Mikroorganismer som objekt för bioteknik. Klassificering. Karakteristisk.
Bakterier är extremt olika när det gäller levnadsförhållanden, anpassningsförmåga, typer av näring och produktion av bioenergi, i förhållande till makroorganismer - djur och växter. De äldsta formerna av bakterier - arkebakterier - kan leva under extrema förhållanden ( höga temperaturer och tryck, koncentrerade saltlösningar, sura lösningar). Eubakterier (typiska prokaryoter eller bakterier) är mer känsliga för miljöförhållanden.
Beroende på typen av näring delas bakterier in efter energikällan:
fototrofer som använder energi solljus;
· kemoautotrofer, som använder energin från oxidation av oorganiska ämnen (svavelföreningar, metan, ammoniak, nitriter, järnhaltiga järnföreningar, etc.);
Efter typ av oxidation av ämnet:
organotrofer som får energi från nedbrytning av organiska ämnen till mineraler; dessa bakterier är huvuddeltagarna i kolets kretslopp, bakterier som använder jäsningsenergin tillhör samma grupp;
litotrofer ( oorganiska ämnen);
Efter typ av kolkällor:
Heterotrofisk - använd organiska ämnen;
· aftotrofisk – använd gas;
För att ange typen av strömförsörjning:
1. Energikällans natur är foto- eller kemo;
2. Elektrondonatorer lito- eller organo-;
3. Kolkällor afto- och hetero-;
Och termen avslutas med orden trofé. 8 olika krafttyper.
Högre djur och växter är benägna att få två typer av näring:
1) Kemoorganoheterotrofi (djur)
2) Fotolitoftotrofi (växter)
Mikroorganismen har alla typer av näring, och de kan byta från en till en annan beroende på deras existens
Det finns en separat typ av mat:
Bakterier är lämpliga föremål för genetisk forskning. Den mest studerade och allmänt använda inom genteknikforskning är Escherichia coli (E. coli), som lever i människans tarm.
Organisation och struktur för bioteknisk produktion. Särskiljande egenskaper bioteknisk produktion från traditionella typer av teknologier. För- och nackdelar med bioteknisk produktion jämfört med traditionell teknik.
Stor variation biotekniska processer som har funnit industriell tillämpning leder till behovet av att överväga de allmänna, viktigaste problemen som uppstår när man skapar någon bioteknisk produktion. Industriella biotekniska processer är indelade i 2 stora grupper: produktion av biomassa och metabola produkter. En sådan klassificering återspeglar dock inte de viktigaste aspekterna av industriella biotekniska processer ur teknisk synvinkel. I detta avseende är det nödvändigt att överväga stadierna av bioteknisk produktion, deras likheter och skillnader beroende på ultimat mål bioteknisk process.
Det finns 5 stadier av bioteknisk produktion.
De två inledande stegen inkluderar framställning av råvaror och biologiskt aktiva principer. I tekniska enzymologiska processer består de vanligtvis av att bereda en lösning av ett substrat med specificerade egenskaper (pH, temperatur, koncentration) och att bereda en sats av en given typ av enzympreparat, enzymatiskt eller immobiliserat. Vid utförande av mikrobiologisk syntes är stegen att bereda ett näringsmedium och upprätthålla en ren kultur nödvändiga, som kan användas konstant eller efter behov i processen. Att upprätthålla en renodling av producentstammen är huvuduppgiften för all mikrobiologisk produktion, eftersom en mycket aktiv stam som inte har genomgått oönskade förändringar kan fungera som en garanti för att erhålla målprodukten med de önskade egenskaperna.
Det tredje steget är jäsningssteget, vid vilket bildningen av målprodukten sker. I detta skede sker mikrobiologisk omvandling av komponenterna i näringsmediet, först till biomassa, sedan, om nödvändigt, till målmetaboliten.
I det fjärde steget isoleras målprodukterna och renas från odlingsvätskan. För industriell mikro biologiska processer Karakteristiskt är som regel bildandet av mycket utspädda lösningar och suspensioner innehållande, förutom målet, Ett stort antal andra ämnen. I det här fallet är det nödvändigt att separera blandningar av ämnen av mycket liknande karaktär, som är i lösning i jämförbara koncentrationer, är mycket labila och lätt utsätts för termisk förstörelse.
Det sista steget av bioteknisk produktion är beredningen av kommersiella produkter. En gemensam egenskap hos de flesta mikrobiologiska syntesprodukter är deras brist på lagringsstabilitet, eftersom de är benägna att sönderfalla och i denna form ger en utmärkt miljö för utveckling av främmande mikroflora. Detta tvingar teknologer att vidta särskilda åtgärder för att förbättra säkerheten för industriella bioteknikprodukter. Dessutom kräver läkemedel för medicinska ändamål speciella lösningar vid förpacknings- och kapslingsstadiet, så de måste vara sterila.
Huvudmålet för bioteknik är industriell användning av biologiska processer och medel baserade på produktion av högeffektiva former av mikroorganismer, kulturer av celler och vävnader av växter och djur med önskade egenskaper. Bioteknik uppstod i skärningspunkten mellan biologiska, kemiska och tekniska vetenskaper.
Bioteknologisk process - inkluderar ett antal etaner: beredning av objektet, dess odling, isolering, rening, modifiering och användning av produkter.
Biotekniska processer kan baseras på satsvis eller kontinuerlig odling.
I många länder runt om i världen är biotekniken viktig. Detta beror på att bioteknik har en rad betydande fördelar jämfört med andra typer av teknik, till exempel kemisk teknik.
1). Detta är först och främst låg energiintensitet. Biotekniska processer utförs vid normalt tryck och temperaturer på 20-40°C.
2). Bioteknisk produktion bygger ofta på användning av standardutrustning av samma typ. Samma typ av enzymer används för att producera aminosyror och vitaminer; enzymer, antibiotika.
3). Biotekniska processer är lätta att göra avfallsfria. Mikroorganismer assimilerar en mängd olika substrat, så avfall från en viss produktion kan omvandlas till värdefulla produkter med hjälp av mikroorganismer under en annan produktion.
4). Den biotekniska produktionens avfallsfria natur gör den till den mest miljövänliga
5). Forskning inom bioteknikområdet kräver inga stora kapitalinvesteringar och kräver ingen dyr utrustning.
