История развития, достижения в биотехнологиях

ВВЕДЕНИЕ

1.1. Общие положения

Законом Российской Федерации «Оветеринарии» определены ос­новные задачиветеринарной медицины «в области научных знаний и практическойдеятельности, направленные на предупреждение бо­лезней животных и их лечение,выпуск полноценных и безопасных в ветеринарном отношении продуктовживотноводства и защиту насе­ления отболезней, общих для человека и животных».

Решение целого рядаэтих задач осуществляется методами био­технологии.

Определение биотехнологии в довольнополном объеме дано Ев­ропейской биотехнологическойфедерацией, основанной в 1978 г. По этому определению биотехнология — это наука,которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии,генетики, геннойинженерии, иммунологии, химической технологии, приборо — и машиностроения использует биологическиеобъекты (микро­организмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нук­леиновые кислоты,белки, ферменты, углеводы и др.) для промыш­ленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов.

До тех пор, пока всеобъемлющий термин«биотехнология» не стал общепринятым, для обозначения наиболее тесно связанных сбиоло­гиейразнообразных технологий использовали такие названия, как прикладнаямикробиология, прикладная биохимия, технология фер­ментов, биоинженерия, прикладная генетика и прикладная биоло­гия.

Использование научныхдостижений в биотехнологии осуществ­ляется на самом высоком уровне современной науки. Только биотех­нология создает возможность полученияразнообразных веществ и соединений изсравнительно дешевых, доступных и возобновляе­мых материалов.

В отличие отприродных веществ и соединений, искусственно син­тезируемые требуют большихкапиталовложений, плохо усваивают­ся организмами животных и человека, имеютвысокую стоимость.

Биотехнология использует микроорганизмы ивирусы, которые в процессе своейжизнедеятельности вырабатывают естественным пу­тем необходимые нам вещества — витамины, ферменты, аминокис­лоты, органические кислоты, спирты, антибиотики идр. биологи­чески активные соединения.

Живая клетка по своейорганизационной структуре, слаженности процессов, точности результатов,экономичности и рациональности превосходит любой завод.

В настоящее времямикроорганизмы используются, в основном, в трех видах биотехнологическихпроцессов:

-для производства биомассы;

-для получения продуктов метаболизма (например, этанола,ан­тибиотиков, органических кислот и др.);

-дляпереработки органических и неорганических соединений как природного, так и антропогенного происхождения.

Главная задача первого вида процессов,которую сегодня призва­но решать биотехнологическое производство — ликвидация белково­годефицита в кормах сельскохозяйственных животных и птиц, т.к. в белках растительного происхождения имеется дефицитаминокис­лот и, прежде всего, особо ценных, так называемых незаменимых.

Основнымнаправлением второй группы биотехнологических про­цессов в настоящеевремя является получение продуктов микробно­го синтеза с использованием отходовразличных производств, вклю­чая пищевую, нефте — идеревоперерабатывающую промышленности и т.д.

Биотехнологическаяпереработкаразличных химических соеди­нений направлена, главным образом, на обеспечениеэкологического равновесия в природе, переработку отходов деятельности человече­ства и максимальное снижение негативногоантропогенного воздей­ствия на природу.

В промышленном масштабе биотехнологияпредставляет индуст­рию, в которой можновыделить следующие отрасли:

-производство полимеров и сырья для текстильной промышлен­ности;

-получение метанола, этанола, биогаза,водорода и использова­ние их в энергетике и химической промышленности;

-производство белка, аминокислот, витаминов, ферментов ит.д. путемкрупномасштабного выращивания дрожжей, водорослей, бак­терий;

-увеличение продуктивности сельскохозяйственных растений и животных;

-получение гербицидов и биоинсектицидов;

-широкое внедрение методов генной инженерии при полученииновыхпород животных, сортов растений и выращивания тканевых  клеточных культур растительного и животногопроисхождения;

-переработка производственных и хозяйственных отходов,сточ­ныхвод, изготовление компостов с применением микроорганизмов;

-утилизациявредных выбросов нефти, химикатов, загрязняющих почву и воду;

-производство лечебно-профилактических и диагностическихпре­паратов(вакцин, сывороток, антигенов, аллергенов, интерферонов, антибиотиков и др.).

