![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Глава 7. Техническая вооруженность биотехнологических
- •Глава 8. Отходы биотехнологических производств,
- •Часть IV.
- •Глава 9. Микробиотехнология 374
- •Глава 10. Фитобиотехнология 489
- •Глава 11. Зообиотехнология 532
- •Часть I
- •Глава 1
- •Глава 2
- •Часть II.
- •Глава 3
- •Глава 4
- •I Iсвязанн
- •Глава 5.
- •Часть III.
- •Глава 6,
- •Декарбокси- лазы, редуктазы
- •Глава 7.
- •3600 15715 1* 900 1-2 (Диаметр рабочего колеса 960 мм) 4
- •7.2. Некоторые особенности культивирования биообъектов.
- •Глава 8.
- •Часть IV. Специальные биотехнологии
- •Глава 9.
- •9.3. Микробиотехнологические процессы
- •Глава 10.
- •Глава 11. .
- •Аминоптерин (4-аминофопиевая кислота)
Глава 2
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы — микроминеты и макромицеты, протозойные организмы, клетки
22
(ткани) растений, животных и человека, некоторые биогенные и функционально сходные с ними вещества (например, ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты и др.). Следова- тельно, объекты биотехнологии могут быть представлены органи- зованными частицами (вирусы), клетками (тканями) или их мета- болитами (первичными, вторичными). Даже при использовании биомолекулы как объекта биотехнологии исходный биосинтез ее осуществляется в большинстве случаев соответствующими клет- ками. В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относятся либо к микробам, либо к растительным и животным организмам. В свою очередь организм можно образно характери- зовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, само- регулируемого и, следовательно, целенаправленного биохимиче- ского производства, устойчиво и активно протекающего при оп- тимальном поддержании всех необходимых параметров. Из такого определения следует, что вирусы не являются организмами, но по содержанию молекул наследственности, приспособляемости, из- менчивости и некоторым другим свойствам они относятся к пред- ставителям живой природы.
Как видно из приводимой схемы, объекты биотехнологии исключительно разнообразны, диапазон их распространяется от организованных частиц (вирусов) (рис. 1А) до человека.
Вирусы занимают положение между живой и неживой приро- дой, у них нет ядра, хотя имеется наследственный ядерный мате- риал — рибонуклеиновая кислота (РНК) или дезоксирибонуклеи- новая кислота (ДНК).
В отличие от микробов клеточной организации РНК и ДНК в вирусных частицах вместе никогда не обнаруживаются.
Из сказанного следует, что названия "биологическая техноло- гия, или биотехнология" и "биохимическая технология" тождест- венны, так как биологические процессы, используемые в технике и промышленном производстве, базируются на биохимической основе.
В настоящее время большинство объектов биотехнологии со- ставляют микробы, относящиеся к трем надцарствам (безъядер- ные, предъядерные, ядерные) и пяти царствам (вирусы, бактерии, грибы, растения и животные). Причем первые два надцарства состоят исключительно из микробов, тогда как третье — преиму- щественно из растений и животных.
23
Безъядерные (Асагуо1ае) |
Н адцарст в а Предъядерные (Ргосагуо1ае) |
Ядерные (Еисагуо1ае) |
||
Царства |
||||
Вирусы (Уца) |
Бактерии (Вас1ег1а) |
Ж (А |
Расте (Р1ап явотщ лшаП |
А Грибы (Мусо1а) ния 1ев). ле а) • |
Морфологическая элементарная единица |
||||
1 Неклеточная организованная частица |
Клетка |
Клетка |
||
Тип содержащейся нуклеиновой кислоты - ДНК и/или РНК |
||||
1 ДНК или РНК (никогда вместе) |
1 ДНК и РНК |
1 ДНК и РНК |
Микробами среди растений являются микроскопические водо- росли (А1дае), а среди животных — микроскопические простейшие (Рго1о2оа). Из эукариот к микробам относятся грибы и, при опре- деленных оговорках, лишайники, которые являются природными симбиотическими ассоциациями микроскопических грибов и мик- роводорослей или грибов и цианобактерий.
В первой половине XIX в. было сделано одно из самых основных обобщений биологии — клеточная теория (М. Шлейден, Т. Шванн, Р. Вирхов), которая стала общепризнанной. Она же оказалась фундаментом науки — цитология (от греч. кНоб — полость). Из всех объектов биотехнологии лишь вирусы, вироиды и биомоле- кулы не имеют клеточной организации. Однако вирусы, находясь в клетках, ведут себя как живые существа — они реплицируются ("размножаются") и их генетический материал функционирует, в
24
основном! по общим законам, присущим клеткам любого проис- хождения. По мере совершенствования методов' и техники цито- логических исследований ученые глубже проникают в сущность организованных частиц и клеток, а в результате такого проникно- вения удается обосновать принадлежность всех живых существ к трем надцарствам: Асагуо1ае — безъядерные, Ргосагуо1;ае — предъ- ядерные и Еисагуохае — ядерные (от греч. а — нет, рго — до, ей — хорошо, полностью, кагуоп — ядро). К первому относятся организованные частицы — вирусы и вироиды, ко второму — бактерии, к третьему — все другие организмы (грибы, водоросли, растения, животные).