De primära uppgifterna för modern bioteknik inkluderar skapande och omfattande utveckling av:
1) nya biologiskt aktiva substanser och läkemedel för medicin (interferoner, insulin, tillväxthormoner, antikroppar);
2) mikrobiologiska medel för att skydda växter från sjukdomar och skador
lei, bakteriell gödningsmedel och växttillväxtregulatorer, nya högproduktiva och resistenta mot negativa miljöfaktorer hybrider av jordbruksväxter erhållna genom genetiska och cellulära ingenjörsmetoder;
3) värdefulla fodertillsatser och biologiskt aktiva ämnen (foderprotein, aminosyror, enzymer, vitaminer, foderantibiotika) för att öka boskapens produktivitet;
4) ny teknik för att erhålla ekonomiskt värdefulla produkter för användning i livsmedels-, kemiska, mikrobiologiska och andra industrier;
5) teknik för djup och effektiv bearbetning av jordbruk, industri och hushållsavfall, användningen av avloppsvatten och gas-luftutsläpp för att producera biogas och högkvalitativa gödselmedel.
Traditionell (konventionell) teknik representerar utveckling som speglar genomsnittlig nivå produktion som uppnåtts av majoriteten av produkttillverkarna i denna bransch. Denna teknik ger inte sin köpare betydande tekniska och ekonomiska fördelar och produktkvalitet jämfört med liknande produkter från ledande tillverkare, och man kan inte räkna med ytterligare (över genomsnittet) vinster i detta fall. Dess fördelar för köparen är den relativt låga kostnaden och möjligheten att köpa teknik testad under produktionsförhållanden. Traditionell teknik skapas som regel som ett resultat av inkurans och storskalig spridning av avancerad teknik. Sådan teknik säljs vanligtvis till priser som kompenserar säljaren för kostnaderna för att förbereda den och få en genomsnittlig vinst.
Fördelar med biotekniska processer jämfört med kemisk teknik bioteknik har följande huvudsakliga fördelar:
· möjligheten att erhålla specifika och unika naturliga ämnen, av vilka några (till exempel proteiner, DNA) ännu inte kan erhållas genom kemisk syntes;
· Genomförande av biotekniska processer vid relativt låga temperaturer och tryck;
mikroorganismer har betydligt högre tillväxt och ackumulering av cellmassa än andra organismer
· billigt avfall kan användas som råvara i biotekniska processer Lantbruk och industri;
· Biotekniska processer, jämfört med kemiska, är vanligtvis mer miljövänliga, har mindre skadligt avfall och ligger nära naturliga processer som förekommer i naturen.
·Teknik och utrustning inom bioteknisk produktion är som regel enklare och billigare.
Biotekniskt stadium
Huvudstadiet är själva det biotekniska stadiet, där omvandlingen av råvaror till en eller annan målprodukt sker med hjälp av ett eller annat biologiskt medel.
Vanligtvis är det biotekniska stadiets huvuduppgift att få fram ett visst organiskt ämne.
Det biotekniska stadiet inkluderar:
Fermentering är en process som utförs genom att odla mikroorganismer.
Biotransformation är processen att ändra den kemiska strukturen hos ett ämne under påverkan av den enzymatiska aktiviteten hos mikroorganismceller eller färdiga enzymer.
Biokatalys är den kemiska omvandlingen av ett ämne som sker med hjälp av biokatalysatorer-enzymer.
Biooxidation är mikroorganismers konsumtion av föroreningar eller sammanslutning av mikroorganismer under aeroba förhållanden.
Metanjäsning är bearbetning av organiskt avfall med hjälp av en förening av metanogena mikroorganismer under anaeroba förhållanden.
Biokompostering är en minskning av innehållet av skadliga organiska ämnen genom en sammanslutning av mikroorganismer i fast avfall, som ges en speciell uppluckrad struktur för att säkerställa lufttillgång och jämn fuktighet.
Biosorption - sorption skadliga föroreningar från gaser eller vätskor av mikroorganismer, vanligtvis fästa vid speciella fasta stöd.
Bakteriell urlakning är processen att omvandla vattenolösliga metallföreningar till ett löst tillstånd under påverkan av speciella mikroorganismer.
Biologisk nedbrytning är förstörelsen av skadliga föreningar under påverkan av biodestruktörsmikroorganismer.
Typiskt har ett biotekniskt steg en vätske- och en gasström som utströmmar, ibland bara en vätskeström. Om processen sker i den fasta fasen (till exempel ostmogning eller biokompostering av avfall), är utmatningen en ström av bearbetad fast produkt.
Förberedande stadier
De förberedande stadierna tjänar till att förbereda och förbereda de nödvändiga typerna av råvaror för det biotekniska skedet.
Följande processer kan användas under beredningsstadiet.
Sterilisering av miljön - för aseptiska biotekniska processer där inträngning av främmande mikroflora är oönskad.
Beredning och sterilisering av gaser (vanligtvis luft) som är nödvändiga för en bioteknisk process. Oftast består luftberedning av att rengöra den från damm och fukt, säkerställa den nödvändiga temperaturen och rengöra den från mikroorganismer som finns i luften, inklusive sporer.
Beredning av frömaterial. Uppenbarligen, för att utföra en mikrobiologisk process eller processen att odla isolerade växt- eller djurceller, är det nödvändigt att förbereda frömaterial - en förodlad liten mängd av ett biologiskt medel jämfört med huvudstadiet.
Beredning av biokatalysatorn. För processerna för biotransformation eller biokatalys är det nödvändigt att först framställa en biokatalysator - antingen ett enzym i fri eller fixerad form på en bärare, eller en biomassa av mikroorganismer som tidigare odlats till ett tillstånd där dess enzymatiska aktivitet manifesteras.
Förbearbetning av råvaror. Om råvaror kommer in i produktionen i en form som är olämplig för direkt användning i den biotekniska processen, utförs en operation för att preliminärt förbereda råvarorna. Till exempel, när man producerar alkohol, krossas vete först och utsätts sedan för den enzymatiska processen "försockring", varefter den försockrade vörten omvandlas till alkohol i det biotekniska skedet genom jäsning.
