Биотехнология и медицина
 Скачать 52.07 Kb.
|
|
Оглавление Вопрос 1. Биотехнология и медицина ………………………………………….3 Вопрос 2. Принципы действия и конструкции биореакторов…………………8 Вопрос 3. Технологии выращивания шампиньонов …………………………12 Вопрос 4. Методы иммобилизации ферментов, клеток, клеточных органелл (адсорбция, включение в полимерную структуру, инкапсулирование, поперечные сшивки)…………………………………………………………….16 Вопрос 5. Выделение, подбор и селекция объектов для биотехнологического процесса…………………………………………………………………………..21 Список использованной литературы …………………………………………..24 Вопрос 1. Биотехнология и медицина Прежде чем рассмотреть связь биотехнологии и медицины, необходимо выявить определения «биотехнгология» и «медицина». Биотехнология (от греч. bios — жизнь, techne — искусство, мастерство и logos — слово, учение) — научная дисциплина, изучающая использование живых организмов и продуктов их жизнедеятельности, а также биологических процессов в промышленном производстве [3]. Биотехнология — междисциплинарная область, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук и связана с молекулярной биологией, генетикой, генной инженерией, биохимической, микробиологической, физико-химической, электрохимической, химической технологией, биохимией, микробиологией, физической химией, электрохимией. Термин «биотехнология» впервые был применен венгерским инженером Карлом Эреки в 1917 году. С развитием биотехнологии связывают решение глобальных проблем человечества — ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды. Чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе, человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов. В связи с этим, одной из главных задачей селекционеров в настоящее время становится решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии. В настоящее время активно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т. п. Перспективно промышленное получение других биологически активных веществ (гормональных препаратов, соединений, стимулирующих иммунитет, и т. п.) с помощью методов генетической инженерии и культуры животных и растительных клеток. Медицина — область научной и практической деятельности по исследованию нормальных и патологических процессов в организме человека, различных заболеваний и патологических состояний, их лечению, сохранению и укреплению здоровья людей [3]. Достижения в области физико-химической биологии и биотехнологии заложили основы новой медицины. Современная биотехнология революционизирует медицинскую науку. Стремительно развиваются новые методы диагностики труднодиагностируемых заболеваний и устойчивых к воздействию антибиотиков микроорганизмов. Ведутся биотехнологические разработки новых методов лечения на основе генной и клеточной терапии. Фармакология уже получила множество ранее недоступных возможностей благодаря открытию новых генов и их белковых продуктов, что ведет к возникновению нового поколения лекарств с высокой избирательностью действия и малой токсичностью. Важнейшим направлением медицинской генетики в настоящее время является разработка новых методов диагностики наследственных заболеваний, в том числе и болезней с наследственной предрасположенностью. Сегодня уже никого не удивляет предимплантационная диагностика - метод диагностики эмбриона на ранней стадии внутриутробного развития, когда врач-генетик, извлекая лишь одну клетку будущего ребенка с минимальной угрозой для его жизни, ставит точный диагноз или предупреждает о наследственной предрасположенности к той или иной болезни. Получение антибиотиков в промышленных условиях Антибиотики - это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающих их рост или полностью подавляющих развитие [4]. Далеко не все из этих соединений, число которых приближается к 5000, допущены для применения в медицине. Причины неослабевающего внимания к поиску новых антибиотиков связаны с токсичностью существующих антибиотиков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастанием устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым препаратам и, помимо этого, с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, против которых недостаточно эффективны известные ныне антибиотики. Важной задачей является повышение эффективности биосинтеза известных антибиотиков. Значительных результатов удалось добиться за десятилетия селекции штаммов-продуцентов с применением индуцированного мутагенеза и ступенчатого отбора. Например, продуктивность штаммов Penicillium по синтезу пенициллина увеличена в 300- 350 раз. Определенные перспективы открываются в связи с возможностью клонирования генов “узких мест” биосинтеза антибиотика или в случае, если все биосинтетические ферменты кодируются единым опероном. Вместо антибиотика в организм человека может вводиться его продуцент, антагонист возбудителя заболевания. Этот подход берет начало с работ И. И.