Практически все биотехнологические процессы тесно связаны с жизнедеятельностьюразличных групп микроорганизмов — бактерий, вирусов, дрожжей, микроскопических грибов ит.п., и имеют ряд ха­рактерных особенностей:

1. Процесс микробногосинтеза, как правило, является частью мно­гостадийного производства, причем целевойпродукт стадии биосин­тезачасто не является товарным и подлежит дальнейшей переработ­ке.

2.   При культивированиимикроорганизмов обычно необходимо под­держивать асептические условия, что требуетстерилизации оборудо­вания, коммуникаций, сырья и др.

3.  Культивированиемикроорганизмов осуществляют в гетероген­ных системах, физико-химическиесвойства которых в ходе процесса могут существенно изменяться.

4.  Технологическийпроцесс характеризуется высокой вариабель­ностью из-за наличия в системебиологического объекта, т.е. популя­ции микроорганизмов.

5.  Сложность имногофакторность механизмов регуляции роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма.

6.  Сложность и вбольшинстве случаев отсутствие информации о качественном и количественном составепроизводственных питатель­ных сред.

7.  Относительно низкиеконцентрации целевых продуктов.

8.  Способность процессак саморегулированию.

9.  Условия, оптимальныедля роста микроорганизмов и для био­синтеза целевых продуктов, не всегдасовпадают.

Микроорганизмыпотребляют из окружающей среды вещества, растут, размножаются, выделяют жидкие игазообразные продукты метаболизма, тем самым реализуя те изменения в системе(накопле­ниебиомассы или продуктов метаболизма, потребление загрязняю­щих веществ), радикоторых проводят процесс культивирования. Сле­довательно, микроорганизм можнорассматривать как центральный элемент биотехнологическойсистемы, определяющий эффективность ее функционирования.

1.2. История развития биотехнологии

За последние 20 летбиотехнология, благодаря своим специфичес­ким преимуществам перед другими науками,совершила решитель­ный прорыв на промышленный уровень, что в немалой степениобя­занотакже развитию новых методов исследований и интенсифика­ции процессов,открывших ранее неизвестные возможности в полу­чении биопрепаратов, способоввыделения, идентификации и очист­ки биологически активных веществ.

Биотехнологияформировалась и эволюционировала по мере фор­мирования и развития человеческогообщества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделитьна 4 периода.

1. Эмпирический период или до­исторический — самыйдлительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. иоколо 2000 лет н.э. Древниенародытого времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мыотносим к разряду биотехнологических.

Известно, что шумеры — первые жители Месопотамии (на терри­тории современного Ирака) создали цветущую вте времена цивили­зацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусствомго­товить пиво. Приобретенный опыт передавался из поколения в поко­ление, распространялся среди соседних народов(ассирийцев, вави­лонян, египтян и древние индусов). В течение несколькихтысячеле­тий известен уксус, издревлеприготавливавшийся в домашних усло­виях. Первая дистилляция в виноделииосуществлена в XIIв.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVIв.; шампанское известно с XVIIIв.

К эмпирическомупериоду относятся получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, си­лосование кормов.

Таким образом, народыисстари пользовались на практике био­технологическимипроцессами, ничего не зная о микроорганизмах. Эмпиризм также былхарактерен и в практике использования полез­ныхрастений и животных.

В 1796 г. произошло важнейшее событие в биологии- Э. Дженнером были проведены первые в историипрививки человеку коровьей оспы.

2. Этиологическийпериод в развитии биотехнологииохватывает вторую половину XIXв. и первую треть XXв. (1856 — 1933 гг.).Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера(1822 — 95) — основопо­ложниканаучной микробиологии.

Пастер установилмикробную природу брожения, доказал возмож­ность жизни в бескислородныхусловиях, создал научные основы вакцинопрофилактикии др.

В этот же периодтворили его выдающиеся ученики, сотрудники и коллеги: Э. Дюкло,Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, И.И.Мечников; Р. Кох, Д. Листер,Г. Риккетс, Д. Ивановский и др.

В 1859 г. Л. Пастер приготовилжидкую питательную среду, Р. Кох в 1881 г. предложил метод культивированиябактерий на стерильных ломтикахкартофеля и на агаризованных питательных средах. И, какследствие этого, удалось доказатьиндивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того,каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целяхвоспроиз­ведениясоответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.).