Produktrengöring
Uppgiften för detta steg är att ta bort orenheter och göra produkten så ren som möjligt.
Kromatografi är en process som liknar adsorption.
Dialys är en process där ämnen med låg molekylvikt kan passera genom en semipermeabel septum, medan ämnen med hög molekylvikt finns kvar.
Kristallisation. Denna process bygger på ämnens olika löslighet vid olika temperaturer.
Produktkoncentration
Den ytterligare uppgiften är att säkerställa dess koncentration.
I koncentrationssteget används processer som indunstning, torkning, utfällning, kristallisering med filtrering av de resulterande kristallerna, ultrafiltrering och hyperfiltrering eller nanofiltrering, vilket ger en slags "klämning" av lösningsmedlet från lösningen.
Avloppsvatten och utsläppsrening
Rening av dessa avloppsvatten och utsläpp är en speciell uppgift som måste lösas i våra miljömässigt ogynnsamma tider. I huvudsak är avloppsvattenrening en separat bioteknisk produktion, som har sina egna förberedande stadier, ett biotekniskt steg, ett steg för sedimentering av aktiverad slambiomassa och ett steg med ytterligare avloppsvattenrening och slambehandling.
Typer av biologiska föremål som används inom bioteknik, deras klassificering och egenskaper. Biologiska föremål av animaliskt ursprung. Biologiska föremål av vegetabiliskt ursprung.
Objekt för bioteknik inkluderar: organiserade extracellulära partiklar (virus), celler av bakterier, svampar, protozoer, vävnader av svampar, växter, djur och människor, enzymer och enzymkomponenter, biogena nukleinsyramolekyler, lektiner, cytokininer, primära och sekundära metaboliter.
För närvarande representeras de flesta biologiska objekt av bioteknik av representanter för 3 superriken:
1) Acoryotac – aryoter eller anukleat;
2) Prokaryotac – prokaryoter eller prenukleär;
3) Eukaryotac - eukaryoter eller nukleär.
De representeras av 5 kungariken: akaryoter inkluderar virus (icke-cellulära organiserade partiklar); Prokaryoter inkluderar bakterier (morfologisk elementär enhet); Eukaryoter inkluderar svampar, växter och djur. Typ kodning genetisk information DNA (för DNA- eller RNA-virus).
Bakterier har en cellulär organisation, men kärnmaterialet separeras inte från cytoplasman av några membran och är inte associerat med några proteiner. De flesta bakterier är encelliga, deras storlek överstiger inte 10 mikrometer. Alla bakterier delas in i arkiobakterier och eubakterier.
Svamp (Mycota) är viktiga biotekniska föremål och producenter av en rad viktiga livsmedelsföreningar och tillsatser: antibiotika, växthormoner, färgämnen, svampprotein, olika sorters ostar. Mikromyceter bildar inte fruktkroppen, medan makromyceter gör det. De har egenskaper hos djur och växter.
Växter (Plantae). Cirka 300 tusen växtarter är kända. Dessa är differentierade organiska växter, vars beståndsdelar är vävnader (merimestenta, integumentära, ledande, mekaniska, basala och sekretoriska). Endast mimetiska vävnader kan delas. Vilken typ av växt som helst, under vissa förhållanden, kan producera en oorganiserad cellmassa av delande celler - kallus. De viktigaste biologiska objekten är protoplaster av växtceller. De saknar cellvägg. Används inom cellteknik. Tång används ofta. Agar-agar och alginater (polysackarider som används för framställning av mikrobiologiska medier) erhålls från dem.
Djur (Animalia). Inom bioteknik används biologiska föremål såsom celler från olika djur i stor utsträckning. Förutom cellerna från högre djur används celler från protozodjur. Celler från högre djur används för att erhålla rekombinant DNA och för toxikologiska studier.
11688 0
Det första försöket att systematisera information om organismer tillhör Aristoteles (300-talet f.Kr.). Alla levande organismer som var kända vid den tiden delades av honom i två riken - växter och djur. Under andra hälften av 1800-talet föreslog den tyske vetenskapsmannen E. Haeckel att separera alla mikroorganismer i ett separat rike Protista (urvarelser - från grekiskan "protos" - de enklaste).
Ytterligare studier av mikroorganismer avslöjade deras heterogenitet, vilket ledde till uppdelningen av gruppen i högre och lägre protester. De högsta protesterna omfattade mikroskopiska djur (protozoer), mikroskopiska alger (förutom blågröna alger, även kallade cyanobakterier) och mikroskopiska svampar (mögel, jästsvampar), och de lägre omfattade alla bakterier, inklusive cyanobakterier. Uppdelningen i högre och lägre protester genomfördes i enlighet med de två upptäckta typerna av cellulär organisation - eukaryot och prokaryot. De högre protesterna är eukaryoter, de lägre är prokaryoter.
Dessa celltyper har både gemensamma egenskaper och betydande skillnader. /En cell är en bit av cytoplasma som avgränsas av ett membran som har en karakteristisk ultrastruktur: två elektrontäta lager, vart och ett 2,5-3,0 nm tjockt, åtskilda av ett elektrontransparent gap. Sådana membran kallas elementära.| I vilken cell som helst finns det två typer av nukleinsyror (DNA och RNA), proteiner, lipider och kolhydrater. Cytoplasma och det elementära membranet är väsentliga strukturella element i cellen. En prokaryot cell har en inre hålighet bildad av ett elementärt membran som kallas cytoplasmatiskt membran (CPM).
Eukaryota celler, till skillnad från prokaryota celler, har sekundära håligheter. Cellulära strukturer som begränsas av elementära membran och som utför vissa funktioner i cellen kallas organeller (organeller). Dessa inkluderar kärnan, mitokondrier, ribosomer, lysosomer, Golgi-apparater, kloroplaster, etc. Kärnan fungerar som en väktare av genetisk information, vars bärare är DNA. De viktigaste strukturella och funktionella delarna av kärnan, som innehåller linjär ordning gener är kromosomer. Mitokondrier förser cellen med energi genom oxidation av ämnen med deltagande av syre. De syntetiserar också sina egna mitokondriella proteiner.
