Objetos biológicos de origen animal en biotecnología. Objetos biotecnológicos y sus niveles.

Los microorganismos como objetos de la biotecnología. Clasificación. Característica.

Las bacterias son extremadamente diversas en términos de condiciones de hábitat, adaptabilidad, tipos de nutrición y formación de bioenergía, en relación con los macroorganismos: animales y plantas. Las formas más antiguas de bacterias: las arqueobacterias pueden vivir en condiciones extremas ( altas temperaturas y presión, soluciones salinas concentradas, soluciones ácidas). Las eubacterias (procariotas o bacterias típicas) son más sensibles a las condiciones ambientales.

Por tipo de nutrición, las bacterias se dividen según la fuente de energía:

Fotótrofos que usan energía luz del sol;

· quimioautótrofos, utilizando la energía de oxidación de sustancias inorgánicas (compuestos de azufre, metano, amoníaco, nitritos, compuestos de hierro ferroso, etc.);

Según el tipo de oxidación de la sustancia:

organótrofos que obtienen energía de la descomposición de sustancias orgánicas en minerales; estas bacterias son las principales participantes en el ciclo del carbono, el mismo grupo incluye bacterias que utilizan la energía de la fermentación;

litótrofos ( sustancias inorgánicas);

Por tipo de fuente de carbono:

heterótrofo - usa materia orgánica;

aphtotrófico - usa gas;

Para indicar el tipo de alimento se utiliza:

1. naturaleza de la fuente de energía foto- o quimio-;

2. Donadores de electrones lito- u organo-;

3. Fuentes de carbono afto- y hetero-;

Y el término termina con las palabras trofeo. 8 tipos diferentes de comida.

Los animales y plantas superiores se inclinan hacia 2 tipos de nutrición:

1) Quimioorganoheterotrofia (animales)

2) Fotolitoaftotrofia (plantas)

El microorganismo tiene todo tipo de nutrición, pudiendo cambiar de una a otra, dependiendo de la existencia

Hay un tipo separado de comida:

Las bacterias son un objeto conveniente para la investigación genética. La más estudiada y ampliamente utilizada en la investigación de ingeniería genética es Escherichia coli (E. coli), que vive en el intestino humano.

Organización y estructura de las producciones biotecnológicas. Características distintivas de la producción biotecnológica de los tipos tradicionales de tecnologías. Ventajas y desventajas de las producciones biotecnológicas en comparación con las tecnologías tradicionales.

Gran variedad procesos biotecnológicos que han encontrado aplicación industrial, lleva a la necesidad de considerar los problemas más comunes e importantes que surgen al crear cualquier producción biotecnológica. Los procesos de la biotecnología industrial se dividen en 2 grandes grupos: producción de biomasa y obtención de productos metabólicos. Sin embargo, esta clasificación no refleja los aspectos tecnológicamente más significativos de los procesos biotecnológicos industriales. En este sentido, es necesario considerar las etapas de la producción biotecnológica, sus similitudes y diferencias en función del objetivo final del proceso biotecnológico.

Hay 5 etapas de producción biotecnológica.

Las dos etapas iniciales incluyen la preparación de la materia prima y el principio biológicamente activo. En los procesos de ingeniería enzimológica, normalmente consisten en preparar una solución de sustrato con propiedades específicas (pH, temperatura, concentración) y preparar un lote de un preparado enzimático de un tipo determinado, enzimático o inmovilizado. Al llevar a cabo la síntesis microbiológica, son necesarios los pasos de preparar un medio nutritivo y mantener un cultivo puro, que pueden usarse constantemente o según sea necesario en el proceso. Mantener un cultivo puro de la cepa productora es la tarea principal de cualquier producción microbiológica, ya que una cepa altamente activa que no haya sufrido cambios indeseables puede servir como garantía de obtener el producto objetivo con las propiedades deseadas.

La tercera etapa es la etapa de fermentación, en la que se produce la formación del producto objetivo. En esta etapa tiene lugar la transformación microbiológica de los componentes del medio nutritivo, primero en biomasa y luego, si es necesario, en el metabolito objetivo.

En la cuarta etapa, los productos objetivo se aíslan y purifican del líquido de cultivo. Para micro industriales procesos biológicos la característica, por regla general, es la formación de soluciones y suspensiones muy diluidas que contienen, además del objetivo, una gran cantidad de otras sustancias. En este caso, es necesario separar mezclas de sustancias de naturaleza muy similar, que se encuentran en solución en concentraciones comparables, son muy lábiles y se someten fácilmente a la degradación térmica.

La etapa final de la producción biotecnológica es la preparación de formas comerciales de productos. Una propiedad común de la mayoría de los productos de síntesis microbiológica es su insuficiente estabilidad de almacenamiento, ya que son propensos a la descomposición y, de esta forma, proporcionan un entorno excelente para el desarrollo de microflora extraña. Esto obliga a los tecnólogos a tomar medidas especiales para mejorar la seguridad de los productos biotecnológicos industriales. Además, los medicamentos con fines médicos requieren soluciones especiales en la etapa de envasado y sellado, por lo que deben ser estériles.

El objetivo principal de la biotecnología es el uso industrial de procesos y agentes biológicos basados ​​en la producción de formas altamente efectivas de microorganismos, cultivos celulares y tejidos de plantas y animales con propiedades deseadas. La biotecnología surgió en la intersección de las ciencias biológicas, químicas y técnicas.

Proceso biotecnológico: incluye una serie de etanos: preparación de un objeto, su cultivo, aislamiento, purificación, modificación y uso de productos.

Los procesos biotecnológicos pueden basarse en cultivos discontinuos o continuos.

En muchos países del mundo, se le da una importancia primordial a la biotecnología. Esto se debe al hecho de que la biotecnología tiene una serie de ventajas significativas sobre otros tipos de tecnologías, por ejemplo, la química.

una). En primer lugar, es de bajo consumo de energía. Los procesos biotecnológicos se llevan a cabo a presión normal y temperaturas de 20-40°C.

2). La producción biotecnológica a menudo se basa en el uso de equipos estándar del mismo tipo. El mismo tipo de enzimas se utilizan para la producción de aminoácidos, vitaminas; enzimas, antibióticos.

3). Es fácil hacer que los procesos biotecnológicos no generen residuos. Los microorganismos asimilan una amplia variedad de sustratos, por lo que los desechos de una producción pueden convertirse en productos valiosos con la ayuda de microorganismos durante otra producción.