Среди достижений 2-й периода особо стоит отметить следующие:

—  1856 — чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирова­ния признаков и ввелпонятие единицы наследственности в виде дис­кретного фактора, который передается отродителей потомкам;

—  1869 — Ф. Милер выделил«нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов;

—  1883 — И. Мечников разработал теорию клеточногоиммунитета;

—  1984 — Ф. Леффлер изолировал икультивировал возбудителя дифтерии;

—  1892 — Д.Ивановский открыл вирусы;

—  1893 — В. Оствальд установилкаталитическую функцию ферментов;

—  1902 — Г. Хаберланд показалвозможность культивирования кле­ток растений в питательных растворах;

—  1912 — Ц. Нейберг раскрылмеханизм процессов брожения;

-1913 — Л. Михаэлис и М. Ментен разработаликинетику фермен­тативных реакций;

—  1926 — X. Моргансформулировал хромосомную теорию наслед­ственности;

—  1928 — Ф. Гриффит описалявление «трансформации» у бакте­рий;

-1932 — М. Кнолль и Э. Рускаизобрели электронный микроскоп.

В этот период было начато изготовление прессованных пищевых

дрожжей, а также продуктов их метаболизма — ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили ксозданию биоустановокдля микробиологической очистки сточных вод.

Тем не менее,накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемкимпроцессом. Вот почему тре­бовался принципиально иной подход для решения многихзадач в областибиотехнологии.

3. Биотехнический период — начался в 1933 г. и длился до 1972 г.

В 1933 г. А. Клюйвер иА.Х. Перкин опубликовали работу «Мето­ды изучения обменавеществ у плесневых грибов», в которой изло­жили основные технические приемы, а такжеподходы к оценке по­лучаемых результатов при глубинном культивированиигрибов. Началосьвнедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизи­рованного оборудования, обеспечивающегопроведение процессов в стерильных условиях.

Особенно мощный толчокв развитии промышленного биотехно­логическогооборудования был отмечен в период становления и раз­вития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939-1945гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированнымиранами).

Все прогрессивное вобласти биотехнологических и технических дисциплин, достигнутоек тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии:

— 1936 — были решены основные задачи по конструированию, со­зданию и внедрению впрактику необходимого оборудования, в том числе главного из них — биореактора (ферментера, аппарата-культи­ватора);

— 1938 — А. Тизелиус разработалтеорию электрофореза;

— 1942 — М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели вирусы с помощью электронногомикроскопа;

— 1943 — пенициллин произведен в промышленных масштабах;

— 1949 — Дж. Ледерберг открылпроцесс конъюгации у Е.colly;

—  1950 — Ж. Моноразработал теоретические основы непрерывно­го управляемого культивирования микробов, которые развили в сво­их исследованиях М. Стефенсон, И. Молек, М. Иерусалимский,

И. Работнова,И. Помозгова, И. Баснакьян,В. Бирюков;

-1951 — М. Тейлер разработал вакцину противжелтой лихорадки;

-1952 — У. Хейс описал плазмиду как внехромосомныйфактор наследственности;

-1953 — Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровалиструктуру ДНК. Это стало побудительным мотивом для разработки способовкрупномас­штабного культивирования клетокразличного происхождения для получения клеточных продуктов и самих клеток;

— 1959 — японские ученые открыли плазмидыантибиотикоустойчивости (К-фактор) у дизентерийнойбактерии;

— 1960 — С. Очоа и А. Корнберг выделили белки, которые могут «сшивать» или «склеивать» нуклеотиды вполимерные цепочки, син­тезируя тем самыммакромолекулы ДНК. Один из таких ферментов был выделен из кишечной палочки иназван ДНК-полимераза;

— 1961 — М. Ниренберг прочиталпервые три буквы генетического

кода дляаминокислоты фенилаланина;

— 1962 — X. Корана синтезировалхимическим способом функцио­нальный ген;

-1969 — М. Беквит и С. Шапиро выделили ген1ас-оперона у Е.colly;

-1970 — выделенфермент рестриктаза (рестриктирующаяэндонуклеаза).

4. Геннотехнический период начался с 1972 г., когда П. Бергсоздал первуюрекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возмож­ность направленныхманипуляцией с генетическим материалом бак­терий.

Естественно, что безфундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК былобы невозможно дос­тигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяс­нение механизмовфункционирования и репликации ДНК, выделе­ние и изучение специфичных ферментовпривело к формированию строго научного подхода к разработке биотехническихпроцессов на основе генноинженерных манипуляций.