Несмотря на то, что представители всех надцарств содержат генетический материал, различные акариоты лишены какого-либо одного типа нуклеиновой кислоты РНК или ДНК. Они не способны функционировать (в том числе — реплицироваться) вне живой клетки, и, следовательно, правомочно именовать их безъядерными.
Бактерии имеют клеточную организацию и у них имеются нуклеиновые кислоты обоих типов — РНК и ДНК, из которых ДНК представлена в виде одиночной (кольцевидной) хромосомы. Боль- шинство из них размножается на питательных средах (вне орга- низма), а если среди бактерий и есть безусловные (облигатные) паразиты, приближающиеся по данному признаку к вирусам (хла- мидии, спироплазмы, риккетсии), то паразитизм их отличается по своему механизму — его можно назвать клеточным. Паразитизм вирусов развивается на генетическом уровне. Таким образом, бактерии — это организмы, состоящие из функционально связан- ных структур, в том числе, генетических. Несмотря на то, что генетические структуры бактериальной клетки функционируют полноценно, они не сгруппированы в форме отграниченного ядра, и поэтому бактерии отнесены к предъядерным (прокариотическим) организмам.
Клетки грибов,-водорослей, растений и животных имеют на- стоящее, отграниченное от цитоплазмы, ядро и поэтому их относят к эукариотам.
2.1. Вирусы. Среди микробов вирусы характеризуются наименьшей величиной — они измеряются в нанометрах (нм.), и облигатным паразитизмом. Последний признак положен в основу классификации их на вирусы бактерий, или бактериофаги, вирусы растений и вирусы животных; имеются также и вирусы грибов. Как уже было сказано, структурно вирусы представляют собой организованные частицы, содержащие один какой-либо тип нук- леиновой кислоты (РНК или ДНК), не обладающие собственным
25
обменом веществ, но способные к репликации в клетках организ- ма-хозяина или интеграции с его геномом, ведя при этом "скрытое существование". Под организованностью вирусной частицы пони- мают специфическое построение, или архитектонику (от греч. агсЫ — начальный, главный, первый, 1ес1оп — искусник, мастер) струк- турных блоков, характерную для того или иного вируса, сущест- вующего вне организма — вирион(см. рис. 22а). Каждый вирион в очищенном виде представляет собой истинный кристалл, кото- рый построен из нуклеиновой кислоты и белка, не связанных друг с другом ковалентными связями. Понятие "вирион" относится к интактной вирусной частице (от лат. пйасШз — нетронутый, неповрежденный), способный к инфицированию или заражению (от лат. ццесшоБШ — заразный).
Нуклеиновые кислоты — вещества наследственности вирусов. По типу нуклеиновой кислоты их подразделяют на РНК-содержа- щие вирусы и ДНК-содержащие вирусы. К первым относят все вирусы растений, ко вторым — большинство бактериофагов, ряд вирусов человека и животных (аденовирусы, вирусы герпеса, осповакцины и др.).
Белок структурируется вокруг вирусной нуклеиновой кислоты (генома) в виде оболочки и называется капсидом. Форма вириона определяется его капсидом. Вместе с нуклеиновой кисло- той капсид образует нуклеокапсид.
Примерный перечень вирусов включает 17 семейств вирусов позвоночных и 7 семейств вирусов беспозвоночных животных, 10 семейств вирусов бактерий. Описаны 20 родов вирусов растений и 5 родов вирусов грибов. Классификационные схемы вирусов до конца еще не устоявшиеся, к тому же открывают новые для науки вирусы (пример с вирусами эбола, иммунодефицита человека — ВИЧ). Представителями ДНК-содержащих вирусов являются ви- русы контагиозного моллюска, оспы, герпеса, большинство фагов бактерий; РНК-содержащими являются вирусы растений, вирусы гриппа человека, бешенства, полиомиелита и др.
2.1.1. Вироиды. В 1971 г. Т. О. Динер (США) впервые описал субвирусный возбудитель (патоген) веретеновидности клубней картофеля (ВВКК), названный вироидом. К 1984 г. было известно 10 болезней культурных растений (в том числе — зерновых), вызываемых вироидами. По молекулярной структуре вироиды представляют собой одноцепочечные, ковалентно замкнутые, коль- цевые молекулы РНК, лишенные капсидов. Число нуклеотидов в таких РНК находится в пределах 240 — 400. По форме вироиды
26
могут быть линейные и кольцевидные, они способны принимать шпилечную, квазидвухцепочечную конформацию (от лат. диав1 — якобы, как-будто, почти, близко; сопгогтайо — форма, расположе-
«г»
та.
Рис. 1. Бактериофаг Т2(А):1 — капсомеры, по- крывающие головку, 2— воротничок, 3 — шей- ка, 4 — полый стержень, 5 — чехол, 6 -— нити, 7 — икосаэдрическая головка; мендсикуты Б (а- д): галобактерии (а), метанобактерии (6), вегета- тивные формы (в) и покоящиеся формы (г); термоацидофилы (д); тенерикуты (е): микоплаз- мы (ж), спироплазмы (з).
