3024

производстве. К группе декстранов может быть отнесен и крахмал. Посредством определенных химических обработок из крахмала получен новый носитель - губчатый крахмал, обладающий повышенной устойчивостью к ферментам, гидролизующим полисахариды.

Агароза - широко используется в качестве носителя для иммобилизации ферментов, однако стоимость ее довольно высока.

Агар - природный полисахарид, выделяемый из клеточных стенок некоторых морских водорослей. Точный состав его не известен, но установлено, что он содержит, по крайней мере, два полисахарида: агарозу и агаропектин. Преимуществом агара является его низкая стоимость и нетоксичность. Некоторые производные агара отличаются высокой механической прочностью и устойчивостью в щелочной среде, что явилось основанием рассматривать данный носитель почти идеальным.

Другими полисахаридами, получаемыми из морских водорослей, являются альгиновые кислоты и их соли, которые после некоторой модификации применяются для иммобилизации ферментов, клеток и клеточных органелл.

Гепарин - кислый полисахарид, успешно применяемый для получения водорастворимых препаратов иммобилизованных ферментов, используемых в медицине.

Главным достоинством полиамидных носителей является то, что они могут быть созданы в различной физической форме: в виде гранул, порошков, волокон, мембран, трубок и т. п. Широкое применение таких носителей, особенно для медицинских целей, обусловлено и биологической инертностью, и стойкостью к воздействию биологических факторов.

Неорганические носители создаются на основе силикагеля, глины, керамик, природных минералов, металлов и их оксидов.

Основными качествами, определяющими широкое внедрение неорганических носителей в производственные процессы, является легкость их регенерации и возможность придания им любой конфигурации. Они могут применяться как в виде порошков, шариков, так и монолитов; они могут быть как пористыми, так и сплошными (непористыми).

К достоинствам микропористых кремнеземов следует отнести механическую прочность, химическую инертность по отношению ко многим растворителям, наличие жесткого скелета с заданным размером пор, а также устойчивость к микроорганизмам. Недостатками кремнеземов является их использование в ограниченном диапазоне рН, а также явление неспецифической сорбции на их поверхности, хотя последнее может быть устранено различными модифицирующими воздействиями. Правда, стоимость кремнеземных носителей относительно высока, и модификация еще больше повышает цену, поэтому внедрение их в промышленность существенно ограничено.

Более пригодными для промышленного использования могут оказаться природные алюмосиликаты - глины, а также пористая керамика, в состав которой, помимо алюмосиликатов, входят окислы титана, циркония или

другие добавки. Следует также упомянуть такие широко распространенные носители, как уголь и графитированная сажа. Весьма перспективными носителями являются приготавливаемые на основе металлов и их оксидов, которые характеризуются высокой механической прочностью, относительной дешевизной, стабильностью и хорошими гидродинамическими свойствами.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое иммобилизация?

2.Дайте характеристику полимерным органическим носителям.

3.Укажите достоинства и недостатки неорганических носителей.

Тема 5. Показатели загрязненности сточных вод

Развитие промышленности ведет к образованию большого количества отходов, в том числе отходов, содержащих новые антропогенные компоненты. Методами биотехнологии эти отходы могут быть переработаны в полезные или безвредные продукты.

Бытовые отходы делятся на 2 группы: твердые отходы и сточные воды. Твердые бытовые отходы состоят из целлюлозосодержащих материалов (до 40 % бумаги, 2.5% дерева, 8% текстиля) и пищевых отходов (40%). Наиболее экономична и радикальна переработка их метановым брожением, в

результате образуется легко транспортируемое топливо - метан.

Сточные воды обычно содержат сложную смесь нерастворимых и растворимых компонентов различной природы и концентрации. Бытовые отходы, как правило, содержат почвенную и кишечную микрофлору, включая патогенные микроорганизмы.

Сточные воды сахарных, крахмальных, пивных и дрожжевых заводов, мясокомбинатов содержат в больших количествах углеводы, белки и жиры, являющиеся источниками питательных веществ и энергии.

