Принципы подбора биотехнологических объектов

Вирусы

Вирусы – это группа ультрамикроскопических облигатных внутриклеточных паразитов, способных размножаться только в клетках живых организмов.

Вирусы обладают рядом характерных особенностей:

- не имеют клеточного строения;

- не способны к росту и бинарному делению;

- не имеют собственных систем метаболизма;

- содержат нуклеиновые кислоты только одного типа – ДНК или РНК;

- используют рибосомы клетки-хозяина для синтеза собственных белков;

- не размножаются на искусственных питательных средах и могут существовать только в организме восприимчивого к ним хозяина.

Вирусы существуют в двух формах: внеклеточной - в виде вириона и внутриклеточной, называемой репродуцирующимся вирусом. У вириона отсутствует обмен веществ, он не растет и не размножается. Внутриклеточная форма является активным агентом, который, попав в клетку хозяина, использует ее биосинтетический и энергетический аппарат для репродукции новых вирусов, впоследствии может вызвать гибель клетки.

Вирусы имеют уникальный геном, так как содержат либо ДНК, либо РНК. Поэтому их подразделяют на две группы – ДНК-геномные и РНК-геномные.

Химический состав вирусов прост. Кроме нуклеиновой кислоты и белков, они содержат липиды и углеводы в составе наружных оболочек. У бактериофагов (вирусы, поражающие бактерии) обнаружены ферменты.

Вирусы разнообразны по форме и имеют сложное строение. Различают следующие формы вирусов: палочковидную, нитевидную, сферическую, кубовидную, булавовидную.

Типы симметрии у вирусов

У просто устроенных вирусов нуклеиновая кислота связана с белковой оболочкой (капсид). Капсид состоит из повторяющихся морфологических субъединиц – капсомеров. Нуклеиновая кислота и капсид, взаимодействуя друг с другом, образуют нуклеокапсид. У сложно устроенных вирусов капсид окружен дополнительной липопротеидной оболочкой – суперкапсидом, который имеет «шипы».

Для многих вирусов бактерий (бактериофагов) характерен сложный тип симметрии: головка фага имеет форму многогранника, хвостовой отросток – форму цилиндра.

Капсид и суперкапсид защищают вирионы от влияния окружающей среды, обусловливают избирательное взаимодействие с поражаемыми ими клетками, определяют антигенные и иммуногенные свойства вирионов.

Схематичное строение Т-фага кишечной палочки со смешанным типом симметрии:

1 - кубоидальная капсидная головка, 2 - двухнитчатая ДНК, 3 - стержень, 4 - спиралеобразный сокращающийся капсид (чехол), 5- базальная пластинка, 6 - хвостовые фибриллы.

В биотехнологии и микробиологии часто пользуются терминами «вид», «штамм», «клон», «чистая культура». Поэтому необходимо дать их характеристику.

Вид – основная таксономическая (классификационная) единица, представляет собой совокупность особей одного генотипа, обладающих хорошо выраженным фенотипическим сходством. Вид подразделяют на подвиды, или варианты.

Штамм – более узкое понятие, чем вид. Это культуры микроорганизмов одного и того же вида, выделенные из различных природных сред (почв, водоемов, организмов) или из одной и той же среды, но в разное время. Разные штаммы одного вида микроорганизмов могут различаться по некоторым признакам, например, чувствительности к антибиотикам, способности синтезировать некоторые продукты метаболизма и т.д., но эти различия выражены в меньшей степени, чем видовые.

Клон (в микробиологии = колония) – совокупность потомков, выращенных из единственной микробной клетки.

Чистая культура – совокупность (популяция) микроорганизмов, состоящая из особей одного вида.

Мир микроорганизмов велик и многообразен. В настоящее время известно более 100 тыс. различных видов. Однако микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько сотен видов. При столь большом разнообразии микробов возникает вопрос, каким образом подобрать именно те формы, продукция которых интересует?

