, записаної на вірусній-РНК.

Типи та функції генів?

Ген, класифікація та організація генів
Генетика вивчає універсальні всім живих організмів закономірності спадковості і мінливості.
Елементарними дискретними одиницями спадковості є гени. Відтворення та дія генів безпосередньо пов'язане з матричними процесами. Нині ген сприймається як одиниця функціонування спадкового матеріалу. Хімічною основою гена є молекула ДНК.
Існує кілька підходів до класифікації генів, кожен із яких відбиває особливості їх функціонування у процесі онтогенезу. Гени, як одиниці функції спадкового матеріалу, поділяються на структурні, регуляторні та гени-модулятори.
Структурні гени містять інформацію про структуру білка (поліпептидів) та рибонуклеїнових кислот (рибосомальної та транспортної), при цьому генетична інформація реалізується в процесі транскрипції та трансляції або тільки транскрипції. У людини налічується близько 30 000 структурних генів, але тільки частина з них експресована.
Життєдіяльність клітин забезпечується невеликим набором функціонуючих генів, серед них розрізняють гени «домашнього господарства» – ГОФ (гени загальноклітинних функцій) та гени «розкоші» – ГСП (гени спеціалізованих функцій). ГОФ забезпечують здійснення універсальних клітинних функцій, які необхідні діяльності всіх клітин (гени гістонів, гени р-РНК і т-РНК та інших.). ГСП: 1- вибірково експресуються у спеціалізованих клітинах, визначаючи їх фенотип (гени глобінів, імуноглобулінів та ін.); 2 - функціонують за певних умов довкілля та представляють гени “адаптивної відповіді”. Приналежність до ГОФ чи ДСП визначається структурою ініціатора.
Регуляторні гени (ген - регулятор лактозного оперону, ген TFM та ін.) координують активність структурних генів на рівні клітини, а також дерепресію та репресію генів на рівні організму. Поряд з регуляторними генами є регуляторні послідовності (промотор, оператор, термінатор, енхансери, сайленсери, елемент перед промотором), функція яких виявляється у взаємодії зі специфічними білками.
Гени-модулятори посилюють або послаблюють дію структурних генів, змінюючи їхню функціональну активність.
Структурні гени по-різному організовані у прокаріотів і еукаріотів.
У прокаріотів структурні гени організовані у вигляді незалежних генів, транскрипційних одиниць і оперонів.
Незалежні гени складаються з безперервної послідовності кодонів, вони постійно експресовані та не регулюються на рівні транскрипції (ген-регулятор лактозного оперону). Транскрипційні одиниці - групи різних генів, які пов'язані функціонально і транскрибуються одночасно, що у подальшому забезпечує однакову кількість синтезованих продуктів. Зазвичай це гени білків або нуклеїнових кислот (у кишкової палички у складі одного з транскриптонів знаходяться два гени т-РНК, три гени р-РНК).
Оперон - це група структурних генів, що йдуть один за одним, що знаходяться під контролем оператора - певної ділянки ДНК.
Структурні гени мають загальний промотор, оператор та термінатор, беруть участь в одному метаболічному циклі та регулюються координовано
У еукаріотів структурні гени, функція яких пов'язана з регуляторними, організовані у вигляді незалежних генів, повторюваних генів і кластерів генів.
Незалежні гени, як правило, розташовуються індивідуально, їхня транскрипція не пов'язана з транскрипцією інших генів. Активність деяких із них регулюється гормонами.
Гени, що повторюються, присутні в хромосомі у вигляді повторів (копій) одного гена - гени гістонів, тРНК, рРНК. Причина повторюваності гістонових генів визначається необхідністю синтезувати велику кількість гістонів, які є основними структурними білками ядра (сумарна маса гістонів дорівнює масі ДНК).
Кластер генів - це група різних генів із спорідненими функціями, локалізованих у певних ділянках хромосом. До складу кластера входять гени, що активно функціонують, і псевдогени (Нуклеотидні послідовності псевдогенів подібні до послідовностей функціонально активних генів, але псевдогени не експресуються і не утворюють білок. Часто кластери є сімейством генів, що походить від якогось гена-предка.
Класичним прикладом є гени глобіну у складі А та В кластерів. Гемоглобін представлений гемом та білком тетрамером-глобіном. Глобіновий тетрамер складається з двох ідентичних ланцюгів та двох ідентичних ланцюгів. Амінокислотна послідовність кожного глобінового ланцюга і кодується своїм власним геном, що входить відповідно до складу А або кластера. У людини А кластер розташовується в 16 хромосомі, а кластер в 11 хромосомі (рис. 20). Кластер займає ділянку ДНК розміром 50 тисяч пар нуклеотидів і включає п'ять функціонально активних генів і один псевдоген: ген (епсілон); два гени (гама); псевдоген (бета); ген (дельта) та ген (бета).
Кластер А розташовується більш компактно і займає ділянку ДНК розміром більше 28 тисяч пар нуклеотидів і включає активний ген (дзета), псевдоген (дзета), псевдоген (альфа) і гени (альфа) два і (альфа) один, що кодують ідентичні білки. Гени глобіну за внутрішнім будовою є мозаїчними.
Повторювані гени та кластери глобінових генів відносяться до мультигенних сімейства.