Мечникова о подавлении гнилостной микрофлоры в толстом кишечнике человека посредством молочнокислых бактерий[7]. Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли в последние годы в направлении синтеза пептидных гормонов. Раньше гормоны получали из органов и тканей животных и человека (крови доноров, удаленных при операциях органов, трупного материала). Требовалось много материала для получения небольшого количества продукта. Открываются перспективы борьбы не только с карликовостью, но и с низкорослостью - более слабой степенью дефицита соматотропина. Соматотропин способствует заживлению ран и ожогов, наряду с каль-цитонином (гормоном щитовидной железы) регулирует обмен Са 2+ в костной ткани[1]. Инсулин, пептидный гормон островков Лангерганса поджелудочной железы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. Эта болезнь вызвана дефицитом инсулина и проявляется повышением уровня глюкозы в крови[1]. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка и свиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина 1-3 аминокислотными заменами, так что возникала угроза аллергических реакций, особенно у детей. Широкомасштабное терапевтическое применение инсулина сдерживалось его высокой стоимостью и ограниченностью ресурсов. Путем химической модификации инсулин из животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это означало дополнительное удорожание продукта. К лечению диабета приложена также технология инкапсулирования: клетки поджелудочной железы в капсуле, введенные однократно в организм больного, продуцируют инсулин в течение года. Примером успешного применения методов генетической инженерии может служить синтез рэндорфина по технологии гибридных белков. Значителен вклад биотехнологии и в промышленное производство непептидных гормонов, в первую очередь стероидов. Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тироксина из микроводорослей. Рекомбинантные вакцины и вакцины-антигены Вакцинация - один из основных способов борьбы с инфекционными заболеваниями[1]. Путем поголовной вакцинации ликвидирована натуральная оспа, резко ограничено распространение бешенства, полиомиелита, желтой лихорадки. На повестке дня - изготовление вакцин против гриппа, гепатитов, герпесов, свинки, кори, острых респираторных заболеваний. Большое экономическое значение имеет разработка вакцин против болезней сельскохозяйственных животных - ящура, африканской болезни лошадей, овечьей болезни “синего языка”, трипаносомозов и др. Традиционные вакцинные препараты изготовляют на основе ослабленных, инактивированных или дезинтегрированных возбудителей болезней. Современные биотехнологические разработки предусматривают создание рекомбинантных вакцин и вакцин-антигенов. Вакцины обоих типов основаны на генноинженерном подходе. Открывается возможность одномоментной комплексной иммунизации, скажем, крупного рогатого скота против всех опасных инфекций данной местности. Многообразно применение ферментных препаратов в медицине. Их используют для растворения тромбов, лечения наследственных заболеваний (вместо отсутствующих эндогенных ферментов), удаления нежизнеспособных, денатурированных структур, клеточных и тканевых фрагментов, освобождения организма от токсических веществ [7]. Известно около 200 наследственных заболеваний, обусловленных дефицитом какого-либо фермента или иного белкового фактора. В настоящее время делают попытки лечения этих заболеваний с применением ферментов. Вопрос 2. Принципы действия и конструкции биореакторов В данном вопросе мы рассмотрим понятие «биореактор», его классификации, принципы его действия, необходимые системы для биореактора. Биореактор – это система, имеющая ограничивающую поверхность, в которой протекают биохимические реакции [6]. Промышленный биореактор – это емкость, в которой осуществляются рост микроорганизмов и/или различные химические превращения. Однако существуют принципы, общие по форме, но различающиеся по практической реализации: 1) принцип масштабирования – поэтапное увеличение объема аппаратов; 2) принцип однородности физико-химических условий – температуры, рН, концентрации растворенных веществ (кислород и др. газы) во всем объеме аппарата. Для биотехнологических процессов характерны следующие этапы: 1) загрузка субстратов для реакций синтеза; 2) превращения субстратов; 3) отделение и очистка целевого продукта. Биотехнологические процессы имеют свою специфику – в них участвуют живые клетки, субклеточные структуры или выделенные из клеток ферменты и их комплексы. Это оказывает влияние на процессы массопередачи – обмена веществом между различными фазами (например, перенос кислорода из газовой фазы в жидкую) и теплообмена – перераспределения тепловой энергии между взаимодействующими фазами. Именно поэтому важной составной частью биореактора является система перемешивания, служащая для обеспечения однородности условий в аппарате[5]. Многие биотехнологические процессы являются аэробными. Для аэрации культуральной среды используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, реже чистый кислород. В ходе метаболизма выделяются газообразные продукты (например, СО2), которые подлежат удалению. Анаэробные процессы зависят от газообразных субстратов или требуют отвода газообразных продуктов жизнедеятельности. Для этого существуют системы газоснабжения и газоотвода, примером которых служат аэраторы. Очень часто потребность в кислороде меняется по мере развития культуры. Аэратор должен вовремя реагировать на эти изменения, увеличивая или уменьшая подачу кислорода[5]. Теплообмен является важной составной частью процессов, протекающих в биореакторе, т.к. жизнедеятельность и метаболическая активность биообъекта в существенной мере зависят от температуры. Узкий диапазон температур, оптимальный для биотехнологического процесса, определяется: - резким спадом активности ферментов по мере снижения температуры; - необратимой денатурацией биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) при повышении температуры до определенного уровня. Большинство процессов протекает при температурах 30-50°С (мезофильные условия). В этом случае для поддержания оптимума температуры специальный подогрев используют в редких случаях. Однако для удаления избыточной теплоты, выделяемой в процессе жизнедеятельности культивируемых клеток, в биореакторе должна быть система теплообмена. Эта система должна чутко реагировать на изменения теплопродукции, происходящие в ходе культивирования биообъекта, поддерживать температуру на постоянном уровне или контролировать ее изменения по заданной программе[6]. Серьезной проблемой для аэрируемых биотехнологических процессов является вспенивание культуральной среды – образование на ее поверхности слоя из пузырей. Пенообразование связано с наличием в среде поверхностно-активных веществ (продукты распада жиров – мыла, белки). Пенный слой поверх среды культивирования в биореакторе имеет двоякое значение. Пена способствует росту многих аэробных микроорганизмов. В пенном слое – «кислородном коктейле» - наибольший прирост дают дрожжи. Внедряясь в границу раздела вода/воздух, пенообразующие ПАВ стимулируют массопередачу между этими фазами, снижая затраты на перемешивание и аэрацию. Однако нежелательные последствия вызывает избыточное пенообразование. Оно ведет к сокращению полезного объема биореактора, создает угрозу заражения культуры посторонней микрофлорой. Поэтому система пеногашения – необходимая составная часть реактора. Система стерилизациипредставляет собой специфический элемент биореактора. Устранение посторонней микрофлоры из реактора до введения в него штамма-продуцента, поддержание чистоты культуры на всем протяжении биотехнологического процесса, надежная стерилизация питательных сред, добавочных компонентов, титрантов, пеногасителей, подаваемого в биореактор воздуха – принцип асептики биотехнологического производства[5]. В последнее время в биотехнологии стали применять принцип дифференцированных режимов культивирования: разные этапы одного процесса осуществляют при различных условиях, варьируя такие параметры, как температура, рН среды и др. Таким образом, в соответствии с основными принципами реализации биотехнологических процессов современный биореактор должен обладать следующими системами: 1) эффективного перемешивания и гомогенизации питательной среды; 2) обеспечения доступа и быстрой диффузии газообразных агентов (система аэрации среды); 3) теплообмена; 4) пеногашения; 5) стерилизации сред, аппаратуры и воздуха; 6) контроля и регулировки процесса. Как сложные многопараметровые аппараты, биореакторы могут быть классифицированы по ряду критериев: 1) по размеру и целевому назначению: - лабораторные; - опытно-промышленные (пилотные); - промышленные; 2) по режиму работы: - периодические; - периодический режим с доливом субстрата; - полупериодические; - непрервно-проточные. 3) по условиям культивирования: - аэробные и анаэробные; - мезофильные и термофильные; - для поверхностного и глубинного культивирования; - аппараты для жидких питательных сред, твердофазные и газофазные[6]. Вопрос 3. Технологии выращивания шампиньонов Шампиньон двуспоровый - бесспорный лидер среди искусственно культивируемых грибов: общий объем выращиваемых шампиньонов составляет 75-80% от мирового производства грибов В современном промышленном грибоводстве различают две системы выращивания шампиньона - однозональную и многозональную, которые имеют принципиальные различия как в способах выращивания и планировке шампиньонницы, так и в механизации производственных процессов[2]. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки. Однозональная система (стеллажи, гряды, реже контейнеры) имеет следующие преимущества: -хорошую теплоизоляцию камер; -возможность постоянного расширения комбината; возможность улучшения -качества компоста путем регулирования срока его отпотевания; - обработку камер паром в конце оборота культуры, что является действенным средством борьбы со многими вредителями и болезнями, в том числе вирусами; -необходимость меньших затрат труда, поскольку все процессы выполняются в одном месте; -при централизованном приготовлении субстрата и покровной земли рентабельны и мелкие производства; -выполнение операций по наполнению камер компостом и его выгрузки не лимитируется использованием других культивационных помещений[2]. Многозональная система (контейнеры из дерева и пленки) требует меньших капиталовложений, более экономична с точки зрения отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, так как высокая температура требуется лишь в камере пастеризации компоста и проращивания мицелия. Незначительный перепад температуры (25-15 С) облегчает изготовление аппаратуры для автоматического регулирования микроклимата в камерах плодоношения. Аппаратура в этих камерах может быть установлена на месте выращивания. За последние 8-10 лет нашел широкое распространение способ термической обработки субстрата в массе, благодаря которому можно осуществлять контроль и управление основными параметрами всех фаз процесса производства субстрата. Достигнуто это благодаря применению простой конструкции камеры, в которой на ложном днище насыпью создается рыхлый слой массы субстрата. При продувании кондиционированного воздуха через массу в ней резко возрастают теплообмен и газообмен. Таким образом, создаются благоприятные условия для роста микроорганизмов, под влиянием которых аммиак и другие питательные вещества субстрата переходят в легко усвояемую шампиньонами форму[2]. Очень важно, чтобы площадь камеры была полностью заполнена и воздух проходил через субстрат. Особое внимание следует обратить на герметичность двери камеры. Так как быстрее всего высыхает тот слой субстрата, через который продувают воздух, целесообразно подавать воздух сверху. Это дает возможность разбрызгивать воду поверх субстрата, предотвращая его просушивание. В новых проектах камер предусматривается переключение заслонок в вентиляционных каналах, что позволит подавать воздух в субстрат попеременно то сверху, то снизу. Поскольку удельная часть притока свежего воздуха незначительна (20-30%), температура воздуха в камере примерно на 0,5 С ниже температуры субстрата. После загрузки в камеру субстрату под действием термофилов дают разогреться до 60 °С, в результате чего воздух приобретает такую же температуру. При этом воздух подается через короткие промежутки времени. В течение 4-6 часов эта температура удерживается путем подачи отдельных порций воздуха, после чего подается количество свежего воздуха, необходимого для поддержания температуры субстрата (50-55 °С). Такая температура является идеальной для микроорганизмов. Если же аммиак не обнаруживается, посредством подачи свежего воздуха начинают снижать температуру субстрата до 25 °С - температуры инокуляции мицелия. Переход на многозональную систему выращивания шампиньонов и пастеризации субстрата в массе позволяет увеличить производство шампиньонов до 300 т в год. Как отмечалось выше, шампиньоны выращивают в любых помещениях, где можно выдерживать температуру от 12 до 30 °С с применением естественной или принудительной вентиляции. В настоящее время накоплен богатый опыт по выращиванию шампиньонов в приспособленных сооружениях, овощехранилищах, старых складских помещениях, осенью в зимних теплицах и обогреваемых пленочных теплицах. Болгарские грибоводы удачно используют для этой цели овчарни во время пастбищного периода животных. Можно выращивать шампиньоны в крупных современных овощехранилищах, которые летом освобождаются от овощей и картофеля. Технология выращивания проста и доступна буквально для всех хозяйств. Из металла изготовляют столы, на которые помещают ящики с компостом, инокулированным мицелием и покрытым покровной смесью. Такие столы ставят друг на друга, и таким образом получается многоэтажный «грибной завод», который действует целое лето. Хороших результатов можно достичь при выращивании грибов в подвалах и старых постройках. Наряду с традиционными способами выращивания шампиньонов (гряды, стеллажи, контейнеры) сейчас находит широкое применение способ выращивания грибов