Mikroorganismid kui biotehnoloogia objektid. Klassifikatsioon. Iseloomulik.
Bakterid on makroorganismide – loomade ja taimede – elupaigatingimuste, kohanemisvõime, toitumistüüpide ja bioenergia moodustumise poolest äärmiselt mitmekesised. Kõige iidsemad bakterite vormid - arhebakterid on võimelised elama ekstreemsetes tingimustes ( kõrged temperatuurid ja rõhk, kontsentreeritud soolalahused, happelised lahused). Eubakterid (tüüpilised prokarüootid või bakterid) on keskkonnatingimuste suhtes tundlikumad.
Toitumise tüübi järgi jagunevad bakterid energiaallika järgi:
Fototroofid, mis kasutavad energiat päikesevalgus;
· kemoautotroofid, kasutades anorgaaniliste ainete oksüdatsioonienergiat (väävli, metaani, ammoniaagi, nitritite, raudraudühendite jne ühendid);
Vastavalt aine oksüdatsiooni tüübile:
organotroofid, mis saavad energiat orgaaniliste ainete lagunemisel mineraalideks; need bakterid on peamised osalejad süsinikuringes, samasse rühma kuuluvad bakterid, mis kasutavad käärimisenergiat;
litotroofid ( anorgaanilised ained);
Süsinikuallika tüübi järgi:
heterotroofne - kasutage orgaanilist ainet;
aftotroofne - kasutage gaasi;
Kasutatava toidu tüübi märkimiseks:
1. energiaallika olemus foto- või kemo-;
2. elektronidoonorid lito- või organo-;
3. Süsiniku afto- ja heteroallikad;
Ja termin lõpeb sõnadega trofee. 8 erinevat tüüpi toitu.
Kõrgemad loomad ja taimed kalduvad kahte tüüpi toitumisele:
1) Kemoorganoheterotroofia (loomad)
2) Fotolitoaftotroofia (taimed)
Mikroorganismil on igat tüüpi toitumine ja nad võivad olenevalt olemasolust ühelt teisele lülituda
On olemas eraldi tüüpi toit:
Bakterid on geeniuuringute jaoks mugav objekt. Enim uuritud ja geenitehnoloogia uuringutes laialdasemalt kasutatav on inimese soolestikus elav Escherichia coli (E. coli).
Biotehnoloogiliste toodangu korraldus ja struktuur. Biotehnoloogilise tootmise eripärad traditsioonilistest tehnoloogiatüüpidest. Biotehnoloogiliste toodangu eelised ja puudused võrreldes traditsiooniliste tehnoloogiatega.
Suur valik tööstusliku rakenduse leidnud biotehnoloogilised protsessid tingivad vajaduse arvestada kõige levinumate ja olulisemate probleemidega, mis biotehnoloogilise toodangu loomisel tekivad. Tööstusliku biotehnoloogia protsessid jagunevad kaheks suured rühmad: biomassi tootmine ja ainevahetusproduktide saamine. See klassifikatsioon ei kajasta aga tööstuslike biotehnoloogiliste protsesside tehnoloogiliselt kõige olulisemaid aspekte. Sellega seoses on vaja arvestada biotehnoloogilise tootmise etappe, nende sarnasusi ja erinevusi sõltuvalt biotehnoloogilise protsessi lõppeesmärgist.
Biotehnoloogilisel tootmisel on 5 etappi.
Kaks esialgset etappi hõlmavad tooraine ja bioloogiliselt aktiivse aine ettevalmistamist. Ensümoloogia inseneriprotsessides seisnevad need tavaliselt kindlaksmääratud omadustega (pH, temperatuur, kontsentratsioon) substraadilahuse valmistamises ja teatud tüüpi, ensümaatilise või immobiliseeritud ensüümpreparaadi partii valmistamises. Mikrobioloogilise sünteesi läbiviimisel on vajalikud toitesöötme valmistamise ja puhaskultuuri säilitamise etapid, mida saaks protsessis pidevalt või vastavalt vajadusele kasutada. Tootjatüve puhta kultuuri säilitamine on iga mikrobioloogilise tootmise põhiülesanne, kuna väga aktiivne tüvi, mis ei ole läbi teinud soovimatuid muutusi, võib olla tagatiseks soovitud omadustega sihtsaaduse saamiseks.
Kolmas etapp on kääritamise etapp, mille käigus moodustub sihtprodukt. Selles etapis toimub toitekeskkonna komponentide mikrobioloogiline muundumine esmalt biomassiks, seejärel vajadusel sihtmetaboliidiks.
Neljandas etapis isoleeritakse ja puhastatakse kultuurivedelikust sihtproduktid. Tööstuslikule mikrole bioloogilised protsessid Iseloomulik on reeglina väga lahjendatud lahuste ja suspensioonide moodustumine, mis sisaldavad lisaks sihtmärgile suures koguses muid aineid. Sel juhul on vaja eraldada väga sarnase olemusega ainete segud, mis on lahuses võrreldavates kontsentratsioonides, on väga labiilsed ja kergesti termiliselt lagunevad.
Biotehnoloogilise tootmise viimane etapp on toodete kaubavormide valmistamine. Enamiku mikrobioloogilise sünteesi toodete ühiseks tunnuseks on nende ebapiisav säilivusstabiilsus, kuna need on altid lagunemisele ja annavad sellisel kujul suurepärase keskkonna võõra mikrofloora arenguks. See sunnib tehnolooge võtma erimeetmeid tööstuslike biotehnoloogiatoodete ohutuse parandamiseks. Lisaks vajavad meditsiinilised ravimid pakendamise ja sulgemise etapis erilahendusi, seega peavad need olema steriilsed.
Biotehnoloogia põhieesmärk on bioloogiliste protsesside ja ainete tööstuslik kasutamine, mis põhineb soovitud omadustega väga tõhusate mikroorganismide vormide, rakukultuuride ning taimede ja loomade kudede tootmisel. Biotehnoloogia tekkis bioloogia-, keemia- ja tehnikateaduste ristumiskohas.
Biotehnoloogiline protsess – sisaldab mitmeid etaane: eseme valmistamine, selle kasvatamine, isoleerimine, puhastamine, muutmine ja toodete kasutamine.
Biotehnoloogilised protsessid võivad põhineda partii- või pidevviljelusel.
Paljudes maailma riikides omistatakse biotehnoloogiale ülimalt suur tähtsus. Selle põhjuseks on asjaolu, et biotehnoloogial on mitmeid olulisi eeliseid teist tüüpi tehnoloogiate, näiteks keemiliste tehnoloogiate ees.
üks). Esiteks on see madal energiatarve. Biotehnoloogilised protsessid viiakse läbi normaalrõhul ja temperatuuril 20-40°C.
2). Biotehnoloogiline tootmine põhineb sageli sama tüüpi standardseadmete kasutamisel. Sama tüüpi ensüüme kasutatakse aminohapete, vitamiinide tootmiseks; ensüümid, antibiootikumid.
3). Biotehnoloogilisi protsesse on lihtne jäätmevabaks muuta. Mikroorganismid omastavad väga erinevaid substraate, mistõttu ühest tootmisest tekkivaid jäätmeid saab teise tootmise käigus mikroorganismide abil väärtuslikeks toodeteks muuta.
