Основными объектами биотехнологии являются микроскопические простейшие гдз. Микроскопические грибы как объект биотехнологии

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы – микромицеты и макромицеты, протозоиные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, некоторые биогенные и функционально сходные с ними вещества (например, ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты и др.). Следовательно, объекты биотехнологии могут быть представлены организованными частицами (вирусы), клетками (тканями) или их метаболитами (первичными, вторичными). Даже при использовании биомолекулы как объекта биотехнологии исходный биосинтез ее осуществляется в большинстве случаев соответствующими клетками. В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относятся либо к микробам, либо к растительным и животным организмам. В свою очередь организм можно образно характеризовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, саморегулируемого и, следовательно, целенаправленного биохимического производства, устойчиво и активно протекающего при оптимальном поддержании всех необходимых параметров. Из такого определения следует, что вирусы не являются организмами, но по содержанию молекул наследственности, приспособляемости, изменчивости и некоторым другим свойствам они относятся к представителям живой природы.

Как видно из приводимой схемы, объекты биотехнологии исключительно разнообразны, диапазон их распространяется от организованных частиц (вирусов) до человека.

Вирусы занимают положение между живой и неживой природой, у них нет ядра, хотя имеется наследственный ядерный материал – рибонуклеиновая кислота (РНК) или дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

В отличие от микробов клеточной организации РНК и ДНК в вирусных частицах вместе никогда не обнаруживаются.

В настоящее время большинство объектов биотехнологии составляют микробы, относящиеся к трем надцарствам (безъядерные, предъядерные, ядерные) и пяти царствам (вирусы, бактерии, грибы, растения и животные). Причем первые два надцарства состоят исключительно из микробов, тогда как третье - преимущественно из растений и животных.

В первой половине XIX в. было сделано одно из самых основных обобщений биологии – клеточная теория (М. Шлейден, Т. Шванн, Р. Вирхов), которая стала общепризнанной. Она же оказалась фундаментом науки – цитология (от греч. kitos – полость). Из всех объектов биотехнологии лишь вирусы, вироиды и биомолекулы не имеют клеточной организации. Однако вирусы, находясь в клетках, ведут себя как живые существа – они реплицируются («размножаются») и их генетический материал функционирует, в основном, по общим законам, присущим клеткам любого происхождения. По мере совершенствования методов и техники цитологических исследований ученые глубже проникают в сущность организованных частиц и клеток, а в результате такого проникновения удается обосновать принадлежность всех живых существ к трем надцарствам: Acaryotae – безъядерные, Procaryotae – предъядерные и Eucaryotae – ядерные (от греч. а – нет, pro – до, ей – хорошо, полностью, karyon – ядро). К первому относятся организованные частицы – вирусы и вироиды, ко второму – бактерии, к третьему – все другие организмы (грибы, водоросли, растения, животные).

Несмотря на то, что представители всех надцарств содержат генетический материал, различные акариоты лишены какого-либо одного типа нуклеиновой кислоты РНК или ДНК. Они не способны функционировать (в том числе – реплицироваться) вне живой клетки, и, следовательно, правомочно именовать их безъядерными.

Клетки грибов, водорослей, растений и животных имеют настоящее, отграниченное от цитоплазмы, ядро и поэтому их относят к эукариотам.

В основе классификации прокариот и эукариот лежат многочисленные структурные различия, основные из них следующие: 1) наличие или отсутствие ядра, содержащего хромосомную ДНК; 2) строение и химический состав клеточной стенки и 3) наличие или отсутствие субклеточных цитоплазматиче-ских органелл. В прокариотической клетке, например бактериальной, хромосомная ДНК находится непосредственно в цитоплазме, клетка окружена ригидной клеточной стенкой, в состав которой часто входит пептидогликан, но не хитин или целлюлоза; в клетке нет субклеточных цитоплазматических органелл. В эукариотической клетке имеется ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной, хромосомная ДНК находится в ядре; клеточная стенка, если она есть, может содержать хитин или целлюлозу, но не пептидогликан; в цитоплазме содержатся различные субклеточные органеллы (митохондрии, аппарат Гольджи, хлоропласт в клетках растений) (рис. 1).

Рис. 1. Схема прокариотической бактериальной клетки (А) и эукариотической животной клетки (Б)

Нуклеиновые кислоты – вещества наследственности вирусов. По типу нуклеиновой кислоты их подразделяют на РНК-содержащие вирусы и ДНК-содержащие вирусы. К первым относят все вирусы растений, ко вторым – большинство бактериофагов, ряд вирусов человека и животных (аденовирусы, вирусы герпеса, осповакцины и др.).

Белок структурируется вокруг вирусной нуклеиновой кислоты (генома) в виде оболочки и называется капсидом. Форма вириона определяется его капсидом. Вместе с нуклеиновой кислотой капсид образует нуклеокапсид.

Примерный перечень вирусов включает 17 семейств вирусов позвоночных и 7 семейств вирусов беспозвоночных животных, 10 семейств вирусов бактерий. Описаны 20 родов вирусов растений и 5 родов вирусов грибов. Классификационные схемы вирусов до конца еще не устоявшиеся, к тому же открывают новые для науки вирусы (пример с вирусами эбола, иммунодефицита человека). Представителями ДНК-содержащих вирусов являются вирусы контагиозного моллюска, оспы, герпеса, большинство фагов бактерий; РНК-содержащими являются вирусы растений, вирусы гриппа человека, бешенства, полиомиелита и др.

Вироиды. По молекулярной структуре вироиды представляют собой одноцепочечные, ковалентно замкнутые, кольцевые молекулы РНК, лишенные капсидов. Число нуклеотидов в таких РНК находится в пределах 240-400. По форме вироиды могут быть линейные и кольцевидные, они способны принимать шпилечную, квазидвухцепочечную конформацию (от лат. quasi – якобы, как-будто, почти, близко; conformatio – форма, расположение). Каждый тип вироида содержит уникальный, только ему присущий, особый вид низкомолекулярной РНК. Размеры вироидов находятся в пределах 15 нм. В чувствительных клетках растений-хозяев они сосредоточиваются в ядре, ассоциируясь с ядрышком в виде белково-нуклеинового комплекса, и реплицируются автономно целиком при помощи предшествующих или активированных ферментов хозяина. Вироиды не транслируются. Это подтверждается структурным сходством их между собой и отсутствием у ряда вироидов кодонов-инициаторов. В то же время репликация происходит благодаря транскрипции последовательностей вироидных РНК с РНК-матриц при участии РНК-полимераз.

Бактерии – существа клеточной организации, у которых ядерный материал не отделен от цитоплазмы элементарными мембранами и не связан с какими-либо основными белками. Цитоплазма в них с нерегулярно разбросанными рибосомами неподвижна, клетки не обладают способностями к эндо- и экзоцитозу. В большинстве своем бактерии одноклеточны, наименьший диаметр их 0,2-10,0 мкм.

Все бактерии составляют единое царство Bacteria, хотя одни из них – археобактерии (Archaeobacteria) заметно отличаются от других, названных эубактериями (Eubacteria). Очевидно, археобактерии являются более древними представителями прокариот, чем эубактерии. Они обитают в средах с экстремальными условиями – высокие концентрации неорганических солей, повышенные температуры, оксид и диоксид углерода – как единственные источники углерода. К археобактериям относятся галобактерии, термоацидофильные бактерии и метанобразующие, или метаногенные бактерии.

Фототрофными бактериями являются оксигенные цианобактерии, аноксигенные пурпурные и зеленые бактерии; хемотрофными – грамположительные и грамотрицательные бактерии и бациллы, миксобактерии, стебельковые и почкующиеся бактерии, вибрионы, спириллы, спирохеты, актиномицеты, коринебактерии, микобактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы и спироплазмы.