ние). Каждый тип вироида, например ВВКК или вироид зкзокор- тиса цитрусовых (ВЭЦ), содержит уникальный, только ему прису- щий, особый вид низкомолекулярной РНК. Размеры вироидов находятся в пределах 15 нм. В чувствительных клетках растений- хозяев они сосредоточиваются в ядре, ассоциируясь с ядрышком в виде белково-нуклеинового комплекса, и реплицируются авто- номно-целиком при помощи предсуществующих или активирован- ных ферментов хозяина. Вироиды не транслируются! Это подтвер- ждается структурным сходством их между собой и отсутствием у ряда вироидов кодонов-инициаторов. В то же время репликация происходит благодаря транскрипции последовательностей вироид- ных РНК с РНК-матриц при участии РНК-полимераз.
2.2. Бактерии — существа клеточной организации, у которых ядерный материал не отделен от цитоплазмы элементар- ными мембранами и не связан (!?) с какими-либо основными белками. Цитоплазма в них с нерегулярно разбросанными рибо- сомами (705-типа) неподвижна, клетки не обладают способностями к эндо- и экзоцитозу. В большинстве своем бактерии одноклеточны, наименьший диаметр их 0,2 — 10,0 мкм.
Все бактерии составляют единое царство Вас1епа, хотя одни из
27
них — археобактерии (АгспаеоЪас1епа) заметно отличаются от других, названных эубактериями (ЕиЬас1епа) (от греч. ей — хоро- шо). Очевидно, археобактерии являются более древними предста- вителями прокариот, чем эубактерии. Они обитают в средах с экстремальными условиями (от лат. ех1гети8 — крайний) — высо- кие концентрации неорганических солей, повышенные темпера- туры, оксид и диоксид углерода — как единственные источники углерода. К археобактериям относятся галобактерии, термоацидо- фильные бактерии и метанобразующие, или метаногенные бакте- рии (рис. 1Б). Дендрограмма (от греч. йепйгоп — дерево, дгагшпа
— описание) прокариот может быть изображена следующим об- разом:
Галофильные Термоацидофиль— Метаногенные Фототрофные Хемотрофные бактерии кые бактерии бактерии бактерии бактерии
\ I ^«? X /
А р х е о б а^^т^р^ии^ » Э^у бактер ии
Предаовые формы
Фототрофными бактериями являются оксигенные цианобакте- рии, аноксигенные пурпурные и зеленые бактерии; хемотрофными
— грамположительные и грамотрицательные бактерии и бациллы, миксобактерии, стебельковые и почкующиеся бактерии, вибрио- ны, спириллы, спирохеты, актиномицеты, коринебактерии, мико- бактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы и спироплазмы.
Галобактерии включают роды На1оагси1а, На1оЪас1егшт, На1ососси8, Ыа1гоЬас1епит, Ыа1гососси5. Они обнаруживаются в морских солеварнях (оптимум натрия хлорида для них 3,5 — 5 М).
Термоацидофильные бактерии обитают в кислых горячих ис- точниках при рН 2 — 3 и температуре 70° — 90°С (ЗшгоюЪиБ асЫосоЫахшв), в самонагревающихся терриконах угольных шахт при рН 1 — 2 и температуре 59°С (Тпегтор1а8та асМорМит), в горячих источниках на дне морей и на склонах вулканов при температуре 85 — 105°С (Тпегторго1еи8 1епах, Т. пеи1горгп1и5 и АР-)-
Метаногенные бактерии, к которым относятся кокки (МеШапососсивуаптеШ), сарцины (Ме1паповагстаЪахкеп), палоч- ки (МеШапоЪас1епит{огтк1сит, Ме1ЬапоЬге^Ьас1еггиттапиит), спириллы (МеШаповртПит липда1е!) и другие формы, являются анаэробными микроорганизмами. Они обитают в отстойниках сточных вод городов и населенных пунктов, в навозе, в осадках на дне прудов и озер, в рисовых полях, в лиманах и эстуариях (от лат. аевплапит — берег, заливаемый приливом), в рубце жвачных
28
животных. Приуроченность их к широкому диапазону температур естественна, учитывая среды обитания. Тем не менее, например в рубце жвачных животных температура достаточно постоянная. .
Согласно определителю Д. X. Берги (1984, 1986) археобактерии относятся к отделу мендосикутов, все другие бактерии, или эубак- терии — к отделам: грациликутов, фирмикутов и тенерикутов (от лат. тепйоБиз—ложный, фальшивый, дгасИш—стройный, тонкий, ЙГДШ8 — прочный, 1епег—чувствительный, нежный, сийз—кожа).
Грациликуты объединяют грамотрицательные бактерии с двух- слойной клеточной стенкой (они, как правило, содержат фосфо- липидную мембрану во внешнем слое клеточной стенки). Форма клеток у них различная — от сферической до палочковидной, от прямых до искривленных (изогнутых); подвижные или неподвиж- ные; не образуют эндоспор, размножаются делением (некоторые
почкованием); многие обладают пилями (волосками, или фимб- риями). По типам питания к грациликутам относятся фототрофы (включая цианобактерии) и хемотрофы, по типам дыхания — аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы, по патогенности
сапрофиты и паразиты.