4). Jäätmevaba biotehnoloogiline tootmine muudab need kõige keskkonnasõbralikumaks
5). Biotehnoloogia valdkonna teadusuuringud ei nõua suuri kapitaliinvesteeringuid, need ei nõua kalleid seadmeid.
Kaasaegse biotehnoloogia prioriteetsete ülesannete hulka kuulub:
1) uued bioloogiliselt aktiivsed ained ja ravimid meditsiinis (interferoonid, insuliin, kasvuhormoonid, antikehad);
2)Mikrobioloogiline taimekaitse haiguste ja kahjustuste eest
lei, bakteriväetised ja taimede kasvuregulaatorid, uued kõrge tootlikkusega ja ebasoodsate keskkonnategurite suhtes vastupidavad põllumajandustaimede hübriidid, mis on saadud geeni- ja rakutehnoloogia abil;
3) väärtuslikud söödalisandid ja bioloogiliselt aktiivsed ained (söödaproteiin, aminohapped, ensüümid, vitamiinid, söödaantibiootikumid) loomakasvatuse produktiivsuse tõstmiseks;
4) uued tehnoloogiad toidu-, keemia-, mikrobioloogia- ja muudes tööstusharudes kasutamiseks mõeldud majanduslikult väärtuslike toodete saamiseks;
5) tehnoloogiad süva- ja tõhusaks töötlemiseks põllumajandus-, tööstus- ja majapidamisjäätmed, reovee ja õhu-gaaside heitkoguste kasutamine biogaasi ja kvaliteetsete väetiste tootmiseks.
Traditsiooniline (tavapärane) tehnoloogia on areng, mis peegeldab enamiku tööstuse toodete tootjate saavutatud keskmist tootmistaset. See tehnoloogia ei anna oma ostjale olulisi tehnilisi ja majanduslikke eeliseid ning toote kvaliteeti võrreldes juhtivate tootjate sarnaste toodetega ning sel juhul ei ole vaja arvestada täiendava (üle keskmise) kasumiga. Selle eeliseks ostja jaoks on suhteliselt madal hind ja võimalus omandada kohapeal tõestatud tehnoloogiat. Traditsiooniline tehnoloogia tekib reeglina progressiivse tehnoloogia vananemise ja laialdase leviku tulemusena. Sellise tehnoloogia müük toimub tavaliselt hindadega, mis hüvitavad müüjale selle ettevalmistamise ja keskmise kasumi saamise kulud.
Biotehnoloogiliste protsesside eelised võrreldes keemilise tehnoloogiaga Biotehnoloogial on järgmised peamised eelised:
võimalus saada spetsiifilisi ja ainulaadseid looduslikke aineid, millest mõnda (näiteks valgud, DNA) ei ole veel võimalik keemilise sünteesiga saada;
·biotehnoloogiliste protsesside läbiviimine suhteliselt madalatel temperatuuridel ja rõhkudel;
Mikroorganismidel on teistest organismidest oluliselt suurem kasv ja rakumassi kogunemine
odavaid jäätmeid saab kasutada biotehnoloogiliste protsesside toorainena Põllumajandus ja tööstus;
biotehnoloogilised protsessid on tavaliselt keskkonnasõbralikumad kui keemilised, sisaldavad vähem kahjulikke jäätmeid ja on lähedased looduses toimuvatele looduslikele protsessidele;
· reeglina on biotehnoloogilistes tootmistes tehnoloogia ja seadmed lihtsamad ja odavamad.
Biotehnoloogiline etapp
Põhietapp on tegelik biotehnoloogiline etapp, mille käigus üht või teist bioloogilist mõjurit kasutades muudetakse tooraine üheks või teiseks sihttooteks.
Tavaliselt on biotehnoloogilise etapi põhiülesanne teatud orgaanilise aine saamine.
Biotehnoloogiline etapp hõlmab:
Käärimine on protsess, mida viiakse läbi mikroorganismide kultiveerimise teel.
Biotransformatsioon – muutumise protsess keemiline struktuur ained mikroorganismide rakkude või valmisensüümide ensümaatilise aktiivsuse mõjul.
Biokatalüüs - aine keemilised muundumised, mis toimuvad biokatalüsaatorite-ensüümide kasutamisega.
Biooksüdatsioon on saasteainete tarbimine mikroorganismide või mikroorganismide koosluse poolt aeroobsetes tingimustes.
Metaankäärimine on orgaaniliste jäätmete töötlemine, kasutades metanogeensete mikroorganismide ühendamist anaeroobsetes tingimustes.
Biokompostimine on kahjulike orgaaniliste ainete sisalduse vähendamine tahkete jäätmete mikroorganismide liitumise teel, millele antakse õhu juurdepääsu ja ühtlase niiskuse tagamiseks spetsiaalne kobestatud struktuur.
Biosorptsioon - kahjulike lisandite sorptsioon gaasidest või vedelikest mikroorganismide poolt, tavaliselt fikseeritud spetsiaalsetele tahketele kandjatele.
Bakteriaalne leostumine on vees lahustumatute metalliühendite viimine lahustunud olekusse spetsiaalsete mikroorganismide toimel.
Biodegradatsioon - kahjulike ühendite hävitamine mikroorganismide-biodestruktorite mõjul.
Tavaliselt on biotehnoloogilises etapis väljundvoogudena üks vedelikuvoog ja üks gaasivoog, mõnikord ainult üks vedelikuvoog. Kui protsess toimub tahkes faasis (näiteks juustu valmimine või jäätmete biokompostimine), on väljundiks töödeldud tahke tootevoog.
Ettevalmistavad etapid
Ettevalmistavaid etappe kasutatakse biotehnoloogilise etapi jaoks vajalike tooraineliikide ettevalmistamiseks ja ettevalmistamiseks.
Ettevalmistusfaasis saab kasutada järgmisi protsesse.
Keskkonna steriliseerimine - aseptiliste biotehnoloogiliste protsesside jaoks, kus võõra mikrofloora sissepääs on ebasoovitav.
Biotehnoloogilise protsessi kulgemiseks vajalike gaaside (tavaliselt õhu) ettevalmistamine ja steriliseerimine. Enamasti seisneb õhu ettevalmistamine selle puhastamises tolmust ja niiskusest, vajaliku temperatuuri tagamisest ja puhastamisest õhus leiduvatest mikroorganismidest, sealhulgas eostest.
Seemnete ettevalmistamine. On ilmne, et mikrobioloogilise protsessi või taimede või loomade isoleeritud rakkude kultiveerimise protsessi läbiviimiseks on vaja valmistada ka inokulaat - eelnevalt kasvatatud väike kogus bioloogilist toimeainet võrreldes põhietapiga.
Biokatalüsaatori ettevalmistamine. Biotransformatsiooni või biokatalüüsi protsesside jaoks on vaja eelnevalt ette valmistada biokatalüsaator - kas ensüüm vabal või fikseeritud kujul kandjal või mikroorganismide biomass, mis on eelnevalt kasvatatud olekusse, milles avaldub selle ensümaatiline aktiivsus.
Toorainete eeltöötlus. Kui tooraine jõuab tootmisse biotehnoloogilises protsessis vahetult kasutamiseks sobimatul kujul, siis viiakse läbi operatsioon tooraine eelvalmistamiseks. Näiteks alkoholi tootmisel nisu esmalt purustatakse ja seejärel viiakse läbi ensümaatiline "suhkrustamisprotsess", mille järel muudetakse suhkrustatud virre biotehnoloogilises etapis käärimise teel alkoholiks.