Стоки химических и металлургических производств могут содержать значительное количество токсических и даже взрывчатых веществ. Серьезное загрязнение возникает при попадании в окружающую среду соединений тяжелых металлов, таких как железо, медь, олово и др.

Цель очистки сточных вод - удаление растворимых и нерастворимых компонентов, элиминирование патогенных микроорганизмов и проведение детоксикации таким образом, чтобы компоненты стоков не вредили человеку, не загрязняли водоемы. Бактерии рода Pseudomonas практически всеядны. Например, P. putida могут утилизировать нафталин, толуол, алканы, камфару и др. соединения. Выделены чистые культуры микроорганизмов, способные разлагать специфические фенольные соединения, компоненты нефти в загрязненных водах и т.д. Микроорганизмы рода Pseudomonas могут утилизировать и необычные химические соединения - инсектициды,

гербициды и другие ксенобиотики. Генетически сконструированные штаммы микроорганизмов в будущем смогут решить проблему очистки сточных вод и почв, загрязненных пестицидами и другими антропогенными веществами.

Азотсодержащие соединения (белки, аминокислоты, мочевина) могут быть удалены в биологическом процессе денитрификации-нитрификации. Биологическое удаление азота и фосфора, являющихся причинами эвтрофикации (зарастания озер микроводорослями, которые бурно размножаются, затем отмирают, давая пищу аэробным бактериям, потребляющими кислород, что приводит к замору рыбы) озер и каналов, находится в стадии экспериментов.

Тяжелые металлы затрудняют биологические процессы очистки стоков и отрицательно влияют на флору и фауну. Природные штаммы микроорганизмов не могут быть использованы для накопления этих металлов в силу их высоко токсичности. Однако, есть белок высших организмов - металлотионеин, который активно связывает различные тяжелые металлы. Ген, кодирующий синтез мышиного металлотионеина, клонирован в бактериях. Это открывает возможность получения белка в больших количествах с использование иммобилизованных бактерий и его использования для связывания и экстракции тяжелых металлов.

На всех этапах очистки сточных вод ведется строгий контроль за качественным составом воды. При этом проводится детальный анализ состава сточной воды с выяснением не только концентраций тех или иных соединений, но и более полное определение качественного и количественного состава загрязнителей. Необходимость такого анализа определяется спецификой системы переработки, так как в сточных водах могут присутствовать токсические вещества, способные привести к гибели микроорганизмов и вывести систему из строя.

Определение таких показателей, как органолептические (цвет, вид, запах, прозрачность, мутность), оптическая плотность, рН, температура не вызывает трудностей. Сложнее определить содержание органических веществ в сточной воде, которое необходимо знать для контроля работы очистных сооружений, повторного использования сточных вод в технологических процессах, выбора метода очистки и доочистки, окончания процесса очистки, а также оценки возможности сброса воды в водоемы.

При определении содержания органических веществ широко используются два способа: химическое потребление кислорода и биохимическое потребление кислорода. В первом случае методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25% раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 часов в 50% (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ используется катализатор - сульфат серебра. Дихроматный способ достаточно прост и легко автоматизируется, что обуславливает его широкое распространение.

Биохимическое потребление кислорода измеряется количеством кислорода, расходуемым микроорганизмами при аэробном биологическом

разложении веществ, содержащихся в сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени. Определение биохимического потребления кислорода требует специальной аппаратуры. В герметичный ферментер помещается определенное количество исследуемой сточной воды, которую засевают микроорганизмами. В процессе культивирования регистрируется изменение количества кислорода, пошедшего на окисление соединения, присутствующего в сточных водах. Лучше всего культивировать микроорганизмы из уже работающих биологических систем, адаптированных к данному спектру загрязнений.

