Об'єкти і методи біотехнології

Об'єктами біотехнології є віруси, бактерії, гриби, клітини (тканини) рослин, тварин і людини, деякі біогенні та функціонально подібні до них речовини (наприклад, ферменти, простагландини, нуклеїнові кислоти та ін.). Отже, об'єкти біотехнології можуть бути як організованими часточками (віруси), так й клітинами (тканинами) або їх метаболітами (первинними, вторинними). Навіть за використання біомолекули, як об'єкта біотехнології, початковий біосинтез її відбувається здебільшого відповідними клітинами.

У наш час більшість об'єктів біотехнології становлять мікроби (рис. 2), що належать трьом надцарствам (без'ядерні, перед'ядерні, ядерні) і п'яти царствам (віруси, бактерії, гриби, рослини і тварини). Причому перші два надцарства складаються виключено з мікробів, у той час як третє − переважно з рослин і тварин.

Незважаючи на те, що представники всіх надцарств містять генетичний матеріал, різні акаріоти позбавлені якогось одного типу нуклеїнової кислоти РНК або ДНК. Вони не здатні функціонувати (в тому числі реплікуватися, тобто самовідтворюватися) поза межами живої клітини і тому правомірно називати їх без'ядерними.

Надцарства
Без'ядерні (Acaryotae)	Перед'ядерні (Procaryote)	Ядерні (Eucaryote)
Царства
Віруси (Vira)	Бактерії (Bacteria)	Гриби (Mycota)
Рослини (Plantes)
Тварини (Animalia)
Морфологічна елементарна одиниця
Неклітинна, організована часточка	Клітина	Клітина
Тип нуклеїнової кислоти (ДНК і РНК), що міститься
ДНК або РНК (ніколи не бувають разом)	ДНК і РНК	ДНК і РНК

Рис. 2. Об'єкти біотехнології (за Єліновим Н.П., 1995)

Бактерії мають клітинну організацію і в них існують нуклеїнові кислоти обох типів − РНК і ДНК, з яких ДНК представлена у вигляді поодинокої (кільцевоподібної) хромосоми. Більшість із них розмножується на поживних середовищах (поза організмом), якщо серед бактерій є безумовні (облігатні) паразити, що наближаються за даноюознакою до вірусів (хламідії, спіроплазми, рікетсії), то їх паразитизм відрізняється власним механізмом − його можна назвати клітинним, у той час як паразитизм вірусів розвивається на генетичному рівні. Таким чином, бактерії − це організми, що складаються з функціонально пов'язаних структур, у тому числі, генетичних. Незважаючи на те, що генетичні структури бактеріальної клітини функціонують повноцінно, вони не згруповані у формі відокремленого ядра, і тому бактерії віднесені до перед'ядерних (прокаріотичних) організмів.

Клітини грибів, рослин і тварин містять дійсне, відокремлене від цитоплазми, ядро і тому їх відносять до еукаріот.

Віруси. Серед мікробів віруси характеризуються найменшими розмірами і облігатним паразитизмом. Остання властивість покладена в основу класифікації їх на віруси бактерій (бактеріофаги або просто фаги), віруси рослин і віруси тварин. Структурно віруси − це організовані часточки, що містять лише один тип нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК), не володіють власним обміном речовин, але здатні до реплікації в клітинах організму-господаря або інтеграції з його геномом.

Поза організмом вірус існує у вигляді віріону − структурного утворення, що складається з нуклеїнової кислоти і білка, які не пов'язані між собою ковалентними зв'язками. Білок, що є навколо вірусної нуклеїнової кислоти у вигляді оболонки, називається капсидом. Форма віріону визначається його капсидом.

Нуклеїнові кислоти − речовини спадковості вірусів. За типом нуклеїнової кислоти розрізняють ДНК-вмісні віруси, до яких належать віруси віспи, герпесу, більшість вірусів бактерій і РНК-вмісні віруси (ретровіруси), до яких належать віруси рослин, грипу людини, сказу, поліомієліту, СНІДу та ін.

Бактерії − істоти клітинної організації, в яких ядерний матеріал не відокремлений від цитоплазми елементарними мембранами. Більшість бактерій одноклітинна, найменший діаметр їх 0,2... 10,0 мкм.