Toote puhastamine
Selle etapi ülesanne on eemaldada lisandid, muuta toode võimalikult puhtaks.
Kromatograafia on adsorptsiooniga sarnane protsess.
Dialüüs on protsess, mille käigus madala molekulmassiga ained pääsevad läbi poolläbilaskva vaheseina, samas kui suure molekulmassiga ained jäävad alles.
Kristallisatsioon. See protsess põhineb ainete erineval lahustuvusel erinevatel temperatuuridel.
Toote kontsentratsioon
Järgmine ülesanne on tagada selle kontsentratsioon.
Kontsentreerimisetapis kasutatakse selliseid protsesse nagu aurustamine, kuivatamine, sadestamine, kristalliseerimine koos saadud kristallide filtreerimisega, ultrafiltreerimine ja hüperfiltreerimine või nanofiltreerimine, tagades justkui lahusti "pigistamise" lahusest.
Heitvee ja heitmete puhastamine
Nende heitvete ja heitmete puhastamine on eriline ülesanne, mis tuleb lahendada meie keskkonnasäästlikul ajal. Sisuliselt on reoveepuhastus eraldiseisev biotehnoloogiline tootmine, millel on oma ettevalmistavad etapid, biotehnoloogiline etapp, aktiivmuda biomassi settimise etapp ning reovee täiendava puhastamise ja muda töötlemise etapp.
Biotehnoloogias kasutatavate bioloogiliste objektide liigid, nende klassifikatsioon ja omadused. Loomse päritoluga bioloogilised objektid. Taimset päritolu bioloogilised objektid.
Biotehnoloogia objektide hulka kuuluvad: organiseeritud rakuvälised osakesed (viirused), bakterirakud, seened, algloomad, seente, taimede, loomade ja inimeste koed, ensüümid ja ensüümikomponendid, biogeensed nukleiinhappemolekulid, lektiinid, tsütokiniinid, primaarsed ja sekundaarsed metaboliidid.
Praegu esindavad enamikku biotehnoloogia bioloogilistest objektidest 3 superkuningriigi esindajad:
1) Acoryotac - akoriootsed või mittetuumalised;
2) Prokarüootsed – prokarüootsed ehk eeltuumalised;
3) Eukarüoot - eukarüootid või tuumad.
Neid esindab 5 kuningriiki: viirused (mitterakuline organiseeritud osake) klassifitseeritakse akarüootidena; bakterid liigitatakse prokarüootidena (morfoloogiline elementaarüksus); eukarüootide hulka kuuluvad seened, taimed ja loomad. Tüübi kodeerimine geneetiline teave DNA (DNA või RNA viiruste jaoks).
Bakteritel on rakuline organisatsioon, kuid tuuma materjal ei ole tsütoplasmast eraldatud ühegi membraaniga ega ole seotud ühegi valguga. Põhimõtteliselt on bakterid üherakulised, nende suurus ei ületa 10 mikromeetrit. Kõik bakterid jagunevad arhobakteriteks ja eubakteriteks.
Seened (Mycota) on olulised biotehnoloogilised objektid ning mitmete oluliste ühendite tootjad toiduainetes ja lisaainetes: antibiootikumid, taimsed hormoonid, värvained, seenevalk, erinevad juustud. Mikromütseedid ei moodusta viljakeha ja moodustuvad makromütseedid. Neil on loomade ja taimede märke.
Taimed (Plantae). Teada on umbes 300 tuhat taimeliiki. Need on diferentseeritud orgaanilised taimed, mille koostisosad on koed (merimestentne, terviklik, juhtiv, mehaaniline, aluseline ja sekretoorne). Ainult mirimestantsed kuded on võimelised jagunema. Igasugune taim võib teatud tingimustel toota jagunevate rakkude organiseerimata rakumassi – kalluse. Olulisemad bioloogilised objektid on taimerakkude protoplastid. Neil puudub rakusein. Kasutatakse rakutehnoloogias. Sageli kasutatakse merevetikaid. Nendest saadakse agar-agarit ja alginaate (mikrobioloogilise söötme valmistamiseks kasutatavaid polüsahhariide).
Loomad (Animalia). Biotehnoloogias kasutatakse laialdaselt selliseid bioloogilisi objekte nagu erinevate loomade rakud. Lisaks kõrgemate loomade rakkudele kasutatakse algloomade rakke. Kõrgemate loomade rakke kasutatakse rekombinantse DNA saamiseks ja toksikoloogiliste uuringute läbiviimiseks.
11688 0
Esimene katse süstematiseerida teavet organismide kohta kuulub Aristotelesele (4. sajand eKr). Kõik selleks ajaks tuntud elusorganismid jagas ta kaheks kuningriigiks - taimedeks ja loomadeks. 19. sajandi teisel poolel tegi saksa teadlane E. Haeckel ettepaneku eraldada kõik mikroorganismid omaette kuningriiki Protista (esmalised olendid – kreeka keelest "protos" - kõige lihtsamad).
Mikroorganismide edasine uurimine paljastas nende heterogeensuse, mis viis rühma jagunemiseni kõrgemateks ja madalamateks protestideks. Kõrgeimatele protestidele määrati mikroskoopilised loomad (algloomad), mikroskoopilised vetikad (v.a sinirohelised, mida nimetatakse ka sinivetikateks) ja mikroskoopilised seened (hallitusseened, pärmseened), kõik bakterid, sealhulgas sinivetikad, madalamatele. Jagamine kõrgemateks ja madalamateks protestideks viidi läbi vastavalt kahele avastatud rakulise organisatsiooni tüübile - eukarüootsele ja prokarüootsele. Kõrgemad protestid on eukarüootid, madalamad prokarüoodid.
Seda tüüpi rakkudel on nii ühiseid jooni kui ka olulisi erinevusi. /Rakk on tsütoplasma tükk, mis on piiritletud membraaniga, millel on iseloomulik ultrastruktuur: kaks elektrontihedat kihti, igaüks 2,5-3,0 nm paksune, mis on eraldatud elektronide läbipaistva piluga. Selliseid membraane nimetatakse elementaarseteks.| Igas rakus on kahte tüüpi nukleiinhappeid (DNA ja RNA), valke, lipiide, süsivesikuid. Tsütoplasma ja elementaarmembraan on raku olulised struktuurielemendid. Prokarüootsel rakul on üks sisemine õõnsus, mille moodustab elementaarne membraan, mida nimetatakse tsütoplasmaatiliseks (CPM).
Eukarüootsetes rakkudes on erinevalt prokarüootsetest rakkudest sekundaarsed õõnsused. Elementaarmembraanidega piiratud ja rakus teatud funktsioone täitvaid rakustruktuure nimetatakse organellideks (organellideks). Nende hulka kuuluvad tuum, mitokondrid, ribosoomid, lüsosoomid, Golgi aparaat, kloroplastid jne. Tuum toimib geneetilise informatsiooni hoidjana, mille kandjaks on DNA. Tuuma peamised struktuursed ja funktsionaalsed elemendid, mis sisaldavad lineaarne järjekord geenid on kromosoomid. Mitokondrid varustavad rakku energiaga ainete oksüdatsiooni kaudu hapniku osalusel. Samuti sünteesivad nad oma mitokondriaalseid valke.