Определение лишь одного из показателей качества сточной воды (химического или биохимического потребления кислорода) не всегда позволяет оценить как ее доступность для биологической очистки, так и степень конечной очистки. Так, например, имеется целые группы соединений, определение химического потребления кислорода для которых невозможно, хотя эти соединения вполне доступны для биохимического определения кислорода и наоборот. Все это говорит о том, что для оценки чистоты сточных воды необходимо использовать одновременно оба метода.

Биотехнология будет оказывать многообразное и все возрастающее влияние на способы контроля за окружающей средой и на ее состояние. Хорошим примером такого рода служит создание новых, более совершенных способов переработки отходов, однако применение биотехнологии в данной сфере отнюдь не ограничивается этим. Биотехнология будет играть все большую роль в химической промышленности и сельском хозяйстве, помогая создать замкнутые и полузамкнутые технологические циклы, решая хотя бы отчасти существующие здесь проблемы.

Вопросы для самоконтроля

1.Перечислите основные органолептические показатели сточных вод.

2.Перечислите основные физико-химические показатели сточных вод

3.Какие показатели относятся к качественным?

4.Какие показатели относятся к количественным?

5.Дайте характеристику химическому потреблению кислорода и биохимическому потреблению кислорода.

Тема 6. Антибиотики для сельского хозяйства

Антибиотики—самый большой класс фармацевтических соединений, синтез которых осуществляется микробными клетками. К этому же классу относятся противогрибковые агенты, противоопухолевые лекарства и алкалоиды. В 1980 г. мировое производство антибиотиков составляло примерно 25000 т, из них 17000 т — пенициллины, 5000 т — тетрациклины, 1200 т — цефалоспорины и 800 т —эритромицины. В 1945 г. Бротзу из Института гигиены в Кальари (Сардиния) выделил из пробы морской воды плесень Cephalosporium acremonium, синтезирующую несколько

антибиотиков; один из них, цефалоспорин С, оказался особенно эффективен против устойчивых к пенициллину грамположительных бактерий.

Из нескольких тысяч открытых антибиотиков львиная доля принадлежит актиномицетам. Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род Streptomyces, включая тетрациклины (один только вид Streptomyces griseus синтезирует более пятидесяти антибиотиков). Наиболее распространенными с коммерческой точки зрения оказались пенициллины, цефалоспорины и тетрациклины. Начиная с середины 1960-х гг. в связи с возросшей сложностью выделения эффективных антибиотиков и распространением устойчивости к наиболее широко применяемым соединениям у большого числа патогенных бактерий исследователи перешли от поиска новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. Они стремились повысить эффективность антибиотиков, найти защиту от инактивации ферментами устойчивых бактерий и улучшить фармакологические свойства препаратов.

Антибиотики вырабатываются в результате совместного действия продуктов 10—30 генов, поэтому практически невозможно обнаружить отдельные спонтанные мутации, которые могли бы повысить выход антибиотика с нескольких миллиграммов на литр в штамме дикого типа до 20 г/л и более пенициллина или тетрациклина в промышленных штаммах

Penicillium chrysogenum или Streptomyces auerofaclens. Эти высокопродуктивные штаммы были получены в результате последовательных циклов мутагенеза и селекции. В результате мутаций появились новые вторичные метаболиты, в том числе 6- деметилхлортетрациклин и 6-деметилтетрациклин. Определенные мутанты, так называемые идиотрофы, способны синтезировать только половину молекулы антибиотика, а среда должна быть обогащена другой ее половиной. Такая форма мутационного биосинтеза привела к открытию новых производных антибиотиков, среди них принадлежащие к аминоциклитольной группе.

Привлекают внимание препараты антибиотических веществ, имеющие преимущества по сравнению с химическими средствами. Антибиотики обладают селективным (выборочным) действием — убивают вредителя, а на растительный организм не влияют или же в некоторых случаях оказывают стимулирующий эффект. Многие антибиотики, несмотря на сложность их молекул, легко проникают в ткани растительного организма и даже всасываются корневой системой.