Бактерия Escherichia coli – один из наиболее хорошо изученных организмов. За последние годы удалось получить исчерпывающую информацию о ее генетике, молекулярной биологии, биохимии, физиологии и общей биологии. Это грамотрицательная непатогенная подвижная палочка длиной менее 1 мкм. Ее средой обитания является кишечник человека, но она также может высеваться из почвы и воды. Благодаря способности размножаться простым делением на средах, содержащих только ионы Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , NH 4 + , Cl~, НР0 4 2 ~ и S0 4 2 ~, микроэлементы и источник углерода (например, глюкозу), Е. coli стала излюбленным объектом научных исследований. При культивировании E . coli на обогащенных жидких питательных средах, содержащих аминокислоты, витамины, соли, микроэлементы и источник углерода, время генерации (т. е. время между образованием бактерии и ее делением) в логарифмической фазе роста при температуре 37°С составляет примерно 22 мин.

Для каждого живого организма существует определенный температурный интервал, оптимальный для его роста и размножения. При слишком высоких температурах происходит денатурация белков и разрушение других важных клеточных компонентов, что ведет к гибели клетки. При низких температурах биологические процессы существенно замедляются или останавливаются совсем вследствие структурных изменений, которые претерпевают белковые молекулы. Исходя из температурного режима, который предпочитают те или иные микроорганизмы, их можно подразделить на термофилы (от 45 до 90°С и выше), мезофилы (от 10 до 47°С) и психрофилы, или психротрофы (от -5 до 35°С). Микроорганизмы, активно размножающиеся лишь в определенном диапазоне температур, могут быть полезным инструментом для решения различных биотехнологических задач. Например, термофилы часто служат источником генов, кодирующих термостабилъные ферменты, которые применяются в промышленных или в лабораторных процессах, а генетически видоизмененные психротрофы используют для биодеградации токсичных отходов, содержащихся в почве и воде, при пониженных температурах.

E . coli можно культивировать как в аэробных (в присутствии кислорода), так и в анаэробных (без кислорода) условиях. Однако для оптимальной продукции рекомбинантных белков Е. coli и другие микроорганизмы обычно выращивают в аэробных условиях. Если целью культивирования бактерий в лаборатории является синтез и выделение определенного белка, то культуры выращивают на сложных жидких питательных средах в колбах. Для поддержания нужной температуры и обеспечения достаточной аэрации культуральной среды колбы помещают в водяную баню или термостатируемую комнату и непрерывно встряхивают. Такой аэрации достаточно для размножения клеток, но не всегда - для синтеза белка. Рост клеточной массы и продукция белка лимитируются не содержанием в питательной среде источников углерода или азота, а содержанием растворенного кислорода: при 20°С оно равно примерно девяти миллионным долям. Это становится особенно важно при промышленном получении рекомбинантных белков с помощью микроорганизмов. Для обеспечения условий, оптимальных для максимальной продукции белков, конструируют специальные ферментеры и создают системы аэрации.

Помимо Е. coli , в молекулярной биотехнологии используют множество других микроорганизмов. Их можно разделить на две группы: микроорганизмы как источники специфических генов и микроорганизмы, созданные генно-инженерными методами для решения определенных задач. К специфическим генам относится, например, ген, кодирующий термостабильную ДНК-полимеразу, которая используется в широко применяемой полимеразой цепной реакции (ПЦР). Этот ген был выделен из термофильных бактерий и клонирован в Е. coli . Ко второй группе микроорганизмов относятся, например, различные штаммы Corynebacterium glutamicum , которые были генетически модифицированы с целью повышения продукции промышленно важных аминокислот.

Биотехнологические функции грибов разнообразны. Их используют для получения таких продуктов, как:

· антибиотики (пенициллы, стрептомицеты, цефалоспорины);

· гиббереллины и цитокинины (физариум и ботритис);

· каротиноиды (например, астаксантин, придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттенок вырабатывают Rhaffia rhodozima, которых добавляют в корм на рыбозаводах);

· белок (Candida, Saccharomyces lipolitica);

· сыры типа рокфор и камамбер (пенициллы);

· соевый соус (Aspergillus oryzae).

К грибам относятся актиномицеты, дрожжи и плесени. Истинные актиномицеты – строгие аэробы, они грамположительны и не образуют спор. Наиболее представительный в этой группе – род Streptomyces, отдельные виды которого продуцируют широко применяемые антибиотики. При росте на твердых средах актиномицеты образуют очень тонкий мицелий с воздушными гифами, которые дифференцируются в цепочки конидиоспор. Каждая конидиоспора способна образовать микроколонию.

Антибиотики продуцирует и другой вид актиномицетов, Micromonospora, колонии которого лишены воздушных гиф и образуют конидиоспоры непосредственно на мицелии.

Из 500 известных видов дрожжей первым люди научились использовать Saccharomyces cerevisiae, этот вид наиболее интенсивно культивируется. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae – это непатогенные одноклеточные микроорганизмы с диаметром клетки примерно 5 мкм, которые во многих отношениях представляют собой эукариотический аналог Е. coli . Их генетика, молекулярная биология и метаболизм детально изучены. S . cere visiae размножаются почкованием и хорошо растут на такой же простой среде, как и Е. coli . Их способность к превращению сахара в этанол и углекислый газ издавна использовалась для изготовления алкогольных напитков и хлеба. Дрожжи S . cerevisiae представляют также большой научный интерес. В частности, они являются наиболее удобной моделью для исследования других эукариот, в том числе человека, поскольку многие гены, ответственные за регуляцию клеточного деления S . cerevisiae , сходны с таковыми у человека. Это открытие способствовало идентификации и характеристике генов человека, отвечающих за развитие новообразований. Широко используемая генетическая система дрожжей (искусственная хромосома) является непременным участником всех исследований по изучению ДНК человека. В 1996 г. была определена полная нуклеотидная последовательность всего набора хромосом S . cerevisiae , что еще более повысило ценность этого микроорганизма для научных исследований.

Синтезированный бактериальной клеткой эукариотический белок часто приходится подвергать ферментативной модификации, присоединяя к белковой молекуле низкомолекулярные соединения – во многих случаях это необходимо для правильного функционирования белка. К сожалению, Е. coli и другие прокариоты не способны осуществлять эти модификации, поэтому для получения полноценных эукариотических белков используют S . cerevisiae , а также другие виды дрожжей: Kluyveromyces lactis , Saccharomyces diastaticus , Schizisaccharomyces pombe , Yarrowia lipolytica , Pichia pastoris , Hansenula polymoгрha . Наиболее эффективными продуцентами полноценных рекомбинантных белков являются P . pastoris и Н. polymoгрha .

К дрожжам, сбраживающим лактозу, относится Kluyveromyces fragilis , который используют для получения спирта из сыворотки. Saccharomycopsis lipolytica деградирует углеводороды и употребляется для получения белковой массы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов. Другие полезные виды относятся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов), так как они размножаются не половым путем, а почкованием. Candida utilis растет в сульфитных сточных водах (отходы бумажной промышленности). Trichosporon cutaneum, окисляющий многочисленные органические соединения, включая некоторые токсичные (например, фенол), играет важную роль в системах аэробной переработки стоков. Phaffia rhodozyma синтезирует астаксантин – каротиноид, который придает мякоти форели и лосося, выращиваемых на фермах, характерный оранжевый или розоватый цвет. Промышленные дрожжи обычно не размножаются половым путем, не образуют спор и полиплоидны. Последним объясняется их сила и способность адаптироваться к изменениям среды культивирования (в норме ядро клетки S.cerevisiae содержит 17 или 34 хромосомы, т.е. клетки либо гаплоидны, либо диплоидны).