Kõik teised raku valgud sünteesitakse ribosoomidel. Lüsosoomid sisaldavad ensüüme erinevate biopolümeeride lagundamiseks. Golgi aparaat (nimetatud 1906. aastal Nobeli preemia saanud itaalia teadlase Camillo Golgi järgi) on seotud rakkude jääkproduktide – erinevate saladuste, kollageeni, glükogeeni, lipiidide jm tekkega, glükoproteiinide sünteesiga. Fotosüntees toimub kloroplastides, mis esinevad ainult taimerakkudes.
Prokarüootsetes rakkudes puuduvad eespool loetletud organellid, mis on tüüpilised eukarüootidele. Nende tuuma DNA ei ole tsütoplasmast membraaniga eraldatud. Põhilised erinevused prokarüootsete ja eukarüootsete rakkude struktuuris olid põhjuseks, miks prokarüootsed mikroorganismid, mis on rakulise organiseerituse kõige primitiivsemal tasemel, paigutati spetsiaalsesse Mopega kuningriiki (R. Whittaker). Mikroskoopiliste, enamasti üherakuliste, diferentseerumata eluvormide hulka kuulub Protista kuningriik. Mitmerakulisi eukarüoote esindavad kolm kuningriiki: Plantae (taimed), Fungi (seened) ja Animalia (loomad).
Enamiku bakterite suurused jäävad vahemikku 0,5-3 mikronit, kuid nende hulgas on ka oma "hiiglasi" ja "kääbusi". Näiteks spiroheedi raku pikkus ulatub 500 mikronini. Prokarüootsetest rakkudest on väikseimad mükoplasmade rühma kuuluvad bakterid, nende rakkude läbimõõt on 0,1-0,15 mikronit. Pikka aega arvati, et prokarüootsetel rakkudel on kera (kokid), silindri (vardad) või spiraali (spirilla või vibrios) kuju. V Hiljuti näidati, et lisaks märgitud vormidele võib bakteritel olla ka rõnga, tähe kuju; mõnele liigile on iseloomulik hargnemine. Mitmerakulised prokarüootid on erineva konfiguratsiooniga klastrid, enamasti filamendid.
Bakterid on makroorganismide – loomade ja taimede – elupaigatingimuste, kohanemisvõime, toitumistüüpide ja bioenergia moodustumise poolest äärmiselt mitmekesised. Bakterite iidseimad vormid - arhebakterid on võimelised elama ekstreemsetes tingimustes (kõrge temperatuur ja rõhk, kontsentreeritud soolalahused, happelised lahused). Eubakterid (tüüpilised prokarüootid või bakterid) on keskkonnatingimuste suhtes tundlikumad.
Bakterid on geeniuuringute jaoks mugav objekt. Enim uuritud ja geenitehnoloogia uuringutes laialdasemalt kasutatav on inimese soolestikus elav Escherichia coli (E. coli).
Taimede hulka kuuluvad vetikad, mis on veeorganismid, ja kõrgemad taimed, mis elavad peamiselt maal. Vetikatel ei ole elundeid ja kudesid ning need koosnevad diferentseerumata (identsetest) rakkudest. Agar-agarit ja alginaate saadakse vetikatest – polüsahhariididest, mida kasutatakse mikrobioloogiliste söötmete valmistamiseks ja toiduainetööstuses. kõrgemad taimed on spetsialiseeritud organitega - juured, varred, lehed - mitmerakulised organismid. Need koosnevad kudedest, mille moodustavad spetsiaalsed rakud. Taimed on toitainete tarnijad teistele organismidele.
Hoolimata asjaolust, et traditsioonilised meetodid füsioloogiliselt aktiivsete ja meditsiiniliste ühendite taimedest ekstraheerimiseks (ekstraheerimine, destilleerimine, filtreerimine) on endiselt laialdaselt kasutusel, on rakukultuuridest bioloogiliselt aktiivsete ainete saamise tehnoloogiad, aga ka geneetiliselt muundatud taimedest toodete tootmine. muutumas üha olulisemaks.
Seened ühendavad taime- ja loomarakkude omadused. Neil on rakutuum ja sarnaselt taimedele tugev rakusein. Nagu loomarakud, on ka nemad võimelised sünteesima polüsahhariide – kitiini ja glükogeeni ning vajavad mõningaid vitamiine. Biotehnoloogia jaoks on eriti huvitavad mikroskoopilised seened - pärm, hallitusseened, kõrgemad seened, mida kasutatakse pagari-, õlle- ja piimatööstuses, samuti orgaaniliste hapete, alkoholide, antibiootikumide, söödavalgu ja erinevate bioloogiliselt aktiivsete ainete tootmiseks.
Sellise tehnoloogia näide on viirusevastase interferooni ravimi tootmine, mida kasutatakse gripi ja teiste viirusnakkuste ennetamiseks ja raviks. Kõige lootustandvam meetod bioloogiliselt aktiivsete ainete tootmiseks on geenitehnoloogia. Eelkõige nii saadakse iniminsuliini, valgulise iseloomuga hormooni.
S.V. Makarov, T.E. Nikiforova, N.A. Kozlov
Biotehnoloogias kasutatavad objektid (nende hulgas on nii prokarüootide kui ka eukarüootide esindajaid) on oma struktuurilise ülesehituse ja bioloogiliste omaduste poolest äärmiselt mitmekesised. Biotehnoloogia objektide hulka kuuluvad:
Bakterid ja tsüanobakterid;
Merevetikad;
samblikud;
veetaimed;
Taimede ja loomade rakud.
Madalamate taimede rühma kuuluvad nii mikroskoopiliselt väikesed organismid (üherakulised ja hulkraksed) kui ka väga suured. Kuid nad on kõik ühtsed ühiseid jooni, kui keha vegetatiivseteks organiteks tükeldamise puudumine ja mitmesugused paljunemismeetodid.
Alumistesse kuuluvad järgmised osakonnad: Viirused, Bakterid, osakondade rühm Vetikad (sinine-roheline, Roheline, Diatomid, Pruun, Punane jne), Müksomütseedid, Seened, Samblikud. Söötmisviisi järgi jagunevad nad kahte rühma: fotosünteesivõimelised autotroofid (vetikad ja samblikud) ja heterotroofid (viirused, bakterid - mõne erandiga - müksomütseedid, seened), mis kasutavad orgaanilisi aineid. toitumine.
madalamad taimed on läbinud pika ajaloolise arengutee, kuid paljudel nende esindajatel on endiselt säilinud primitiivse organisatsiooni tunnused. Teatud arenguetapis kasvasid neist kõrgemad taimed, mille krooniks on katteseemnetaimed.