в полиэтиленовых мешках. Этот метод имеет те же преимущества, что и ящичный. Он дает возможность механизировать многие виды работ, проводить направленную контролируемую ферментацию, упростить дезинфекцию помещений. При этом себестоимость продукции значительно снижается, так как полиэтиленовые мешки дешевле, чем деревянные ящики. Во Франции разработана технология выращивания шампиньонов в больших металлических контейнерах. Компост пастеризуется на специализированных предприятиях или прямо на месте выращивания грибов. В ряде хозяйств США и Канады шампиньоны возделывают в поддонах, установленных в специальных камерах с регулируемым микроклиматом. Оптимальными условиями выращивания считают температуру 15,6.°С, относительная влажность воздуха 90% при шести воздухообменах в I час. Вопрос 4. Методы иммобилизации ферментов, клеток, клеточных органелл (адсорбция, включение в полимерную структуру, инкапсулирование, поперечные сшивки) Много тысяч лет человек умеет выпекать хлеб, делать вино, дубить кожу и т. д. Он научился этим необходимым операциям, не вникая в суть происходящих биологических процессов. Однако понимание клеточного метаболизма и каталитических свойств ферментов позволяют человеку более полно использовать возможности клеток и ферментов для бытовых промышленных, медицинских и др. целей. Почему иммобилизация? Во многих случаях разработка практических методов, включающих в качестве компонента биологический элемент, зависит от способности стабилизировать или сохранить этот биологический элемент, будь то большая молекула или частица. В последние годы набор способов сохранения активности биологических объектов значительно расширился, в разработке этих способов иммобилизация играет все большую роль. Иммобилизация – это процесс фиксации биообъекта с помощью физико-химических сил на носителе[3]. Иммобилизацию можно рассматривать как физическое разделение биокатализатора (клеток, клеточных фракций или ферментов) и растворителя, при котором молекулы субстрата и продукта могут легко обмениваться между фазами. В современной биохимии одно из видных мест принадлежит ферментам. Ферменты и ферментные системы широко используются в различных отраслях промышленности, медицине, сельском хозяйстве, химическом анализе и т.д. Ферменты - вещества белковой природы и поэтому неустойчивыпри хранении, а также чувствительны к тепловым воздействиям. Кроме того, ферменты не могут быть использованы многократно из-за трудностей в отделении их от реагентов и продуктов реакции. Решить эти проблемы помогает создание иммобилизованных ферментов. Начало этому методу было положено в 1916 году, когда Дж.Нельсон и Е.Гриффин адсорбировали на угле инвертазу и показали, что она сохраняет в таком виде каталитическую активность. Сам термин "иммобилизованные ферменты узаконен в 1971 году, и означает любое ограничение свободы передвижения белковых молекул в пространстве[8]. При иммобилизации фермент закрепляют на поверхности или внутри твердой подложки, которую легко удаляют из реакционной смеси после завершения ферментации. Фермент может быть использован повторно, что существенно снижает стоимость процесса. Другое преимущество иммобилизации заключается в том, что фермент становится более стабильным, вероятно, за счет ограничения его способности денатурировать при изменениях рН, температуры и растворителей. К примеру, иммобилизованная глюкозоизомераза стабильна при 65 °С в течение года, тогда как в растворе она денатурирует при 45 °С за несколько часов. Иммобилизованный фермент можно использовать для непрерывного (открытого) производства, пропуская реагенты через фермент и собирая продукт на конечном этапе [8]. Сущность иммобилизации ферментов — прикрепление их в активной форме к нерастворимой основе или заключение в полупроницаемую мембранную систему. Прикрепление фермента к носителю осуществляется адсорбционно, химической связью или путем механического включения фермента в органический или неорганический гель (в капсулу и тому подобное). При этом допускается прикрепление фермента только за счет функциональных групп, не входящих в активный центр фермента и не участвующих в образовании фермент-субстратного комплекса. Носитель фермента или матрица может иметь вид зернистого материала, волокнистой структуры, пластинчатой поверхности, пленок или тканей, полых волокон, трубочек, капсул и т. д. Имеет значение размер частиц носителя. Важно иметь большую поверхность, поэтому рекомендуются небольшие частицы диаметром 0,1—0,2 мм. Носитель фермента может быть как природное вещество, так и синтетический полимер. Существует два основных метода иммобилизации ферментов: физический и химический[8]. Физическая иммобилизация ферментов представляет собой включение фермента в