ЕКЗАМЕНАЦІЙНИЙ КВИТОК № 7_____

Продуценти білка

Виробництво мікробної біомаси – найбільше мікробіологічне виробництво. Мікробна біомаса може бути гарною білковою добавкою для свійських тварин, птахів та риб. Виробництво мікробної біомаси особливо важливе для країн, що не культивують у великих масштабах сою (соєве борошно використовують як традиційну білкову добавку до кормів).

При виборі мікроорганізму враховують питому швидкість зростання і вихід біомаси цьому субстраті, стабільність при потоковому культивуванні, величину клітин. Клітини дріжджів більші, ніж бактерій, і легше відокремлюються від рідини при центрифугуванні. Можна вирощувати поліплоїдні мутанти дріжджів із великими клітинами. В даний час відомі лише дві групи мікроорганізмів, яким притаманні властивості, необхідні для великомасштабного промислового виробництва: це дріжджі роду Candida на n-алканах (нормальних вуглеводнях) та бактерії Methylophillus methylotrophus на метанолі.

Мікроорганізми можна вирощувати і інших поживних середовищах: на газах, нафти, відходах вугільної, хімічної, харчової, винно-горілчаної, деревообробної промисловості. Економічні переваги їхнього використання очевидні. Так, кілограм переробленої мікроорганізмами нафти дає кілограм білка, а, скажімо, кілограм цукру – лише 500 грамів білка. Амінокислотний склад білка дріжджів практично не відрізняється від такого, отриманого з мікроорганізмів, вирощених на звичайних вуглеводних середовищах. Біологічні випробування препаратів з дріжджів, вирощених на вуглеводнях, які проведені і в нашій країні та за кордоном, виявили повну відсутність у них будь-якого шкідливого впливу на організм випробуваних тварин. Досліди були проведені на багатьох поколіннях десятків тисяч лабораторних та сільськогосподарських тварин. У непереробленому вигляді дріжджі містять неспецифічні ліпіди та амінокислоти, біогенні аміни, полісахариди та нуклеїнові кислоти, а їх вплив на організм поки що погано вивчений. Тому і пропонується виділяти із дріжджів білок у хімічно чистому вигляді. Звільнення його від нуклеїнових кислот також стало нескладним.

У сучасних біотехнологічних процесах, заснованих на використанні мікроорганізмів, продуцентами білка є дріжджі, інші гриби, бактерії та мікроскопічні водорості.