Struktuur. Viiruseosakestel (virionidel) on valgukapsel – viiruse genoomi sisaldav kapsiid, mida esindab üks või mitu DNA või RNA molekuli. Kapsiid on ehitatud kapsomeeridest - valgukompleksidest, mis omakorda koosnevad protomeeridest. Virioonidel on sageli korrapärane geomeetriline kuju (ikosaeeder, silinder). Selline kapsiidistruktuur tagab selle koostises olevate valkude vaheliste sidemete identsuse ja seetõttu saab selle ehitada ühe või mitme liigi standardsetest valkudest, mis võimaldab viirusel genoomis ruumi kokku hoida. Kapsiidvalgud täiendavad teatud molekulaarstruktuurid peremeesrakus ja suhelda nendega, mis on vajalikud viiruse tungimiseks ja eksisteerimiseks. Kapsiid kaitseb viirust ainult väljaspool elusrakku. Väljaspool peremeesrakku käituvad viirused nagu aine (saab saada kristalsel kujul); Elus rakus olles näitavad nad taas aktiivsust.
infektsiooni mehhanism. Tavaliselt võib viirusnakkuse protsessi ühe raku ulatuses jagada järgmisteks etappideks.
Kinnitumine rakumembraanile on nn adsorptsioon. Tavaliselt selleks, et viirus saaks adsorbeeruda raku pinnal, peab selle plasmamembraanis olema spetsiifiline valk (sageli glükoproteiin) – sellele viirusele spetsiifiline retseptor. Retseptori olemasolu määrab sageli antud viiruse peremeeste ulatuse ja ka selle koespetsiifilisuse.
Rakkude tungimine. Selles etapis peab viirus edastama oma geneetilise teabe raku sees. Mõned viirused toovad endaga kaasa ka selle rakendamiseks vajalikud valgud. Erinevad viirused kasutavad rakku sisenemiseks erinevaid strateegiaid. Viirused erinevad ka oma replikatsiooni lokaliseerimise poolest: osa viiruseid paljunevad raku tsütoplasmas, osa aga selle tuumas.
Rakkude ümberprogrammeerimine. Rakus oleva viirusega nakatumisel aktiveeruvad spetsiaalsed viirusevastased kaitsemehhanismid. Nakatunud rakud hakkavad sünteesima signaalmolekule, näiteks interferoone, mis muudavad ümbritsevad terved rakud viirusevastasesse olekusse ja aktiveerivad immuunsüsteemi. Viiruse replikatsioonist põhjustatud kahjustusi rakus saab tuvastada sisemiste rakukontrollisüsteemide abil ja selline rakk peab "enesetapu sooritama" protsessis, mida nimetatakse apoptoosiks (või programmeeritud rakusurmaks). Selle ellujäämine sõltub otseselt viiruse võimest ületada viirusevastaseid kaitsesüsteeme. Pole üllatav, et paljud viirused on arenedes omandanud võime pärssida interferoonide sünteesi, apoptootilist programmi jne. Lisaks viirusevastase kaitse pärssimisele kalduvad viirused looma rakus kõige soodsamad tingimused rakkude arenguks. nende järglased.
Püsivus. Mõned viirused võivad minna varjatud olekusse (nn persistentsus), segades nõrgalt rakus toimuvaid protsesse ja aktiveeruda ainult teatud tingimustel. See on aluseks näiteks mõne bakteriofaagi paljunemisstrateegiale: seni, kuni nakatunud rakk on soodsas keskkonnas, faag teda ei tapa, pärandub tütarrakkudega ja sulandub sageli raku genoomi. Kui aga faagiga nakatunud bakter siseneb vaenulik keskkond patogeen haarab kontrolli rakuprotsesside üle, nii et rakk hakkab tootma materjale, millest ehitatakse uued faagid. Rakk muutub "tehaseks", mis on võimeline tootma tuhandeid faage. Rakust lahkuvad küpsed osakesed purunevad rakumembraan, tappes seeläbi raku. Mõned vähivormid on seotud viiruste püsivusega.
Uute viiruskomponentide loomine. Viiruste paljundamine hõlmab kõige üldisemal juhul kolme protsessi:
Viiruse genoomi transkriptsioon, st viiruse mRNA süntees;
mRNA translatsioon, st viirusvalkude süntees;
viiruse genoomi replikatsioon.
Paljudel viirustel on juhtimissüsteemid, mis tagavad peremeesraku biomaterjalide optimaalse tarbimise. Näiteks kui koguneb piisavalt viiruse mRNA-d, surutakse alla viiruse genoomi transkriptsioon, samas kui replikatsioon, vastupidi, aktiveeritakse.
Virionide küpsemine ja rakust väljumine. Lõpuks "riidetakse" äsja sünteesitud genoomne RNA või DNA vastavate valkudega ja väljub rakust. Tuleb märkida, et aktiivselt paljunev viirus ei tapa alati peremeesrakku. Mõnel juhul väljuvad järglasviirused plasmamembraanist ilma selle rebenemist põhjustamata. Seega võib rakk edasi elada ja viirust toota.
Viiruste klassifikatsioon. Viiruste süstemaatikat ja taksonoomiat kodeerib ja haldab Rahvusvaheline Viiruste Taksonoomia Komitee (ICTV), kes haldab ka taksonoomilist andmebaasi The Universal Virus Database ICTVdB.
Kaasaegse viiruste klassifikatsiooni aluseks on geneetilise teabe esitusviis. Praegu jagunevad need DNA-d ja RNA-d sisaldavateks viirusteks.
Viiruste tähendus. Viirused põhjustavad mitmeid ohtlikke haigusi inimestel (rõuged, hepatiit, gripp, leetrid, poliomüeliit, AIDS, vähk jne), taimi (tubaka, tomati, kurgi mosaiikhaigus, kääbustõbi, maasikate närbumist), loomi (seakatk, jalalaba). ja suuhaigus). Vastavate bakteriofaagide preparaate kasutatakse aga bakteriaalsete haiguste – düsenteeria ja koolera – raviks.
Interferooni – spetsiaalse rakuvalgu, mis takistab viiruste paljunemist – saamist kasutatakse laialdaselt meditsiinis, eriti gripiepideemia puhangute ajal. See aine universaalne tegevus, aktiivne paljude viiruste suhtes, kuigi erinevate viiruste tundlikkus selle suhtes ei ole sama. Kuna interferoon on raku enda toode, puudub sellel täielikult toksiline toime. Nüüd kasutatakse valmis interferooni, seda saab sünteesida väljaspool keha kultiveeritud rakkudes.
3. Bakterid
Kuni 1970. aastate lõpuni. termin "bakterid" oli prokarüootide sünonüüm, kuid 1977. aastal jagati prokarüootid molekulaarbioloogia andmete põhjal arhebakterite ja eubakterite (tegelikult bakterid) kuningriiki.
Bakterite struktuur. Valdav enamus baktereid (välja arvatud aktinomütseedid ja filamentsed tsüanobakterid) on üherakulised. Rakkude kuju järgi võivad need olla sfäärilised (kokid), vardakujulised (batsillid, klostriidid, pseudomonaadid), keerdunud (vibriid, spirillad, spiroheedid), harvem - tähtkujulised, tetraeedrilised, kuubikujulised, C- või O- vormitud. Bakterite peamised rakustruktuurid on:
Nukleoid;
Ribosoomid;
Tsütoplasmaatiline membraan (CPM).
