Τα κύρια αντικείμενα της βιοτεχνολογίας είναι. Σχέδιο διάλεξης. Αντικείμενα και μέθοδοι βιοτεχνολογίας. Εκμάθηση νέου υλικού

Η βιοτεχνολογία είναι τεχνολογικές διαδικασίες που χρησιμοποιούν βιοτεχνολογικά συστήματα - ζωντανούς οργανισμούς και συστατικά ενός ζωντανού κυττάρου. Τα συστήματα μπορεί να είναι διαφορετικά - από μικρόβια και βακτήρια μέχρι ένζυμα και γονίδια. Η βιοτεχνολογία είναι μια παραγωγή που βασίζεται στα επιτεύγματα της σύγχρονης επιστήμης: γενετική μηχανική, φυσική χημεία ενζύμων, μοριακή διάγνωση και μοριακή βιολογία, γενετική αναπαραγωγής, μικροβιολογία, βιοχημεία, χημεία αντιβιοτικών.

Στον τομέα της παραγωγής φαρμάκων, η βιοτεχνολογία αντικαθιστά τις παραδοσιακές τεχνολογίες και ανοίγει θεμελιωδώς νέες ευκαιρίες. Οι βιοτεχνολογικές μέθοδοι παράγουν γενετικά τροποποιημένες πρωτεΐνες (ιντερφερόνες, ιντερλευκίνες, ινσουλίνη, εμβόλια ηπατίτιδας κ.λπ.), ένζυμα, διαγνωστικά εργαλεία (εξεταστικά συστήματα για φάρμακα, φάρμακα, ορμόνες κ.λπ.), βιταμίνες, αντιβιοτικά, βιοαποδομήσιμα πλαστικά, βιοσυμβατά υλικά.

Η ανοσοποιητική βιοτεχνολογία, με τη βοήθεια της οποίας αναγνωρίζονται και απομονώνονται μεμονωμένα κύτταρα από μείγματα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο απευθείας στην ιατρική για διάγνωση και θεραπεία, αλλά και στην επιστημονική έρευνα, στη φαρμακολογική, τη βιομηχανία τροφίμων και άλλες βιομηχανίες, και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για λαμβάνουν φάρμακα που συντίθενται από τα κύτταρα προστατευτικό σύστημαοργανισμός.

Επί του παρόντος, τα επιτεύγματα της βιοτεχνολογίας είναι πολλά υποσχόμενα στους ακόλουθους κλάδους:

Στη βιομηχανία (τρόφιμα, φαρμακευτικά, χημικά, πετρέλαιο και αέριο) - χρήση βιοσύνθεσης και βιομετασχηματισμού νέων ουσιών που βασίζονται σε γενετικά τροποποιημένα στελέχη βακτηρίων και ζυμομυκήτων με επιθυμητές ιδιότητες που βασίζονται στη μικροβιολογική σύνθεση.

Στην οικολογία - αύξηση της αποτελεσματικότητας της οικολογικής προστασίας φυτών, ανάπτυξη φιλικών προς το περιβάλλον τεχνολογιών επεξεργασίας λυμάτων, ανακύκλωση απορριμμάτων από το αγροτοβιομηχανικό συγκρότημα, σχεδιασμός οικοσυστημάτων.

Στον ενεργειακό τομέα - χρήση νέων πηγών βιοενέργειας που λαμβάνονται με βάση μικροβιολογική σύνθεση και προσομοιωμένες φωτοσυνθετικές διαδικασίες, βιομετατροπή βιομάζας σε βιοαέριο.

Στη γεωργία - ανάπτυξη στον τομέα της φυτικής παραγωγής διαγονιδιακών καλλιεργειών, βιολογικών φυτοπροστατευτικών προϊόντων, βακτηριακών λιπασμάτων, μικρο βιολογικές μέθοδοι, αποκατάσταση εδάφους? στον τομέα της κτηνοτροφίας - δημιουργία αποτελεσματικών παρασκευασμάτων ζωοτροφών από φυτική, μικροβιακή βιομάζα και απόβλητα Γεωργία, αναπαραγωγή ζώων με βάση εμβρυογενετικές μεθόδους.