З технологічної точки зору найкращими є дріжджі. Їхня перевага полягає насамперед у "технологічності": дріжджі легко вирощувати в умовах виробництва. Вони характеризуються високою швидкістю зростання, стійкістю до сторонньої мікрофлори, здатні засвоювати будь-які джерела живлення, легко відокремлюються, не забруднюють повітря спорами. Клітини дріжджів містять до 25% сухих речовин. Найбільш цінний компонент дріжджової біомаси - білок, який за складом амінокислот перевершує білок зерна злакових культур і лише трохи поступається білкам молока та рибного борошна. Біологічна цінність дріжджового білка визначається наявністю значної кількості незамінних амінокислот. За вмістом вітамінів дріжджі перевершують усі білкові корми, зокрема і рибне борошно. Крім того, дріжджові клітини містять мікроелементи та значну кількість жиру, в якому переважають ненасичені жирні кислоти. При згодовуванні кормових дріжджів коровам підвищуються надої та вміст жиру в молоці, а у хутрових звірів покращується якість хутра. Інтерес представляють і дріжджі, що мають гідролітичні ферменти і здатні рости на полісахаридах без їх попереднього гідролізу. Використання таких дріжджів дозволить уникнути дорогу стадію гідролізу полісахаридсодержащих відходів. Відомо більше 100 видів дріжджів, які добре ростуть на крохмалі як єдиному джерелі вуглецю. Серед них особливо виділяються два види, які утворюють як глюкоамілази, так і β-амілази, що ростуть на крохмалі з високим економічним коефіцієнтом і можуть не тільки асимілювати, а й зброджувати крохмаль: Schwanniomyces occidentalis та Saccharomycopsis fibuliger. Обидва види - перспективні продуценти білка та амілолітичних ферментів на крохмалевмісних відходах. Ведуться пошуки і таких дріжджів, які б розщеплювати нативну целюлозу. Целюлази виявлено у декількох видів, наприклад у Trichosporon pullulans, проте активність цих ферментів низька і про промислове використання таких дріжджів говорити поки що не доводиться. Дріжджі з роду Kluyveromyces добре ростуть на інуліні - в основному запасної речовини в бульбах топінамбура - важливої ​​кормової культури, яка також може бути використана для отримання дріжджового білка.

Класифікація ферментів

Класифікація ферментів ґрунтується на механізмі їх дії та включає 6 класів.

Ферменти як біокаталізатори мають ряд унікальних властивостей, наприклад, таких як висока каталітична активність та вибірковість дії. У ряді випадків ферменти мають абсолютну специфічність, каталізуючи перетворення тільки однієї речовини. До кожного ферменту існує свій оптимум рН, у якому його каталітичну дію максимально. При різкій зміні рН ферменти інактивуються через необоротну денатурацію. Прискорення реакції при підвищенні температури також лімітовано певними межами, оскільки вже при температурі 40-50 о С багато ферментів денатурують. Ці властивості ферментів доводиться враховувати розробки технології нового препарату.

Оскільки ферменти – речовини білкової природи, у суміші з іншими білками їх кількість визначити практично неможливо. Наявність ферменту в препараті може бути встановлена ​​лише протіканням тієї реакції, яку каталізує фермент. При цьому кількісну оцінку вмісту ферменту можна дати, визначивши або кількість продуктів реакції, або кількість субстрату, що витрачався. За одиницю активності ферменту приймають та його кількість, що каталізує перетворення одного мікромолю субстрату в 1 хвилину за заданих стандартних умов - стандартна одиниця активності.

Основну частину ферментів, одержуваних промисловим способом, становлять гідролази. До них відносяться, насамперед амілолітичні ферменти: α-амілаза, β-амілаза, глюкоамілаза. Їх основна функція - гідроліз крохмалю та глікогену. Крохмаль при гідролізі розщеплюється на декстрини, потім до глюкози. Ці ферменти застосовуються у спиртовій промисловості, хлібопеченні.

Протеолітичні ферменти утворюють клас пептидгідролаз. Їхня дія полягає в прискоренні гідролізу пептидних зв'язків у білках та пептидах. Важлива їх особливість – селективний характер впливу на пептидні зв'язки у білковій молекулі. Наприклад, пепсин діє лише на зв'язок з ароматичними амінокислотами, трипсин – на зв'язок між аргініном та лізином. У промисловості протеолітичні ферменти класифікують за здатністю проявляти активність у певній ділянці рН:

· рН 1.5 – 3.7 – кислі протеази;

· рН 6.5 – 7.5 – протеази;

· pH > 8.0 – лужні протеази.