Prokarüootidel, erinevalt eukarüootidest, ei ole tsütoplasmas eraldi tuuma. Kogu bakterite eluks vajalik geneetiline informatsioon sisaldub ühes kaheahelalises DNA-s (bakterikromosoomis), mis on suletud ringi kujul. See on ühel hetkel lisatud CPM-ile. Voldimata DNA on üle 1 mm pikk. Bakterikromosoom esitatakse tavaliselt ühes eksemplaris, see tähendab, et peaaegu kõik prokarüootid on haploidsed, kuigi mõnel juhul võib üks rakk sisaldada mitut selle kromosoomi koopiat. Kromosoomide jagunemisega kaasneb rakkude jagunemine. Raku piirkonda, milles kromosoom paikneb, nimetatakse nukleoidiks; seda ei ümbritse tuumamembraan. Seetõttu on äsja sünteesitud mRNA koheselt saadaval ribosoomidega seondumiseks, st transkriptsiooni- ja translatsiooniprotsessid võivad toimuda samaaegselt. Tuum puudub.
Lisaks kromosoomile sisaldavad bakterirakud sageli plasmiide – väikeseid DNA molekule, mis on suletud rõngasse, mis on võimeline iseseisvalt replikeerima. Need sisaldavad täiendavaid geene, mida on vaja ainult teatud tingimustes. Need kodeerivad teatud ravimite suhtes resistentsuse mehhanisme, geenide konjugatsiooni teel ülekandmise võimet, antibiootikumi iseloomuga ainete sünteesi, võimet kasutada mõningaid suhkruid või tagada mitmete ainete lagunemine. See tähendab, et plasmiidid toimivad kohanemisfaktoritena. Mõnel juhul võivad plasmiidi geenid integreeruda bakterikromosoomi.
Prokarüootide ribosoomid erinevad eukarüootide omadest ja nende settimiskonstant on 70 S (eukarüootidel - 80 S).
Kell erinevad rühmad prokarüootidel on lokaalsed CPM-i invaginatsioonid - mesosoomid, mis täidavad rakus erinevaid funktsioone ja jagavad selle funktsionaalselt erinevateks osadeks. Arvatakse, et mesosoomid osalevad bakterite jagunemises. Kui redoksensüümid paiknevad mesosoomide membraanidel, on need samaväärsed taime- ja loomarakkude mitokondritega. Fotosünteetilistes bakterites sisaldub pigment bakterioklorofüll membraanide invaginatsioonides. Tema abiga viiakse läbi bakteriaalne fotosüntees.
CPM-i välisküljel on mitu kihti (rakusein, kapsel, limaskest), mida nimetatakse rakumembraaniks, samuti pinnastruktuurid (lipud, villid, pilid).
Bakterites on kaks peamist rakuseina struktuuri tüüpi, mis on iseloomulikud grampositiivsetele ja gramnegatiivsetele liikidele. Grampositiivsete bakterite rakusein on 20-80 nm paksune homogeenne kiht, mis on ehitatud peamiselt mureiini peptidoglükaanist, milles on palju teikhoehappeid ning vähesel määral polüsahhariide, valke ja lipiide. Gramnegatiivsetes bakterites ei kleepu peptidoglükaani kiht tihedalt CPM-ile ja on vaid 2–3 nm paksune. Seda ümbritseb välimine membraan, millel on reeglina ebaühtlane kaarjas kuju.
Rakuseina välisküljel võib olla kapsel – hüdraatunud polüsahhariidide amorfne kiht, mis säilitab sideme seinaga. Limaskihtidel puudub seos rakuga ja need on kergesti eraldatavad, samas kui kestad ei ole amorfsed, vaid peene struktuuriga.
Paljud bakterid on võimelised aktiivselt liikuma lipuliste abil - tsütoplasma väljakasvud.
Bakterite paljunemine. Bakteritel ei ole seksuaalset protsessi ja nad paljunevad ainult võrdse binaarse põiki lõhustumise või pungumise teel. Ühe üherakuliste tsüanobakterite rühma puhul on kirjeldatud mitut jagunemist (kiirete järjestikuste binaarsete jagunemiste jada, mis viib 4–1000 uue raku moodustumiseni emaraku membraani all).
Prokarüootides võib toimuda horisontaalne geeniülekanne. Konjugatsiooni käigus kannab doonorrakk otsese kontakti käigus osa oma genoomist (mõnel juhul kogu genoomi) retsipientrakku. Doonorraku DNA osi saab vahetada retsipiendi DNA homoloogsete segmentide vastu. Sellise vahetuse tõenäosus on oluline ainult ühe liigi bakterite puhul.
Bakterirakk võib absorbeerida ka keskkonnas vabalt esinevat DNA-d, kaasa arvatud see oma genoomis. Seda protsessi nimetatakse transformatsiooniks. Looduslikes tingimustes toimub geneetilise teabe vahetus bakteriofaagide abil (transduktsioon). Horisontaalse ülekandega ei moodustata uusi geene, vaid tekivad erinevad geenikombinatsioonid. Need bakterite omadused on geenitehnoloogia jaoks väga olulised.
Sporulatsioon bakterites. Mõned bakterid moodustavad eoseid. Nende moodustumine on iseloomulik eriti resistentsetele vormidele, millel on aeglane ainevahetus ja mis on mõeldud säilitamiseks ebasoodsates tingimustes, aga ka levitamiseks. Eosed võivad püsida pikka aega ilma elujõulisust kaotamata. Nii on paljude bakterite endospoorid võimelised taluma 10-minutilist keetmist 100 °C juures, kuivamist tuhat aastat ning mõnedel andmetel püsivad pinnases ja kivimites elujõulisena miljoneid aastaid.
bakteriaalne ainevahetus. Välja arvatud mõned konkreetsed punktid, on valkude, rasvade, süsivesikute ja nukleotiidide biokeemilised rajad bakterites sarnased teiste organismide omadega. Bakterid erinevad aga võimalike biokeemiliste radade arvu poolest ja vastavalt ka sõltuvuse astmest orgaaniliste ainete väljastpoolt sissevõtmisest. Mõned bakterid suudavad anorgaanilistest ühenditest (autotroofidest) sünteesida kõiki neile vajalikke orgaanilisi molekule, teised aga vajavad valmis orgaanilisi ühendeid, mida nad suudavad ainult muundada (heterotroofid).
Bakterite klassifikatsioon. Kõige kuulsam on bakterite fenotüübiline klassifikatsioon, mis põhineb nende rakuseina struktuuril. Selle klassifikatsiooni alusel ehitati Bergi bakterivõti, mille üheksas trükk ilmus aastatel 1984-1987. Neli osakonda said selles suurimateks taksonoomilisteks rühmadeks: Gracilicutes (gramnegatiivsed), Firmicutes (gram-positiivsed), Tenericutes (mükoplasmad) ja Mendosicutes (arhaea).
Bakterite tähtsus. Saprofüüdi bakterid mängivad olulist rolli looduses leiduvate ainete ringis, hävitades ökosüsteemides surnud orgaanilist materjali. Nende roll kõigis meie planeedi biogeokeemilistes tsüklites on hästi teada. Bakterid osalevad keemiliste elementide (süsinik, raud, väävel, lämmastik, fosfor jne) ringluses, mullatekke protsessides ja määravad mulla viljakust.
Paljud bakterid "asutavad" loomade ja inimeste organisme, valvades tervist.