Плесени вызывают многочисленные превращения в твердых средах, которые происходят перед брожением. Их наличием объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве сакэ и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищи, употребляемой в азиатских странах. Пищевые продукты на основе сброженных плесневыми грибами Rhizopus oligosporus соевых бобов или пшеницы содержат в 5-7 раз больше таких витаминов, как рибофлавин, никотиновая кислота) и отличаются повышенным в несколько раз содержанием белка. Плесени также продуцируют ферменты, используемые в промышленности (амилазы, пектиназы и т.д.), органические кислоты и антибиотики. Их применяют и в производстве сыров, например, камамбера и рокфора.

Искусственное выращивание грибов способно внести и иной, не менее важный вклад в дело обеспечения продовольствием возрастающего населения земного шара. Люди употребляют грибы в пищу с глубокой древности. Поэтому сделать грибы такой же управляемой сельскохозяйственной культурой, как зерновые злаки, овощи, фрукты, давно уже стало актуальной задачей. Наиболее легко поддаются искусственному выращиванию древоразрушающие грибы. Это связано с особенностями их биологии, которые стали нам известны и понятны только сейчас. Их способность легко расти и плодоносить использовали с древнейших времен.

Искусственное разведение древоразрушающих грибов получило довольно широкое распространение. Мицелий съедобных грибов можно выращивают на жидких средах, например на молочной сыворотке и др., в специальных ферментерах, в так называемой глубинной культуре.

Простейшие относятся к числу нетрадиционных объектов биотехнологии. До недавнего времени они использовались лишь как компонент активного ила при биологической очистке сточных вод. В настоящее время они привлекли внимание исследователей как продуценты биологически активных веществ.

В этом качестве рациональнее использовать свободноживущих простейших, обладающих разнообразными биосинтетическими возможностями и потому широко распространенными в природе.

Особую экологическую нишу занимают простейшие, обитающие в рубце жвачных животных. Они обладают ферментом целлюлазой, способствующей разложению клетчатки в желудке жвачных. Простейшие рубца могут быть источником этого ценного фермента. Возбудитель южноамериканского трипаносомоза – Trypanosoma (Schizotrypanum cruzi) стала первым продуцентом противоопухолевого препарата круцина (СССР) и его аналога – трипанозы (Франция). Изучая механизм действия этих препаратов, ученые пришли к выводу, что эти препараты оказывают цитотоксический эффект при прямом контакте с опухолью и ингибируют ее опосредованно, путем стимуляции ретикулоэндотелиальной системы. Выяснилось, что ингирующее действие связано с жирнокислотными фракциями. Характерной особенностью этих организмов является высокое содержание ненасыщенных жирных кислот, составляющее у трипаносомид 70-80 %, а у Astasia longa (свободноживущий жгутиконосец) – 60% от суммы всех жирных кислот. У жгутиконосцев фосфолипиды и полиненасыщенные жирные кислоты имеют такой же состав и строение, как в организме человека и животных. В мире микробов полиненасыщенные жирные кислоты не синтезируются, а многоклеточные животные или растения представляют собой более ограниченную сырьевую базу, чем простейшие, культуры которых можно получать методами биотехнологии независимо от времени года или климатических условий.

Поскольку липидный метаболизм простейших обладает относительной лабильностью, были изучены пути его регуляции. Применение к простейшим общепринятого в микробиологии приема повышения биосинтеза липидов за счет снижения содержания в среде источника азота и увеличения содержания источника углерода привело к резкому торможению или остановке роста культур. Для создания условий направленного биосинтеза липидов в среды для культивирования жгутиконосцев добавляли предшественники и стимуляторы биосинтеза липидов: малонат, цитрат, сукцинат, цитидиннуклеотиды в сочетании с определенным режимом аэрации.

Другой группой биологически активных веществ простейших являются полисахариды. Разнообразие полисахаридов, синтезируемых простейшими, достаточно велико. Особый интерес представляет парамилон, характерный для эвгленоидных жгутиконосцев. Представители родов Astasia и Euglena способны к сверхсинтезу парамилона, составляющему свыше 50 % сухого остатка клеток. Этот полисахарид изучается как стимулятор иммунной системы млекопитающих. Парамилон, выделенный из А. longa, практически нетоксичен. Выраженное иммуномодулирующее действие и низкая токсичность этого препарата являются предпосылкой для его углубленного исследования в сочетании с препаратами прямого противоопухолевого действия, радиотерапией и другими адъювантами.

В настоящее время в мире придается большое значение производству глюканов не только для медицинских целей, но и для пищевой и текстильной промышленности. До сих пор глюканы получали из культур бактерий или морских водорослей. Эвглениды являются одним из наиболее перспективных источников этого вещества. Структурные полисахариды, входящие в состав клеточных мембран простейших, – это гетерополисахариды, содержащие глюкозу, маннозу, ксилозу, арабинозу, рибозу, галактозу, рамнозу, фруктозу, глюкозамин. Наиболее характерными гетерополисахаридами являются арабиногалактаны, Д-галакто-Д-маннан, фосфаноглюканы и другие.

Биомасса простейших содержит до 50% белка. Его высокая биологическая ценность заключается в том, что он содержит все незаменимые аминокислоты, причем содержание свободных аминокислот на порядок выше, чем в биомассе микроводорослей, бактерий и в мясе. Это свидетельствует о широких возможностях применения свободноживущих простейших в качестве источника кормового белка.

Водоросли используются, в основном, для получения белка. Весьма перспективны в этом отношении и культуры одноклеточных водорослей, в частности высокопродуктивных штаммов рода Chlorella и Scenedesmus . Их биомасса после соответствующей обработки используется в качестве добавки в рационы скота, а также в пищевых целях.

Одноклеточные водоросли выращивают в условиях мягкого теплого климата (Средняя Азия, Крым) в открытых бассейнах со специальной питательной средой. К примеру, за теплый период года (6-8 месяцев) можно получить 50-60 т биомассы хлореллы с 1 га, тогда как одна из самых высокопродуктивных трав – люцерна дает с той же площади только 15-20 т урожая.

Хлорелла содержит около 50% белка, а люцерна – лишь 18 %. В целом в пересчете на 1 га хлорелла образует 20-30 т чистого белка, а люцерна – 2-3,5 т. Кроме того, хлорелла содержит 40% углеводов, 7-10% жиров, витамины А (в 20 раз больше), B2, К, РР и многие микроэлементы. Варьируя состав питательной среды, можно процессы биосинтеза в клетках хлореллы сдвинуть в сторону накопления либо белков, либо углеводов, а также активировать образование тех или иных витаминов.

В пищу употребляют не менее 100 видов макрофитных водорослей как в странах Европы и Америки, так и особенно на Востоке. Из них готовят много разнообразных блюд, в том числе диетических, салатов, приправ. Их подают в виде засахаренных кусочков, своеобразных конфет, из них варят варенье, делают желе, добавки к тесту и многое другое. В магазине можно купить консервы из морской капусты – ламинарии дальневосточных или северных морей. Ее консервируют с мясом, рыбой, овощами, рисом, употребляют при приготовлении супов и др. Она наряду с микроводорослью хлореллой является самой популярной съедобной и кормовой водорослью.

Известны и другие съедобные макрофитные водоросли – ульва, из которой делают разные зеленые салаты, а также алария, порфира, родимения, хондрус, ундария и др. В Японии продукты, получаемые из ламинариевых, называют «комбу», и для того, чтобы их вкусно приготовить, существует более десятка способов.