4). La producción biotecnológica sin residuos las convierte en las más respetuosas con el medio ambiente

cinco). La investigación en el campo de la biotecnología no requiere grandes inversiones de capital, no requiere equipos costosos.

Las tareas prioritarias de la biotecnología moderna incluyen la creación y el desarrollo generalizado de:

1) nuevas sustancias biológicamente activas y medicamentos para uso médico (interferones, insulina, hormonas de crecimiento, anticuerpos);

2) Protección vegetal microbiológica contra enfermedades y daños.

lei, fertilizantes bacterianos y reguladores del crecimiento vegetal, nuevos híbridos de plantas agrícolas altamente productivos y resistentes a factores ambientales adversos obtenidos por ingeniería genética y celular;

3) valiosos aditivos para piensos y sustancias biológicamente activas (proteínas para piensos, aminoácidos, enzimas, vitaminas, antibióticos para piensos) para aumentar la productividad de la cría de animales;

4) nuevas tecnologías para la obtención de productos económicamente valiosos para su uso en las industrias alimentaria, química, microbiológica y otras;

5) tecnologías para el procesamiento profundo y eficiente de productos agrícolas, industriales y Desechos domésticos, el uso de aguas residuales y emisiones de gases atmosféricos para producir biogás y fertilizantes de alta calidad.

La tecnología tradicional (convencional) es un desarrollo que refleja el nivel promedio de producción alcanzado por la mayoría de los fabricantes de productos en la industria. Esta tecnología no proporciona a su comprador ventajas técnicas y económicas significativas y calidad del producto en comparación con productos similares de los principales fabricantes, y en este caso no es necesario contar con una ganancia adicional (por encima del promedio). Sus ventajas para el comprador son un costo relativamente bajo y la posibilidad de adquirir tecnología probada en campo. La tecnología tradicional se crea, por regla general, como resultado de la obsolescencia y la difusión generalizada de la tecnología progresiva. La venta de dicha tecnología se suele realizar a precios que compensan al vendedor los costes de su elaboración y la obtención de un beneficio medio.

Ventajas de los procesos biotecnológicos en comparación con la tecnología química La biotecnología presenta las siguientes ventajas principales:

la posibilidad de obtener sustancias naturales específicas y únicas, algunas de las cuales (por ejemplo, proteínas, ADN) aún no pueden obtenerse por síntesis química;

·realizar procesos biotecnológicos a temperaturas y presiones relativamente bajas;

Los microorganismos tienen tasas significativamente más altas de crecimiento y acumulación de masa celular que otros organismos.

los residuos baratos pueden utilizarse como materia prima en procesos biotecnológicos Agricultura e industria;

los procesos biotecnológicos suelen ser más amigables con el medio ambiente que los químicos, tienen menos desechos nocivos y están cerca de los procesos naturales que ocurren en la naturaleza;

· por regla general, la tecnología y el equipo en las producciones biotecnológicas son más simples y más baratos.

Etapa biotecnológica

La etapa principal es la propia etapa biotecnológica, en la que, utilizando uno u otro agente biológico, la materia prima se convierte en uno u otro producto objetivo.

Por lo general, la tarea principal de la etapa biotecnológica es obtener una determinada sustancia orgánica.

La etapa biotecnológica incluye:

La fermentación es un proceso llevado a cabo mediante el cultivo de microorganismos.

Biotransformación - el proceso de cambio Estructura química sustancias bajo la acción de la actividad enzimática de células de microorganismos o enzimas preparadas.

Biocatálisis: transformaciones químicas de una sustancia que proceden del uso de biocatalizadores-enzimas.

La biooxidación es el consumo de contaminantes por parte de microorganismos o la asociación de microorganismos en condiciones aeróbicas.

La fermentación de metano es el procesamiento de residuos orgánicos mediante la asociación de microorganismos metanogénicos en condiciones anaeróbicas.

El biocompostaje es la reducción del contenido de sustancias orgánicas nocivas mediante la asociación de microorganismos en los residuos sólidos, a los que se les da una estructura suelta especial para proporcionar acceso de aire y humedad uniforme.

Biosorción: absorción de impurezas nocivas de gases o líquidos por parte de microorganismos, generalmente fijadas en soportes sólidos especiales.

La lixiviación bacteriana es el proceso de transferencia de compuestos metálicos insolubles en agua a un estado disuelto bajo la acción de microorganismos especiales.

Biodegradación: destrucción de compuestos nocivos bajo la influencia de microorganismos-biodestructores.

Por lo general, una etapa biotecnológica tiene una corriente de líquido y una corriente de gas como corrientes de salida, a veces solo una corriente de líquido. En caso de que el proceso tenga lugar en la fase sólida (p. ej., maduración de queso o biocompostaje de residuos), el resultado es un flujo de producto sólido procesado.

Etapas preparatorias

Las etapas preparatorias se utilizan para preparar y preparar los tipos necesarios de materias primas para la etapa biotecnológica.

Los siguientes procesos se pueden utilizar en la fase de preparación.

Esterilización del medio ambiente: para procesos biotecnológicos asépticos, donde no se desea la entrada de microflora extraña.

Preparación y esterilización de gases (generalmente aire) necesarios para el flujo de un proceso biotecnológico. La mayoría de las veces, la preparación del aire consiste en limpiarlo del polvo y la humedad, proporcionarle la temperatura requerida y limpiarlo de los microorganismos presentes en el aire, incluidas las esporas.

Preparación de semillas. Es obvio que para llevar a cabo un proceso microbiológico o un proceso para cultivar células aisladas de plantas o animales, también es necesario preparar un inóculo, una pequeña cantidad de agente biológico cultivada previamente en comparación con la etapa principal.

Preparación de biocatalizadores. Para los procesos de biotransformación o biocatálisis, es necesario preparar preliminarmente un biocatalizador, ya sea una enzima en forma libre o fijada sobre un soporte, o una biomasa de microorganismos previamente cultivados hasta un estado en el que se manifieste su actividad enzimática.

Pretratamiento de materias primas. Si la materia prima ingresa a la producción en una forma inadecuada para uso directo en el proceso biotecnológico, entonces se lleva a cabo una operación para la preparación preliminar de la materia prima. Por ejemplo, cuando se produce alcohol, el trigo se tritura primero y luego se somete a un proceso de "sacarificación" enzimático, después de lo cual el mosto sacarificado se convierte en alcohol en una etapa biotecnológica por fermentación.

limpieza de productos

La tarea de esta etapa es eliminar las impurezas, para que el producto sea lo más puro posible.