Alla andra cellulära proteiner syntetiseras på ribosomer. Lysosomer innehåller enzymer för att bryta ner olika biopolymerer. Golgi-apparaten (uppkallad efter den italienske vetenskapsmannen Camillo Golgi, som fick Nobelpriset 1906) är involverad i bildandet av cellavfallsprodukter - olika sekret, kollagen, glykogen, lipider, etc., i syntesen av glykoproteiner. Kloroplaster, som bara finns i växtceller, utför fotosyntes.
I prokaryota celler saknas organellerna som anges ovan, typiska för eukaryoter. Deras kärn-DNA separeras inte från cytoplasman av ett membran. Grundläggande skillnader i strukturen hos prokaryota och eukaryota celler var orsaken till separationen av prokaryota mikroorganismer, belägna på den mest primitiva nivån av cellulär organisation, till det speciella kungariket Mopega (R. Whittaker). Mikroskopiska, mestadels encelliga, odifferentierade livsformer inkluderar kungariket Protista. Flercelliga eukaryoter representeras av tre riken: Plantae (växter), Svampar (svampar) och Animalia (djur).
Storleken på de flesta bakterier är i intervallet 0,5-3 mikron, men det finns "jättar" och "dvärgar" bland dem. Till exempel når längden på en spiroketcell 500 mikron. De minsta av prokaryota celler är bakterier som tillhör mykoplasmagruppen, deras celldiameter är 0,1-0,15 mikron. Under lång tid trodde man att prokaryota celler har formen av en sfär (kocker), cylinder (stavar) eller spiral (spirilla eller vibrio). I Nyligen det visas att, förutom de angivna formerna, bakterier också kan ha formen av en ring eller en stjärna; Vissa arter kännetecknas av förgrening. Flercelliga prokaryoter är kluster av olika konfigurationer, oftast filament.
Bakterier är extremt olika vad gäller levnadsförhållanden, anpassningsförmåga, typer av näring och produktion av bioenergi, i förhållande till makroorganismer - djur och växter. De äldsta formerna av bakterier - arkebakterier kan leva under extrema förhållanden (höga temperaturer och tryck, koncentrerade saltlösningar, sura lösningar). Eubakterier (typiska prokaryoter eller bakterier) är mer känsliga för miljöförhållanden.
Bakterier är lämpliga föremål för genetisk forskning. Den mest studerade och allmänt använda inom genteknikforskning är Escherichia coli (E. coli), som lever i människans tarm.
Växter inkluderar alger, som är vattenlevande organismer, och högre växter, som huvudsakligen lever på land. Alger har inga organ eller vävnader och består av odifferentierade (identiska) celler. Agar-agar och alginater erhålls från alger - polysackarider som används för framställning av mikrobiologiska medier och i livsmedelsindustrin. Högre växterär flercelliga organismer med specialiserade organ - rötter, stjälkar, löv. De består av vävnader som bildas av specialiserade celler. Växter fungerar som leverantörer av näringsämnen till andra organismer.
Trots det faktum att traditionella metoder för att extrahera fysiologiskt aktiva och medicinska föreningar från växter (extraktion, destillation, filtrering) fortfarande används i stor utsträckning, är tekniker för att erhålla biologiskt aktiva substanser från cellkulturer, såväl som produktion av produkter från genetiskt modifierade växter, blir allt viktigare.
Svampar kombinerar egenskaper hos växt- och djurceller. De har en cellkärna och, precis som växter, en stark cellvägg. Liksom djurceller kan de syntetisera polysackarider - kitin och glykogen och kräver vissa vitaminer. Mikroskopiska svampar är särskilt intressanta för bioteknik - jäst, mögelsvampar, högre svampar, som används inom bak-, brygg- och mejeriindustrin, samt för produktion av organiska syror, alkoholer, antibiotika, foderprotein och olika biologiskt aktiva ämnen.
Ett exempel på sådan teknik är tillverkningen av det antivirala läkemedlet interferon, som används för att förebygga och behandla influensa och andra virusinfektioner. Den mest lovande metoden för framställning av biologiskt aktiva ämnen är Genteknik. I synnerhet är det så här humant insulin, ett proteinhormon, erhålls.
S.V. Makarov, T.E. Nikiforova, N.A. Kozlov
Objekt som används inom bioteknik (de inkluderar representanter för både prokaryoter och eukaryoter) är extremt olika i sin strukturella organisation och biologiska egenskaper. Bioteknikobjekt inkluderar:
Bakterier och cyanobakterier;
Tång;
lavar;
Vattenväxter;
Växt- och djurceller.
Gruppen lägre växter omfattar både mikroskopiskt små organismer (encelliga och flercelliga) och mycket stora. Men de är alla förenade så här gemensamma drag, såsom bristen på uppdelning av kroppen i vegetativa organ och en mängd olika metoder för reproduktion.
De lägre divisionerna inkluderar följande: Virus, Bakterier, en grupp av divisioner: Alger (blågröna, gröna, kiselalger, bruna, röda, etc.), myxomyceter, svampar, lavar. Enligt näringsmetoden är de indelade i två grupper: autotrofer (alger och lavar), som kan fotosyntes, och heterotrofer (virus, bakterier - med några få undantag - myxomyceter, svampar), med hjälp av färdiga organiska ämnen för näring .
Lägre växter har gått långt historisk väg utveckling, men många av deras företrädare behöll fortfarande särdragen hos en primitiv organisation. På ett visst utvecklingsstadium gav de upphov till högre växter, vars krona är angiospermer.
Strukturera. Virala partiklar (virioner) har en proteinkapsel - en kapsid som innehåller det virala genomet, representerat av en eller flera DNA- eller RNA-molekyler. Kapsiden är uppbyggd av kapsomerer - proteinkomplex som i sin tur består av protomerer. Virioner har ofta en regelbunden geometrisk form (ikosaeder, cylinder). Denna kapsidstruktur tillhandahåller identiteten för bindningarna mellan dess ingående proteiner och kan därför byggas från standardproteiner av en eller flera arter, vilket gör att viruset kan "rädda" utrymme i genomet. Kapsidproteiner är komplementära till vissa molekylära strukturer i värdcellen och interagerar med dem som är nödvändiga för virusets penetration och existens. Kapsiden skyddar viruset endast utanför en levande cell. Utanför värdcellen beter sig virus som en substans (kan erhållas i kristallin form); Väl i en levande cell visar de återigen aktivitet.