В целом ряде стран водоросли используют как весьма полезную витаминную добавку к кормам для сельскохозяйственных животных. Их прибавляют к сену или дают как самостоятельный корм для коров, лошадей, овец, коз, домашней птицы во Франции, Шотландии, Швеции, Норвегии, Исландии, Японии, Америке, Дании и на нашем Севере. Животным скармливают в виде добавки также биомассу выращиваемых микроводорослей (хлорелла, сценедесмус, дуналиелла и др.).

Гидролизаты белка зеленой водоросли Scenedesmus используются в медицине и косметической промышленности. В Израиле на опытных установках проводятся эксперименты с зеленой одноклеточной водорослью Dunaliella bardaw il, которая синтезирует глицерол. Эта водоросль относится к классу равножгутиковых и похожа на хламидомонаду. Dunadiella может расти и размножаться в среде с широким диапазоном содержания соли: и в воде океанов, и в почти насыщенных солевых растворах Мертвого моря. Она накапливает свободный глицерол, чтобы противодействовать неблагоприятному влиянию высоких концентраций солей в среде, где она растет. При оптимальных условиях и высоком содержании соли на долю глицерола приходится до 85% сухой массы клеток. Для роста этим водорослям необходимы: морская вода, углекислый газ и солнечный свет. После переработки эти водоросли можно использовать в качестве корма для животных, так как у них нет неперевариваемой клеточной оболочки, присущей другим водорослям. Они также содержат значительное количество β-каротина. Таким образом, культивируя эту водоросль, можно получать глицерол, пигмент и белок, что весьма перспективно с экономической точки зрения.

Наряду с кормами водоросли давно применяют в сельском хозяйстве в качестве удобрений. Биомасса обогащает почву фосфором, калием, йодом и значительным количеством микроэлементов, пополняет также ее бактериальную, в том числе азотфиксирующую, микрофлору. При этом в почве водоросли разлагаются быстрее, чем навозные удобрения, и не засоряют ее семенами сорняков, личинками вредных насекомых, спорами фитопатогенных грибов.

Одним из самых ценных продуктов, получаемых из красных водорослей, является агар – полисахарид, присутствующий в их оболочках и состоящий из агарозы и агаропектина. Количество его доходит до 30-40 % от веса водорослей (водоросли лауренция и грацилярия, гелидиум). Водоросли – единственный источник получения агара, агароидов, каррагинина, альгинатов.

Бурые водоросли являются единственным источником получения одних из самых ценных веществ водорослей – солей альгиновой кислоты, альгинатов. Альгиновая кислота – линейный гетерополисахарид, построенный из связанных остатков (3-Д-маннуроновой и α-L-гиалуроновой кислот.

Альгинаты применяются в народном хозяйстве. Это изготовление высококачественных смазок для трущихся деталей машин, медицинские и парфюмерные мази и кремы, синтетические волокна и пластики, стойкие к любой погоде лакокрасочные покрытия, не выцветающие со временем ткани, производство шелка, клеящих веществ исключительно сильного действия, строительных материалов, пищевые продукты отличного качества – фруктовые соки, консервы, мороженое, стабилизаторы растворов, брикетирование топлива, литейное производство и многое другое. Альгинат натрия способен поглощать до 300 весовых единиц воды, образуя при этом вязкие растворы.

Бурые водоросли богаты также весьма полезным соединением – шестиатомным спиртом маннитом, который применяют в пищевой промышленности, фармацевтике, при производстве бумаги, красок, взрывчатки и др. Бурые водоросли в ближайшее время планируется использовать для получения биогаза. Каллусные культуры макрофитных водорослей могут быть использованы далее в различных направлениях. В случае, если они получены от агарофитов, можно непосредственно получать из них агар. Каллусные культуры пищевых макрофитных водорослей, например ламинариевых, могут в перспективе использоваться для получения белка, непосредственно идущего в пищу и в пищевые добавки, а также в корма сельскохозяйственным животным.

Высшие растения (порядка 300 000 видов) – это дифференцированные многоклеточные, преимущественно наземные организмы. В процессе дифференциации и специализации клетки растений группировались в ткани (простые – из однотипных клеток, и сложные – из разных типов клеток). Ткани, в зависимости от функции, подразделяют на образовательные, или меристемные (от греч. meristos – делимый), покровные, проводящие, механические, основные, секреторные (выделительные). Из всех тканей лишь меристематические способны к делению и за их счет образуются все другие ткани. Это важно для получения клеток, которые затем должны быть включены в биотехнологический процесс.

Клетки меристемы, задерживающиеся на эмбриональной стадии развития в течение всей жизни растения, называются инициальными, другие постепенно дифференцируются и превращаются в клетки различных постоянных тканей – конечные клетки. Любой вид растения может дать в соответствующих условиях неорганизованную массу делящихся клеток – каллус (от лат. callus – мозоль), особенно при индуцирующем влиянии растительных гормонов. Массовое производство каллусов с дальнейшей регенерацией побегов пригодно для крупномасштабного производства растений. Вообще каллус представляет собой основной тип культивируемой на питательной среде растительной клетки. Каллусная ткань из любого растения может длительно рекультивироваться. При этом первоначальные растения (в том числе и меристематические), дедифференцируются и деспециализируются, но индуцируются к делению, формируя первичный каллус.

Кроме выращивания каллусов удается культивировать клетки некоторых растений в суспензионных культурах.

Важными биообъектами представляются также и протопласты растительных клеток. Методы их получения принципиально сходны с методами получения бактериальных и грибных протопластов.

Кроме культуры растительных клеток, применяется водный папоротник азолла. Он ценится как органическое азотное удобрение, так как растет в тесном симбиозе с сине-зеленой водорослью анабена. Это позволяет симбиотическому организму анабена-азолла накапливать много азота в вегетативной массе. Анабену-азоллу выращивают на рисовых полях перед посевом риса, что позволяет снижать количество вносимых минеральных удобрений.

Представители семейства рясковых (Lemnaceae) – самые мелкие и простые по строению цветковые растения, величина которых редко превышает 1 см. Рясковые - свободноживущие водные плавающие растения. Вегетативное тело напоминает лист или слоевище низших растений, поэтому до начала 18 века ряску относили к слоевищным растениям.

Рясковые ( Lemna minor, L. trisulca, Wolfia, Spirodela polyrhiza ) служат кормом для животных, для уток и других водоплавающих птиц, рыб, ондатры. Их используют и в свежем, и в сухом виде как ценный белковый корм для свиней и домашней птицы. Рясковые содержат много протеина (до 45 % от сухой массы). 45% углеводов, 5% жиров и остальное - клетчатка и т.д. Они высоко продуктивны, неприхотливы в культуре, хорошо очищают воду и обогащают её кислородом. Это делает рясковые ценным объектом для морфогенетических, физиологических и биохимических исследований.

В качестве объектов биотехнологии могут использоваться сами животные и культуры клеток животных.

При всех различиях между типами эукариот методические подходы к культивированию клеток насекомых, растений и млекопитающих имеют много общего. Сначала берут небольшой кусочек ткани данного организма и обрабатывают его протеолитическими ферментами, расщепляющими белки межклеточного материала (при работе с растительными клетками добавляют специальные ферменты, разрушающие клеточную стенку). Высвободившиеся клетки помещают в сложную питательную среду, содержащую аминокислоты, антибиотики, витамины, соли, глюкозу и факторы роста. В этих условиях клетки делятся до тех пор, пока на стенках емкости с культурой не образуется клеточный монослой. Если после этого не перенести клетки в емкости со свежей питательной средой, то рост прекратится. Обычно удается переносить (перевивать, субкультивировать) и поддерживать до 50-100 клеточных генераций исходной (первичной) клеточной культуры, затем клетки начинают терять способность к делению и гибнут. Культивируемые клетки сохраняют некоторые свойства исходного клеточного материала, поэтому их можно использовать для изучения биохимических свойств различных тканей.