La cromatografía es un proceso similar a la adsorción.

La diálisis es un proceso en el que las sustancias de bajo peso molecular pueden pasar a través de un tabique semipermeable, mientras que las sustancias de alto peso molecular permanecen.

Cristalización. Este proceso se basa en la diferente solubilidad de las sustancias a diferentes temperaturas.

Concentración de producto

La siguiente tarea es asegurar su concentración.

En la etapa de concentración, se utilizan procesos como la evaporación, el secado, la precipitación, la cristalización con filtración de los cristales resultantes, la ultrafiltración y la hiperfiltración o nanofiltración, proporcionando, por así decirlo, "exprimir" el solvente de la solución.

Tratamiento de efluentes y emisiones

La depuración de estos efluentes y emisiones es una tarea especial que debe resolverse en nuestro tiempo ambientalmente desfavorable. En esencia, el tratamiento de aguas residuales es una producción biotecnológica separada, que tiene sus propias etapas preparatorias, una etapa biotecnológica, una etapa para sedimentar la biomasa de lodos activados y una etapa para el tratamiento adicional de aguas residuales y procesamiento de lodos.

Tipos de objetos biológicos utilizados en biotecnología, su clasificación y características. Objetos biológicos de origen animal. Objetos biológicos de origen vegetal.

Los objetos de la biotecnología incluyen: partículas extracelulares organizadas (virus), células de bacterias, hongos, protozoos, tejidos de hongos, plantas, animales y humanos, enzimas y componentes de enzimas, moléculas de ácido nucleico biogénico, lectinas, citoquininas, metabolitos primarios y secundarios.

Actualmente, la mayoría de los objetos biológicos de la biotecnología están representados por representantes de 3 superreinos:

1) Acoryotac - acoriotas o no nucleares;

2) Procariota - procariotas o prenucleares;

3) Eucariota - eucariotas o nucleares.

Están representados por 5 reinos: los virus (partícula organizada no celular) se clasifican como acariotas; las bacterias se clasifican como procariotas (unidad morfológica elemental); los eucariotas incluyen hongos, plantas y animales. Tipo de codificación Información genética ADN (para virus ADN o ARN).

Las bacterias tienen una organización celular, pero el material del núcleo no está separado del citoplasma por ninguna membrana y no está asociado con ninguna proteína. Básicamente, las bacterias son unicelulares, su tamaño no supera los 10 micrómetros. Todas las bacterias se dividen en archobacterias y eubacterias.

Los hongos (Mycota) son importantes objetos biotecnológicos y productores de varios compuestos importantes en productos alimenticios y aditivos: antibióticos, hormonas vegetales, colorantes, proteínas de hongos, varios tipos de quesos. Los micromicetos no forman el cuerpo fructífero y sí los macromicetos. Tienen signos de animales y plantas.

Plantas (Plantas). Se conocen unas 300 mil especies de plantas. Se trata de plantas orgánicas diferenciadas, cuyas partes constituyentes son tejidos (merimestente, tegumentario, conductor, mecánico, básico y secretor). Solo los tejidos mirimestantes son capaces de dividirse. Cualquier tipo de planta, bajo ciertas condiciones, puede producir una masa celular desorganizada de células en división: callo. Los objetos biológicos más importantes son los protoplastos de las células vegetales. Carecen de pared celular. Utilizado en ingeniería celular. A menudo se utilizan algas. De ellos se obtienen agar-agar y alginatos (polisacáridos utilizados para la preparación de medios microbiológicos).

Animales (Animalia). En biotecnología, se utilizan ampliamente objetos biológicos como células de varios animales. Además de las células de animales superiores, se utilizan células de protozoos. Las células de animales superiores se utilizan para obtener ADN recombinante y realizar estudios toxicológicos.

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El primer intento de sistematizar la información sobre los organismos pertenece a Aristóteles (siglo IV a. C.). Todos los organismos vivos conocidos en ese momento fueron divididos por él en dos reinos: plantas y animales. En la segunda mitad del siglo XIX, el científico alemán E. Haeckel propuso separar todos los microorganismos en un reino separado Protista (seres primarios, del griego "protos", los más simples).

Un estudio más profundo de los microorganismos reveló su heterogeneidad, lo que condujo a la división del grupo en protestas superiores e inferiores. Los animales microscópicos (protozoos), las algas microscópicas (excepto las azul verdosas, también llamadas cianobacterias) y los hongos microscópicos (mohos, levaduras) se asignaron a las protestas más altas, todas las bacterias, incluidas las cianobacterias, a las protestas más bajas. La división en protestas superiores e inferiores se llevó a cabo de acuerdo con los dos tipos de organización celular descubiertos: eucariota y procariota. Las protestas más altas son eucariotas, las protestas más bajas son procariotas.

Estos tipos de células tienen características comunes y diferencias significativas. /Una célula es un trozo de citoplasma delimitado por una membrana que tiene una ultraestructura característica: dos capas densas en electrones, cada una de 2,5-3,0 nm de espesor, separadas por un espacio transparente a los electrones. Este tipo de membranas se denominan elementales.| En cualquier célula hay dos tipos de ácidos nucleicos (ADN y ARN), proteínas, lípidos, carbohidratos. El citoplasma y la membrana elemental son elementos estructurales esenciales de la célula. Una célula procariota tiene una cavidad interna formada por una membrana elemental llamada citoplasmática (CPM).

En las células eucariotas, a diferencia de las procariotas, existen cavidades secundarias. Las estructuras celulares limitadas por membranas elementales y que realizan ciertas funciones en la célula se denominan orgánulos (orgánulos). Estos incluyen el núcleo, las mitocondrias, los ribosomas, los lisosomas, el aparato de Golgi, los cloroplastos, etc. El núcleo actúa como custodio de la información genética, cuyo portador es el ADN. Los principales elementos estructurales y funcionales del núcleo, que contienen en orden lineal los genes son los cromosomas. Las mitocondrias suministran energía a la célula a través de la oxidación de sustancias con la participación de oxígeno. También sintetizan sus propias proteínas mitocondriales.