Στην ιατρική - ανάπτυξη ιατρικών βιολογικών προϊόντων, μονοκλωνικών αντισωμάτων, διαγνωστικών, εμβολίων, ανάπτυξη ανοσοβιοτεχνολογίας προς την κατεύθυνση της αύξησης της ευαισθησίας και της ειδικότητας της ανοσοδοκιμασίας ασθενειών μολυσματικής και μη μολυσματικής φύσης.

Σε σύγκριση με τη χημική τεχνολογία, η βιοτεχνολογία έχει τα ακόλουθα κύρια πλεονεκτήματα:

Η δυνατότητα λήψης συγκεκριμένων και μοναδικών φυσικών ουσιών, ορισμένες από τις οποίες (για παράδειγμα, πρωτεΐνες, DNA) δεν μπορούν ακόμη να ληφθούν με χημική σύνθεση.

Διεξαγωγή βιοτεχνολογικών διεργασιών σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και πιέσεις.

Οι μικροοργανισμοί έχουν σημαντικά υψηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης και συσσώρευσης κυτταρικής μάζας από άλλους οργανισμούς. Για παράδειγμα, με τη βοήθεια μικροοργανισμών σε έναν ζυμωτήρα όγκου 300 m 3 την ημέρα, μπορεί να παραχθεί 1 τόνος πρωτεΐνης (365 τόνοι / έτος). Για να παράγετε την ίδια ποσότητα πρωτεΐνης ετησίως με τη βοήθεια βοοειδών, πρέπει να έχετε ένα κοπάδι 30.000 κεφαλιών. Εάν, ωστόσο, χρησιμοποιούνται ψυχανθή φυτά, όπως ο αρακάς, για να επιτευχθεί ένας τέτοιος ρυθμός παραγωγής πρωτεϊνών, τότε θα είναι απαραίτητο να υπάρχει ένα χωράφι με μπιζέλια με έκταση ​​5400 εκταρίων.

Ως πρώτη ύλη στις βιοτεχνολογικές διαδικασίες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν φθηνά απόβλητα από τη γεωργία και τη βιομηχανία.

Οι βιοτεχνολογικές διεργασίες είναι συνήθως πιο φιλικές προς το περιβάλλον από τις χημικές, έχουν λιγότερα επιβλαβή απόβλητα και προσεγγίζουν τις φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν στη φύση.

Κατά κανόνα, η τεχνολογία και ο εξοπλισμός στις βιοτεχνολογικές βιομηχανίες είναι απλούστερες και φθηνότερες.

Ως προτεραιότητα, η βιοτεχνολογία αντιμετωπίζει τη δημιουργία και την ανάπτυξη της παραγωγής φαρμάκων για φάρμακα: ιντερφερόνες, ινσουλίνες, ορμόνες, αντιβιοτικά, εμβόλια, μονοκλωνικά αντισώματα και άλλα, επιτρέποντας έγκαιρη διάγνωση και θεραπεία καρδιαγγειακών, κακοήθων, κληρονομικών, λοιμωδών, συμπεριλαμβανομένων ιογενών ασθενειών. .

Η έννοια της «βιοτεχνολογίας» είναι συλλογική και καλύπτει τομείς όπως η τεχνολογία ζύμωσης, η χρήση βιοπαραγόντων που χρησιμοποιούν ακινητοποιημένους μικροοργανισμούς ή ένζυμα, η γενετική μηχανική, οι ανοσολογικές και πρωτεϊνικές τεχνολογίες, η τεχνολογία που χρησιμοποιεί κυτταροκαλλιέργειες ζωικής και φυτικής προέλευσης.

Η βιοτεχνολογία είναι ένα σύνολο τεχνολογικών μεθόδων, συμπεριλαμβανομένης της γενετικής μηχανικής, η χρήση ζωντανών οργανισμών και βιολογικών διεργασιών για την παραγωγή φαρμάκων ή η επιστήμη της ανάπτυξης και εφαρμογής ζωντανών συστημάτων, καθώς και μη ζωντανών συστημάτων βιολογικής προέλευσης, εντός του πλαισίου των τεχνολογικών διαδικασιών και της βιομηχανικής παραγωγής.

Η σύγχρονη βιοτεχνολογία είναι η χημεία, όπου η αλλαγή και ο μετασχηματισμός των ουσιών συμβαίνει μέσω βιολογικών διεργασιών. Σε έντονο ανταγωνισμό, δύο χημείες αναπτύσσονται με επιτυχία: η συνθετική και η βιολογική.