Создание новыхметодов исследований явилось необходимой пред­посылкой развития биотехнологии в 4-омпериоде:

— 1975 — Г. Келлер и Ц. Мильштейн опубликовали в журнале «Ка1иге» статью «Длительноживущие культуры гибридных клеток, секретирующие антителапредопределенной «специфичности», в которой описали метод получения моноклональных антител;

— 1977 — М. Максам и У. Гилберт разработали метод анализапер­вичнойструктуры ДНК путем химической деградации, а Дж. Сэнгер

— путемполимеразного копирования с использованием терминиру­ющих аналоговнуклеотидов;

— 1981- разрешен к применению в США первый диагностичес­кий набор моноклональных антител;

1982 — поступил впродажу человеческий инсулин, продуцируе­мый клетками кишечной палочки;разрешена к применению в Евро­пейских странах вакцина для животных, полученная потехнологии

рекомбинантных ДНК; разработаны генно-инженерныеинтерфероны, фактор некротизации опухоли,интер-лейкин-2, соматотропный гормон человека и др;

-1986 — К. Мюллис разработал метод полимеразнойцепной реак­ции (ПЦР);

—  1988 — началось широкомасштабное производство оборудова­ния и диагностическихнаборов для ПЦР;

—  1997 — клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированнойсоматической клетки.

Такие выдающиесяотечественные ученые как Л.С. Ценковский, С.Н. Вышелесский,М.В. Лихачев, Н.Н. Гинзбург, С.Г. Колесов, Я.Р. Коляков, Р.В. Петров, В.В. Кафаров и др. внеслинеоценимый вклад в развитиебиотехнологии.

Наиболее важные достижения биотехнологии в 4-ом периоде:

1. Разработкаинтенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (спродуцен­тами антибиотиков, ферментов,аминокислот, витаминов).

2.     Получение суперпродуцентов.

3.     Создание различныхпродуктов, необходимых человеку, на ос­нове генноинженерныхтехнологий.

4.     Создание необычныхорганизмов, ранее не существовавших в природе.

5.     Разработка и внедрениев практику специальной аппаратуры биотехнологическихсистем.

6.     Автоматизация икомпьютеризация биотехнологических про­изводственныхпроцессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

Вышеперечисленныедостижения биотехнологии реализуются в настоящее время в народное хозяйство и будут внедряться в практи­ку в последующие 10-15 лет. В обозримом будущембудут опреде­лены новые краеугольныекамни биотехнологии и нас ждут новые открытия и достижения.

1.3. Биосистемы, объекты и методы в биотехнологии

Одним из терминов вбиотехнологии является понятие «биосисте­мы». Обобщенные характеристики биологической (живой) системы могут быть сведены к трём присущим им основнымпризнаками:

1.  Живые системыявляются гетерогенными открытыми система­ми, которые обмениваются с окружающей средойвеществами и энер­гией.

2.   Эти системы являются самоуправляемыми,саморегулирующими, идактивными, т.е. способными к обменуинформацией с окружа­ющей средой для поддержания своей структуры и управленияпро­цессамиметаболизма.

3.   Живые системы являются самовоспроизводящимися(клетки, организмы).

По структуребиосистемы делятся на элементы (подсистемы), свя­занные между собой, и характеризуютсясложной организацией (ато­мы, молекулы, органеллы, клетки, организмы, популяции,сообще­ства).

Управление в клетке представляет собойсочетание процессов синтеза молекулбелков-ферментов, необходимых для осуществления той или иной функции, и непрерывныхпроцессов изменения активно­сти входе взаимодействия триплетных кодов ДНК в ядре и макромо­лекул в рибосомах. Усиление и торможениеферментативной актив­ностипроисходит в зависимости от количества начальных и конеч­ных продуктов соответствующих биохимическихреакций. Благода­ря этой сложной организации биосистемы отличаются от всех нежи­выхобъектов.

Поведение биосистемыявляется совокупностью ее реакций в от­вет на внешние воздействия, т.е. наиболееобщей задачей управляю­щих систем живых организмов является сохранение егоэнергетиче­ской основы при изменяющихся условиях внешней среды.

Н.М. Амосов делит всебиосистемы на пять иерархических уров­ней сложности: одноклеточные организмы,многоклеточные организ­мы, популяции, биогеоценоз и биосферу.