Микроорганизмы с многослойным муреиновым каркасом от- носятся к фирмикутам. Все они грамположительные, спорообра- зующие или не образующие спор; сюда же включены актиноми- цеты и родственные им бактерии. Форма клеток различная — круглые, палочковидные, ветвящиеся, нитевидные, неветвящиеся. По типу питания — преимущественно хемогетеротрофы, по типу дыхания — аэробы, анаэробы и микроаэрофилы, патогенные и сапрофиты.
К тенерикутам относятся микоплазмы и спироплазмы (от греч. тукез — гриб, р1авта — вязкая, эластичная; врепа — завиток, спираль, кольцо) (рис. 1Б). Это мельчайшие свободноживущие полиморфные бактерии, без клеточной стенки, сгруппированные в классе Мо1Иси1ез (от лат. гпоШб — мягкий). Воспроизводятся они почкованием, делением, сегментацией ветвистых структур; цитоп- лазматическая мембрана трехслойна; все известные виды микоп- лазм патогенны. Диаметр их 0,15 — 0,25 мкм, хотя полиморфизм по длине клеток весьма широкий. Микоплазмы полностью устой- чивы к пенициллину; растут на специальных агаризованных сре- дах.
К мендосикутам относится единственный уже рассмотренный класс археобактерии, заметно отличающийся от других микроор- ганизмов.
Известны еще так называемые мини- и макси-клетки бактерий,
29
в частности, Е. соН. Установленно, что клетки кишечной палочки, несущие две мутации (гшп А и гшп В) делятся ассиметрично и в каждое второе деление образуется круглая безъядерная мини-клет- ка (примерно в 3 раза меньше родительской клетки по размеру). Мутации в генах гес А и шт А сопровождаются инактивацией основных систем репарации и существенным возрастанием чувст- вительности клеток к ультрафиолетовым лучам. Клетки Е. соИ при этом увеличиваются в размерах (макси-клетки). Мини- и макси- клетки используются для включения многокопийных плазмид при постановке генно-инженерного эксперимента.
Бактерии подразделяют на группы по источникам энергии, углерода и донорам электронов (таблица 2), благодаря чему можно выделить типичных представителей в каждой из них.
Так, цианобактерии относят к первой подгруппе, зеленые несерные бактерии — к второй, нитрифицирующие бактерии — к третьей, водородные бактерии -— к четвертой и, наконец, бациллы и другие микроорганизмы — к пятой. Для сравнения можно указать, что дрожжи и нитчатые грибы из эукариот также отно- сятся к хемогетероорганотрофам. *
В
учебной и научной литературе можно
встретить и такие
термины, как
прототрофы, метатрофы, паратрофы,
миксотрофы.
Следует подчеркнуть, что
все эти термины были предложены в
начале
XX в. в связи с разделением бактерий на
группы по типам
питания. Так А. Фишер в 1903 г. предложил различать прототрофы (автотрофы —'■ по В. Пфеферу), не нуждающиеся в готовом орга- ническом веществе для питания, метатрофы (гетеротрофы — по В. Пфеферу), нуждающиеся в органическом веществе — это большинство сапрофитных микроорганизмов, и паратрофы, пита- ющиеся живым белком и обитающие лишь в организме других существ — это все облигатные болезнетворные микробы; те виды, которые могут расти на питательной среде в пробирке (т \а1го) и в организме чувствительного животного (т лпуо), были названы В. Пфефером миксотрофами (от лат. пнхидв — смешанный). Приве- денные названия (прототрофы, метатрофы и миксотрофы) теперь имеют больше исторический смысл. В 1946 г. была предложена классификация микробов по способам питания, или трофики, которой пользуются и в настоящее время (таблица 3).
Таблица 3. Деление микробов по трофике
Признак |
Тип питания |
Источник энергии 1) живой организм 2) химическая реакция 3) фотохимическая реакция Источник углерода 1) диоксид углерода 2) органические вещества Донор электрона 1) неорганический 2) органический |
Паратрофия Хемотрофия Фототрофия Автотрофия Гетеротрофия Литотрофия Органотрофия |
Применительно к характеристике способностей микроорганиз- мов питаться живым белком т лпгго или, чаще т \гг\го, используют термин патогенность (от греч. раОюв — болезнь, депев1в — воз- никновение, происхождение), то есть способность вызывать забо- левание. Поэтому все бактерии по признаку патогенности подраз- деляют на две большие группы — сапрофитные (неболезнетвор- ные, от лат. варпЛев — гниение, гниль) и патогенные (болезнетвор- ные). Между ними находятся промежуточные виды — облигатные и факультативные паразиты (от лат. оЪпдаШв — обязательный, безусловный, ГасиНаИуив — факультативный, возможный в изве- стных условиях). Облигатными являются, например, спирохеты сифилиса, гонококки, факультативными — синегнойная палочка, вульгарный протей. Следовательно, облигатные, или безусловные паразиты не развиваются вне организма или развиваются с трудом на питательных средах с нативными белками; факультативные
паразиты растут и размножаются во внешней среде, но при некоторых обстоятельствах (например, при снижении защитных сил макроорганизма) они могут быть причиной инфекционного (заразного) заболевания.