Infektionsmekanism. Konventionellt kan processen med virusinfektion på en cells skala delas in i följande steg.
Fäst till cellmembranet är den så kallade adsorptionen. Vanligtvis, för att ett virus ska kunna adsorberas på ytan av en cell, måste det ha ett specifikt protein (ofta ett glykoprotein) i sitt plasmamembran - en receptor som är specifik för ett visst virus. Närvaron av en receptor bestämmer ofta värdområdet för ett givet virus, såväl som dess vävnadsspecificitet.
Penetration in i cellen. I detta skede behöver viruset leverera sin genetiska information inuti cellen. Vissa virus introducerar också sina egna proteiner som är nödvändiga för dess genomförande. Olika virus använder olika strategier för att komma in i en cell. Virus skiljer sig också åt i lokaliseringen av deras replikation: vissa virus förökar sig i cellens cytoplasma och några i dess kärna.
Cellomprogrammering. När en cell infekteras med ett virus aktiveras speciella antivirala försvarsmekanismer. Infekterade celler börjar syntetisera signalmolekyler, såsom interferoner, som omvandlar omgivande friska celler till ett antiviralt tillstånd och aktiverar immunsystemet. Skador orsakade av att viruset förökar sig i en cell kan upptäckas av interna cellkontrollsystem, och cellen måste "begå självmord" i en process som kallas apoptos (eller programmerad celldöd). Dess överlevnad beror direkt på virusets förmåga att övervinna antivirala försvarssystem. Det är inte förvånande att många virus, när de utvecklas, har fått förmågan att undertrycka syntesen av interferoner, det apoptotiska programmet etc. Förutom att undertrycka antiviralt försvar strävar virus efter att skapa de mest gynnsamma förhållandena i cellen för utvecklingen av deras avkomma.
Uthållighet. Vissa virus kan gå in i ett latent tillstånd (så kallad persistens), svagt störa de processer som sker i cellen, och aktiveras endast under vissa förhållanden. Till exempel är reproduktionsstrategin för vissa bakteriofager baserad på detta: så länge som den infekterade cellen befinner sig i en gynnsam miljö dödar fagen den inte, den ärvs av dotterceller och är ofta integrerad i det cellulära genomet. Däremot om en faginfekterad bakterie kommer in ogynnsam miljö patogenen tar kontroll över cellulära processer så att cellen börjar producera material från vilka nya fager byggs. Cellen förvandlas till en "fabrik" som kan producera många tusen fager. Mogna partiklar som lämnar cellen bryts isär cellmembranet och därigenom dödar cellen. Vissa cancerformer är förknippade med ihållande virus.
Skapande av nya virala komponenter. I det mest allmänna fallet involverar virusreplikering tre processer:
Transkription av det virala genomet, dvs syntes av viralt mRNA;
Translation av mRNA, dvs syntes av virala proteiner;
Replikation av det virala genomet.
Många virus har kontrollsystem som säkerställer optimal konsumtion av värdcellsbiomaterial. Till exempel, när tillräckligt mycket viralt mRNA har ackumulerats, undertrycks transkription av det virala genomet, och replikation, tvärtom, aktiveras.
Virionmognad och utträde ur cellen. Så småningom "kläs" det nysyntetiserade genomiska RNA:t eller DNA:t med lämpliga proteiner och lämnar cellen. Det bör noteras att ett aktivt replikerande virus inte alltid dödar värdcellen. I vissa fall knoppar dottervirus från plasmamembranet utan att få det att brista. Således kan cellen fortsätta att leva och producera viruset.
Klassificering av virus. Systematiken och taxonomin för virus kodifieras och underhålls av International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV), som även upprätthåller den taxonomiska databasen The Universal Virus Database ICTVdB.
Formen för representation av genetisk information ligger till grund för den moderna klassificeringen av virus. För närvarande är de uppdelade i DNA- och RNA-virus.
Betydelsen av virus. Virus orsakar ett antal farliga sjukdomar hos människor (smittkoppor, hepatit, influensa, mässling, polio, AIDS, cancer, etc.), växter (mosaiksjukdom av tobak, tomat, gurka, dvärgväxt, jordgubbsvissning), djur (svinpest, fot och munsjukdom) . Men preparat av motsvarande bakteriofager används för att behandla bakteriella sjukdomar - dysenteri och kolera.
Produktionen av interferon, ett speciellt cellulärt protein som förhindrar spridning av virus, används i stor utsträckning inom medicin, särskilt under utbrott av influensaepidemier. Detta ämne universell handling, aktiv mot många virus, även om olika viruss känslighet för det varierar. Eftersom interferon är en produkt av själva cellen saknar interferon helt toxiska effekter på den. Numera används färdigt interferon, det kan syntetiseras i celler som odlas utanför kroppen.
3. Bakterier
Fram till slutet av 1970-talet. termen "bakterie" fungerade som en synonym för prokaryoter, men 1977, baserat på molekylärbiologiska data, delades prokaryoter in i arkebakterier och eubakterier (egentligen bakterier).
Bakteriers struktur. De allra flesta bakterier (med undantag för aktinomyceter och filamentösa cyanobakterier) är encelliga. Beroende på formen på cellerna kan de vara sfäriska (kocker), stavformade (baciller, klostridier, pseudomonader), krystade (vibrios, spirillum, spirochetes), mer sällan - stjärnformade, tetraedriska, kubiska, C- eller O- formad. De väsentliga cellulära strukturerna hos bakterier är:
nukleoid;
Ribosomer;
Cytoplasmatiskt membran (CPM).
Prokaryoter, till skillnad från eukaryoter, har inte en separat kärna i cytoplasman. All genetisk information som behövs för bakteriers liv finns i ett dubbelsträngat DNA (bakteriell kromosom), som har formen av en sluten ring. Den är kopplad till CPM vid ett tillfälle. Ovikt DNA är mer än 1 mm långt. Bakteriekromosomen presenteras vanligtvis i en enda kopia, dvs nästan alla prokaryoter är haploida, även om en cell i vissa fall kan innehålla flera kopior av sin kromosom. Kromosomdelning åtföljs av celldelning. Den region av cellen där kromosomen är lokaliserad kallas nukleoid; den är inte omgiven av ett kärnmembran. 1$ samband med detta är nysyntetiserat mRNA omedelbart tillgängligt för bindning till ribosomer, dvs. processerna för transkription och translation kan ske samtidigt. Det finns ingen nukleolus.