Часто некоторые клетки перевиваемых первичных клеточных культур претерпевают генетические изменения, в результате которых ускоряется их рост. Культуры клеток, которые при этом приобретают селективные преимущества, оказываются способными к неограниченному росту in vitro и называются устойчивыми клеточными линиями. Одни клеточные линии сохраняют основные биохимические свойства исходных клеток, другие нет. У большинства клеток, способных к неограниченному росту, имеются значительные хромосомные изменения, в частности отмечается увеличение числа одних хромосом и потеря других. В молекулярной биотехнологии устойчивые клеточные линии животных используют для размножения вирусов и для выявления белков, которые кодируются клонированными последовательностями ДНК. Кроме того, они применяются для крупномасштабного производства вакцин и рекомбинантных белков.

Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микробов – контаминантов, или загрязнителей. Представителями контаминирующей микрофлоры являются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. При использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофитной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие нестерильности системы.

Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов – одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.

Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках животного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником ферментов также являются изолированные клетки или специализированные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.

Объекты биотехнологии. Вирусы. Эубактерии. Грибы. Лишайники. Растения. Животные. Строение животной и растительной клетки.

Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации:

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

б) бактерии и цианобактерии;

г) водоросли;

д) простейшие;

е) культуры клеток растений и животных;

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

Объектами биотехнологии являются различные представители живой природы, которые делятся на три надцарства: акариоты (безъядерные), прокариоты (предъядерные) и эукариоты (ядерные) и 5 царств: вирусы, бактерии, в том числе микроскопические водоросли, грибы, а также растения и животные, в том числе простейшие.

Грибы , насчитывающие десятки тысяч видов, сочетают в себе черты клеток растений и животных. Они имеют клеточное ядро, как и растения – прочную клеточную стенку; аналогично клеткам животных они нуждаются в некоторых витаминах и способны синтезировать свойственные животным полисахариды: хитин и гликоген. Наибольший интерес для биотехнологии представляют микроскопические грибы, к которым относятся дрожжи, плесневые и другие микроорганизмы, применяемые в хлебопечении, пивоварении и в молочной промышленности. Они используются также для получения спиртов, органических кислот, антибиотиков, различных биологически активных веществ и кормового белка.

Самостоятельную группу организмов, представляющих собой симбиоз (сожительство) грибов с водорослями или с цианобактериями, составляют лишайники, которые являются перспективными источниками ряда биологически активных веществ.

Растения, насчитывающие около 500000 видов, состоят из ядерных клеток, которые имеют сложное строение и выполняют различные специализированные функции. К ним относятся водоросли, являющиеся водными организмами, и высшие растения, обитающие преимущественно на суше. Водоросли отличаются от высших растений тем, что не имеют органов и тканей, а представляют собой слоевища, состоящие из недифференцированных (одинаковых) клеток. Как и другие растения, водоросли обладают способностью к фотосинтезу и богаты различными углеводами и пигментами. Один из видов водорослей – морская капуста используется в пищу. Из водорослей добывают агар-агар и альгинаты – полисахариды, используемые для изготовления микробиологических сред, в пищевой промышленности, косметологии.

Высшие растения – многоклеточные организмы, имеющие специализированные органы, такие как корни, стебли, листья. Они состоят из тканей, образованных дифференцированными клетками. Ткани различаются химическим составом, строением и выполняют различные функции: механические, покровные, выделительные, проводящие и другие. Особое значение для биотехнологии имеет одна из тканей растений, называемая меристемой. Клетки меристемы способны к делению, благодаря чему осуществляется рост, а также образование тканей и органов растений. Они не утрачивают способности делиться и после удаления из растения. При выращивании на специальных питательных средах клетки меристемы дают массу делящихся клеток – каллус, который можно длительно культивировать, получать из него новые растения или использовать для извлечения нужных веществ. Наиболее сложным, но более эффективным, является выращивание отдельных растительных клеток в жидких средах (в суспензионных культурах). Благодаря способности растений улавливать световую энергию солнца и использовать ее в синтезе органических веществ, растения служат поставщиками питательных веществ для других организмов. Растения составляют большую часть биомассы Земли, поэтому производство и переработка растительного сырья для удовлетворения различных потребностей человека используется с древнейших времен. Являясь богатым и незаменимым источниками разнообразных углеводов, липидов, витаминов и многих других физиологически активных и лекарственных веществ, растения служат прежде всего для их получения. Не смотря на выдающиеся достижения биотехнологии, используются традиционные способы извлечения биогенных соединений: экстракция, перегонка, фильтрация. Все большую роль приобретают технологии получения биологически активных веществ из клеточных культур (биостимуляторы из женьшеня, противораковое средство таксол из коры тиса и др.), а также производство продуктов из генетически модифицированных растений.

Клетки растений и животных являются сложно организованными образованиями, состоящими из цитоплазмы и более плотного ядра. В цитоплазме содержатся внутриклеточные органеллы: митохондрии, рибосомы и лизосомы, шороховатые и гладкие мембраны эндоплазматической сети, погруженные в водорастворимую среду клетки – цитозоль. Клетка окружена плазматической мембраной, обладающей избирательной проницаемостью благодаря наличию специальных механизмов транспорта веществ. Клеточные ядра служат для хранения генетической информации, носителем которой является ДНК.

Митохондрии снабжают клетку энергией за счет окисления веществ, при участии кислорода. В них синтезируются также собственные белки митохондрий. Это – исключение из общего правила. Все остальные клеточные белки синтезируются на рибосомах.

С мембранами эндоплазматической сети связан аппарат Гольджи, представляющий собой систему микротрубочек. В аппарате Гольджи происходят реакции химической модификации белков, а также синтез резервных и секретируемых из клетки веществ.

Жидкая часть клетки – цитозоль содержит ферменты синтеза и анаэробного окисления веществ, а также низкомолекулярные органические и неорганические соединения.

Особенностью строения растительных клеток является наличие хлоропластов, в которых происходят процессы фотосинтеза. От клеток животных растительная клетка отличается также твердой стенкой, в состав которой входят вещества полисахаридной природы (целлюлоза, гемицеллюлозы, пектины) и полифенольный полимер лигнин.

В природе существует огромное число микроорганизмов, которые способны синтезировать продукты или осуществлять реакции, которые могут быть полезны для биотехнологии. Однако практическое применение нашли не более 100 видов микроорганизмов (бактерии, грибы, дрожжи, вирусы, водоросли).

Дрожжи широко используют в хлебопечении, пивоварении, виноделии, получении соков, кормового белка, питательных сред для выращивания бактерий и культур животных клеток. Из 500 известных видов дрожжей используется только несколько видов – Saccharomyces cerevisiae, Saccharamyces carlsbergencis, Saccharomyces uwarum.

Среди бактерий чаще всего применяют в биотехнологии представителей следующих родов: Acetobacter, которые превращают этанол в уксусную кислоту и уксусную кислоту в углекислый газ и воду; Bacillus – для получения ферментов (B. subtilis), средств защиты растений (В. thuringiensis); Clostridium – для сбраживания сахаров в ацетон, этанол, бутанол; псевдомонады – например, P. Denitrificans – для получения витамина В 12 , Corynebacterium glutamatum – для получения аминокислот и др.

Для получения разнообразных антибиотиков в биотехнологии применяют актиномицеты (род Streptomyces), грибы рода Penicillium и др.