У фототрофных и хемотрофных бактерий, различающихся по источникам потребляемой энергии, существенно различны и ре- акции, лежащие в основе энергетического и конструктивного обменов. В любом случае разнообразие бактериальных видов настолько велико, что даже ничтожно малая доля их, используемых в биотехнологических целях, требует к себе исключительного внимания. Достаточно назвать из числа эубактерий такие далеко отстоящие микроорганизмы, как М1сготопозрога зр. из группы актиноплан, Нуотодепотопаз (АкаНдепез) еиггоряа из группы во- дородных бактерий, Ьис1Ъас1егшт папгеу! из группы светящихся бактерий, палочку туберкулеза — МусоЬасхегшт ШЪегсиюзхз, не- которых псевдомонасов (например, Рзеийотопаз аегидтоза), эше- рихии (ЕзспепсЫа соН) и многие другие, то становится понятной исключительная важность бережного (можно сказать — любовно- го) обращения с каждым биообъектом для сохранения стабильно- сти его морфо-физиологических свойств и продуктивности в со- ответствующих условиях.
2.3. Г р и б ы. К царству низших эукариот — Мусо1а относятся микромицеты, то есть микроскопические грибы (например, дрож- жи, пенициллы, аспергиллы и др.) и макромицеты, формирующие в процессе своего роста и развития визуально наблюдаемые пло- довые тела — трутовики, агариковые грибы и др. Микро- и макромицеты могут быть объектами биотехнологии.
Примечательно, что грибы имеют сходство и с растениями (верхушечный, или апикальный рост, прочная клеточная стенка, наличие вакуолей и поперечных перегородок у многих из них) и с животными (гетеротрофный тип питания, большая или меньшая потребность в витаминах, наличие хитина или хитозана, синтез гликогена). Следовательно, грибы эволюционно произошли рань- ше — до дивергенции растений и животных в самостоятельные царства. В то же время лишь грибам присуще мицелиальное строение и, как следствие, абсорбционный способ питания (осмот- рофия); для них известны явления дикариозиса (раздельное на- хождение двух ядер в одной клетке, способных к одновременному делению и имитирующих диплоидное ядро) и гетерокариозиса (нахождение разнокачественных ядер в одной клетке).
Основные таксономические группы грибов (от греч. 1ах18 —
32
приведение в порядок, устройство, потов — закон) являются достаточно устоявшимися, однако предлагаемые разными автора- ми классификационные схемы весьма многочисленны и, порой, во многом различны. В этой связи целесообразно и научно оправданно придерживаться следующей схемы. Царство грибов включает два отдела — Мухотусога и Еитусога, то есть грибы-слизевики (от греч. туха — слизь) и настоящие грибы (от греч. ей — хорошо, в смысле — типичный, хорошо развитый). Первые из них немного- численны и представлены "голой" плазменной массой — плазмо- дием. Они претерпевают своеобразный цикл развития и образуют половые аттрактанты (от лат. аИгасгю — притяжение, тяготение).
Отдел эумицетов включает 7 классов: СпугпсИотусегев, НурЬоспу1пЙ1отусе1еБ, Оотусегев, 2удотусе1ев, Азсотусе1ев, ВавШютусегев и Оеи1еготусе1ев. К хитридиевым (от греч. спуйтсУоп — капелька, что отражает содержание капли жира в зооспорах) относится более 500 видов грибов, в основном пред- ставленных плазмодиальными образованиями, то есть у них пол- ностью отсутствует мицелий, а если он есть, то находится лишь в зачаточном состоянии. Зооспоры и планогаметы (клетки размно- жения) располагают только одним задним бичевидным (плетевид- ным) жгутиком, что имеет определенное таксономическое значе- ние.
Гифохитридиевые имеют зооспоры с одним передним биче- видным жгутиком, нити их не имеют перегородок, класс представ- лен немногими видами.
Оомицеты также включают свыше 500 видов. Это водные грибы, объединяемые на основании оогамии — полового процесса. Бесполые зооспоры их обладают двумя разными жгутиками, один из которых передний сверкающий (блестковидный, перистый), другой — задний бичевидный.
Зигомицеты, включающие свыше 500 видов, полностью утра- тили подвижные стадии в циклах развития. Половой процесс у них — зигогамия. Мицелий, как правило, хорошо развит и, в основном, без перегородок.
Нередко, в отечественной и зарубежной учебной и научной литературе все, преимущественно водные, грибы (включая и "вы- шедших на сушу" зигомицетов) объединяют в один класс Рпусотусе1ев (от греч. рпусов — водоросль). Все водные грибы либо лишены мицелия, либо он в зачаточном или развитом состо- янии, но не имеет перегородок (септ) или они'редкие — такие грибы относят к низшим. Нитчатые грибы с перегородками в 2 т. 8524 33
мицелии относят к высшим. Не путать эти понятия с понятиями совершенные и несовершенные грибы, из коих первые обладают половым процессом размножения, вторые — не обладают им. Например, Мисог гоихп является низшим совершенным грибом, а, например, 5ШЬе11а аигапИса является высшим несовершенным грибом.