Förutom kromosomen innehåller bakterieceller ofta plasmider - små DNA-molekyler slutna i en ring som är kapabla till oberoende replikering. De innehåller ytterligare gener som endast behövs under specifika förhållanden. De kodar för mekanismer för resistens mot vissa läkemedel, förmågan att överföra gener under konjugering, syntesen av ämnen av antibiotikakaraktär, förmågan att använda vissa sockerarter eller säkerställa nedbrytningen av ett antal ämnen. Det vill säga plasmider fungerar som anpassningsfaktorer. I vissa fall kan plasmidgener integreras i den bakteriella kromosomen.
Ribosomer av prokaryoter skiljer sig från eukaryoter och har en sedimentationskonstant på 70 S (i eukaryoter - 80 S).
U olika grupper Prokaryoter har lokala invaginationer av CPM - mesosomer, som utför olika funktioner i cellen och delar upp den i funktionellt olika delar. Man tror att mesosomer deltar i bakteriedelning. När redoxenzymer finns på mesosomernas membran är de ekvivalenta med mitokondrierna i växt- och djurceller. I fotosyntetiska bakterier är ett pigment - bakterioklorofyll - inbäddat i membranens invaginationer. Med dess hjälp utförs bakteriell fotosyntes.
På utsidan av CPM finns flera lager (cellvägg, kapsel, slemhinna), som kallas cellmembranet, samt ytstrukturer (flagella, villi, pili).
I bakterier finns det två huvudtyper av cellväggsstruktur, karakteristiska för grampositiva och gramnegativa arter. Gram-positiva bakteriers cellvägg är ett homogent skikt 20-80 nm tjockt, byggt huvudsakligen av murein peptidoglykan med en stor mängd teichoic syror och en liten mängd polysackarider, proteiner och lipider. Hos gramnegativa bakterier ligger peptidoglykanskiktet löst intill CPM och har en tjocklek på endast 2-3 nm. Den är omgiven av ett yttre membran, som i regel har en ojämn, krökt form.
På utsidan av cellväggen kan det finnas en kapsel - ett amorft lager av hydratiserade polysackarider som håller kontakten med väggen. Slemskikten har inget samband med cellen och separeras lätt, medan höljena inte är amorfa, utan har en fin struktur.
Många bakterier är kapabla till aktiv rörelse med hjälp av flageller - utväxter av cytoplasman.
Reproduktion av bakterier. Bakterier har ingen sexuell process och förökar sig endast genom lika binär tvärdelning eller knoppning. För en grupp av encelliga cyanobakterier har multipel fission (en serie av snabba successiva binära divisioner som leder till bildandet av 4 till 1000 nya celler under modercellsmembranet) beskrivits.
Hos prokaryoter kan horisontell genöverföring ske. Under konjugering överför donatorcellen en del av sitt genom (i vissa fall hela arvsmassan) till mottagarcellen vid direkt kontakt. Sektioner av donatorcellens DNA kan bytas ut mot homologa sektioner av mottagarens DNA. Sannolikheten för ett sådant utbyte är endast signifikant för bakterier av en art.
En bakteriecell kan också absorbera DNA som är fritt närvarande i miljön och införliva det i dess genom. Denna process kallas transformation. Under naturliga förhållanden sker utbytet av genetisk information med hjälp av bakteriofager (transduktion). Vid horisontell överföring bildas inte nya gener, utan olika genkombinationer skapas. Dessa egenskaper hos bakterier är mycket viktiga för genteknik.
Sporulation i bakterier. Vissa bakterier bildar sporer. Deras bildning är typisk för särskilt resistenta former med långsam metabolism och tjänar till bevarande under ogynnsamma förhållanden, såväl som för distribution. Sporer kan kvarstå under lång tid utan att förlora livskraft. Endosporerna från många bakterier klarar således 10 minuters kokning vid 100 °C, torkning i tusen år och, enligt vissa data, förbli livskraftiga i jordar och stenar i miljontals år.
Metabolism av bakterier. Med undantag för vissa specifika punkter liknar de biokemiska vägarna genom vilka syntesen av proteiner, fetter, kolhydrater och nukleotider utförs i bakterier desamma som i andra organismer. Bakterier skiljer sig dock åt i antalet möjliga biokemiska vägar och följaktligen i graden av beroende av tillförseln av organiska ämnen utifrån. Vissa bakterier kan syntetisera alla organiska molekyler de behöver från icke organiska föreningar(autotrofer), medan andra kräver färdiga organiska föreningar, som de bara kan omvandla (heterotrofer).
Klassificering av bakterier. Den mest kända fenotypiska klassificeringen av bakterier är baserad på strukturen av deras cellvägg. På grundval av denna klassificering byggdes Bergey's Determinant of Bacteria, vars nionde upplaga publicerades 1984-1987. De största taxonomiska grupperna i den var fyra divisioner: Gracilicutes (Gram-negativ), Firmicutes (Gram-positiv), Tenericutes (mycoplasmas) och Mendosicutes (archaea).
Betydelsen av bakterier. Saprofytiska bakterier spelar en stor roll i kretsloppet av ämnen i naturen och förstör dött organiskt material i ekosystemen. Deras roll i alla biogeokemiska kretslopp på vår planet är välkänd. Bakterier deltar i kretsloppen av kemiska grundämnen (kol, järn, svavel, kväve, fosfor, etc.), i markbildningsprocesser och bestämmer markens bördighet.
Många bakterier "bebor" djurens och människors organismer och skyddar vår hälsa.