такую среду, в которой для него доступной является лишь ограниченная часть общего объема. При физической иммобилизации фермент не связан с носителем ковалентными связями. Существует четыре типа связывания ферментов: - адсорбция на нерастворимых носителях; - включение в поры геля; - пространственное отделение фермента от остального объема реакционной системы с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны); - включение в двухфазную среду, где фермент растворим, и может находиться только в одной из фаз. Главным отличительным признаком химических методов иммобилизации является то, что путем химического взаимодействия на структуру фермента в его молекуле создаются новые ковалентные связи, в частности между белком и носителем [8]. Препараты иммобилизованных ферментов, полученные с применением химических методов, обладают по крайней мере двумя важными достоинствами. Во-первых, ковалентная связь фермента с носителем обеспечивает высокую прочность образующегося конъюгата. При широком варьировании таких условий, как рН и температура, фермент не десорбируется с носителя и не загрязняет целевых продуктов катализируемой им реакции. Это особенно важно при реализации процессов медицинского и пищевого назначения, а также для обеспечения устойчивых, воспроизводимых результатов в аналитических системах. Во-вторых, химическая модификация ферментов способна приводить к существенным изменениям их свойств, таких как субстратная специфичность, каталитическая активность и стабильность. Химическая иммобилизация ферментов является искусством, уровень которого определяется, в первую очередь, умением экспериментатора. Основная задача экспериментатора заключается в формировании новых ковалентных связей в молекуле фермента при использовании его функциональных групп, несущественных для проявления его каталитической активности. При химической модификации фермента его активный центр желательно защищать. При сопоставлении различных приемов иммобилизации химические методы для крупномасштабных биотехнологических процессов кажутся малопривлекательными из-за сложности и дороговизны. В промышленных процессах обычно используются те или иные методы физической иммобилизации. Ковалентная поперечная сшивка Суть метода: при введении в раствор фермента бифункционального сшивающего агента отдельные молекулы фермента сшиваются друг с другом и образуют агрегаты сетчатой структуры, в которой узлами служат сами молекулы фермента. Получают нерастворимые агрегаты ферментов– более эффективные гетерогенные катализаторы. Cшивающие агенты: глутаровый альдегид, диизоцианат, хлорпроизводные триазина[8]. Сшивка ферментов преимущественно осуществляется за счет аминогрупп. Метод отличается простотой реализации и позволяет производить сшивку различных по структуре ферментов, а также ферментов с целыми клетками Примеры сочетания методов иммобилизации: - адсорбция на носителе + инкапсулирование; - включение в гель + адсорбция; - адсорбция + поперечная сшивка Ни один из методов иммобилизации не является универсальным, и для каждого типа биокатализаторов существуют свои предпочтительные методы. Чаще всего ферменты иммобилизуют различными адсорбционными методами или методом поперечных сшивок, лучшим методом для иммобилизации целых клеток является включение в полимерные структуры. Вопрос 5. Выделение, подбор и селекция объектов для биотехнологического процесса В биотехнологии и микробиологии часто пользуются терминами «вид», «штамм», «клон», «чистая культура». Поэтому необходимо дать их характеристику. Вид– основная таксономическая(классификационная) единица, представляет собой совокупность особей одного генотипа, обладающих хорошо выраженным фенотипическим сходством. Вид подразделяют на подвиды, или варианты[3]. Штамм– это культуры микроорганизмов одного и того же вида, выделенные из различных природных сред (почв, водоемов, организмов) или из одной и той же среды, но в разное время. Разные штаммы одного вида микроорганизмов могут различаться по некоторым признакам, например, чувствительности к антибиотикам, способности синтезировать некоторые продукты метаболизма и т.