Для этого проводится выделение микроорганизмов. Отбираются пробы из мест, где обитание того или иного продуцента наиболее вероятно. Например, углеводородокисляющие микроорганизмы встречаются в почве возле бензоколонок, а винные дрожжи – на винограде. Образцы проб вносят в жидкие питательные среды специального состава (элективные). В элективных средах путем варьирования различных факторов создаются избирательные условия для преимущественного развития определенного продуцента. Таким образом, получают накопительные культуры микроорганизмов.Следующий этап – выделение чистых культур. Для этого используют плотные питательные среды, на которые засевают образцы проб из накопительных культур. Отдельные клетки микроорганизмов на плотных питательных средах образуют изолированные колонии, при их последующем пересеве получаются чистые культуры продуцента.

Другой путь подбора микроорганизмов – из имеющихся коллекций микроорганизмов. Например, продуцентов антибиотиков чаще всего находят среди актиномицетов, а типичными продуцентами этанола являются дрожжи.

Главным критерием при отборе продуцентов является способность микроорганизмов синтезировать целевой продукт. Биотехнологическая промышленность предъявляет к продуцентам ряд требований:

1) микроорганизмы должны обладать высокой скоростью роста;

2) использовать для жизнедеятельности дешевые непищевые субстраты;

3) быть устойчивыми к заражению посторонней микрофлорой.

Все это позволяет значительно снизить затраты на производство целевого продукта.

Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями синтетических процессов, чем высшие формы живого. Например, корова массой 500 кг в течение суток синтезирует около 0,5 кг белка. Такое же количество белка за одни сутки можно получить с помощью 5г дрожжей. Однако высокие скорости роста характерны не для всех микроорганизмов.

Особый интерес как биотехнологические объекты представляют фотосинтезирующие микроорганизмы. В своей жизнедеятельности они, используя энергию света, синтезируют разнообразные вещества в результате восстановления углекислоты, сопряженного с окислением воды (цианобактерии и эукариоты), способны к усвоению атмосферного азота (прокариоты), т.е. обходятся самыми дешевыми источниками энергии, углерода, восстановительных эквивалентов и азота. Фототрофные микроорганизмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и различных биопрепаратов.

Другими привлекательными объектами для биотехнологии являются термофильные организмы, которые оптимально растут при высоких температурах (60-80°, 110° и выше), что затрудняет развитие посторонней микрофлоры. Среди термофилов существуют ценные продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода. Применение термофилов позволяет снизить затраты на стерилизацию промышленного оборудования, а скорость роста и метаболическая активность у этих организмов в 1,5-2 раза выше, чем у мезофиллов.

Таким образом, выделение и подбор объекта – важный этап биотехнологического процесса. Однако путем простого подбора не удается получить высокоактивные продуценты, поэтому возникает задача изменения природы организма в нужном направлении. Для этого используют методы селекции, с помощью которых получены промышленные штаммы микроорганизмов, синтетическая активность которых превышает активность исходных штаммов в десятки и сотни раз.

Вопросы для самоконтроля

1. Что относится к объектам биотехнологии?

2. Почему в биотехнологии применяется так много разных биологических объектов?

3. Что представляют собой поверхностные и внутренние структуры бактерий? Каковы их функции?

4. Каковы особенности грамположительных и грамотрицательных бактерий?

5. В чем отличие нуклеоида прокариот от ядра эукариот?

6. Актиномицеты: особенности строения, роль в биотехнологическом процессе.

7. Мицелиальные грибы: особенности строения, значение в природе и биотехнологическом производстве.

8. Дайте характеристику дрожжам. Их значение.

9. Каковы особенности строения водорослей? Каково их значение для биотехнологической промышленности?

10. Вирусы: систематическое положение, особенности строения и роль в биотехнологическом процессе.

11. Каковы принципы подбора объектов для биотехнологической промышленности? Критерии, предъявляемые к продуцентам.