De biotekniska funktioner som bakterier utför är varierande. De används vid tillverkning av olika ämnen: vinäger (Gluconobacter suboxidans), mjölksyradrycker och produkter (Lactobacillus, Leuconostoc), såväl som mikrobiella insekticider (Bacillus thuringiensis) och herbicider, proteiner (Methylomonas), vitaminer (Clostridium - riboflavin) ; vid bearbetning av avfall, framställning av bakteriegödsel, lösningsmedel och organiska syror, biogas och fotoväte. Egenskapen hos vissa bakterier, såsom diazotrofi, dvs förmågan att fixera atmosfäriskt kväve, används i stor utsträckning.
På grund av deras snabba tillväxt och reproduktion, såväl som deras enkla struktur, används bakterier aktivt i vetenskaplig forskning i molekylärbiologi, genetik och biokemi, i genteknikarbete i skapandet av genomiska klonbibliotek och införandet av gener i växtceller (agrobakterier). Information om bakteriers metaboliska processer har gjort det möjligt att producera bakteriell syntes av vitaminer, hormoner, enzymer, antibiotika, etc.
Lovande områden inkluderar rening av jordar och vattendrag som är förorenade med petroleumprodukter eller främlingsfientliga ämnen med hjälp av bakterier, samt anrikning av malmer med svaveloxiderande bakterier.
Vi får inte glömma att vissa typer av bakterier orsakar farliga sjukdomar hos människor (pest, kolera, tuberkulos, tyfoidfeber, mjältbrand, botulism, etc.), djur och växter (bakterios). Vissa typer av bakterier kan förstöra metall, glas, gummi, bomull, trä, oljor, fernissor och färger.
Kemisk-biologiska processer innefattar sådana där biologiska föremål av olika karaktär (mikrobiella, växter eller djur) används, till exempel vid framställning av produkter för olika ändamål
Antibiotika, vacciner, enzymer, foder- och livsmedelsprotein, hormoner, aminosyror, biogas, organiska gödningsmedel m.m.
Bioteknologiska objekt är mycket olika och deras räckvidd sträcker sig från organiserade delar (virus) till människor (Fig. 1.1.).
Biologiska föremål kännetecknas av sådana indikatorer som nivån på strukturell organisation, förmågan att reproducera (eller reproducera), närvaron eller frånvaron av sin egen metabolism när de odlas under lämpliga förhållanden. När det gäller naturen hos biologiska objekt bör detta förstås som deras strukturell organisation. I detta fall kan biologiska objekt vara molekyler (enzymer, immunmodulatorer, nukleosider, oligo- och polypeptider etc.), organiserade delar (virus, fager), encelliga (bakterier, jäst) och flercelliga individer (trådformiga högre svampar, växtvävnader, enskiktskulturer av däggdjursceller), hela organismer av växter och djur. Men även när en biomolekyl används som ett objekt för bioteknik, utförs dess initiala biosyntes i de flesta fall av motsvarande celler. Följaktligen kan det hävdas att bioteknikens föremål antingen tillhör mikrober eller växt- och djurorganismer.
Oavsett biologiska objekts systematiska position använder de alltså i praktiken antingen naturligt organiserade partiklar (fager, virus) och celler med naturlig genetisk information, eller celler med artificiellt given genetisk information, det vill säga i alla fall använder de celler - antingen en mikroorganism, en växt, ett djur eller människa. Nuförtiden är majoriteten av biotekniska objekt mikrober, vars värld är mycket stor och mångfaldig. Dessa inkluderar alla prokaryoter - bakterier, aktinomyceter, rickettsia, blågröna alger och några eukaryoter - jäst, filamentösa svampar, protozoer och alger (Fig. 1.2). Mikrober bland växter inkluderar mikroskopiska alger, och bland djur finns mikroskopiska protozoer. Grunden för modern bioteknisk produktion är mikrobiologisk syntes, d.v.s. syntes av olika ämnen med hjälp av mikroorganismer. Föremål av vegetabiliskt och animaliskt ursprung har ännu inte hittat någon bred spridning på grund av de höga kraven på odlingsförhållanden, vilket gör produktionen mycket billigare.
För implementering av biotekniska processer är viktiga parametrar för biologiska objekt: renhet, cellreproduktionshastighet och reproduktion av virala delar, aktivitet och stabilitet hos biomolekyler eller biosystem.
Vid användning av enzymer (i isolerat eller immobiliserat tillstånd) som biokatalysatorer finns det ett behov av att skydda dem från förstörelse av banal saprofytisk mikroflora, som kan tränga in i den biotekniska processen från utsidan på grund av systemets osterilitet, t.ex. till läckande utrustning. Hastigheten för cellreproduktion och reproduktion av virala delar är direkt proportionell mot ökningen av biomassa och bildningen av metaboliter.
Aktiviteten och stabiliteten hos biologiska objekt i ett aktivt tillstånd är de viktigaste indikatorerna på deras lämplighet för långvarig användning inom bioteknik.
Huvudlänken i den biotekniska processen, som bestämmer dess väsen, är cellen. Det är i den som målprodukten syntetiseras. Enligt det träffande uttrycket av Ovchinnikov Yu.A. (1985) är cellen en kemisk anläggning i miniatyr som arbetar med kolossal produktivitet, med yttersta konsekvens och enligt ett givet program. Hundratals komplexa föreningar syntetiseras i den varje minut, inklusive gigantiska biopolymerer, främst proteiner.
Biotekniska metoder. Bioteknik har sina egna specifika metoder. Detta är en storskalig djupodling av biologiska föremål i ett periodiskt, semi-kontinuerligt eller kontinuerligt läge och odling av växt- och djurvävnadsceller under speciella förhållanden. Biotekniska metoder för att odla biologiska föremål utförs i specialutrustning, till exempel odlas bakterier och svampar i fermentorer för att få antibiotika, enzymer, organiska syror, vissa vitaminer m.m.
Vissa mänskliga celler (blaster) odlas i sådana fermentorer för att producera interferonprotein, liksom vissa typer av växtceller. De senare odlas dock oftare under stationära förhållanden på ett medium med en komprimerad (till exempel agar) foder i glas- eller polyetenbehållare.
Andra metoder som används inom bioteknik delas, till exempel med metoder inom mikrobiologi, biokemi, organisk kemi och andra vetenskaper. Det är särskilt nödvändigt att lyfta fram de metoder för cellulär och genteknik som ligger till grund för modern bioteknik.