1. Τα βιοαντικείμενα ως μέσο παραγωγής ιατρικών, αποκαταστατικών, προληπτικών και διαγνωστικών μέσων. Ταξινόμηση και γενικά χαρακτηριστικάβιολογικά αντικείμενα.

Τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας είναι ιοί, βακτήρια, μύκητες - μικρομύκητες και μακρομύκητες, πρωτόζωοι οργανισμοί, κύτταρα (ιστοί) φυτών, ζώων και ανθρώπων, ορισμένες βιογενείς και λειτουργικά παρόμοιες ουσίες (π.χ. ένζυμα, προσταγλανδίνες, πηκτίνες, νουκλεϊκά οξέα κ. ). Κατά συνέπεια, τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας μπορούν να αντιπροσωπεύονται από οργανωμένα σωματίδια (ιούς), κύτταρα (ιστούς) ή μεταβολίτες τους (πρωτογενείς, δευτερογενείς). Ακόμη και όταν ένα βιομόριο χρησιμοποιείται ως αντικείμενο βιοτεχνολογίας, η αρχική του βιοσύνθεση πραγματοποιείται στις περισσότερες περιπτώσεις από τα αντίστοιχα κύτταρα. Από αυτή την άποψη, μπορεί να ειπωθεί ότι τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας αναφέρονται είτε σε μικρόβια είτε σε φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς. Με τη σειρά του, το σώμα μπορεί μεταφορικά να χαρακτηριστεί ως ένα σύστημα οικονομικής, πολύπλοκης, συμπαγούς, αυτορυθμιζόμενης και, επομένως, σκόπιμης βιοχημικής παραγωγής, που προχωρά σταθερά και ενεργά διατηρώντας παράλληλα όλες τις απαραίτητες παραμέτρους. Από αυτόν τον ορισμό προκύπτει ότι οι ιοί δεν είναι οργανισμοί, αλλά σύμφωνα με το περιεχόμενο των μορίων κληρονομικότητας, την προσαρμοστικότητα, τη μεταβλητότητα και ορισμένες άλλες ιδιότητες, ανήκουν σε εκπροσώπους της άγριας ζωής.

Όπως φαίνεται από το παραπάνω διάγραμμα, τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας είναι εξαιρετικά διαφορετικά, το εύρος τους εκτείνεται από τα οργανωμένα σωματίδια (ιούς) μέχρι τον άνθρωπο.

Επί του παρόντος, η πλειονότητα των αντικειμένων στη βιοτεχνολογία είναι μικρόβια που ανήκουν στα τρία βασίλεια (μη πυρηνικά, προπυρηνικά, πυρηνικά) και σε πέντε βασίλεια (ιούς, βακτήρια, μύκητες, φυτά και ζώα). Επιπλέον, τα δύο πρώτα βασίλεια αποτελούνται αποκλειστικά από μικρόβια.

Τα μικρόβια μεταξύ των φυτών είναι τα μικροσκοπικά φύκια (Algae), και μεταξύ των ζώων, τα μικροσκοπικά πρωτόζωα (Protozoa). Από τους ευκαρυώτες, τα μικρόβια περιλαμβάνουν μύκητες και, με ορισμένες επιφυλάξεις, λειχήνες, που είναι φυσικές συμβιωτικές ενώσεις μικροσκοπικών μυκήτων και μικροφυκών ή μυκήτων και κυανοβακτηρίων.

Acaryota - μη πυρηνικό, Procaruota - προπυρηνικό και Eucaruota - πυρηνικό (από τα ελληνικά a - όχι, pro - to, eu - καλό, εντελώς, saruon - πυρήνας). Τα οργανωμένα σωματίδια ανήκουν στην πρώτη ομάδα - ιοί και ιοειδή, στη δεύτερη - βακτήρια, στην τρίτη - όλοι οι άλλοι οργανισμοί (μύκητες, φύκια, φυτά, ζώα).