Bakterite biotehnoloogilised funktsioonid on mitmekesised. Neid kasutatakse erinevate ainete tootmisel: äädikas (Gluconobacter suboxidans), piimhappejoogid ja -tooted (Lactobacillus, Leuconostoc), samuti mikroobsed insektitsiidid (Bacillus thuringiensis) ja herbitsiidid, valgud (Methylomonas), vitamiinid (Clostridium - riboflaviin) ; jäätmete töötlemisel, bakteriväetiste, lahustite ja orgaaniliste hapete, biogaasi ja fotovesiniku saamisel. Mõnede bakterite sellist omadust nagu diasotroofia, st võime siduda õhulämmastikku kasutatakse laialdaselt.
Tänu kiirele kasvule ja paljunemisele ning struktuuri lihtsusele kasutatakse baktereid aktiivselt teaduslikud uuringud molekulaarbioloogias, geneetikas ja biokeemias, geenitehnoloogia töös genoomsete klooniraamatukogude loomisel ja geenide taimerakkudesse viimisel (agrobakterid). Teave bakterite ainevahetusprotsesside kohta võimaldas toota bakteriaalset vitamiinide, hormoonide, ensüümide, antibiootikumide jne sünteesi.
Perspektiivsed valdkonnad on naftasaaduste või ksenobiootikumidega saastunud pinnase ja veekogude puhastamine bakterite abil, samuti maakide rikastamine väävlit oksüdeerivate bakterite abil.
Ei tohi unustada, et teatud tüüpi bakterid põhjustavad inimestel ohtlikke haigusi (katk, koolera, tuberkuloos, kõhutüüfus, siberi katk, botulism jne), loomad ja taimed (bakterioosid). Teatud tüüpi bakterid võivad hävitada metalli, klaasi, kummi, puuvilla, puitu, õlisid, lakke, värve.
Keemilised ja bioloogilised protsessid hõlmavad erinevaid bioloogilisi objekte (mikroobseid, taimseid või loomseid), näiteks erinevatel eesmärkidel toodete tootmiseks.
Antibiootikumid, vaktsiinid, ensüümid, sööda- ja toiduvalgud, hormoonid, aminohapped, biogaas, orgaanilised väetised jne.
Biotehnoloogia objektid on väga mitmekesised ja ulatuvad organiseeritud osadest (viirustest) inimesteni (joonis 1.1.).
Bioobjekte iseloomustavad sellised näitajad nagu struktuurse organiseerituse tase, paljunemisvõime (või paljunemisvõime), nende enda ainevahetuse olemasolu või puudumine, kui neid kasvatatakse sobivates tingimustes. Mis puudutab bioloogiliste objektide olemust, siis seda tuleks mõista nende struktuurilise korraldusena. Sel juhul võivad bioloogilisteks objektideks olla molekulid (ensüümid, immunomodulaatorid, nukleosiidid, oligo- ja polüpeptiidid jne), organiseeritud osad (viirused, faagid), üherakulised (bakterid, pärm) ja paljurakulised isendid (niitjad kõrgemad seened, taimekoed, ühekihilised kultuurid). imetajarakud), taimede ja loomade terved organismid. Kuid isegi kui biomolekuli kasutatakse biotehnoloogia objektina, viivad selle esialgse biosünteesi enamasti läbi vastavad rakud. Seetõttu võib väita, et biotehnoloogia objektid kuuluvad kas mikroobide või taime- ja loomaorganismide hulka.
Seega, sõltumata bioloogiliste objektide süstemaatilisest asukohast, kasutatakse praktikas kas looduslikke organiseeritud osakesi (faagid, viirused) ja loodusliku geneetilise informatsiooniga rakke või kunstlikult antud geneetilise informatsiooniga rakke, see tähendab igal juhul rakke. - see tähendab mikroorganism, taim, loom või inimene. Praegu on enamus biotehnoloogia objektidest mikroobid, mille maailm on väga suur ja mitmekesine. Nende hulka kuuluvad kõik prokarüootid – bakterid, aktinomütseedid, riketsiad, sinivetikad ja osa eukarüootidest – pärm, niitseened, algloomad ja vetikad (joonis 1.2). Taimede mikroobid on mikroskoopilised vetikad ja loomade seas mikroskoopilised algloomad. Kaasaegse biotehnoloogilise tootmise aluseks on mikrobioloogiline süntees, s.o. erinevate ainete süntees mikroorganismide abil. Taimset ja loomset päritolu objektid ei ole veel leidnud laialdast levikut kõrgete kasvatustingimuste tõttu, mis on palju tervislikum toodang.
Biotehnoloogiliste protsesside rakendamiseks on bioloogiliste objektide olulised parameetrid: puhtus, rakkude paljunemise ja viirusosade paljunemise kiirus, biomolekulide või biosüsteemide aktiivsus ja stabiilsus.
Ensüümide (isoleeritud või immobiliseeritud olekus) kasutamisel biokatalüsaatoritena on vaja kaitsta neid hävitamise eest banaalse saprofüütilise mikrofloora poolt, mis võib näiteks süsteemi mittesteriilsuse tõttu biotehnoloogilisesse protsessi väljastpoolt tungida. seadmete lekete tõttu. Rakkude paljunemise kiirus ja viirusosade paljunemine on otseselt võrdeline biomassi suurenemise ja metaboliitide moodustumisega.
Bioloogiliste objektide aktiivsus ja aktiivses olekus püsimise stabiilsus on olulisemad näitajad nende sobivuse kohta pikaajaliseks kasutamiseks biotehnoloogias.
Biotehnoloogilise protsessi peamine lüli, mis määrab selle olemuse, on rakk. Just selles sünteesitakse sihtprodukt. Ovtšinnikovi tabava väljendi järgi Yu.A. (1985), rakk on miniatuurne keemiatehas, mis töötab kolossaalse tootlikkusega, ülima järjekindlusega ja etteantud programmi järgi. Igas minutis sünteesitakse selles sadu kompleksseid ühendeid, sealhulgas hiiglaslikke biopolümeere, peamiselt valke.
Biotehnoloogia meetodid. Biotehnoloogial on oma spetsiifilised meetodid. See on bioloogiliste objektide suuremahuline sügavkultiveerimine perioodilisel, poolpidevalt või pideval režiimil ning taimede ja loomsete kudede rakkude kultiveerimine eritingimustes. Biotehnoloogilised meetodid bioloogiliste objektide kultiveerimiseks viiakse läbi spetsiaalsetes seadmetes, näiteks kasvatatakse fermentaatorites baktereid ja seeni, et saada antibiootikume, ensüüme, orgaanilisi happeid, mõningaid vitamiine jne.
Sellistes fermentaatorites kasvatatakse interferoonvalgu saamiseks mõningaid inimrakke (blasteid), aga ka teatud tüüpi taimerakke. Viimaseid kasvatatakse aga sagedamini statsionaarsetes tingimustes tihendatud (nt agar) voodriga söötmel klaas- või polüetüleenanumates.
Levinud on ka teised biotehnoloogias kasutatavad meetodid, näiteks mikrobioloogia, biokeemia, orgaanilise keemia ja teiste teaduste meetodid. Eriti vajalik on esile tõsta raku- ja geenitehnoloogia meetodeid, mis on kaasaegse biotehnoloogia aluseks.
Biotehnoloogias kasutatavate meetodite erinevus seisneb selles, et need tuleb läbi viia reeglina aseptilistes tingimustes (kreeka keelest a - ei, septicos - putrefactive), s.o. välistades võimaluse sattuda keskkonda, kus kasvatatakse bioloogilisi objekte, patogeenseid ja saprofüütilisi mikroorganisme.