Усі бактерії становлять єдине царство Васіеrіа, хоча одні з них − археобактерії (Аrспаеоbасіеrіа) суттєво відрізняються від інших, еубактерій (Еиbасtеrіа) (від грец. еи− добрий). Очевидно, археобактерії є більш стародавніми представниками прокаріот ніж еубактерії. Вони існують у середовищах з екстремальними умовами − високі концентрації неорганічних солей, підвищена температура, оксид та двооксид вуглецю − як єдине джерело вуглецю. До археобактерій належать метаногенні бактерії, які є анаеробними мікроорганізмами, що існують у відстійниках стічних вод населених пунктів, у гною, в рубці жуйних.

Стосовно здатності мікроорганізмів споживати живий білок іп virto або іп virto використовують термін патогенніст ь (від грец. раtпоs − хвороба, genesis − виникнення, походження), тобто здатність викликати захворювання. Тому всі бактерії за патогенністю поділяються на дві великі групи - сапрофітні (нехвороботворні, від лат. saprotes − гниття, гниль) і патогенні (хвороботворні). Між ними існують проміжні види − облігатні і факультативні паразити (від лат. obligatus − обов'язковий, безумовний, facultativus − факультативний, можливий у певних умовах). Відповідно, облігітні, або безумовніпаразити, не розвиваються поза організмом чи важко розвиваються на поживних середовищах із природними білками. Факультативні паразити ростуть і розвиваються у зовнішньому середовищі, але за певних умов (наприклад, при зниженні захисних сил макроорганізму) вони можуть стати причиною інфекційного захворювання.

Гриби. До царства нижчих еукаріот Мусоtа належать мікроміцети, тобто мікроскопічні гриби (наприклад, дріжджі, пеніцили, аспергили та ін.) і макроміцети, які формують у процесі росту і розвитку плодові тіла, що спостерігаються візуально.

Слід зазначити, що гриби схожі як з рослинами (апікальний, верхівковий від лат. арісis − верхівка, маківка, ріст, міцна клітинна стінка, наявність вакуолей і поперечних перетинок у багатьох з них), так і з тваринами (гетеротрофний тип живлення, потреба у вітамінах, наявність хітину або хітозану, синтез глікогену). Тобто гриби еволюційно виникли раніше, до розходження рослин і тварин у самостійні царства. Але лише для грибів властива міцеліальна будова і абсорбційний спосіб живлення як наслідок такої будови (осмотрофія). Грибам властиві також явища дикаріозису (окреме існування двох ядер в одній клітині, здатних до одночасного подвоєння та імітування диплоїдного ядра) і гетерокаріозису (існування різнорідних ядер в одній клітині).

Рослини. Царство рослин включає підцарства багрянок (Rhodophyta), водоростей (Phycophytaа) і вищих рослин (Етbrуорhуtа). У перших двох відсутня диференціація тіла на органи і тканини −вони є листатими та існують головним чином у воді. Тіло вищих рослин поділено на органи і тканини. У наш час нараховують сотні тисяч видів рослин, багато з яких використовують у різних галузях народного господарства.

Для рослин характерні: здатність до фотосинтезу, наявність целюлози, біосинтез крохмалю. Для соматичних клітин рослин властива тотипотентність, тобто спроможність повністю реалізувати свій потенціал розвитку аж до створення цілої рослини.

Будь-який вид рослин здатний у відповідних умовах створити неорганізовану масу клітин, що подвоюються − калюс (від лат. саllus − мозоль), особливо під впливом рослинних гормонів. Масове виробництво калюсів з подальшою регенерацією пагонів придатне для великомасштабного виробництва рослин. Загалом калюс являє собою основний тип рослинної клітини, що культивується на поживному середовищі. Калюсна тканина з будь-якої рослини можерекультивуватися тривалий час.

Важливими біооб'єктами є також протопласти (клітини бактерій, грибів, рослин, що позбавлені клітинної оболонки) рослинних клітин.

Клітини тварин. Висока диференціація та спеціалізація еукаріотичних клітин тварин пояснюють ті труднощі, з якими доводиться стикатися дослідникам і працівникам, що мають справу з подібним матеріалом.