Например, стрептомицин хорошо проникает в растения через корни, стебли и листовую поверхность, а также легко впитывается семенами. Ауреомицин же такой способности не имеет. При отборе антибиотиков это свойство должно приниматься во внимание. Известны многие случаи успешного использования антибиотиков для протравливания семян. Так, биомицин, террамицин и другие антибиотические вещества хорошо действуют как протравители семян для предупреждения фузариоза тыквенных культур и гороха.

Антибиотик актиномицетного происхождения дает хороший результат при борьбе с гоммозом хлопчатника. Положительные результаты получены при использовании антибиотиков для борьбы с болезнями вегетирующих растений. Так, в Японии для предупреждения заболевания риса очень опасной грибной болезнью пирикуляриозом и для лечения уже больных посевов широко используются антибиотики актиномицетного происхождения, в частности касугамицин, который получают с помощью культуры актиномицес казигензис. Этот антибиотик не фитотоксичен и не причиняет вреда людям.

Для борьбы с фузариозом риса (а также с паршой яблок и груш) применяют антибиотик поликсин актиномицетного происхождения. Бактериальный ожог риса излечивается хлорамфениколом (продуцент актиномицес венесуэле) и т. д. Широко применяемый в медицине антибиотик стрептомицин оказался хорошим средством и для борьбы с заболеваниями растений (бактериальной рябухи табака, рака цитрусовых, мягкой гнили крестоцветных овощных культур).

Антибиотические препараты стремятся использовать против ржавчины пшеницы, гельминтоспориоза злаков, мучнистой росы бобовых, ряда заболеваний овощных культур, декоративных растений и т. д. Высокий эффект дают антибиотики при лечении древесных растений. Так, антибиотик актиномицетного происхождения агримицин хорошо действует при бактериозе фруктовых деревьев, встречающемся во многих странах.

Вопросы для самоконтроля

1.Что представляют собой антибиотики?

2.Назовите наиболее распространенные продуценты антибиотиков

Тема 7. Генетические модификации растений. Трансгенные растения. Биобезопасность и перспективы

С развитием высоких технологий в науке появилась возможность быстро изменять генотип растений путѐм искусственного введения нужных генов. Таким образом, у растения заранее программировались полезные свойства.

Новое направление в науке получило название «генная инженерия». А термины «трансгенные» или «геномодифицированные» относятся к растениям с изменѐнными генами.

Генноинженерные методы позволяют создавать новые генотипы и, следовательно, новые формы растений гораздо быстрее, чем классические методы селекции. Кроме того, появляется возможность целенаправленного изменения генотипа.

Генная инженерия позволяет вводить в растения гены устойчивости к различным стрессовым факторам, фитопатогенам, гербицидам и пестицидам, гены скороспелости, фиксации азота. Возможно также и улучшение аминокислотного состава белков растений.

Расширение сельскохозяйственного производства и выращивание одной культуры на больших площадях привело к сильному распространению болезней и насекомых вредителей. Чтобы бороться с ними, учѐные создали множество химических препаратов. Результатом этой борьбы стало то, что возбудители болезней и вредители приспособились к ядовитым веществам и стали более устойчивыми. Экология при этом сильно пострадала: погибли полезные насекомые и микроорганизмы, почва загрязнялась остатками химических соединений. Стало ясно, что борьба за урожай с помощью химических средств – это разрушительная война, в которой нет победителя.

Можно ввести в генотип ген, который определяет выработку токсинов против вредителей. Можно убрать «лишний» ген у томатов и получить плоды, которые не гниют. И если добавить в огурец ген, который отвечает за выработку сахаров, то на нѐм вырастут сладкие зеленцы. Теоретически, это позволяет создать идеальные растения, которые не болеют, не повреждаются вредителями и дают прекрасный урожай. Первое генетически модифицированное растение было получено в 1984 году, а через два года в США и во Франции уже проводились полевые испытания. Трансгенные свежие томаты завоевали место на американском рынке в 1994 году, а томатная паста из них впервые появилась в британских магазинах в 1996 году. За истекший период генные модифицикации применены ко всем основным сельскохозяйственным культурам планеты, и посевы этих культур расширяются.