Многие микроорганизмы – бактерии, дрожжи, вирусы – используются в качестве реципиентов чужеродного генетического материала с целью получения рекомбинантных штаммов–продуцентов биотехнологической продукции. Получены рекомбинантные штаммы E. coli, продуцирующие интерфероны, инсулин, гормон роста, антигены вируса СПИДа; штаммы B. subtilis, вырабатывающие интерферон; штаммы дрожжей, продуцирующие интерлейкин–2, антиген вируса гепатита В; рекомбинантные вирусы осповакцины, синтезирующие антигены гепатита В, вируса бешенства, клещевого энцефалита и др.

Для получения вакцин и диагностических препаратов используют также патогенные микроорганизмы (брюшного тифа, коклюша, дифтерии, столбняка и др.).

Широкое применение в биотехнологии нашли культуры животных и растительных клеток . Известно, что строение, физиология и биотехнология животных и растительных клеток более сложные, чем у бактериальных клеток. Из культур животных и растительных клеток можно извлечь более широкий ассортимент продуктов сложной, цепной реакции, но процесс культивирования растительных и животных клеток более трудоемкий и дорогостоящий. Из культур тканей растений можно получать разнообразные соединения, используемые в медицине (алкалоиды, противовоспалительные вещества, противолейкозные и противоопухолевые, противобактериальные, сердечные и почечные средства, ферменты, витамины, опиаты и др.), сельском хозяйстве, химической и других отраслях промышленности. Животные клетки используют как для получения продукции, так и для выращивания в клетках вирусов с целью получения из них вакцин и диагностических препаратов.

Таким образом, в современном биотехнологическом производстве используют весьма широкий ассортимент биообъектов, классификация которых весьма сложна и наиболее рационально может быть выполнена на основе принципа их соразмерности. В таблице приведены биологические объекты, объединенные в 5 групп, причем, соразмерность в первых четырех имеет кратность в три порядка и только в пятой группе собраны биообъекты, отличающиеся по размерам от предшествующей (четвертой) группы всего на один порядок.

Биообъекты, используемые при биотехнологических способах производства лекарственных (диагностических, лечебных и профилактических) средств:

Требования, предъявляемые к биообъектам для реализации биотехнологических процессов: чистота, высокая скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

Основные термины и понятия биотехнологии:

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные сложные органические соединения, состоящие из серии компонентов более простого строения, названных нуклеотидами.

Нуклеотид – это комплекс, включающий одно из азотистых оснований, углевод (рибозу или дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты.

ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) – нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований – аденин, гуанин, цитозин, тимин. ДНК присутствуют в клетках любого организма, входят в состав многих вирусов. Первичная структура молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична, представляет собой кодовую форму записи биологической информации, т.е. генетический код.

РНК (рибонуклеиновые кислоты) – нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента рибозу, а в качестве азотистых оснований – аденин, гуанин, цитозин, урацил. РНК присутствуют в клетках любого живого организма, входят в состав многих вирусов; участвуют в реализации генетической информации.

Ген – наследственный фактор, функционально неделимая информация генетического материала; участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной и рибосомальной РНК или взаимодействующий с регуляторным белком.

Генотип – совокупность генов данной клетки или организма.

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов; основной гаплоидный набор хромосом.

Вектор – любая плазмида или фаг, в которые может быть встроена чужеродная молекула ДНК с целью клонирования.

Плазмида – кольцевая внехромосомная ДНК, способная к автономной репликации.

Репликация – самоудвоение молекулы ДНК путем образования её копии при помощи набора ферментов (ДНК-полимераз, лигаз и т.п.).

Гибридизация – процесс образования или получения гибридов, в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке.

Клон – совокупность клеток или особей, произошедших от общего предка путем бесполого размножения.

Штамм – чистая культура микроорганизма, выделенного из определенного источника или полученного в результате мутаций.

Эукариоты – организмы, состоящие из клеток, в которых обязательно содержится особый органоид – ядро.

Одним из основных понятий в биотехнологии является понятие «биосистема». Обобщенные характеристики биологической системы (живой системы) могут быть сведены к трем признакам.

• 1. Живые системы являются гетерогенными открытыми системами, которые обмениваются с окружающей средой веществами и энергией.
• 2. Эти системы являются самоуправляемыми, саморегулирующими, способными к обмену информацией с окружающей средой для поддержания своей структуры и управления процессами метаболизма.
• 3. Живые системы являются самовоспроизводящимися.

В качестве биологических систем, объектов, которые использует биотехнология, следует назвать одноклеточные организмы, среди них выделяют группы акариотов (вирусы), прокариотов (бактерии. сине-зеленые водоросли) и эукариотов (грибы, протозойные, водоросли). Их размеры варьируют от нанометров (вирусы, бактериофаги) до миллиметров и сантиметров (гигантские водоросли). Помимо вышеперечисленных, в качестве объектов биотехнологии используются клетки и ткани растений, животных и человека, вещества биологического происхождения (например, ферменты, простагландины, пектины, нуклеиновые кислоты), молекулы.

Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:

• 1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины. нуклеин. кислоты, антибиотики, антитела, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимые человеку, пока недоступны для получения «небиотехнологическими» способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья или сложности технологических процессов.
• 2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 мин, дрожжевая - через 1,5-2 часа, животная - через 24 часа, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных. масштабах огромные количества биомассы микробных, животных и растительных клеток. В процессе жизнедеятельности при их выращивании в среду поступает большое количество ценных продуктов.
• 3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены и пр. значительно доступнее и дешевле, чем химический синтез. В качестве сырья для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной продукции, пищевой промышленности, растительное сырье (дрожжи, древесина и т.п.)
• 4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технологии переработки.

Методы применяемые в биотехнологии определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. И тот и другой определяются биообъектами.

В первом случае имеют дело с бактериальными клетками (для получения вакцинных препаратов), актиномицетов (при получении антибиотиков), микромицетов (при получении лимонной кислоты), животных клеток (при изготовлении противовирусных вакцин), клеток человека (при изготовлении интерферона) и др.

Во втором случае имеют дело с молекулами, например с нуклеиновыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный уровень трансформируется в клеточный.

При выборе биологического объекта во всех случаях нужно соблюдать принцип технологичности. Так, если в течение многочисленных циклов культивирования свойства биологического объекта не сохраняются или претерпевают изменения, то данный объект следует признать нетехнологичным, т.е. неприемлемым для следующих после стадии лабораторных исследований технологических разработок.

Большое внимание ученые уделяют целенаправленному созданию новых, не существующих в природе биологических объектов. В первую очередь следует отметить создание новых клеток микроорганизмов, растений, животных методами генной инженерии. Созданию новых биологических объектов, безусловно, способствует совершенствование правовой охраны изобретений в области генетической инженерии и биотехнологии в целом. Сформировалось направление, занимающееся конструированием искусственных клеток. В настоящее время существуют методы, позволяющие получить искусственные клетки с использованием различных синтетических и биологических материалов, например, искусственной клеточной мембраной с заданной проницаемостью и поверхностными свойствами. Некоторые материалы могут быть заключены внутри таких клеток: ферментные системы, клеточные экстракты, антитела, гормоны, биологические клетки и др.

Например, применение искусственных клеток дало положительные результаты в производстве интерферонов, иммуносорбентов.

Также учеными используются и анаэробные организмы. Анаэробные процессы привлекают внимание исследователей в связи с недостатком энергии и возможностью получения биогаза.

Анаэробные микроорганизмы успешно используются для переработки отходов (биомассы растений, отходов пищевой промышленности, бытовых отходов и др.) и стоков (бытовые и промышленные стоки, навоз) в биогаз.