Todas las demás proteínas celulares se sintetizan en los ribosomas. Los lisosomas contienen enzimas para la descomposición de varios biopolímeros. El aparato de Golgi (llamado así por el científico italiano Camillo Golgi, quien recibió el Premio Nobel en 1906) está involucrado en la formación de productos de desecho celular: varios secretos, colágeno, glucógeno, lípidos, etc., en la síntesis de glicoproteínas. La fotosíntesis se lleva a cabo en los cloroplastos, que están presentes solo en las células vegetales.

En las células procariotas, los orgánulos enumerados anteriormente, que son típicos de los eucariotas, están ausentes. Su ADN nuclear no está separado del citoplasma por una membrana. Las diferencias fundamentales en la estructura de las células procariotas y eucariotas fueron la razón de la asignación de los microorganismos procariotas, que se encuentran en el nivel más primitivo de organización celular, en un reino especial de Mopega (R. Whittaker). Las formas de vida microscópicas, en su mayoría unicelulares e indiferenciadas incluyen el reino Protista. Los eucariotas multicelulares están representados por tres reinos: Plantae (plantas), Fungi (hongos) y Animalia (animales).

Los tamaños de la mayoría de las bacterias están en el rango de 0.5-3 micrones, sin embargo, hay sus propios "gigantes" y "enanos" entre ellos. Por ejemplo, la longitud de una célula de espiroqueta alcanza las 500 micras. Las células procariotas más pequeñas son bacterias que pertenecen al grupo de los micoplasmas, el diámetro de sus células es de 0,1-0,15 micras. Durante mucho tiempo se creyó que las células procariotas tenían forma de esfera (cocos), de cilindro (varillas) o de espiral (espirilla o vibriones). EN Últimamente se demostró que, además de las formas indicadas, las bacterias también pueden tener forma de anillo, de estrella; la ramificación es característica de algunas especies. Los procariotas multicelulares son grupos de varias configuraciones, la mayoría de las veces filamentos.

Las bacterias son extremadamente diversas en términos de condiciones de hábitat, adaptabilidad, tipos de nutrición y formación de bioenergía, en relación con los macroorganismos: animales y plantas. Las formas más antiguas de bacterias: las arquebacterias pueden vivir en condiciones extremas (altas temperaturas y presiones, soluciones salinas concentradas, soluciones ácidas). Las eubacterias (procariotas o bacterias típicas) son más sensibles a las condiciones ambientales.

Las bacterias son un objeto conveniente para la investigación genética. La más estudiada y ampliamente utilizada en la investigación de ingeniería genética es Escherichia coli (E. coli), que vive en el intestino humano.

Las plantas incluyen algas, que son organismos acuáticos, y plantas superiores, que viven principalmente en la tierra. Las algas no tienen órganos ni tejidos y consisten en células indiferenciadas (idénticas). El agar-agar y los alginatos se obtienen a partir de algas, polisacáridos utilizados para la fabricación de medios microbiológicos y en la industria alimentaria. plantas superiores son organismos multicelulares con órganos especializados: raíces, tallos, hojas. Están formados por tejidos formados por células especializadas. Las plantas sirven como proveedores de nutrientes para otros organismos.

A pesar de que los métodos tradicionales para la extracción de compuestos fisiológicamente activos y medicinales de las plantas (extracción, destilación, filtración) siguen siendo ampliamente utilizados, las tecnologías para la obtención de sustancias biológicamente activas a partir de cultivos celulares, así como la producción de productos a partir de plantas modificadas genéticamente, siguen siendo cada vez más importante.

Los hongos combinan las características de las células vegetales y animales. Tienen un núcleo celular y, como las plantas, una fuerte pared celular. Al igual que las células animales, pueden sintetizar polisacáridos: quitina y glucógeno, y necesitan algunas vitaminas. Particularmente interesantes para la biotecnología son los hongos microscópicos: levaduras, hongos de moho, hongos superiores utilizados en las industrias de panadería, cervecería y lácteos, así como para la producción de ácidos orgánicos, alcoholes, antibióticos, proteínas alimenticias y diversas sustancias biológicamente activas.

Un ejemplo de dicha tecnología es la producción de un fármaco interferón antiviral que se utiliza para prevenir y tratar la influenza y otras infecciones virales. El método más prometedor para la producción de sustancias biológicamente activas es la ingeniería genética. En particular, así es como se obtiene la insulina humana, una hormona de naturaleza proteica.

S.V. Makarov, T. E. Nikiforova, N. A. Kozlov

Los objetos utilizados en biotecnología (que incluyen representantes tanto de procariotas como de eucariotas) son extremadamente diversos en su organización estructural y características biológicas. Los objetos de la biotecnología incluyen:

bacterias y cianobacterias;

Algas marinas;

líquenes;

plantas acuáticas;

Células de plantas y animales.

El grupo de plantas inferiores incluye organismos microscópicamente pequeños (unicelulares y multicelulares) y muy grandes. pero todos estan unidos características comunes, como la ausencia de un desmembramiento del cuerpo en órganos vegetativos y una variedad de métodos de reproducción.

Los siguientes departamentos pertenecen a los inferiores: Virus, Bacterias, un grupo de departamentos Algas (azul-verde, verde, diatomeas, marrón, rojo, etc.), mixomicetos, hongos, líquenes. Según la forma en que se alimentan, se dividen en dos grupos: autótrofos (algas y líquenes), capaces de realizar la fotosíntesis, y heterótrofos (virus, bacterias, con algunas excepciones, mixomicetos, hongos), que utilizan sustancias orgánicas preparadas para nutrición.

plantas inferiores Han pasado por un largo camino histórico de desarrollo, pero muchos de sus representantes aún conservan las características de una organización primitiva. En cierta etapa de desarrollo, dieron lugar a plantas superiores, cuya corona son las angiospermas.

Estructura. Las partículas de virus (viriones) tienen una cápsula de proteína, una cápside que contiene el genoma del virus, representado por una o más moléculas de ADN o ARN. La cápside se construye a partir de capsómeros, complejos de proteínas que, a su vez, consisten en protómeros. Los viriones suelen tener una forma geométrica regular (icosaedro, cilindro). Tal estructura de cápside proporciona la identidad de los enlaces entre sus proteínas constituyentes y, por lo tanto, puede construirse a partir de proteínas estándar de una o varias especies, lo que permite que el virus "ahorre" espacio en el genoma. Las proteínas de la cápside son complementarias a ciertas estructuras moleculares en la célula huésped e interactuar con ellos necesarios para la penetración y existencia del virus. La cápside protege al virus solo fuera de la célula viva. Fuera de la célula huésped, los virus se comportan como una sustancia (se pueden obtener en forma cristalina); Una vez en una célula viva, vuelven a mostrar actividad.

mecanismo de infección. Convencionalmente, el proceso de infección viral en la escala de una célula se puede dividir en las siguientes etapas.