д., но эти различия выражены в меньшей степени, чем видовые[3]. Клон(в микробиологии = колония)– совокупность потомков, выращенных из единственной микробной клетки[3]. Чистая культура–совокупность (популяция) микроорганизмов, состоящая из особей одного вида[3]. Мир микроорганизмов велик и многообразен. В настоящее время известно более 100 тыс. различных видов. Однако микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько сотен видов. При столь большом разнообразии микробов возникает вопрос, каким образом подобрать именно те формы, продукция которых интересует? Для этого проводится выделение микроорганизмов. Отбираются пробы из мест, где обитание того или иного продуцента наиболее вероятно. Например, углеводородокисляющие микроорганизмы встречаются в почве возле бензоколонок, а винные дрожжи – на винограде. Образцы проб вносят в жидкие питательные среды специального состава (элективные). В элективных средах путем варьирования различных факторов создаются избирательные условия для преимущественного развития определенного продуцента. Таким образом, получают накопительные культуры микроорганизмов. Следующий этап – выделение чистых культур. Для этого используют плотные питательные среды, на которые засевают образцы проб из накопительных культур. Отдельные клетки микроорганизмов на плотных питательных средах образуют изолированные колонии, при их последующем пересеве получаются чистые культуры продуцента. Другой путь подбора микроорганизмов – из имеющихся коллекций микроорганизмов. Например, продуцентов антибиотиков чаще всего находят среди актиномицетов, а типичными продуцентами этанола являются дрожжи. Главным критерием при отборе продуцентов является способность микроорганизмов синтезировать целевой продукт. Биотехнологическая промышленность предъявляет к продуцентам ряд требований: 1) микроорганизмы должны обладать высокой скоростью роста; 2) использовать для жизнедеятельности дешевые непищевые субстраты; 3) быть устойчивыми к заражению посторонней микрофлорой. Все это позволяет значительно снизить затраты на производство целевого продукта. Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями синтетических процессов, чем высшие формы живого. Например, корова массой 500 кг в течение суток синтезирует около 0,5 кг белка. Такое же количество белка за одни сутки можно получить с помощью 5г дрожжей. Однако высокие скорости роста характерны не для всех микроорганизмов. Особый интерес как биотехнологические объекты представляют фотосинтезирующие микроорганизмы. В своей жизнедеятельности они, используя энергию света, синтезируют разнообразные вещества в результате восстановления углекислоты, сопряженного с окислением воды (цианобактерии и эукариоты), способны к усвоению атмосферного азота (прокариоты), т.е. обходятся самыми дешевыми источниками энергии, углерода, восстановительных эквивалентов и азота. Фототрофные микроорганизмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и различных биопрепаратов. Другими привлекательными объектами для биотехнологии являются термофильные организмы, которые оптимально растут при высоких температурах (60-80°, 110° и выше), что затрудняет развитие посторонней микрофлоры. Среди термофилов существуют ценные продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода. Применение термофилов позволяет снизить затраты на стерилизацию промышленного оборудования, а скорость роста и метаболическая активность у этих организмов в 1,5-2 раза выше, чем у мезофиллов[4]. Таким образом, выделение и подбор объекта – важный этап биотехнологического процесса. Однако путем простого подбора не удается получить высокоактивные продуценты, поэтому возникает задача изменения природы организма в нужном направлении. Для этого используют методы селекции, с помощью которых получены промышленные штаммы микроорганизмов, синтетическая активность которых превышает активность исходных штаммов в десятки и сотни раз. Селекция – это направленный отбор мутантов, т.е. организмов, наследственность которых претерпела скачкообразное изменение вследствие структурной модификации в нуклеотидной последовательности ДНК. Основной путь селекции – это путь от слепого отбора продуцентов к сознательному конструированию их геномов[3]. Список литературы 1. Беккер М. Е. Введение в биотехнологию / М.Е. Беккер. - М.: Пищевая промышленность, 2005. - 248 c. 2. Девочкина Н.Л. Технология культивирования шампиньона на промышленной основе/Н.Л.Девочкина //Рекомендации, М.: Россельхозакадемия, 2004.- 400 с. 3. Дрыгин Ю.Ф. Англо-русский словарь по биотехнологии (с толкованиями) / Ю.Ф. Дрыгин, Е.С. Дрыгина, И.П. Пьянзина. - М.: Гостехиздат, 2015. - 336 c. 4. Найду Р. Микроэлементы в окружающей среде. Биогеохимия, биотехнология и биоремедиация. / Под редакцией М. Н. В. Прасада, К. С. Саджвана, Р. Найду. - М.: Физматлит, 2009. - 279 c. 5. Основы фармацевтической биотехнологии: Учебное пособие / Т.П. Прищеп, В.С. Чучалин, К.Л. Зайков, Л.К. Михалева. – Ростов-на-Дону.: Феникс; Томск: Издательство НТЛ, 2006.-564 с. 6. Северин С.Е. Биохимия и медицина – новые подходы и достижения / С.Е. Северин. – М.: Русский врач, 2006. – 94 с. 7. Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия / Р. Шмид. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014. - 328 c 8. Юрин В. М. Иммобилизованные клетки и ферменты: курс лекций / В.М. Юрин. Минск: БГУ, 2006, 245 с. |