Как следует из всего выше изложенного, в биотехнологических процессах возможно использование ряда биологических объектов, характеризующихся различными уровнями сложности: клеточным, субклеточным, молекулярным. От особенностей конкретного биологического объекта зависит подход к созданию всей биотехнологической системы в целом.

Объекты, используемые в биотехнологии (они включают представителей, как прокариот, так и эукариот), чрезвычай­но разнообразны по своей структурной организации и био­логическим характеристикам. К объектам биотехнологии относятся:

Бактерии и цианобактерии;

Водоросли;

Лишайники;

Водные растения;

Клетки растений и животных.

В группу низших растений входят и микроскопически малые организмы (одноклеточные и многоклеточные), и очень крупные по размерам. Но все они объединены таки­ми общими признаками, как отсутствие расчленения тела на вегетативные органы и разнообразие способов размноже­ния.

К низшим относят следующие отделы: Вирусы, Бакте­рии, группа отделов Водоросли (Сине-зеленые, Зеленые, Ди­атомовые, Бурые, Красные и др.), Миксомицеты, Грибы, Лишайники. По способу питания их подразделяют на две группы: автотрофы (водоросли и лишайники), способные к фотосинтезу, и гетеротрофы (вирусы, бактерии - за не­большим исключением, - миксомицеты, грибы), исполь­зующие для питания готовые органические вещества.

Низшие растения прошли длинный исторический путь развития, но многие их представители до сих пор сохрани­ли черты примитивной организации. На определенном эта­пе развития они дали начало высшим растениям, венцом которых являются покрытосеменные.

Структура. Вирусные частицы (вирионы) имеют белко­вую капсулу - капсид, содержащий геном вируса, пред­ставленный одной или несколькими молекулами ДНК или РНК. Капсид построен из капсомеров - белковых комп­лексов, состоящих, в свою очередь, из протомеров. Вири­оны часто имеют правильную геометрическую форму (ико­саэдр, цилиндр). Такая структура капсида предусматривает идентичность связей между составляющими ее белками и, следовательно, может быть построена из стандартных бел­ков одного или нескольких видов, что позволяет вирусу «экономить» место в геноме. Белки капсида комплементар­ны определенным молекулярным структурам в клетке хо­зяина и вступают с ними во взаимодействие, необходимое для проникновения и существования вируса. Капсид защи­щает вирус только вне живой клетки. Вне клетки-хозяина вирусы ведут себя как вещество (могут быть получены в кристаллической форме); попав в живую клетку, они вновь проявляют активность.

Механизм инфицирования. Условно процесс вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно разбить на следующие этапы.

Присоединение к клеточной мембране - так назы­ваемая адсорбция. Обычно, для того чтобы вирус адсорби­ровался на поверхности клетки, она должна иметь в соста­ве своей плазматической мембраны специфический белок (часто гликопротеин) - рецептор, специфичный для данно­го вируса. Наличие рецептора нередко определяет круг хо­зяев данного вируса, а также его тканеспецифичность.

Проникновение в клетку. На этом этапе вирусу необ­ходимо доставить внутрь клетки свою генетическую инфор­мацию. Некоторые вирусы привносят также собственные белки, необходимые для ее реализации. Различные вирусы для проникновения в клетку используют разные стратегии. Вирусы также различаются по локализации их реплика­ции: часть вирусов размножается в цитоплазме клетки, а часть - в ее ядре.

Перепрограммирование клетки. При заражении виру­сом в клетке активируются специальные механизмы проти­вовирусной защиты. Зараженные клетки начинают синте­зировать сигнальные молекулы, например интерфероны, переводящие окружающие здоровые клетки в противови­русное состояние и активирующие системы иммунитета. Повреждения, вызываемые размножением вируса в клетке, могут быть обнаружены системами внутреннего клеточного контроля, и такая клетка должна будет «покончить жизнь самоубийством» в ходе процесса, называемого апоптозом (или программируемой клеточной гибелью). От способности вируса преодолевать системы противовирусной защиты на­прямую зависит его выживание. Неудивительно, что мно­гие вирусы, эволюционируя, приобрели способность подав­лять синтез интерферонов, апоптозную программу и т. д. Кроме подавления противовирусной защиты, вирусы стре­мятся создать в клетке максимально благоприятные усло­вия для развития своего потомства.

Персистенция. Некоторые вирусы могут переходить в латентное состояние (так называемая персистенция), слабо вмешиваясь в процессы, происходящие в клетке, и активи­роваться лишь при определенных условиях. На этом по­строена, например, стратегия размножения некоторых бак­териофагов: до тех пор пока зараженная клетка находится в благоприятной среде, фаг не убивает ее, наследуется до­черними клетками и нередко интегрируется в клеточный геном. Однако при попадании зараженной фагом бактерии в неблагоприятную среду возбудитель захватывает контроль над клеточными процессами так, что клетка начинает производить материалы, из которых строятся новые фаги. Клетка превращается в «фабрику», способную производить многие тысячи фагов. Зрелые частицы, выходя из клетки, разрывают клеточную мембрану, тем самым убивая клетку. С персистенцией вирусов связаны некоторые онкологиче­ские заболевания.

Создание новых вирусных компонентов. Размноже­ние вирусов в самом общем случае предусматривает три процесса:

Транскрипцию вирусного генома, т. е. синтез вирус­ной мРНК;

Трансляцию мРНК, т. е. синтез вирусных белков;

Репликацию вирусного генома.

У многих вирусов существуют системы контроля, обес­печивающие оптимальное расходование биоматериалов клетки-хозяина. Например, когда вирусной мРНК накопле­но достаточно, транскрипция вирусного генома подавляет­ся, а репликация, напротив, активируется.

Созревание вирионов и выход из клетки. В конце концов, новосинтезированные геномные РНК или ДНК «одевают­ся» соответствующими белками и выходят из клетки. Сле­дует отметить, что активно размножающийся вирус не всег­да убивает клетку-хозяина. В некоторых случаях дочерние вирусы отпочковываются от плазматической мембраны, не вызывая ее разрыва. Таким образом, клетка может про­должать жить и продуцировать вирус.

Классификация вирусов. Систематику и таксономию вирусов кодифицирует и поддерживает Международный комитет по таксономии вирусов (International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV), поддерживающий также и так­сономическую базу The Universal Virus Database ICTVdB.

Форма представления генетической информации лежит в основе современной классификации вирусов. В настоящее время их подразделяют на ДНК- и РНК-содержащие вирусы.

Значение вирусов. Вирусы вызывают ряд опасных забо­леваний человека (оспу, гепатит, грипп, корь, полиомие­лит, СПИД, рак и т. д.), растений (мозаичную болезнь таба­ка, томата, огурца, карликовость, увядание земляники), животных (чуму свиней, ящур). Однако препараты соответ­ствующих бактериофагов применяют для лечения бактери­альных заболеваний - дизентерии и холеры.

Получение интерферона - особого клеточного белка, препятствующего размножению вирусов, - широко ис­пользуют в медицине, особенно во время вспышек эпидемий гриппа. Это вещество универсального действия, активное по отношению ко многим вирусам, хотя чувствительность разных вирусов к нему неодинакова. Будучи продуктом са­мой клетки, интерферон полностью лишен токсического воздействия на нее. Сейчас применяют готовый интерфе­рон, его можно синтезировать в клетках, культивируемых вне организма.

3.Бактерии

До конца 1970-х гг. термин «бактерия» служил синони­мом прокариот, но в 1977 г. на основании данных молеку­лярной биологии прокариоты подразделили на царства архебактерий и эубактерий (собственно бактерий).