La unión a la membrana celular es la llamada adsorción. Por lo general, para que un virus sea adsorbido en la superficie de una célula, debe tener una proteína específica (a menudo una glicoproteína) en su membrana plasmática, un receptor específico para este virus. La presencia del receptor a menudo determina el rango de huéspedes de un virus dado, así como su especificidad tisular.

Penetración celular. En esta etapa, el virus necesita entregar su información genética dentro de la célula. Algunos virus también traen sus propias proteínas necesarias para su ejecución. Diferentes virus utilizan diferentes estrategias para entrar en una célula. Los virus también difieren en la localización de su replicación: algunos virus se multiplican en el citoplasma de la célula y otros en su núcleo.

Reprogramación celular. Cuando se infecta con un virus en la célula, se activan mecanismos especiales de defensa antiviral. Las células infectadas comienzan a sintetizar moléculas de señal, como los interferones, que transforman las células sanas circundantes en un estado antiviral y activan el sistema inmunológico. El daño causado por la replicación de un virus en una célula puede ser detectado por los sistemas de control celular interno, y dicha célula tendrá que "suicidarse" en un proceso llamado apoptosis (o muerte celular programada). Su supervivencia depende directamente de la capacidad de un virus para superar los sistemas de defensa antivirales. No es sorprendente que muchos virus, mientras evolucionan, hayan adquirido la capacidad de suprimir la síntesis de interferones, el programa apoptótico, etc. Además de suprimir la protección antiviral, los virus tienden a crear las condiciones más favorables en la célula para el desarrollo de su descendencia.

Persistencia. Algunos virus pueden entrar en un estado latente (la llamada persistencia), interferir débilmente con los procesos que ocurren en la célula y activarse solo bajo ciertas condiciones. Esta es la base, por ejemplo, de la estrategia de reproducción de algunos bacteriófagos: mientras la célula infectada se encuentra en un entorno favorable, el fago no la mata, es heredado por las células hijas y, a menudo, se integra en el genoma celular. Sin embargo, cuando una bacteria infectada con fagos entra en el ambiente hostil el patógeno toma el control de los procesos celulares para que la célula comience a producir materiales a partir de los cuales se construyen nuevos fagos. La célula se convierte en una "fábrica" ​​capaz de producir muchos miles de fagos. Las partículas maduras, al salir de la célula, se rompen membrana celular, matando así a la célula. Algunos cánceres están asociados con la persistencia de virus.

Creación de nuevos componentes de virus. La reproducción de virus en el caso más general implica tres procesos:

Transcripción del genoma viral, es decir, síntesis de ARNm viral;

Traducción de ARNm, es decir, síntesis de proteínas virales;

replicación del genoma viral.

Muchos virus tienen sistemas de control que aseguran un consumo óptimo de biomateriales de la célula huésped. Por ejemplo, cuando se acumula suficiente ARNm viral, se suprime la transcripción del genoma viral, mientras que, por el contrario, se activa la replicación.

Maduración del virión y salida de la célula. Eventualmente, el ARN o ADN genómico recién sintetizado se "viste" con las proteínas apropiadas y sale de la célula. Cabe señalar que un virus que se replica activamente no siempre mata a la célula huésped. En algunos casos, los virus de la progenie brotan de la membrana plasmática sin provocar su ruptura. Así, la célula puede continuar viviendo y produciendo el virus.

Clasificación de los virus. La sistemática y la taxonomía de los virus están codificadas y mantenidas por el Comité Internacional de Taxonomía de Virus (ICTV), que también mantiene la base de datos taxonómica The Universal Virus Database ICTVdB.

La forma de presentación de la información genética subyace en la clasificación moderna de los virus. Actualmente, se dividen en virus que contienen ADN y ARN.

El significado de los virus. Los virus causan una serie de enfermedades humanas peligrosas (viruela, hepatitis, influenza, sarampión, poliomielitis, SIDA, cáncer, etc.), plantas (enfermedad del mosaico del tabaco, tomate, pepino, enanismo, marchitez de la fresa), animales (fiebre porcina, pie y enfermedad de la boca). Sin embargo, las preparaciones de los bacteriófagos correspondientes se usan para tratar enfermedades bacterianas: disentería y cólera.

La obtención de interferón -una proteína celular especial que impide la reproducción de virus- es muy utilizada en medicina, especialmente durante brotes epidémicos de gripe. esta sustancia acción universal, activo en relación con muchos virus, aunque la sensibilidad de los diferentes virus no es la misma. Al ser un producto de la propia célula, el interferón carece por completo de efectos tóxicos sobre ella. Ahora que se usa interferón listo para usar, se puede sintetizar en células cultivadas fuera del cuerpo.

3. Bacterias

Hasta finales de la década de 1970. el término "bacteria" sirvió como sinónimo de procariotas, pero en 1977, con base en datos de biología molecular, las procariotas se dividieron en los reinos de las arqueobacterias y las eubacterias (en realidad bacterias).

La estructura de las bacterias. La gran mayoría de las bacterias (a excepción de los actinomicetos y las cianobacterias filamentosas) son unicelulares. De acuerdo con la forma de las células, pueden ser esféricas (cocos), en forma de bastón (bacilos, clostridios, pseudomonas), enrevesadas (vibriones, espirilla, espiroquetas), con menos frecuencia: estrelladas, tetraédricas, cúbicas, C- u O- conformado. Las estructuras celulares esenciales de las bacterias son:

nucleoide;

ribosomas;

Membrana citoplasmática (CPM).

Los procariotas, a diferencia de los eucariotas, no tienen un núcleo separado en el citoplasma. Toda la información genética necesaria para la vida de las bacterias está contenida en un ADN de doble cadena (cromosoma bacteriano), que tiene la forma de un anillo cerrado. Se adjunta al CPM en un punto. El ADN desplegado mide más de 1 mm de largo. El cromosoma bacteriano suele presentarse en una sola copia, es decir, casi todas las procariotas son haploides, aunque en algunos casos una misma célula puede contener varias copias de su cromosoma. La división cromosómica va acompañada de la división celular. La región de la célula en la que se localiza el cromosoma se denomina nucleoide; no está rodeado por una membrana nuclear. Debido a esto, el ARNm recién sintetizado está inmediatamente disponible para unirse a los ribosomas, es decir, los procesos de transcripción y traducción pueden proceder simultáneamente. No hay núcleo.