Протеази знаходять широке застосування у різних галузях промисловості:

· М'ясна - для пом'якшення м'яса;

· Шкіряна - пом'якшення шкір;

· Кіновиробництво – розчинення желатинового шару при регенерації плівок;

· Парфумерна - добавки в зубну пасту, креми, лосьйони;

· Виробництво миючих засобів - добавки для видалення забруднень білкової природи;

· медицина – при лікуванні запальних процесів, тромбозів тощо.

Пектолітичні ферменти зменшують молекулярну масу та знижують в'язкість пектинових речовин. Пектинази поділяються на дві групи - гідролази та транселімінази. Гідралази відщеплюють метильні залишки або розривають глікозидні зв'язки. Транселіміназ прискорюють негідролітичне розщеплення пектинових речовин з утворенням подвійних зв'язків. Застосовуються у текстильній промисловості (вимочування льону перед переробкою), у виноробстві – освітлення вин, а також при консервуванні фруктових соків.

ЕКЗАМЕНАЦІЙНИЙ КВИТОК 8

1 Назвіть найпоширеніших представників ціанобактерії? Ціанобактерії, або синьо-зелені водорості (лат. Cyanobacteria) - велика група грамнегативних бактерій великих розмірів, відмінністю яких є здатність до фотосинтезу. Ціанобактерії - це найбільш складно влаштовані та диференційовані прокаріоти. Ціанобактерії поширені в морях та прісних водоймах, ґрунтовому покриві, можуть брати участь у симбіозах (лишайники). Рідкісні види мають токсичність і умовно-патогенні для людини. Синьо-зелені водорості – основні елементи, що викликають «цвітіння» води, що призводить до масової загибелі риб, отруєнь тварин і людей. Для деяких видів характерна рідкісна комбінація властивостей: здатність до фотосинтезу та одночасно фіксації азоту з атмосферного повітря.

Ціанобактерії - одноклітинні організми, можуть формувати колонії, відомі нитчасті форми. Розмноження здійснюється за допомогою бінарного поділу, можливо множинний поділ. Тривалість життєвого циклу за сприятливих умов становить 6-12 годин.

Ціанобактерії широко поширені в найрізноманітніших екологічних нішах по всій земній кулі, за що отримали назву космополітних організмів. Таке широке поширення пов'язане з біологічними властивостями ціанобактерії – специфічним метаболізмом, високою стійкістю до зміни таких параметрів середовища, як температура, вологість, освітленість, засоленість, ультрафіолетове та радіаційне опромінення тощо. Ціанобактерії мешкають у тундрі, у снігах і льодах, у пустелях, у гарячих джерелах з температурою до 80С, у засолених озерах та ґрунті.

ЕКЗАМЕНАЦІЙНИЙ КВИТОК №9

ЕКЗАМЕНАЦІЙНИЙ КВИТОК №10

ЕКЗАМЕНАЦІЙНИЙ КВИТОК № 11

ЕКЗАМЕНАЦІЙНИЙ КВИТОК № 12

1. Як називають корисні бактерії? Наведіть приклади таких бактерій?

Корисні бактерії належать до еубактерій. Оцтовокислі бактерії, представлені пологами Gluconobacter і Acetobacter, - це грамнегативні бактерії, що перетворюють етанол на оцтову кислоту, а оцтову кислоту на вуглекислий газ і воду. Рід Bacillus відноситься до грампозитивних бактерій, які здатні утворювати ендоспори та мають перитрихіальне джгутикування. B.subtilis – суворий аероб, а B.thuringiensis може жити і в анаеробних умовах. Анаеробні, що утворюють суперечки бактерії, представлені родом Clostridium. C.acetobutylicum зброджує цукру в ацетон, етанол, ізопропанол та n-бутанол (ацетобутанолове бродіння), інші види можуть також зброджувати крохмаль, пектин та різні азотовмісні сполуки.