Следовательно, к высшим грибам относят аскомицеты, или сумчатые грибы; базидиомицеты, или базидиальные грибы и дей- теромицеты, или несовершенные грибы (Рипд! ппрегГесИ).
Сумчатые грибы — наиболее обширный класс, включающий свыше 15 ООО видов самых различных строения, формы и место- обитания. Отличительным признаком их являются сумки, образу- ющиеся на аскогенных гифах в результате полового процесса. В сумках формируются половые споры, с помощью которых они размножаются. Чаще образуется 8 спор, хотя нередки и исключе- ния из этого правила. Мицелий у них септированный (от лат. вергшп
— перегородка), в септах имеются центральные поры, обеспечи- вающие сообщения между клетками и обмен клеточным содержи- мым.
Сформировавшиеся сумки образуют плодовые тела, которые могут быть закрытыми (клейстотеции, или клейстокарпии, от лат. с1е1в1ов — могущий закрываться, смыкающийся; 1еке — капсула, покрышка, мешок; сагров — плод), грушевидными с круглой по- рой-остиолой наверху —перитеции (от греч. реп — вокруг) и открытыми блюдцевидными или чашевидными апотециями (от греч. приставки аро — со значением удаления или отделения, обратности или возвращения и др.). Для сумчатых грибов харак- терно и бесполое размножение с помощью конидий, образующих- ся на гаплоидном мицелии. Следовательно, в цикле развития аскомицетов имеются половые и бесполые стадии (рис. 2).
Базидиальные грибы. Насчитывается свыше 30 ООО видов ба- зидиомицетов (от греч. Ьа81в — основание), различающихся боль- шим разнообразием по строению, форме и размерам.-Для базиди- омицетов так же характерны половая и бесполая стадии развития. Первая завершается формированием базидии — репродуктивного органа, на котором образуются, как правило, по 4 споры (базиди- оспоры), сидящих на стеригмах. Бесполая стадия кратковременна
— она представлена прорастающими трубками спор и позже — дикариотическим мицелием. Из этого последнего возникает пло- довое тело — базидиокарп, на котором затем образуются базидии.
Для многих базидиомицетов характерны пряжки (рис. 3), об- разующиеся на мицелии и участвующие в синхронном процессе деления ядер, а в мицелиальных септах — долипоры (см. рис. 32).
Дейтеромицеты
(от
греч. г
-3
йейегоБ
—
второй) — сбор-
ный класс грибов,
поскольку
в него включены все те
пред-
ставители микромицетов, у
которых
не обнаружен поло-
вой процесс
развития. Если
же половая стадия
выявляет-
ся, то такой гриб сразу
же
переносят в соответствую-
щий
ему класс.
Насчитывают многие тысячи видов несовершенных грибов. Им присущ хорошо развитый септированный мицелий и конидиальное (бесполое) спороношение. У несовершенных грибов могут иметь место гетерокариоз и парасексуальный цикл.
Лишайники (от лат. Нелепее) — это естественные симбионты грибов (микобионтов) и водорослей (фикобионтов) или грибов и цианобактерий (бактериобионтов). Лишайники выделяют в само- стоятельную группу организмов, изучаемую в специальной науч-
35
ной дисциплине—лихенология. В настоящее время известно около 30 ООО видов лишайников. Микобионтами у них выступают пре- имущественно аскомицеты (исключительно редко — базидиоми- цеты), фикобионтами и бактериобионтами — зеленые и желто-зе- леные водоросли, цианобактерии. Называют лишайники по мико- бионту. Лишайники подразделяют по форме на листоватые (в том числе — кочующие), кустистые и корковые (накипные). Размно- жаются они бесполым (кусочками, конидиями) и половым путем за счет микобионта (рис. 4).
Рис. 4. Лишайники: корковый или накипной - 1, листоватый - 2. кустистый - 3, кочующий - 4.
Из сказанного можно составить представление о том, что потенциальных биообъектов для использования в производстве самых различных веществ обильное множество и большинство из них лежит пока нетронутым кладом для будущих поколений кла- доискателей.
2.4 Растения. Царство растений Р1аш.ае включает подцарства багрянок (Кпог1орлу1а), водорослей (Рлусорлу1а) и высших расте- ний (ЕтЬгуорлу1а). У первых двух нет дифференциации тела на органы и ткани — они представляются слоевищем (Шапиз) и обитают главным образом в воде. Тело высших растений расчле- нено на органы и ткани. К настоящему времени насчи- тывают сотни тысяч видов растений, многие из которых исполь- зуют в различных отраслях народного хозяйства.
Для растений характерны: способность к фотосинтезу, наличие целлюлозы, биосинтез крахмала.
2.4.1. Водоросли. К водорослям относятся: багрянки, пиррофитовые, золотистые, желто-зеленые, эвгленовыеихаровые.