Οι μικροοργανισμοί σχηματίζουν έναν τεράστιο αριθμό δευτερογενών μεταβολιτών, πολλοί από τους οποίους έχουν επίσης βρει χρήση, για παράδειγμα, αντιβιοτικά και άλλους διορθωτές της ομοιόστασης των κυττάρων των θηλαστικών.

Προβιοτικά - παρασκευάσματα που βασίζονται στη βιομάζα ορισμένων τύπων μικροοργανισμών χρησιμοποιούνται για δυσβακτηρίωση για την ομαλοποίηση της μικροχλωρίδας του γαστρεντερικού σωλήνα. Οι μικροοργανισμοί είναι επίσης απαραίτητοι για την παραγωγή εμβολίων. Τέλος, τα μικροβιακά κύτταρα μπορούν να μετατραπούν σε παραγωγούς πρωτεϊνικών ορμονών για τον άνθρωπο, πρωτεϊνικών παραγόντων μη ειδικής ανοσίας κ.λπ. με γενετική μηχανική.

Τα ανώτερα φυτά είναι παραδοσιακά και μέχρι τώρα εξακολουθούν να είναι η πιο εκτεταμένη πηγή φαρμάκων. Όταν χρησιμοποιούνται φυτά ως βιολογικά αντικείμενα, η κύρια προσοχή εστιάζεται στην καλλιέργεια φυτικών ιστών σε τεχνητά μέσα (καλλιέργειες κάλλου και εναιωρήματος) και στις νέες προοπτικές που ανοίγονται σε αυτή την περίπτωση.

2. Μακροβιολογικά αντικείμενα ζωικής προέλευσης. Ο άνθρωπος ως δότης και αντικείμενο ανοσοποίησης. Θηλαστικά, πουλιά, ερπετά κ.λπ.

ΣΤΟ τα τελευταία χρόνιαΣε σχέση με την ανάπτυξη της τεχνολογίας ανασυνδυασμένου DNA, η σημασία ενός τέτοιου βιολογικού αντικειμένου ως ανθρώπου αυξάνεται ραγδαία, αν και με την πρώτη ματιά αυτό φαίνεται παράδοξο.

Ωστόσο, από την άποψη της βιοτεχνολογίας (με τη χρήση βιοαντιδραστήρα), ένα άτομο έγινε βιολογικό αντικείμενο μόνο μετά την συνειδητοποίηση της δυνατότητας κλωνοποίησης του DNA του (ακριβέστερα, των εξονίων του) στα κύτταρα των μικροοργανισμών. Λόγω αυτής της προσέγγισης, εξαλείφθηκε η έλλειψη πρώτων υλών για τη λήψη ανθρώπινων πρωτεϊνών ειδικών για το είδος.

σημαντικά στη βιοτεχνολογία είναι macro αντικείμενα,που περιλαμβάνουν διάφορα ζώα και πτηνά. Στην περίπτωση της παραγωγής ανοσοποιητικού πλάσματος, το άτομο ενεργεί και ως αντικείμενο ανοσοποίησης.

Για τη λήψη διαφόρων εμβολίων, όργανα και ιστοί, συμπεριλαμβανομένων των εμβρυϊκών, διαφόρων ζώων και πτηνών χρησιμοποιούνται ως αντικείμενα για την αναπαραγωγή του ιού: Πρέπει να σημειωθεί ότι ο όρος "δότης"στην περίπτωση αυτή, ορίζεται ένα βιολογικό αντικείμενο που παρέχει υλικό για τη διαδικασία παρασκευής ενός φαρμακευτικού προϊόντος χωρίς να βλάπτει τη ζωή του και ο όρος "δότης"- βιολογικό αντικείμενο από το οποίο η συλλογή υλικού για την παραγωγή ενός φαρμακευτικού προϊόντος είναι ασυμβίβαστη με τη συνέχιση της ζωής.

Από τους εμβρυϊκούς ιστούς, οι εμβρυϊκοί ιστοί κοτόπουλου είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι. Ιδιαίτερο όφελος είναι τα έμβρυα κοτόπουλου (ανάλογα με τη διαθεσιμότητα) ηλικίας δέκα έως δώδεκα ημερών, τα οποία χρησιμοποιούνται κυρίως για την αναπαραγωγή ιών και την επακόλουθη παρασκευή ιικών εμβολίων. Τα έμβρυα κοτόπουλου εισήχθησαν στην ιολογική πρακτική το 1931 από τους G. M. Woodroof και E. W. Goodpasture. Τέτοια έμβρυα συνιστώνται επίσης για την ανίχνευση, την αναγνώριση και τον προσδιορισμό της μολυσματικής δόσης των ιών, για τη λήψη αντιγονικών παρασκευασμάτων που χρησιμοποιούνται σε ορολογικές αντιδράσεις.

