Объекты биотехнологии

I. МИКРООРГАНИЗМЫ – ОСНОВЫНЕ ОБЪЕКТЫ БИОТЕХНОЛОГИИ; ПРИНЦИПЫ ПОДБОРА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

К биотехнологическим объектам относятся биоорганизмы, а также клетки растений и животных, субклеточные компоненты, а также и интактные растения и животные.

Некоторые примеры, доказывающие роль микроорганизмов, как основных объектов биотехнологии:

1. Одноклеточные организмы характеризуются более высокими скоростями роста и синтетических процессов про сравнению с высшими многоклеточными организмами. Следует отметить, что некоторые микроорганизмы растут крайне медленно, однако представляют известный интерес, поскольку способны продуцировать различные ценные вещества.

2. Особое внимание как объекты представляют фотосинтезирующие микроорганизмы, использующие в своей жизнедеятельности энергию солнечного света. Часть из них (цианобактерии, фотосинтезирующие протисты) в качестве источника углерода используют CO2, тем самым утилизируя его. Некоторые цианобактерии, кроме того, могут фиксировать атмосферный азот, и являются крайне неприхотливыми к питательным веществам. Фотосинтезирующие микроорганизмы перспективны как продуценты водорода, белка и ряда органических соединений.

3. Определённое внимание уделяется термофильным микроорганизмам, растущим при температурах от 60 до 80 градусов Цельсия; это их свойство является практически непреодолимым препятствием для развития посторонней микрофлоры при нестерильных условиях выращивания. Среди термофилов известны продуценты спиртов, аминокислот, ферментов и водорода. Кроме того, скорость их роста и метаболическая активность в 1,5-2 раза выше, чем у мезофиллов. Ферменты, синтезируемые термофилами, устойчивы к нагреванию, некоторым окислителям и другим неблагоприятным факторам среды. В тоже время термофилы мало активны при обычных температурах. В биотехнологическом процессе используются микроорганизмы, относящиеся к группе GRAS, которые считаются безопасными; в их числе можно назвать E. coli, Bacillus subtilus, род Aeobacterium, род Rizobium, Thermus aquaticus, Saccharmices cervisia, Penicilium, Aspergilium. GRAS-микроорганизмы считаются не патогенными, не токсичными, поэтому при разработке нового биотехнологического процесса используется как базовые объекты. Современная микробиологическая промышленность использует 1000 штаммов микроорганизмов, которые первоначально были выделены из природных источников на основании их полезных свойств, а затем улучшенные с помощью различных методов. В связи с расширением производства и ассортимента выпускаемой продукции микробиологической промышленностью вовлекаются новые представители микроорганизмов. Следует отметить, что степень их изученности отстаёт от знаний о базовых объектах. Причина этого – большая трудность и высокая стоимость проводимых исследований. Классический подход заключается в выделении нужного микроорганизма из природных популяций и осуществлении посева на селективную питательную среду. Культивирование на селективной среде позволяет получить т.н. накопительную культуру. Следующим этапом является выделение чистой культуры с дальнейшим изучением изолированного микроорганизма, а в случае необходимости – ориентировочным определением его продуктивной способности. Существует и другой путь подбора микроорганизмов – выбор нужного вида из имеющихся коллекций GRAS-организмов. Главным критерием при выборе биотехнологического объекта является его способность синтезировать целевой продукт. Однако помимо этого в технологию самого процесса могут закладываться дополнительные требования. В целом микроорганизм как объект должен обладать высокой скоростью роста, утилизировать необходимые для жизнедеятельности дешёвые субстраты и быть резистентным к посторонней микрофлоре.

II. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ПРОДУЦЕНТОВ; ВЫДЕЛЕНИЕ И СЕЛЕКЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Неотъемлемым компонентом в процессе создания наиболее ценных и активных продуцентов является их селекция. Главным путём селекции является сознательное конструирование геномов на каждом этапе отбора нужного продуцента. Это не могло быть реализовано при отсутствии эффективных методов улучшения продуцентов. Основными методами являются:

1. Гибридизация, подразумевающая вовлечение продуцентов в схему скрещиваний по изменению их генетической составляющей.

2. Селективный отбор при культивировании микроорганизмов на питательных средах, содержащих селективный фактор. При этом используется метод ступенчатой клетчатой селекции, т.е. на каждом этапе отбора из популяций микроорганизмов отбираются спонтанные мутанты, из которых на следующем этапе отбора отбирают новые, более эффективные штаммы и т.д.

3. Метод индуцированного мутагенеза: в качестве мутагенных факторов используют ультрафиолетовое излучение, рентгеновское и гамма-излучение, химические вещества. Однако этот метод также имеет недостатки, главный из которых – трудоёмкость и отсутствие сведений о характере изменений, происходящих внутри микроорганизмов. Вышеназванные генетические способы улучшения продуцентов направлены на отбор микроорганизмов по конечному результату эксперимента. В качестве современных методов можно назвать методы генной инженерии.

III. ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Генетическая инженерия – научное направление, связанное с целенаправленным созданием в условиях in vitro новых комбинаций генетического материала с последующим его введением в живой организм.

Фундаментальной основой генетической инженерии является молекулярная биология и молекулярная генетика. Ряд важнейших открытий в этих областях способствовал возникновению генетической инженерии.

Кроме научных достижений становление генетической инженерии способствовали разработка и постоянное совершенствование приборов для исследования нуклеиновых кислот, аминокислот, синтеза биополимеров, устройства для хроматографии, сканирование гелей и др.

Таким образом к началу 70-х годов появилась возможность для перехода от анализа генов к их синтезу от изучения генетической природы организмов к их переделке.

1972 год – в лаборатории американского учёного П. Берга удалось сшить между собой 2 фрагмента ДНК: бактериофага λ и вируса SV40 обезьян.