36
Как правило, водоросли являются водными организмами, их на- считывают около 100 ООО видов. Все они пигментированы за счет хлорофилла, каротиноидов, ксантофиллов, фикобилинов. Водорос- ли — важный источник различных полисахаридов и других био- логически активных веществ. Размножаются они вегетативно, бесполым и половым путями. Как биообъекты используются недо- статочно, хотя, например, ламинария под названием морской капусты производится промышленностью различных стран. Хоро- шо известны агар-агар и альгинаты, получаемые из водорослей.
Клетки меристемы, задерживающиеся на эм- бриональной стадии развития в течение всей жизни растения, называются инициальными, другие постепенно дифференцируются и превра- щаются в клетки различных постоянных тканей — конечные клетки.
В зависимости от топологии в растении мери- стемы подразделяют на верхушечные, или апи- кальные (от лат. арех — верхушка), боковые, или латеральные (от лат. 1а1егаИ5 — боковой) и про- межуточные, или интеркалярные (от лат. т1егса1ап5 — промежуточный, вставной) (рис. 5).
В 1902 г. Г. Хаберландт впервые сделал попыт- ки культивировать клетки растений. В середине Рис-5- Меристемы ■' растительные: вер- текущего столетия промышленное производство хушеадые 1_бо-
декоративных и плодоовощных культур в ряде ковые — 2, проме- стран мира базировалось преимущественно на суточные — 3.
37
методе культур тканей и органов растений — были получены линии с заданными характеристиками. Здесь следует отметить, что Г. Хаберландт впервые выдвинул гипотезу о тотипотент- н о с т и любой живой клетки растения. Тотипотентность — это свойство соматических клеток растений полностью реализовать свой потенциал развития вплоть до образования целого растения.
Любой вид растения может дать в соответствующих условиях неорганизованную массу делящихся клеток — каллус (от лат. са11ив
— мозоль), особенно при индуцирующем влиянии растительных гормонов. Массовое производство каллусов с дальнейшей регене- рацией побегов пригодно для крупномасштабного производства растений. Вообще каллус представляет собой основной тип куль- тивируемой на питательной среде растительной клетки. Каллусная ткань из любого растения может длительно рекультивироваться. При этом первоначальные растения (в том числе и меристемати- ческие), дедифференцируются и деспециализируются, но индуци- руются к делению, формируя первичный каллус.
Кроме выращивания каллусов удается культивировать клетки некоторых растений в суспензионных культурах.
Важными биообъектами представляются также и протопласты растительных клеток. Методы их получения принципиально сход- ны с методами получения бактериальных и грибных протопластов. Последующие клеточно-инженерные эксперименты с ними заман- чивы по возможным ценным результатам.
2.5. Клетки животных. Из царства Аштапа биообъектами могут быть простейшие организмы—Рго1огоа и высшие животные. И если сегодня о биотехнологии Рго1огоа мало что-либо известно, то применительно к биотехнологии животных имеются внедрен- ные развитые технологические процессы, написаны соответству- ющие монографии в нашей стране и за рубежом. Тем не менее, высокие дифференциация и специализация эукариотических кле- ток животных объясняют те трудности, с которыми приходится сталкиваться исследователям и практическим работникам, имея дело с подобным материалом.
Простейшие (Рго1огоа) — это одноклеточные микроскопиче- ские животные. В данном отделе различают классы жгутиковых (Р1аде11а1а, или Мавндокэга, от лат. паде11шп — бич, жгут, тазйсаШв
— жевательный, от греч. Готов — нести), саркодовые (ЗагсосИпа, от греч. загсов—мясо), споровики (Зрогогоа) и реснитчатые (СШокэга,
38
или СШа1а). Простейшие широко распространены в природе, некоторые из них обитают и в теле человека. По своему строению клетки их напоминают клетки животных и содержат все основные структурные элементы (органоиды и включения). Многие протозоа активно передвигаются с помощью ложноножек, жгутиков и ре- сничек. По типу питания они являются гетеротрофами, обладаю- щими специальными структурами для захвата пищи или поглощают ее посредством фагоцитоза.
Культивирование протозоа т \п1го не простое, однако доступно при необходимом усердии, а препарат "круцин" из ТгурапоБота кш21 является свидетельством удачного использования этого орга- низма в биотехнологии.
В начале XX в. Р. Гаррисон и А. Каррель установили факт возможного культивирования клеток животных т лагго, то естьони доказали способность животных клеток к независимой жизни в питательной среде вне живого организма.
С учетом всех особенностей животных клеток (в отличие, например, от растительных и бактериальных) порой невозможно отказаться от них во избежание каких-то чрезвычайных затрудне- ний, так как лишь только с их помощью можно получить какой-то особый продукт (вещество). Для примера назовем моноклональные антитела, получение трансгенных животных и т. д.
Для реализации биотехнологических процессов важными па- раметрами биообъектов являются: чистота, скорость размноже- ния клеток и репродукции вирусных частиц, активность и ста- бильность биомолекул или биосистем.
Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия-могут оказаться благоприятными, например, и для микробов — контами- нантов, или загрязнителей (от лат. соп1аттайо — заражение, загрязнение). Представителями контаминирующей микрофлоры оказываются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-кон- таминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. При использовании ферментов в качестве биокатализаторов воз- никает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофит- ной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие несте-
рильности системы, например, из-за негерметичности в каком-ли- бо узле.
Скорости размножения клеток и репродукции вирусных час- тиц прямо пропорционально сказываются на возрастании клеточ- ной массы и образовании метаболитов или, применительно к фагам, на возрастании массы лизирующихся клеток. В этом смысле подавляющее большинство микроорганизмов выгодно отличается от клеток растений и животных. Однако не следует упускать из виду важность конечного продукта. Например, уже упомянутые моноклональные антитела можно получить лишь с помощью жи- вотных клеток, когда длительность культивирования их не приоб- ретает самодовлеющего значения.
Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов —одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.
Таким
образом, независимо от систематического
положения
биообъекта, на практике
используют либо природные организо-
ванные
частицы (фаги, вирусы) и клетки с
естественной генети-
ческой информацией,
либо клетки с искусственно заданной
гене-
тической информацией, то есть
в любом случае используют клетки,
будь
то микроорганизм, растение, животное
или человек. Для
примера можно назвать
процесс получения вируса полиомиелита
на
культуре клеток почек обезьян в целях
создания вакцины против
этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках живо- тного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником фер- ментов также являются изолированные клетки или специализиро- ванные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.
Биотехнологии присущи свои специфические методы — это крупномасштабное глубинное культивирование биообъектов в пе- риодическом, полунепрерывном или непрерывном режиме; выра- щивание клеток растительных и животных тканей в особых усло- виях. Биотехнологические методы культивирования биообъектов выполняются в специальном оборудовании, например, в фермен- таторах выращивают бактерии и грибы при получении антибио- тиков, ферментов, органических кислот, некоторых витаминов (рис. 6);
в подобных же ферментаторах выращивают некоторые клетки человека (бласты) для получения белка — интерферона. Раститель- ные клетки чаще выращивают в стационарных условиях на среде с уплотненной (например, агаризованной) подложкой в стеклян- ных или полиэтиленовых емкостях, хотя некоторые виды расти- тельных клеток можно культивировать в специальных фермента- торах (рис. 7).
В стеклянных роллерах культивируют и большинство живо- тных клеток или, например, в куриных эмбрионах.
Другие методы, используемые в биотехнологии, являются об- щими, например, с методами в микробиологии, биохимии, биоин- женерии, органической химии и других науках.
Тем не менее, следует особо выделить методы клеточной и генной инженерии, когда в экспериментальных условиях удается создавать клетки с заведомо известными свойствами. Так осуще- ствлены соматическая гибридизация клеток картофеля и томата (гибрид назван "помато"), перенос генетической информации о синтезе человеческого или животного гормона инсулина в бакте- риальные клетки (кишечной палочки), способных затем продуци- ровать полипептидные цепи инсулина.
Эти методы и, прежде всего, генно-инженерные легли в основу современной биотехнологии. Более того, некоторые ученые стре- мятся отождествить генную инженерию и биотехнологию, а это
41
неправильно, поскольку генная инженерия представляет методи- ческую сущность биотехнологии. Наука не может быть наукой, если в ее определении отсутствуют специфичные, только ей при- сущие, объекты и методы.
Однако даже в случае реализации генно-инженерных разрабо- ток измененная наследственная информация на уровне молекул инкорпорируется затем в клетках, с которыми и приходится иметь дело в биотехнологическом процессе. Из этого можно вывести представление об уровнях биотехнологии: клеточном и молеку- лярном. Тот и другой определяются биообъектами. В первом случае дело имеют с клетками, например, актиномицетов при получении антибиотиков, микромицетов при получении лимонной кислоты, животных при изготовлении вирусных вакцин, человека при из- готовлении интерферона. Во втором случае дело имеют с молеку- лами, например, с нуклеиновыми кислотами в так называемой"ре- комбинантной ДНК-биотехнологии" (рДНК-биотехнология), бази- рующейся на генной инженерии и составляющей сущность пред- мета "Молекулярная биотехнология"; или на использовании отдель- ных ферментов (ферментных систем), например, протеаз в мою- щих средствах, липаз для модификации вкуса молочных продуктов и т. д. Однако необходимо помнить, что в начальной или конечной стадии молекулярный уровень трансформируется в клеточный. Так, ферменты продуцируются клетками, а при генно-инженерных разработках реципиентом новой генетической информации стано- вится также клетка.
Особенность методов, используемых в биотехнологии, заклю- чается в том, что они должны выполняться, как правило, в асеп- тических условиях (от греч. а — не, зерисов — гнилостный), то есть при исключении возможности попадания в среду культиви- рования биообъекта болезнетворных (патогенных) и неболезнет- ворных (сапрофитных) микроорганизмов. Патогенные виды пред- ставляют непосредственную опасность для занятых в производстве людей и для потребителей конечных продуктов; сапрофитные виды могут выступать конкурентами за питательные субстраты, антаго- нистами, продуцентами токсических веществ, включая пирогены.
42