Выращивание трансгенных растений экономически выгодно. Из-за колорадского жука мы теряем миллиарды долларов ежегодно. Между тем, есть трансгенный картофель, защищенный от него. Альтернатива - ядохимикаты, но их часто применяют неграмотно.

Процесс получения трансгенных растений начинается с введения требуемых генов в недифференцированные клетки таким образом, чтобы они интегрировались в хромосомы. Введение чужеродных генов в клетки растений облегчается, если их клеточные стенки удаляют с помощью гидролитических ферментов - пектиназы и (или) целлюлазы, что приводит к образованию протопластов. Чужеродные гены, находящиеся в составе векторных плазмид, вводят в протопласты одним из стандартных способов с использованием эндоцитоза, или бомбардировки микрочастицами, нагруженными векторной ДНК. После этого протопласты в течение нескольких дней культивируют на питательной среде для восстановления клеточных стенок и образующиеся клетки-трансфектанты используют для регенерации целых растений.

Основным направлением применения трансгеноза для генетической модификации культурных растений является повышение их устойчивости к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, в частности вирусам и

гербицидам. Метод получения трансгенных растений, устойчивых к вирусам, основан на введении в них трансгенов, экспрессирующих в клетках моноклональные антитела, направленные против вирусных белков. С использованием такого метода создали эффективную систему защиты растений от вируса морщинистой мозаики артишока (AMCV) .

Ранее было практически невозможно с помощью селекции создать растения с повышенным содержанием витаминов. Однако с развитием биохимии растений стало более ясным, какие метаболические пути являются критическими для биосинтеза витаминов. Например, для синтеза β-каротина (провитамина А) в растениях необходима фитоен-синтетаза. Ген фитоенсинтетазы из нарцисса ввели в эндосперм риса и таким образом был получен «золотой рис», который может помочь 2 млрд. человек, страдающих от дефицита витамина А, для которых рис – основная пища. Так же недавно были получены трансгенные растения земляники с повышенным синтезом L- аскорбиновой кислоты. Созданы растения сои с повышенным в пять раз содержанием витамина Е в семенах.

Конструирование трансгенных растений – продуцентов целевых белков. Растения являются удобной, безопасной и экономически выгодной альтернативой для продукции различных белков, вакцин и антител по сравнению с системами экспрессии на основе микроорганизмов, культур животных клеток или трансгенных животных. За последние 20 лет множество ценных белков эффективно экпрессировано в растениях. Это белки человеческой сыворотки, регуляторы роста, антитела, вакцины, промышленные ферменты, биополимеры и реагенты для молекулярной биологии. Растительные системы имеют перспективы успешного использования для производства рекомбинантных белков в промышленном масштабе.

Первым фармацевтически значимым белком, экспрессированным в растениях табака и подсолнечника в 1986 г., явился человеческий гормон роста. С тех пор множество других ценных белков были синтезированы в самых различных растениях.

Среди разнообразия рекомбинантных белков, продуцируемых растениями есть белки, используемые в молекулярно-биологических исследованиях (авидин), молочные белки, используемые в качестве пищевых добавок (казеин) и белки-полимеры для медицинских и промышленных целей (коллаген и эластин). Ценные биологически активные пептиды можно получать, встраивая их в состав запасных белков семян. Так, последовательность ДНК, кодирующая пентапептидный нейрогормон животных лейэнкефалин была встроена в ген 2S альбумина запасного белка семян Arabidopsis thaliana. Экспрессия этого гена в трансформированных растениях рапса и арабидопсиса позволила получить их семена с высоким содержанием рекомбинантного белка. Целевой пептид легко выделялся из рекомбинантного белка с помощью специфического протеолитического расщепления.