Además del cromosoma, las células bacterianas a menudo contienen plásmidos, pequeñas moléculas de ADN cerradas en un anillo capaz de replicación independiente. Contienen genes adicionales que se necesitan solo en condiciones específicas. Codifican los mecanismos de resistencia a determinados fármacos, la capacidad de transferir genes por conjugación, la síntesis de sustancias de carácter antibiótico, la capacidad de utilizar algunos azúcares o asegurar la degradación de una serie de sustancias. Es decir, los plásmidos actúan como factores de adaptación. En algunos casos, los genes de plásmidos pueden integrarse en el cromosoma bacteriano.

Los ribosomas de los procariotas difieren de los de los eucariotas y tienen una constante de sedimentación de 70 S (en eucariotas - 80 S).

En diferentes grupos los procariotas tienen invaginaciones locales de CPM: mesosomas, que realizan varias funciones en la célula y la dividen en partes funcionalmente diferentes. Se cree que los mesosomas participan en la división de las bacterias. Cuando las enzimas redox se encuentran en las membranas de los mesosomas, son equivalentes a las mitocondrias de las células animales y vegetales. En las bacterias fotosintéticas, un pigmento, la bacterioclorofila, está incrustado en las invaginaciones de las membranas. Con su ayuda, se lleva a cabo la fotosíntesis bacteriana.

En el exterior del CPM hay varias capas (pared celular, cápsula, membrana mucosa), llamadas membrana celular, así como estructuras superficiales (flagelos, vellosidades, pili).

En las bacterias, existen dos tipos principales de estructura de la pared celular, característicos de las especies grampositivas y gramnegativas. La pared celular de las bacterias grampositivas es una capa homogénea de 20-80 nm de espesor, construida principalmente a partir de mureína peptidoglicano con una gran cantidad de ácidos teicoicos y una pequeña cantidad de polisacáridos, proteínas y lípidos. En las bacterias Gram negativas, la capa de peptidoglicano no se adhiere firmemente al CPM y tiene un grosor de solo 2 a 3 nm. Está rodeado por una membrana exterior que, por regla general, tiene una forma irregular y curva.

En el exterior de la pared celular, puede haber una cápsula, una capa amorfa de polisacáridos hidratados que conserva su conexión con la pared. Las capas mucosas no tienen conexión con la célula y se separan fácilmente, mientras que las vainas no son amorfas, sino que tienen una estructura fina.

Muchas bacterias son capaces de moverse activamente con la ayuda de flagelos, crecimientos del citoplasma.

Reproducción de bacterias. Las bacterias no tienen un proceso sexual y se multiplican solo por fisión transversal binaria igual o gemación. Para un grupo de cianobacterias unicelulares, se ha descrito la división múltiple (una serie de divisiones binarias rápidas y sucesivas, que conducen a la formación de 4 a 1000 células nuevas debajo de la membrana de la célula madre).

En procariotas, puede ocurrir transferencia horizontal de genes. Durante la conjugación, la célula donante transfiere parte de su genoma (en algunos casos, el genoma completo) a la célula receptora durante el contacto directo. Las porciones de ADN de la célula donante pueden intercambiarse por segmentos homólogos del ADN del receptor. La probabilidad de tal intercambio es significativa solo para bacterias de una especie.

Una célula bacteriana también puede absorber ADN que está presente libremente en el medio ambiente, incluyéndolo en su genoma. Este proceso se llama transformación. En condiciones naturales, el intercambio de información genética se realiza con la ayuda de bacteriófagos (transducción). Con la transferencia horizontal, no se forman nuevos genes, sino que se crean diferentes combinaciones de genes. Estas propiedades de las bacterias son muy importantes para la ingeniería genética.

Esporulación en bacterias. Algunas bacterias forman esporas. Su formación es característica de formas especialmente resistentes con un metabolismo lento y sirve para la conservación en condiciones adversas, así como para la distribución. Las esporas pueden persistir durante mucho tiempo sin perder viabilidad. Así, las endosporas de muchas bacterias son capaces de resistir la ebullición durante 10 minutos a 100°C, el secado durante mil años y, según algunos datos, permanecen viables en suelos y rocas durante millones de años.

metabolismo bacteriano. Excepto por algunos puntos específicos, las vías bioquímicas por las que se sintetizan proteínas, grasas, carbohidratos y nucleótidos en las bacterias son similares a las de otros organismos. Sin embargo, las bacterias difieren en el número de vías bioquímicas posibles y, en consecuencia, en el grado de dependencia de la ingesta de sustancias orgánicas del exterior. Algunas bacterias pueden sintetizar todas las moléculas orgánicas que necesitan a partir de compuestos inorgánicos (autótrofas), mientras que otras requieren compuestos orgánicos preparados que solo pueden transformar (heterótrofas).

Clasificación de las bacterias. La más famosa es la clasificación fenotípica de bacterias basada en la estructura de su pared celular. En base a esta clasificación, se construyó la Clave de Bacterias de Bergi, cuya novena edición se publicó en 1984-1987. Cuatro divisiones se convirtieron en los grupos taxonómicos más grandes en él: Gracilicutes (gramnegativos), Firmicutes (grampositivos), Tenericutes (micoplasmas) y Mendosicutes (arqueas).

Importancia de las bacterias. Las bacterias saprofitas juegan un papel importante en el ciclo de las sustancias en la naturaleza, destruyendo la materia orgánica muerta en los ecosistemas. Su papel en todos los ciclos biogeoquímicos de nuestro planeta es bien conocido. Las bacterias participan en los ciclos de los elementos químicos (carbono, hierro, azufre, nitrógeno, fósforo, etc.), en los procesos de formación del suelo y determinan la fertilidad del suelo.

Muchas bacterias "habitan" en los organismos de animales y humanos, protegiendo la salud.