На початку XXст. Р. Гаррісон і А. Каррель установили факт можливого культивування клітин тварин invirto, тобто вони довели здатність тваринних клітин до незалежного життя в поживному середовищі поза живого організму. З урахуванням усіх особливостей тваринних клітин (на відміну, наприклад, від рослинних і бактеріальних) інколи неможливо відмовитися від них, щоб уникнути якихось надзвичайних утруднень, тому що тільки з їх допомогою можливо отримати певний особливий продукт (речовину). Наприклад, моноклональні антитіла, одержання трансгенних тварин і т.ін.

Для реалізації біотехнологічних процесів важливими параметрами біооб'єктів є: чистота, швидкість розмноження клітин і репродукції вірусних часток, активність і стабільність біомолекул або біосистем. Варто мати на увазі, що за створення сприятливих умов для обраного біооб'єкта біотехнології такі ж умови можуть бути сприятливими, наприклад, і для мікробів або забруднювачів. Це віруси, бактерії й гриби, що знаходяться у культурах рослинних або тваринних клітин. За таких умов мікроби є шкідниками виробництв у біотехнології.

Швидкості розмноження клітин і репродукції вірусних часток прямо пропорційно позначаються на зростанні клітинної маси та утворенні метаболітів. У цьому разі переважна більшість мікроорганізмів вигідно відрізняється від клітин рослин і тварин.

Активність і стабільність в активному стані біооб'єктів − одні з найважливіших показників їх придатності для тривалого використання в біотехнології. Таким чином, незалежно від систематичного положення біооб'єкта на практиці використовують або природні організовані часточки (фаги, віруси) і клітини із природною генетичною інформацією, або клітини зі штучно заданою генетичною інформацією, тобто в будь-якому разі використовують клітини мікроорганізмів, рослин, тварин або людини.

Біотехнології властиві свої специфічні методи − це великомасштабне глибинне культивування біооб'єктів у періодичному, напівбезперервному або безперервному режимі; вирощування клітин рослинних і тваринних тканин в особливих умовах. Біотехнологічні методи культивування біооб'єктів за допомогою спеціального обладнання, − це, наприклад, ферментери для вирощування бактерій та грибів для одержання антибіотиків, ферментів, органічних кислот, деяких вітамінів. У подібних ферментерах вирощують деякі клітини людини (бласти) для одержання білка інтерферону. Рослинні клітини частіше вирощують у стаціонарних умовах на середовищі з ущільненою (наприклад, агаризованою) підкладкою в скляних або поліетиленових ємностях, хоча деякі види рослинних клітин можна культивувати в спеціальних ферментерах.

У скляних ролерах культивують і більшість тваринних клітин або, наприклад, у курячих ембріонах, Інші методи, що використовуються в біотехнології, є загальними. До них відносяться методи мікробіології, біохімії, біоінженерії, органічної хімії та інших наук.

Проте, варто особливо виділити методи клітинної та генної інженерії, коли в експериментальних умовах вдається створювати клітини зі заздалегідь відомими властивостями. Так, здійснено соматичну гібридизацію клітин картоплі й томату (гібрид названий «помато»), перенесення генетичної інформації про синтез людського або тваринного гормону інсуліну в бактеріальні клітини (кишкової палички), здатних потім продукувати поліпептидні ланцюги інсуліну. Ці генно-інженерні методи покладені в основу сучасної біотехнології. Однак, навіть у разі реалізації генно-інженерних розробок змінена с падкоємна інформація на рівні молекул інкорпорується потім у клітинах, з якимидоводиться мати справу в біотехнологічному процесі. Із цього можна вивести уявлення про рівні біотехнології: клітинний та молекулярний. У першому випадку справу мають із клітинами, наприклад, актиноміцетів − за одержання антибіотиків, мікроміцетів −за одержання лимонної кислоти, тварин − за виготовлення вірусних вакцин, людини − за виготовлення інтерферону. У другому випадку справу мають із молекулами, наприклад, з нуклеїновими кислотами. Це так звана «рекомбінантна ДНК-біотехнологія» (рДНК-біотехнологія), що базується на генній інженерії або на використанні окремих ферментів (ферментних систем), наприклад, протеаз − для виготовлення мийних засобів, ліпаз

− для модифікації смаку молочних продуктів та ін. Однак, необхідно пам'ятати, що на початковій або кінцевій стадії молекулярний рівень трансформується в клітинний. Так, ферменти продукуються клітинами, а за генно-інженерних розробок реципієнтом нової генетичної інформації стає, також, клітина.

Дата добавления: 2017-02-01