Одноклеточныеорганизмы — это вирусы, бактерии и простейшие. Функции одноклеточных — обменвеществом и энергией со средой, рост и деление, реакции на внешниераздражители в виде изменения обмена и формы движения. Все функции одноклеточныхподдержива­ются за счет биохимических процессов ферментативной природы и за счет энергетическогообмена — начиная от способа получения энер­гии и до синтеза новых структур илирасщепления существующих. Единственныммеханизмом одноклеточных, обеспечивающим их приспособлениек окружающей среде, является механизм изменений в отдельных генах ДНК и, какследствие, изменение белков-фермен­тови изменение биохимических реакций.

Основой системногоподхода к анализу структур биосистем является ее представление в виде двух компонентов- энергетической и управляющей.

На рис. 1. показана обобщеннаяпринципиальная схема потоков энергии иинформации в любой биосистеме. Основным, элементом являетсяэнергетическая составляющая, обозначенная через МС (ме­таболическая система), и управляющая, обозначенная через Р (генетическое и физиологическое управле­ние) и передающая сигналы управле­ния на эффекторы(Э). Одной из главных функций метаболической системы является снабжениебиосистем энер­гией.

Рис. 1. Потокиэнергии и информации в биосистеме.

Структура биосистем поддерживаетсямеханизмами генетическо­го управления.Получая от остальных систем энергию и информацию в виде продуктов обмена веществ (матаболитов),а в период формиро­вания — в виде гормонов, генетическая системауправляет процессом синтеза необходимыхвеществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма, причем процессы в этой системе про­текают достаточно медленно.

Несмотря намногообразие биосистем, отношения между их био­логическими свойствами остаются инвариантнымидля всех организ­мов. В сложной системе возможности к адаптации значительноболь­ше, чем в простой. Впростой системе эти функции обеспечиваются малымколичеством механизмов, при этом они более чувствительны к изменениям во внешней среде.

Для биосистемхарактерна качественная неоднородность, прояв­ляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональнойбио­системы совместно и слаженно работают подсистемы с качественно различными адекватными управляющими сигналами(химическими, физическими, информационными).

Иерархичность биосистем проявляется впостепенном усложнении функции на одном уровне иерархии и скачкообразном переходе к качественно другойфункции на следующем уровне иерархии, а также в специфическом построении различныхбиосистем, их ана­лиза и управления в такой последовательности, что итоговая выход­наяфункция нижележащего уровня иерархии входит в качестве эле­мента в вышележащийуровень.

Постоянноеприспособление к среде и эволюция невозможны без единства двух противоположныхсвойств: структурно-функциональ­ной организованности иструктурно-функциональной вероятности, стохастичности и изменчивости.

Структурно-функциональнаяорганизованность проявляется на всех уровнях биосистем и характеризуетсявысокой устойчивостью биологического вида и его формы. На уровне макромолекулэто свой­ствообеспечивается репликацией макромолекул, на уровне клетки -делением, на уровнеособи и популяции — воспроизведением особей путем размножения.

В качествебиологических объектов или систем, которые исполь­зует биотехнология,прежде всего необходимо назвать одноклеточ­ные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующимимоментами:

1. Клеткиявляются своего рода «биофабриками», вырабатываю­щими в процессе жизнедеятельностиразнообразные ценные продук­ты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновыекислоты, ами­нокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многиеиз этих продуктов, крайне необходимые в жиз­ни человека, пока недоступны для получения «небиотехнологическими» способами из-задефицитности или высокой стоимости сырья

или жесложности технологических процессов;

2. Клетки чрезвычайно быстровоспроизводятся. Так, бактериаль­ная клетка делится через каждые 20 — 60 мин,дрожжевая – через каждые 1,5 — 2 ч, животная — через 24 ч, что позволяет за относитель­но короткое времяискусственно нарастить на сравнительно дешё­вых и недефицитных питательных средах впромышленных масшта­бах огромные количества биомассы микробных, животных илирас­тительныхклеток. Например, в биореакторе ёмкостью 100 м3 за 2 – 3 сутможно вырастить 10’6 — 1018 микробных клеток. В процессе жиз­недеятельности клеток при ихвыращивании в среду поступает боль­шое количество ценных продуктов, а самиклетки представляют со­бой кладовые этих продуктов;

3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки,антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологичес­ки доступнее, чемхимический синтез. При этом исходное сырьё для биосинтеза, как правило, проще идоступнее, чем сырьё для других

видовсинтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяй­ственной, рыбнойпродукции, пищевой промышленности, рас­тительное сырьё (молочная сыворотка, дрожжи,древесина, меласса и др.)