Επωάστηκε στους 38°C αυγά κοτόπουλου ovoskopirovat (ημιδιαφανή), απορρίπτονται, «διαφανή» μη γονιμοποιημένα δείγματα και διατηρούνται γονιμοποιημένα, στα οποία είναι ευδιάκριτα τα γεμάτα αιμοφόρα αγγεία της χοριοαλλαντοϊκής μεμβράνης και οι κινήσεις των εμβρύων.

Η μόλυνση των εμβρύων μπορεί να πραγματοποιηθεί χειροκίνητα και αυτόματα. Η τελευταία μέθοδος χρησιμοποιείται σε μεγάλης κλίμακας παραγωγή, για παράδειγμα, εμβολίων κατά της γρίπης. Το υλικό που περιέχει τον ιό εγχέεται με μια σύριγγα (μπαταρίες συρίγγων) σε διάφορα μέρη του εμβρύου(ων).

Όλα τα στάδια της εργασίας με έμβρυα κοτόπουλου μετά την ωοσκοπία εκτελούνται υπό άσηπτες συνθήκες. Το υλικό για μόλυνση μπορεί να είναι ένα εναιώρημα θρυμματισμένου εγκεφαλικού ιστού (σε σχέση με τον ιό της λύσσας), ήπατος, σπλήνας, νεφρών (σε σχέση με τα χλαμύδια ορνίθωσης) κ.λπ. Προκειμένου να απολυμανθεί το ιικό υλικό από βακτήρια ή να αποτραπεί η βακτηριακή του Μολύνσεις, μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατάλληλα αντιβιοτικά, για παράδειγμα, πενικιλλίνη με κάποια αμινογλυκοσίδη της τάξης των 150 IU το καθένα ανά 1 ml ενός εναιωρήματος υλικού που περιέχει ιό. Για την καταπολέμηση της μυκητιασικής μόλυνσης των εμβρύων, συνιστάται η χρήση ορισμένων αντιβιοτικών πολυενίου (νυστατίνη, αμφοτερικίνη Β) ή μεμονωμένα παράγωγα βενζιμιδαζόλης (για παράδειγμα, δακταρίνη, κ.λπ.).

Τις περισσότερες φορές, ένα εναιώρημα ιικού υλικού εγχέεται στην αλλαντοϊκή κοιλότητα ή, πιο σπάνια, στη χοριοναλαντική μεμβράνη σε ποσότητα 0,05-0,1 ml, τρυπώντας το απολυμασμένο κέλυφος (για παράδειγμα, με ιωδιούχο αιθανόλη) στο υπολογιζόμενο βάθος. Μετά από αυτό, η οπή κλείνεται με λιωμένη παραφίνη και τα έμβρυα τοποθετούνται σε θερμοστάτη, ο οποίος διατηρεί τη βέλτιστη θερμοκρασία για την αναπαραγωγή του ιού, για παράδειγμα 36-37,5°C. Η διάρκεια της επώασης εξαρτάται από τον τύπο και τη δραστηριότητα του ιού. Συνήθως, μετά από 2-4 ημέρες, μπορεί να παρατηρηθεί αλλαγή στις μεμβράνες, ακολουθούμενη από θάνατο των εμβρύων. Τα μολυσμένα έμβρυα παρακολουθούνται καθημερινά 1-2 φορές (πυρακτωμένο, γυρισμένο προς την άλλη πλευρά). Στη συνέχεια, τα νεκρά έμβρυα μεταφέρονται στη συλλογή ιικού υλικού. Εκεί απολυμαίνονται, το αλλαντοϊκό υγρό με τον ιό αναρροφάται και μεταφέρεται σε αποστειρωμένα δοχεία. Η απενεργοποίηση του ιού σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία συνήθως πραγματοποιείται με τη χρήση φορμαλίνης, φαινόλης ή άλλων ουσιών. Χρησιμοποιώντας φυγοκέντρηση υψηλής ταχύτητας ή χρωματογραφία συγγένειας (βλ.), είναι δυνατό να ληφθούν σωματίδια ιού υψηλής καθαρότητας.

