1.3. Биосистемы, объекты и методы в биотехнологии

Одним из терминов в биотехнологии является понятие «биосистемы». Обобщенные характеристики биологической (живой) системы могут быть сведены к трём присущим им основным признаками:

1. Живые системы являются гетерогенными открытыми системами, которые обмениваются с окружающей средой веществами и энергией.

2. Эти системы являются самоуправляемыми, саморегулирующими, идактивными, т.е. способными к обмену информацией с окружающей средой для поддержания своей структуры и управления процессами метаболизма.

3. Живые системы являются самовоспроизводящимися (клетки, организмы).

По структуре биосистемы делятся на элементы (подсисте­мы), связанные между собой, и характеризуются сложной организацией (атомы, молекулы, органеллы, клетки, организмы, популяции, сообщества).

Управление в клетке представляет собой сочетание процессов синтеза молекул белков - ферментов, необходимых для осуществления той или иной функции, и непрерывных процессов изменения активно­сти в ходе взаимодействия триплетных кодов ДНК в ядре и макромолекул в рибосомах. Усиление и торможение ферментативной активности происходит в зависимости от количества начальных и конечных продук­тов соответствующих биохимических реакций. Благодаря этой сложной организации биосистемы отличаются от всех неживых объектов.

Поведение биосистемы является совокупностью ее реакций в от­вет на внешние воздействия, т.е. наиболее общей задачей управляю­щих систем живых организмов является сохранение его энергетиче­ской основы при изменяющихся условиях внешней среды.

Амосов Н.М. делит все биосистемы на пять иерархических уровней сложности: одноклеточные организмы, многоклеточные организмы, популяции, биогеоценоз и биосферу.

Одноклеточные организмы - это вирусы, бактерии и простейшие. Функции одноклеточных - обмен веществом и энергией со средой, рост и деление, реакции на внешние раздражители в виде изменения обмена и формы движения. Все функции одноклеточных поддержива­ются за счет биохимических процессов ферментативной природы и за счет энергетического обмена - начиная от способа получения энергии и до синтеза новых структур или расщепления существующих. Един­ственным механизмом одноклеточных, обеспечивающим их приспо­собление к окружающей среде, является механизм изменений в от­дельных генах ДНК и, как следствие, изменение белков - ферментов и изменение биохимических реакций.

Основой системного подхода к анализу структур биосистем явля­ется ее представление в виде двух компонентов - энергетической и управляющей.

На рис. 1.1 показана обобщенная принципиальная схема потоков энергии и информации в любой биосистеме. Основным, элементом является энергетическая составляющая, обозначенная через МС (метаболическая система), и управляющая, обозначенная через Р (генетическое и физиологическое управление) и передающая сигналы управления на эффекторы (Э). Одной из главных функций метаболической системы является снабжение биосистем энергией.

Рис. 1.1. Потоки энергии и информации в биосистеме

Структура биосистем поддерживается механизмами генетическо­го управления. Получая от остальных систем энергию и ин­формацию в виде продуктов обмена веществ (матаболитов), а в период формирования - в виде гормонов, генетическая система управляет процессом синтеза необходимых веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма, причем процессы в этой системе протекают достаточно медленно.

Несмотря на многообразие биосистем, отношения между их биологическими свойствами остаются инвариантными для всех организмов. В сложной системе возможности к адаптации значительно больше, чем в простой. В простой системе эти функции обеспечиваются малым количеством механизмов, при этом они более чувствительны к изменениям во внешней среде.

Для биосистем характерна качественная неоднородность, проявляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональной биосистемы совместно и слаженно работают подсистемы с качественно различными адекватными управляющими сигналами (химическими, физическими, информационными).

Иерархичность биосистем проявляется в постепенном усложнении функции на одном уровне иерархии и скачкообразном переходе к качественно другой функции на следующем уровне иерархии, а также в специфическом построении различных биосистем, их анализа и управления в такой последовательности, что итоговая выходная функция нижележащего уровня иерархии входит в качестве элемента в вышележащий уровень.

Постоянное приспособление к среде и эволюция невозможны без единства двух противоположных свойств: структурно-функциональной организованности и структурно-функциональной вероятности, стохастичности и изменчивости.

Структурно-функциональная организованность проявляется на всех уровнях биосистем и характеризуется высокой устойчивостью биологического вида и его формы. На уровне макромолекул это свойство обеспечивается репликацией макромолекул, на уровне клетки - делением, на уровне особи и популяции - воспроизведением особей путем размножения.

В качестве биологических объектов или систем, которые использует биотехнология, прежде всего необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:

1. Клетки являются своего рода “биофабриками”, вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, угле­воды, витамины, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимые в жизни человека, пока недоступны для получения “небиотехноло-гическими” способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья или же сложности технологических процессов;

2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 мин., дрожжевая - через каждые 1,5-2 часа, жи­вотная - через 24 часа, что позволяет за относительно короткое время искус­ственно нарастить на сравнительно дешёвых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, живот­ных или растительных клеток. Например, в биореакторе ёмкостью 100 м³ за 2-3 суток можно вырастить 10¹⁶ - 10¹⁸ микробных клеток. В процессе жизнедеятельности клеток при их выращивании в среду посту­пает большое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют собой кладовые этих продуктов;

3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырьё для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырьё для других видов синтеза. Для биосинтеза используют от­ходы сельскохозяйственной, рыбной продукции, пищевой промышленности, рас­тительное сырьё (молочная сыворотка, дрожжи, древесина, меласса и др.);

4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышлен­ных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технологии переработки и т.д.

Таким образом, природа дала в руки исследователям живую систему, содержащую и синтезирующую уникальные компоненты, и в первую очередь нуклеиновые кислоты, с открытием которых и начала бурно развиваться биотехнология и мировая наука в целом.

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, вещества биологического проихождения (например, фер­менты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты), молекулы.

В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относятся либо к микроорганизмам, либо к растительным и животным клеткам. В свою очередь организм можно охарактеризовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, целе­направленного синтеза, устойчиво и активно протекающего при оптимальном под­держании всех необходимых параметров.

Методы, применяемые в биотехнологии определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. Тот и другой определяются биобъектами.

В первом случае дело имеют с бактериальными клетками - для получения вакцинных препаратов, актиномицетов - при получении антибиотиков, микромицетов - при получении лимонной кислоты, животных клеток - при изготовлении противовирусных вакцин, клеток человека - при изготовлении интерферона и др.

Во втором случае дело имеют с молекулами, например с нуклеиновыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный уровень трансформируется в клеточный.

Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятель­ности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют ме­таболиты разнообразного физико-химического состава и биологического дей­ствия.

При росте клетки в ней осуществляется огромное число катализируемых ферментами реакций, в результате которых образуются промежуточные соедине­ния, которые в свою очередь превращаются в структуры клетки. К промежу­точным соединениям, к строительным “кирпичикам” относятся 20 аминокислот, 4 рибонуклеотида, 4 дезоксирибонуклеотида, 10 витаминов, моносахара, жирные кислоты, гексозамины. Из этих “кирпичиков” строятся “блоки”: примерно 2000 белков, ДНК, три типа РНК, полисахариды, липиды, ферменты. Образующиеся “блоки” идут на строительство клеточных структур: ядро, рибосомы, мембрана, клеточная стенка, митохондрии, жгутики и пр., из которых состоит клетка (табл. 1.1.).

Таблица 1.1. Схема прохождения “биологического синтеза” клетки и