Создание трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям:

1.Получение сортов с/х культур с более высокой урожайностью

2.Получение с/х культур, дающих несколько урожаев в год (например, в России существуют ремантантные сорта клубники, дающие два урожая за лето)

3.Создание сортов с/х культур, токсичных для некоторых видов вредителей (например, в России ведутся разработки, направленные на получение сортов картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок)

4.Создание сортов с/х культур, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям (например, были получены устойчивые к засухе трансгенные растения, имеющие в своем геноме ген скорпиона)

5.Создание сортов растений, способных синтезировать некоторые белки животного происхождения (например, в Китае получен сорт табака синтезирующий лактоферрин человека)

Таким образом, создание трансгенных растений позволяет решить целый комплекс проблем, как агротехнических и продовольственных, так и технологических, фармакологических и т.д. Кроме того, уходят в небытие пестициды и другие виды ядохимикатов, которые нарушали естественный баланс в локальных экосистемах и наносили невосполнимый ущерб окружающей среде.

Как и любое открытие, трансгенная технология вызывает различные мнения о целесообразности еѐ применения. Одни учѐные считают, что изменение генотипа открывает широкие возможности для сельского хозяйства и совершенно безопасно для человека. Другие высказывают опасения, что «побочные явления» данной технологии могут проявиться спустя десятки лет.

Вотношении трансгенных растений мир тоже разделился на две части. «За»: мировой лидер в этой технологии - США и крупнейшие экспортеры сельскохозяйственной продукции (Канада, Аргентина, Австралия и другие); «против»: отсталые страны с экстенсивным земледелием и, как ни странно, Европа.

Главный аргумент противников состоит в том, что генномодифицированные растения, устойчивые к гербицидам и насекомым, могут оказаться ―суперсорняками‖ или начнут случайно скрещиваться с дикими растениями и другими сельскохозяйственными культурами. Это приведет к генетическому загрязнению окружающей среды. Вероятность такого развития событий существует. Но если анализировать ситуацию более внимательно, то позиция Европы в значительной степени определяется экономическими и политическими причинами.

Сегодня генномодифицированные продукты редко встречаются на европейском рынке. Приняты строгие законы по обязательной маркировке и введены специальные стандарты по качеству пищи (нормы ограничений по ДНК).

В настоящее время все трансгенные растения, предназначенные для массового применения, обязательно проходят предварительную оценку на безопасность. Государственные разрешения на крупномасштабные посевы трансгенных растений выдаются специальными правительственными ведомствами после оценки токсикологических и экологических рисков, связанных с их выращиванием и применением полученной из них продукции. На сегодняшний день никаких серьѐзных последствий, которые являются прямым результатом употребления генетически модифицированных продуктов не выявлено.

Казалось бы, генная инженерия рисует радужные перспективы: трансгенные растения не болеют, а их вкуснейшие плоды практически не гниют. Но вспомним ещѐ одну мудрость: «Природа не терпит пустоты». А как же вредители и болезни? Неужели они останутся без пищи и погибнут? В этом случае, земля превратится в рай, либо экологическое равновесие снова будет нарушено, и мы получим новые проблемы.

Генетически модифицированные продукты стали одним из достижений биологии ХХ в. Но основной вопрос - безопасны ли такие продукты для человека, пока остается без ответа. Проблема ГМП актуальна, поскольку в ней экономические интересы многих стран приходят в противоречие с основными правами человека. Трансгенные продукты произведены на базе растений, в которых искусственным путем были заменены в молекуле ДНК один или несколько генов. ДНК - носитель генной информации - точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Вопросы для самоконтроля

1.Что представляют собой трансгенные растения?

2.Какие проблемы можно решить с помощью трансгенных растений?

Тема 8. Биологические средства зашиты окружающей среды

С каждым годом экологическое состояние в нашей стране становится все хуже. Именно поэтому государством предпринимаются все возможные меры для решения данной проблемы. Одной из самых эффективных мер на сегодняшний день принято считать такой вид деятельности, как охрана окружающей среды.

Охрана окружающей среды является по-настоящему важным и значимым процессом. Именно поэтому этим вопросам уделяют достаточно много времени и внимания. Охраной окружающей среды называется комплекс мер, направленных на предупреждение отрицательного влияния