Το συλλεγμένο ιικό υλικό, το οποίο πέρασε τον κατάλληλο έλεγχο, υποβάλλεται σε λυοφιλίωση. Οι ακόλουθοι δείκτες υπόκεινται σε έλεγχο: στειρότητα, αβλαβές και ειδική δραστηριότητα. Σε σχέση με τη στειρότητα, σημαίνουν την απουσία: ζωντανού ομόλογου ιού σε σκοτωμένο εμβόλιο, βακτηρίων και μυκήτων. Το ακίνδυνο και η ειδική δραστηριότητα αξιολογούνται σε ζώα και μόνο μετά από αυτό επιτρέπεται να δοκιμαστεί το εμβόλιο σε εθελοντές ή εθελοντές. μετά επιτυχήςκλινική έγκριση, το εμβόλιο επιτρέπεται να χρησιμοποιηθεί στην ευρεία ιατρική πρακτική.

Σε έμβρυα κοτόπουλου, για παράδειγμα, ζωεμβόλιο γρίπης. Προορίζεται για ενδορινική χορήγηση (άτομα άνω των 16 ετών και παιδιά από 3 έως 15 ετών). Το εμβόλιο είναι ένα αποξηραμένο αλλαντοϊκό υγρό που λαμβάνεται από έμβρυα κοτόπουλου μολυσμένα με ιό. Ο τύπος του ιού επιλέγεται σύμφωνα με την επιδημιολογική κατάσταση και τις προβλέψεις. Επομένως, τα φάρμακα μπορούν να παραχθούν ως μονοεμβόλιο ή διεμβόλιο (για παράδειγμα, συμπεριλαμβανομένων των ιών Α2 και Β) σε αμπούλες με 20 και 8 δόσεις εμβολιασμού για τις κατάλληλες ομάδες πληθυσμού. Η αποξηραμένη μάζα σε αμπούλες έχει συνήθως ανοιχτό κίτρινο χρώμα, το οποίο παραμένει ακόμη και μετά τη διάλυση του περιεχομένου της αμπούλας σε βρασμένο, κρύο νερό.

Ζωντανά εμβόλια γρίπης για ενήλικες και παιδιά παρασκευάζονται επίσης για χορήγηση από το στόμα. Τέτοια εμβόλια είναι ειδικά στελέχη εμβολίων, η αναπαραγωγή των οποίων πραγματοποιήθηκε εντός 5-15 διελεύσεων (όχι λιγότερο και όχι περισσότερο) στην καλλιέργεια του νεφρικού ιστού των εμβρύων κοτόπουλου. Παράγονται σε ξηρή μορφή σε φιαλίδια. Όταν διαλύεται στο νερό, το χρώμα αλλάζει από ανοιχτό κίτρινο σε κοκκινωπό.

Από τα άλλα ιικά εμβόλια που λαμβάνονται σε έμβρυα κοτόπουλου, μπορεί κανείς να ονομάσει αντιπαρωτίτιδα, κατά του κίτρινου πυρετού.

Από άλλους εμβρυϊκούς ιστούς, χρησιμοποιούνται έμβρυα ποντικών ή άλλων θηλαστικών, καθώς και ανθρώπινα έμβρυα που έχουν αποβληθεί.

Οι εμβρυϊκοί μεταμοσχεύσιμοι ιστοί είναι διαθέσιμοι μετά από θεραπεία με θρυψίνη, καθώς μεγάλη ποσότητα μεσοκυτταρικών ουσιών (συμπεριλαμβανομένης της μη πρωτεϊνικής φύσης) δεν έχει ακόμη σχηματιστεί σε τέτοιους ιστούς. Τα κύτταρα διαχωρίζονται και, μετά τις απαραίτητες επεξεργασίες, καλλιεργούνται σε ειδικά μέσα σε μονοστοιβάδα ή σε αιωρούμενη κατάσταση.