4.Возможность проведения биотехнологическогопроцесса в промышленных масштабах,т.е. наличие соответствующего техно­логическогооборудования, доступность сырья, технологии перера­ботки и т.д.

Таким образом,природа дала в руки исследователям живую сис­тему, содержащую и синтезирующуюуникальные компоненты, и, в первую очередь, нуклеиновые кислоты, с открытием которыхи на­чалабурно развиваться биотехнология и мировая наука в целом.

Объектами биотехнологии являются вирусы,бактерии, грибы, протозойныеорганизмы, клетки (ткани) растений, животных ичело­века, вещества биологическогопроисхождения (например, ферменты, простагландины,лектины, нуклеиновые кислоты), молекулы.

В этой связи можносказать, что объекты биотехнологии относят­ся либо к микроорганизмам, либо крастительным и животным клет­кам. В свою очередь организм можноохарактеризовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, целенаправленногосинте­за,устойчиво и активно протекающего при оптимальном под­держании всехнеобходимых параметров.

Методы, применяемые в биотехнологии,определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. Тот и другой определяются биобъектами.

В первом случае дело имеют сбактериальными клетками (для получениявакцинных препаратов), актиномицетов (при получении антибиотиков), микромицетов (при получении лимонной кислоты), животных клеток (при изготовлении противовирусныхвакцин), кле­ток человека (приизготовлении интерферона) и др.

Во втором случаедело имеют с молекулами, например с нуклеи­новыми кислотами. Однако в конечной стадиимолекулярный уро­вень трансформируется в клеточный.Клетки животных ирастений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции идиссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты разнообразногофизико-химичес­кого состава и биологического действия.

При росте клетки в нейосуществляется огромное число катали­зируемых ферментами реакций, в результатекоторых образуются промежуточные соединения, которые в свою очередь превращаются в структуры клетки. Кпромежуточным соединениям, к строитель­ным «кирпичикам» относятся 20 аминокислот, 4 рибонуклеотида, 4 дезоксирибонуклеотида, 10 витаминов, моносахара, жирные кисло­ты, гексозамины.Из этих «кирпичиков» строятся «блоки»: пример­но 2000 белков, ДНК, три типаРНК, полисахариды, липиды, фер­менты. Образующиеся «блоки» идут на строительствоклеточных структур:ядро, рибосомы, мембрана, клеточная стенка, митохонд­рии, жгутики и пр., из которыхсостоит клетка.

На каждой стадии«биологического синтеза» клетки можно опре­делить те продукты, которые могутбыть использованы в биотехно­логии.

Обычно продукты одноклеточных делят на 4 категории:

а)сами клетки как источник целевого продукта. Например, выра­щенныебактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи, как кормовойбелок или основу для получения гидролизатовпитательных сред и т.д.;

б)крупные молекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены,антитела, пептидогликаныи др.;

в)первичные метаболиты — низкомолекулярные вещества(менее 1500 дальтон), необходимые дляроста клеток, такие как аминокис­лоты,витамины, нуклеотиды, органические кислоты;

г)вторичные метаболиты (идиолиты)- низкомолекулярные со­единения, нетребующиеся для роста клеток: антибиотики, алкалои­ды, токсины, гормоны.

Биотехнологияиспользует эту продукцию клеток как сырьё, ко­торое в результатетехнологической обработки превращается в ко­нечный, пригодный для использования продукт.

Все микрообъекты, используемыев биотехнологии, относят к акариотам, про- или к эукариотам. Из группы эукариот, например,опе­рирует в качестве биообъектов клетками простейших, водорослей и грибов, изгруппы прокариот — клетками сине-зеленых водорослей и бактерий, акариот – вирусами.

Биообъекты измикромира варьируют в размерах от нанометров (вирусы, бактериофаги) домиллиметров и сантиметров (гигантские водоросли) и характеризуются относительнобыстрым темпом раз­множения. В современной Фарминдустрии используется гигантская гамма биообъектов,группировка которых весьма сложна и лучше всего может быть выполнена на основе принципаих соразмерности.

Огромная совокупность биобъектов не исчерпывает всей элемен­тной базы, которойоперирует биотехнология. Последние успехи биологии и генной инженерии привели кпоявлению совершенно новых биообъектов – трансгенных (генетически-модифицированных) бактерий, вирусов,

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.