Skillnaden mellan metoderna som används inom bioteknik är att de som regel måste utföras under aseptiska förhållanden (från grekiskan a - nej, septicos - putrefactive), d.v.s. att utesluta möjligheten att patogena och saprofytiska mikroorganismer kommer in i miljön där biologiska föremål odlas.
Patogena arter utgör ett omedelbart hot mot mänsklig produktionsverksamhet och mot konsumenter slutprodukter; saprofytiska arter kan fungera som konkurrenter till näringssubstrat, antagonister och producenter av giftiga ämnen, inklusive pyrogener.
Bioteknikobjekt. Virus. Eubakterier. Svampar. Lavar. Växter. Djur. Strukturen hos djur- och växtceller.
Biotekniska objekt finns på olika organisationsnivåer:
a) subcellulära strukturer (virus, plasmider, mitokondrie- och kloroplast-DNA, nukleärt DNA);
b) bakterier och cyanobakterier;
d) alger;
e) protozoer;
f) växt- och djurcellskulturer;
g) växter – lägre (anabena-azolla) och högre – andmat.
Objekt för bioteknik är olika representanter för den levande naturen, som är indelade i tre superriken: akaryoter (icke-nukleära), prokaryoter (prenukleära) och eukaryoter (nukleära) och 5 kungariken: virus, bakterier, inklusive mikroskopiska alger, svampar, samt växter och djur, inklusive protozoer.
Svampar, som omfattar tiotusentals arter, kombinerar egenskaperna hos växt- och djurceller. De har en cellkärna, som växter - en stark cellvägg; liknande djurceller behöver de vissa vitaminer och kan syntetisera polysackarider som är karakteristiska för djur: kitin och glykogen. Av störst intresse för biotekniken är mikroskopiska svampar, som inkluderar jäst, mögel och andra mikroorganismer som används inom bakning, bryggning och mejeriindustrin. De används också för att producera alkoholer, organiska syror, antibiotika, olika biologiskt aktiva ämnen och foderprotein.
En oberoende grupp av organismer som representerar en symbios (samlevnad) av svampar med alger eller cyanobakterier består av lavar, som är lovande källor till ett antal biologiskt aktiva ämnen.
Växter, med cirka 500 000 arter består de av kärnförsedda celler som har en komplex struktur och utför olika specialiserade funktioner. Dessa inkluderar alger, som är vattenlevande organismer, och högre växter, som huvudsakligen lever på land. Alger skiljer sig från högre växter genom att de inte har organ och vävnader, utan är thalli som består av odifferentierade (identiska) celler. Precis som andra växter har alger förmågan att fotosyntetisera och är rika på olika kolhydrater och pigment. En typ av alger, tång, används som föda. Agar-agar och alginater utvinns från alger - polysackarider som används för framställning av mikrobiologiska medier inom livsmedelsindustrin och kosmetologin.
Högre växter är flercelliga organismer med specialiserade organ som rötter, stjälkar och löv. De består av vävnader som bildas av differentierade celler. Tyger varierar kemisk sammansättning, strukturera och utföra olika funktioner: mekaniska, integumentära, exkretoriska, ledande och andra. Av särskild betydelse för biotekniken är en av växtvävnaderna, kallad meristemet. Meristemets celler kan delas, på grund av vilken tillväxt sker, såväl som bildandet av vävnader och växtorgan. De förlorar inte sin förmåga att dela sig även efter att de tagits bort från växten. När de odlas på speciella näringsmedier producerar meristemceller en massa delande celler - kallus, som kan odlas under lång tid, nya växter kan erhållas från det, eller användas för att extrahera nödvändiga ämnen. Det svåraste, men effektivare, är odlingen av enskilda växtceller i flytande media (i suspensionskulturer). Tack vare växternas förmåga att fånga ljusenergi från solen och använda den i syntesen av organiska ämnen, fungerar växter som leverantörer av näringsämnen till andra organismer. Växter utgör mest jordens biomassa, därför har produktion och bearbetning av växtråvaror för att möta olika mänskliga behov använts sedan urminnes tider. Eftersom de är rika och oersättliga källor till olika kolhydrater, lipider, vitaminer och många andra fysiologiskt aktiva och medicinska ämnen, tjänar växter främst för att få dem. Trots bioteknikens enastående prestationer används traditionella metoder för att extrahera biogena föreningar: extraktion, destillation, filtrering. Allt stor roll skaffa teknologier för att erhålla biologiskt aktiva substanser från cellkulturer (biostimulanter från ginseng, anticancermedel Taxol från idegranbark, etc.), samt produktion av produkter från genetiskt modifierade växter.
Växt- och djurceller är komplext organiserade formationer, bestående av cytoplasma och en tätare kärna. Cytoplasman innehåller intracellulära organeller: mitokondrier, ribosomer och lysosomer, grova och släta membran i det endoplasmatiska retikulumet, nedsänkt i cellens vattenlösliga medium - cytosolen. Cellen är omgiven av ett plasmamembran, som har selektiv permeabilitet på grund av närvaron av speciella mekanismer för att transportera ämnen. Cellkärnor tjänar till att lagra genetisk information, vars bärare är DNA.
Mitokondrier förser cellen med energi genom oxidation av ämnen med deltagande av syre. De syntetiserar också sina egna mitokondriella proteiner. Detta är ett undantag från allmän regel. Alla andra cellulära proteiner syntetiseras på ribosomer.
Förknippad med membranen i det endoplasmatiska retikulumet är Golgi-apparaten, som är ett system av mikrotubuli. I Golgi-apparaten sker kemiska modifieringsreaktioner av proteiner, liksom syntesen av reservämnen och ämnen som utsöndras från cellen.
Den flytande delen av cellen - cytosolen - innehåller syntesenzymer och anaerob oxidationämnen, såväl som organiska och oorganiska föreningar med låg molekylvikt.
Ett kännetecken för strukturen hos växtceller är närvaron av kloroplaster, i vilka fotosyntesprocesser förekommer. Från djurceller växtcell Det kännetecknas också av en solid vägg, som innehåller ämnen av polysackaridnatur (cellulosa, hemicellulosa, pektiner) och den polyfenoliska polymeren lignin.
- I kontakt med 0
- Google+ 0
- OK 0
- Facebook 0