Строение бактерий. Подавляющее большинство бакте­рий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобак­терий) одноклеточны. По форме клеток они могут быть шаровидными (кокки), палочковидными (бациллы, клостридии, псевдомонады), извитыми (вибрионы, спириллы, спирохеты), реже - звездчатыми, тетраэдрическими, куби­ческими, С- или О-образными. Обязательными клеточными структурами бактерий являются:

Нуклеоид;

Рибосомы;

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ).

Прокариоты, в отличие от эукариот, не имеют в цито­плазме обособленного ядра. Вся необходимая для жизнеде­ятельности бактерий генетическая информация содержится и одной двухцепочечной ДНК (бактериальная хромосома), имеющей форму замкнутого кольца. Она в одной точке прикреплена к ЦПМ. ДНК в развернутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома представлена обычно в единственном экземпляре, т. е. практически все прокариоты гаплоидны, хотя в отдельных случаях одна клетка может содержать несколько копий своей хромосо­мы. Деление хромосомы сопровождается делением клетки. Область клетки, в которой локализована хромосома, называется нуклеоидом; она не окружена ядерной мембраной. 1$ связи с этим новосинтезированная мРНК сразу доступна для связывания с рибосомами, т. е. процессы транскрип­ции и трансляции могут протекать одновременно. Ядрыш­ка нет.

Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находят­ся плазмиды - замкнутые в кольцо небольшие молекулы ДНК, способные к независимой репликации. Они содержат дополнительные гены, необходимые лишь в специфических условиях. В них кодируются механизмы устойчивости к от­дельным лекарственным препаратам, способности к перено­су генов при конъюгации, синтеза веществ антибиотиче­ской природы, способности использовать некоторые сахара или обеспечивать деградацию ряда веществ. То есть плаз­миды действуют как факторы адаптации. В некоторых слу­чаях гены плазмиды могут интегрировать в хромосому бак­терии.

Рибосомы прокариот отличаются от таковых у эукариот и имеют константу седиментации 70 S (у эукариот - 80 S).

У разных групп прокариот имеются локальные впячива- ния ЦПМ - мезосомы, выполняющие в клетке разнообраз­ные функции и разделяющие ее на функционально различ­ные части. Считается, что мезосомы принимают участие в делении бактерий. Когда на мембранах мезосом располага­ются окислительно-восстановительные ферменты, они явля­ются эквивалентами митохондрий клеток растений и живот­ных. У фотосинтезирующих бактерий во впячивания мембран вмонтирован пигмент - бактериохлорофилл. С его помощью и осуществляется бактериальный фотосинтез.

С внешней стороны от ЦПМ находятся несколько слоев (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол), называемых клеточной оболочкой, а также поверхностные структуры (жгутики, ворсинки, пили).

У бактерий существует два основных типа строения кле­точной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам. Клеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный слой толщи­ной 20-80 нм, построенный в основном из пептидогликана муреина с большим количеством тейхоевых кислот и не­большим количеством полисахаридов, белков и липидов. У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ и имеет толщину лишь 2-3 нм. Он окружен наружной мембраной, имеющей, как правило, неровную, искривленную форму.

С внешней стороны от клеточной стенки может нахо­диться капсула - аморфный слой гидратированных поли­сахаридов, сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру.

Многие бактерии способны к активному движению с по­мощью жгутиков - выростов цитоплазмы.

Размножение бактерий. Бактерии не имеют полового процесса и размножаются лишь равновеликим бинарным поперечным делением или почкованием. Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное де­ление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящих к образованию от 4 до 1000 новых клеток под оболочкой материнской клетки).

У прокариот может происходить горизонтальный пере­нос генов. При конъюгации клетка-донор в ходе непосред­ственного контакта передает клетке-реципиенту часть свое­го генома (в некоторых случаях - весь геном). Участки ДНК донорной клетки могут обмениваться на гомологич­ные участки ДНК реципиента. Вероятность такого обмена значима только для бактерий одного вида.

Бактериальная клетка может поглощать и свободно на­ходящуюся в среде ДНК, включая ее в свой геном. Данный процесс носит название трансформации. В природных усло­виях обмен генетической информацией протекает с по­мощью бактериофагов (трансдукция). При горизонтальном переносе новых генов не образуется, однако осуществляется создание разных генных сочетаний. Эти свойства бактерий очень важны для генетической инженерии.

Спорообразование у бактерий. Некоторые бактерии об­разуют споры. Их формирование характерно для особо ус­тойчивых форм с замедленным метаболизмом и служит для сохранения в неблагоприятных условиях, а также для рас­пространения. Споры могут сохраняться продолжительное время, не теряя жизнеспособности. Так, эндоспоры многих бактерий способны выдерживать 10-минутное кипячение при 100 °С, высушивание в течение тысячи лет и, по неко­торым данным, сохраняются в жизнеспособном состоянии в почвах и горных породах миллионы лет.

Метаболизм бактерий. За исключением некоторых спе­цифических моментов, биохимические пути, по которым осуществляется синтез белков, жиров, углеводов и нуклео­тидов, у бактерий схожи с таковыми у других организмов. Однако по числу возможных биохимических путей и, соот­ветственно, по степени зависимости от поступления органи­ческих веществ извне бактерии различаются. Часть бакте­рий может синтезировать все необходимые им органиче­ские молекулы из неорганических соединений (автотрофы), другие же требуют готовых органических соединений, ко­торые они способны лишь трансформировать (гетеротрофы).

Классификация бактерий. Наибольшую известность получила фенотипическая классификация бактерий, осно­ванная на строении их клеточной стенки. На основе этой классификации построен «Определитель бактерий Берги», девятое издание которого вышло в 1984-1987 гг. Крупней­шими таксономическими группами в ней стали четыре от­дела: Gracilicutes (грамотрицательные), Firmicutes (грамположительные), Tenericutes (микоплазмы) и Mendosicutes (археи).

Значение бактерий. Бактерии-сапрофиты играют боль­шую роль в круговороте веществ в природе, разрушая в экосистемах мертвый органический материал. Хорошо из­вестна их роль во всех биогеохимических циклах на нашей планете. Бактерии принимают участие в круговоротах хи­мических элементов (углерода, железа, серы, азота, фосфо­ра и др.), в процессах почвообразования, определяют пло­дородие почв.

Многие бактерии «населяют» организмы животных и человека, стоят на страже здоровья.

Биотехнологические функции, выполняемые бактериями, разнообразны. Их применяют при производстве различных веществ: уксуса (Gluconobacter suboxidans), молочнокислых напитков и продуктов (Lactobacillus, Leuconostoc), а также микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis) и герби­цидов, белков (Methylomonas), витаминов (Clostridium - рибофлавин); при переработке отходов, получении бактери­альных удобрений, растворителей и органических кислот, биогаза и фотоводорода. Широко используется такое свой­ство некоторых бактерий, как диазотрофность, т. е. способ­ность к фиксации атмосферного азота.

Благодаря быстрому росту и размножению, а также простоте строения, бактерии активно применяют в научных исследованиях по молекулярной биологии, генетике и био­химии, в генно-инженерных работах при создании геном­ных клонотек и введении генов в растительные клетки (агробактерии). Информация о метаболических процессах бактерий позволила производить бактериальный синтез ви­таминов, гормонов, ферментов, антибиотиков и др.

Перспективными направлениями являются очистка с использованием бактерий почв и водоемов, загрязненных нефтепродуктами или ксенобиотиками, а также обогащение руд с помощью сероокисляющих бактерий.

Нельзя забывать о том, что отдельные виды бактерий вызывают опасные заболевания у человека (чуму, холеру, туберкулез, брюшной тиф, сибирскую язву, ботулизм и др.), животных и растений (бактериозы). Некоторые виды бактерий могут разрушать металл, стекло, резину, хлопок, древесину, масла, лаки, краски.