Patogeensed liigid kujutavad otsest ohtu inimese tootmistegevusele ja lõpptoodete tarbijatele; saprofüütsed liigid võivad konkureerida toitainete substraatide, antagonistide ja toksiliste ainete, sealhulgas pürogeenide tootjate pärast.
Biotehnoloogia objektid. Viirused. Eubakterid. Seened. Samblikud. Taimed. Loomad. Looma- ja taimerakkude struktuur.
Biotehnoloogilised objektid on organisatsiooni erinevatel tasanditel:
a) subtsellulaarsed struktuurid (viirused, plasmiidid, mitokondriaalne ja kloroplasti DNA, tuuma DNA);
b) bakterid ja tsüanobakterid;
d) vetikad;
e) algloomad;
f) taime- ja loomarakukultuurid;
g) taimed - madalam (anabena-azolla) ja kõrgem - pardlill.
Biotehnoloogia objektideks on erinevad eluslooduse esindajad, mis jagunevad kolme kuningriiki: akarüootid (mittetuuma), prokarüootid (eeltuuma) ja eukarüootid (tuuma) ning 5 kuningriiki: viirused, bakterid, sealhulgas mikroskoopilised vetikad, seened, nagu samuti taimed ja loomad, sealhulgas kõige lihtsamad.
Seened, mis koosneb kümnetest tuhandetest liikidest, ühendavad taime- ja loomarakkude tunnused. Neil on raku tuum, nagu taimedel – tugev rakusein; nagu loomarakud, vajavad nad teatud vitamiine ja on võimelised sünteesima loomadele iseloomulikke polüsahhariide: kitiini ja glükogeeni. Biotehnoloogia jaoks pakuvad suurimat huvi mikroskoopilised seened, mille hulka kuuluvad pärmid, hallitusseened ja muud mikroorganismid, mida kasutatakse pagari-, õlle- ja piimatööstuses. Neid kasutatakse ka alkoholide, orgaaniliste hapete, antibiootikumide, erinevate bioloogiliselt aktiivsete ainete ja söödavalgu saamiseks.
Iseseisev rühm organisme, mis on seente sümbioos (kooselu) vetikate või sinivetikatega, on samblikud, mis on paljude bioloogiliselt aktiivsete ainete paljulubavad allikad.
Taimed, arvuliselt umbes 500 000 liiki, koosnevad tuumarakkudest, millel on keeruline struktuur ja mis täidavad erinevaid spetsiifilisi funktsioone. Nende hulka kuuluvad vetikad, mis on veeorganismid, ja kõrgemad taimed, mis elavad peamiselt maismaal. Vetikad erinevad kõrgematest taimedest selle poolest, et neil ei ole elundeid ja kudesid, vaid need on tallid, mis koosnevad diferentseerumata (identsetest) rakkudest. Nagu teised taimed, on ka vetikad võimelised fotosünteesiks ning on rikkad mitmesuguste süsivesikute ja pigmentide poolest. Toiduks kasutatakse ühte vetikaliikidest – merikapsast. Agar-agar ja alginaate ekstraheeritakse vetikatest – polüsahhariididest, mida kasutatakse mikrobioloogiliste söötmete valmistamiseks, toiduainetööstuses ja kosmetoloogias.
Kõrgemad taimed on mitmerakulised organismid, millel on spetsiaalsed organid, nagu juured, varred ja lehed. Need koosnevad kudedest, mille moodustavad diferentseerunud rakud. Kuded erinevad keemilise koostise, struktuuri ja erinevate funktsioonide poolest: mehaanilised, katted, eritavad, juhtivad ja muud. Üks taimekudedest, mida nimetatakse meristeemiks, on biotehnoloogia jaoks eriti oluline. Meristeemrakud on võimelised jagunema, mille tõttu toimub kasv, samuti taimekudede ja elundite moodustumine. Nad ei kaota jagunemisvõimet ka pärast taimest eemaldamist. Erilisel toitainekeskkonnal kasvatamisel annavad meristeemrakud jagunevate rakkude massi - kalluse, mida saab pikka aega kasvatada, saada sellest uusi taimi või kasutada vajalike ainete eraldamiseks. Kõige keerulisem, kuid tõhusam on üksikute taimerakkude kasvatamine vedelsöötmes (suspensioonkultuurides). Tänu taimede võimele püüda kinni päikese valgusenergiat ja kasutada seda orgaaniliste ainete sünteesis, on taimed toitainete tarnijad teistele organismidele. Taimed moodustavad enamus Maa biomass, seetõttu on taimsete materjalide tootmist ja töötlemist erinevate inimeste vajaduste rahuldamiseks kasutatud juba iidsetest aegadest. Olles rikkalik ja asendamatu mitmesuguste süsivesikute, lipiidide, vitamiinide ja paljude teiste füsioloogiliselt aktiivsete ja raviainete allikas, on taimed eelkõige nende hankimiseks. Vaatamata biotehnoloogia silmapaistvatele saavutustele kasutatakse biogeensete ühendite ekstraheerimiseks traditsioonilisi meetodeid: ekstraheerimine, destilleerimine, filtreerimine. Üha olulisemaks muutuvad tehnoloogiad rakukultuuridest bioloogiliselt aktiivsete ainete saamiseks (biostimulandid ženšennist, vähivastane ravim taksool jugapuu koorest jne), aga ka toodete tootmine geneetiliselt muundatud taimedest.
Taime- ja loomarakud on keerukalt organiseeritud moodustised, mis koosnevad tsütoplasmast ja tihedamast tuumast. Tsütoplasma sisaldab rakusiseseid organelle: mitokondrid, ribosoomid ja lüsosoomid, endoplasmaatilise retikulumi karedad ja siledad membraanid, mis on sukeldatud raku vees lahustuvasse keskkonda - tsütosooli. Rakku ümbritseb plasmamembraan, millel on ainete transpordiks spetsiaalsete mehhanismide olemasolu tõttu selektiivne läbilaskvus. Rakutuumad säilitavad geneetilist teavet, mille kandjaks on DNA.
Mitokondrid varustavad rakku energiaga ainete oksüdatsiooni kaudu hapniku osalusel. Samuti sünteesivad nad oma mitokondriaalseid valke. See on erand üldreegel. Kõik teised raku valgud sünteesitakse ribosoomidel.
Golgi aparaat, mis on mikrotuubulite süsteem, on ühendatud endoplasmaatilise retikulumi membraanidega. Golgi aparaadis toimuvad valkude keemilise modifitseerimise reaktsioonid, samuti rakust reserv- ja sekreteeritud ainete süntees.
Raku vedel osa – tsütosool sisaldab ainete sünteesiks ja anaeroobseks oksüdeerimiseks vajalikke ensüüme, samuti madala molekulmassiga orgaanilisi ja anorgaanilisi ühendeid.
Taimerakkude struktuuri tunnuseks on kloroplastide olemasolu, milles toimuvad fotosünteesi protsessid. Taimerakk erineb loomarakkudest ka tahke seina poolest, mis sisaldab polüsahhariidset laadi aineid (tselluloos, hemitselluloosid, pektiinid) ja polüfenoolpolümeerset ligniini.
- Kokkupuutel 0
- Google+ 0
- Okei 0
- Facebook 0