Las funciones biotecnológicas que realizan las bacterias son diversas. Se utilizan en la producción de diversas sustancias: vinagre (Gluconobacter suboxidans), bebidas y productos de ácido láctico (Lactobacillus, Leuconostoc), así como insecticidas microbianos (Bacillus thuringiensis) y herbicidas, proteínas (Methylomonas), vitaminas (Clostridium - riboflavina) ; en el tratamiento de residuos, obtención de fertilizantes bacterianos, disolventes y ácidos orgánicos, biogás y fotohidrógeno. Una propiedad de algunas bacterias como la diazotrofia, es decir, la capacidad de fijar nitrógeno atmosférico, se usa ampliamente.

Debido al rápido crecimiento y reproducción, así como a la simplicidad de la estructura, las bacterias se utilizan activamente en investigación científica en biología molecular, genética y bioquímica, en ingeniería genética trabajos en la creación de bibliotecas genómicas y la introducción de genes en células vegetales (agrobacterias). La información sobre los procesos metabólicos de las bacterias hizo posible producir la síntesis bacteriana de vitaminas, hormonas, enzimas, antibióticos, etc.

Las áreas prometedoras son la purificación con bacterias de suelos y cuerpos de agua contaminados con productos derivados del petróleo o xenobióticos, así como el enriquecimiento de minerales con la ayuda de bacterias que oxidan el azufre.

No debemos olvidar que ciertos tipos de bacterias causan enfermedades peligrosas en los humanos (peste, cólera, tuberculosis, fiebre tifoidea, ántrax, botulismo, etc.), animales y plantas (bacterias). Algunos tipos de bacterias pueden destruir metal, vidrio, caucho, algodón, madera, aceites, barnices, pinturas.

Los procesos químicos y biológicos incluyen aquellos que utilizan objetos biológicos de diversa naturaleza (microbianos, vegetales o animales), por ejemplo, en la producción de productos para diversos fines.

Antibióticos, vacunas, enzimas, proteínas para piensos y alimentos, hormonas, aminoácidos, biogás, fertilizantes orgánicos, etc.

Los objetos de la biotecnología son muy diversos y van desde partes organizadas (virus) hasta humanos (Fig. 1.1.).

Los bioobjetos se caracterizan por indicadores tales como el nivel de organización estructural, la capacidad de reproducirse (o reproducirse), la presencia o ausencia de su propio metabolismo cuando se cultivan en condiciones apropiadas. En cuanto a la naturaleza de los objetos biológicos, ésta debe entenderse como su organización estructural. En este caso, los objetos biológicos pueden ser moléculas (enzimas, inmunomoduladores, nucleósidos, oligo y polipéptidos, etc.), partes organizadas (virus, fagos), unicelulares (bacterias, levaduras) e individuos pluricelulares (hongos filamentosos superiores, tejidos vegetales, cultivos en monocapa), células de mamíferos), organismos completos de plantas y animales. Pero incluso cuando una biomolécula se utiliza como objeto de la biotecnología, su biosíntesis inicial se lleva a cabo en la mayoría de los casos por las células correspondientes. Por lo tanto, se puede argumentar que los objetos de la biotecnología pertenecen a los microbios oa los organismos vegetales y animales.

Así, independientemente de la posición sistemática de los objetos biológicos, en la práctica se utilizan partículas naturales organizadas (fagos, virus) y células con información genética natural, o células con información genética dada artificialmente, es decir, en cualquier caso, se utilizan células - es decir, un microorganismo, planta, animal o humano. Ahora, la mayoría de los objetos de la biotecnología son microbios, cuyo mundo es muy grande y diverso. Estos incluyen todos los procariotas: bacterias, actinomicetos, rickettsias, algas verdeazuladas y parte de los eucariotas: levaduras, hongos filamentosos, protozoos y algas (Fig. 1.2). Los microbios entre las plantas son algas microscópicas, y entre los animales, protozoos microscópicos. La base de la producción biotecnológica moderna es la síntesis microbiológica, es decir, síntesis de diversas sustancias con la ayuda de microorganismos. Los objetos de origen vegetal y animal aún no han encontrado una amplia distribución debido a las altas exigencias en las condiciones de cultivo, que es una producción mucho más saludable.

Para la implementación de procesos biotecnológicos, los parámetros importantes de los objetos biológicos son: pureza, tasa de reproducción celular y reproducción de partes virales, actividad y estabilidad de biomoléculas o biosistemas.

Cuando se utilizan enzimas (en estado aislado o inmovilizado) como biocatalizadores, se hace necesario protegerlas de la destrucción por parte de la microflora saprofita banal, que puede penetrar en el proceso biotecnológico desde el exterior debido a la no esterilidad del sistema, por ejemplo, debido a fugas en el equipo. La tasa de reproducción celular y la reproducción de partes virales son directamente proporcionales al aumento de la biomasa y la formación de metabolitos.

La actividad y la estabilidad de permanecer en el estado activo de los objetos biológicos son los indicadores más importantes de su idoneidad para el uso a largo plazo en biotecnología.

El eslabón principal en el proceso biotecnológico, que determina su esencia, es la célula. Es en él donde se sintetiza el producto objetivo. Según la acertada expresión de Ovchinnikov Yu.A. (1985), una celda es una planta química en miniatura que opera con una productividad colosal, con la mayor consistencia y de acuerdo con un programa dado. Cada minuto se sintetizan en él cientos de compuestos complejos, incluidos biopolímeros gigantes, principalmente proteínas.

Métodos de la biotecnología. La biotecnología tiene sus propios métodos específicos. Este es un cultivo profundo a gran escala de objetos biológicos en un modo periódico, semicontinuo o continuo y el cultivo de células de tejidos vegetales y animales en condiciones especiales. Los métodos biotecnológicos de cultivo de objetos biológicos se llevan a cabo en equipos especiales, por ejemplo, se cultivan bacterias y hongos en fermentadores para obtener antibióticos, enzimas, ácidos orgánicos, algunas vitaminas, etc.

En dichos fermentadores, se cultivan algunas células humanas (blastos) para obtener proteína de interferón, así como algunos tipos de células vegetales. Sin embargo, estos últimos se cultivan más a menudo en condiciones estacionarias en un medio con un revestimiento compactado (p. ej., agar) en recipientes de vidrio o polietileno.

Otros métodos utilizados en biotecnología son comunes, por ejemplo, con métodos en microbiología, bioquímica, química orgánica y otras ciencias. Es especialmente necesario destacar los métodos de ingeniería celular y genética, que forman la base de la biotecnología moderna.

La diferencia entre los métodos utilizados en biotecnología es que deben realizarse, por regla general, en condiciones asépticas (del griego a - no, septicos - putrefacto), es decir, con exclusión de la posibilidad de entrar en el medio ambiente donde se cultivan objetos biológicos, microorganismos patógenos y saprofitos.

Las especies patógenas representan un peligro inmediato para las actividades de producción humana y para los consumidores de productos finales; Las especies saprofitas pueden competir por sustratos de nutrientes, antagonistas y productores de sustancias tóxicas, incluidos los pirógenos.

Objetos de la biotecnología. virus Eubacterias. Hongos. líquenes. plantas animales La estructura de las células animales y vegetales.

Los objetos biotecnológicos se encuentran en diferentes niveles de organización:

a) estructuras subcelulares (virus, plásmidos, ADN mitocondrial y de cloroplastos, ADN nuclear);

b) bacterias y cianobacterias;

d) algas;

e) protozoos;

f) cultivos de células vegetales y animales;

g) plantas - inferior (anabena-azolla) y superior - lenteja de agua.

Los objetos de la biotecnología son varios representantes de la vida silvestre, que se dividen en tres reinos: acariotas (no nucleares), procariotas (prenucleares) y eucariotas (nucleares) y 5 reinos: virus, bacterias, incluyendo algas microscópicas, hongos, como así como plantas y animales, incluidos los más simples.

Hongos, que suman decenas de miles de especies, combinan las características de las células vegetales y animales. Tienen un núcleo celular, como las plantas, una pared celular fuerte; al igual que las células animales, necesitan ciertas vitaminas y son capaces de sintetizar los polisacáridos característicos de los animales: quitina y glucógeno. De mayor interés para la biotecnología son los hongos microscópicos, que incluyen levaduras, mohos y otros microorganismos utilizados en la industria láctea, cervecera y de panadería. También se utilizan para obtener alcoholes, ácidos orgánicos, antibióticos, diversas sustancias biológicamente activas y proteínas para piensos.

Un grupo independiente de organismos, que son una simbiosis (cohabitación) de hongos con algas o con cianobacterias, son líquenes, que son fuentes prometedoras de varias sustancias biológicamente activas.

plantas, que suman unas 500.000 especies, consisten en células nucleares que tienen una estructura compleja y realizan varias funciones especializadas. Estos incluyen algas, que son organismos acuáticos, y plantas superiores que viven principalmente en la tierra. Las algas se diferencian de las plantas superiores en que no tienen órganos ni tejidos, sino talos, que consisten en células indiferenciadas (idénticas). Al igual que otras plantas, las algas son capaces de realizar la fotosíntesis y son ricas en varios carbohidratos y pigmentos. Uno de los tipos de algas: la col rizada marina se usa como alimento. El agar-agar y los alginatos se extraen de las algas, polisacáridos utilizados para la fabricación de medios microbiológicos, en la industria alimentaria y en cosmetología.

Las plantas superiores son organismos multicelulares que tienen órganos especializados como raíces, tallos y hojas. Están formados por tejidos formados por células diferenciadas. Los tejidos difieren en composición química, estructura y realizan varias funciones: mecánica, tegumentaria, excretora, conductora y otras. Uno de los tejidos vegetales, llamado meristemo, es de particular importancia para la biotecnología. Las células meristemáticas son capaces de dividirse, por lo que se lleva a cabo el crecimiento, así como la formación de tejidos y órganos vegetales. No pierden la capacidad de dividirse incluso después de retirarlos de la planta. Cuando se cultivan en medios nutritivos especiales, las células meristemáticas dan una masa de células en división: callo, que se puede cultivar durante mucho tiempo, obtener nuevas plantas o usarse para extraer las sustancias necesarias. El más difícil, pero más efectivo, es el cultivo de células vegetales individuales en medios líquidos (en cultivos en suspensión). Debido a la capacidad de las plantas para capturar la energía luminosa del sol y utilizarla en la síntesis de sustancias orgánicas, las plantas sirven como proveedores de nutrientes para otros organismos. Las plantas se componen más La biomasa de la Tierra, por lo tanto, la producción y el procesamiento de materiales vegetales para satisfacer diversas necesidades humanas se ha utilizado desde la antigüedad. Siendo una fuente rica e indispensable de varios carbohidratos, lípidos, vitaminas y muchas otras sustancias fisiológicamente activas y medicinales, las plantas sirven principalmente para obtenerlas. A pesar de los destacados logros de la biotecnología, se utilizan métodos tradicionales para extraer compuestos biogénicos: extracción, destilación, filtración. Las tecnologías para la obtención de sustancias biológicamente activas a partir de cultivos celulares (bioestimulantes del ginseng, taxol anticanceroso de la corteza de tejo, etc.) son cada vez más importantes, así como la producción de productos a partir de plantas modificadas genéticamente.

Las células vegetales y animales son formaciones organizadas de manera compleja que consisten en citoplasma y un núcleo más denso. El citoplasma contiene orgánulos intracelulares: mitocondrias, ribosomas y lisosomas, membranas rugosas y lisas del retículo endoplásmico, inmersas en el entorno soluble en agua de la célula: el citosol. La célula está rodeada por una membrana plasmática, que tiene permeabilidad selectiva debido a la presencia de mecanismos especiales para el transporte de sustancias. Los núcleos celulares sirven para almacenar información genética, cuyo portador es el ADN.

Las mitocondrias suministran energía a la célula a través de la oxidación de sustancias, con la participación de oxígeno. También sintetizan sus propias proteínas mitocondriales. Esta es una excepción a regla general. Todas las demás proteínas celulares se sintetizan en los ribosomas.

El aparato de Golgi, que es un sistema de microtúbulos, está conectado a las membranas del retículo endoplásmico. En el aparato de Golgi ocurren reacciones de modificación química de proteínas, así como la síntesis de sustancias de reserva y secretadas por la célula.

La parte líquida de la célula, el citosol, contiene enzimas para la síntesis y oxidación anaeróbica de sustancias, así como compuestos orgánicos e inorgánicos de bajo peso molecular.

Una característica de la estructura de las células vegetales es la presencia de cloroplastos, en los que tienen lugar los procesos de fotosíntesis. Una célula vegetal también se diferencia de las células animales por una pared sólida, que incluye sustancias de naturaleza polisacárida (celulosa, hemicelulosas, pectinas) y un polímero polifenólico, la lignina.