Οι ιστοί που απομονώνονται από ζώα μετά τη γέννηση ταξινομούνται ως ώριμος.Όσο μεγαλύτερα είναι, τόσο πιο δύσκολο είναι να καλλιεργηθούν. Ωστόσο, μετά από επιτυχημένη καλλιέργεια, στη συνέχεια «ευθυγραμμίζονται» και διαφέρουν ελάχιστα από τα εμβρυϊκά κύτταρα.

Εκτός από την πολιομυελίτιδα, για την ιλαρά πραγματοποιείται ειδική προφύλαξη με ζωντανά εμβόλια. Ζωντανό ξηρό εμβόλιο ιλαράςπαρασκευάζονται από ένα στέλεχος εμβολίου, η αναπαραγωγή του οποίου πραγματοποιήθηκε σε κυτταροκαλλιέργειες νεφρών ινδικού χοιριδίου ή ινοβλάστες ιαπωνικών ορτυκιών.

3. Βιοαντικείμενα φυτικής προέλευσης. Άγρια φυτά και καλλιέργειες φυτικά κύτταρα.

Τα φυτά χαρακτηρίζονται από: την ικανότητα φωτοσύνθεσης, την παρουσία κυτταρίνης, τη βιοσύνθεση αμύλου.

Τα φύκια είναι μια σημαντική πηγή διαφόρων πολυσακχαριτών και άλλων βιολογικά δραστικών ουσιών. Αναπαράγονται αγενώς, ασεξουαλικά και σεξουαλικά. Καθώς τα βιολογικά αντικείμενα δεν χρησιμοποιούνται επαρκώς, αν και, για παράδειγμα, φύκια που ονομάζεται λάχανο θάλασσας παράγεται από τη βιομηχανία διαφόρων χωρών. Το άγαρ-άγαρ και τα αλγινικά που λαμβάνονται από τα φύκια είναι πολύ γνωστά.

Κύτταρα ανώτερων φυτών. Τα ανώτερα φυτά (περίπου 300.000 είδη) είναι διαφοροποιημένοι πολυκύτταροι, κυρίως επίγειοι οργανισμοί. Από όλους τους ιστούς, μόνο οι μεριστωματικοί είναι ικανοί να διαιρεθούν και όλοι οι άλλοι ιστοί σχηματίζονται σε βάρος τους. Αυτό είναι σημαντικό για τη λήψη κυττάρων, τα οποία στη συνέχεια πρέπει να συμπεριληφθούν στη βιοτεχνολογική διαδικασία.

Τα μεριστεμικά κύτταρα που παραμένουν στο εμβρυϊκό στάδιο ανάπτυξης καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής του φυτού ονομάζονται αρχικά κύτταρα, άλλα σταδιακά διαφοροποιούνται και μετατρέπονται σε κύτταρα διαφόρων μόνιμων ιστών - τελικών κυττάρων.

Ανάλογα με την τοπολογία στο φυτό, τα μεριστώματα διακρίνονται σε κορυφαία, ή κορυφαία (λατ. arech - άκρη), πλάγια ή πλάγια (από λατ. lateralis - πλευρικά) και ενδιάμεσα ή ενδιάμεσα (από λατ. Intercalaris - διάμεσο, παρεμβαλλόμενο .

Ολοδυναμία- αυτή είναι η ιδιότητα των σωματικών κυττάρων των φυτών να πραγματοποιούν πλήρως τις αναπτυξιακές τους δυνατότητες μέχρι το σχηματισμό ενός ολόκληρου φυτού.

Οποιοσδήποτε τύπος φυτού μπορεί να παράγει, υπό κατάλληλες συνθήκες, μια ανοργάνωτη μάζα διαιρούμενων κυττάρων - κάλος (από το λατ. callus - καλαμπόκι), ειδικά με την επαγωγική δράση των φυτικών ορμονών. Η μαζική παραγωγή κάλων με περαιτέρω αναγέννηση βλαστών είναι κατάλληλη για φυτική παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Γενικά, ο κάλος είναι ο κύριος τύπος φυτικών κυττάρων που καλλιεργούνται σε θρεπτικό μέσο. Ο ιστός του τύλου από οποιοδήποτε φυτό μπορεί να ανακαλλιεργηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ταυτόχρονα, τα αρχικά φυτά (συμπεριλαμβανομένων των μεριστωματικών) διαφοροποιούνται και εξειδικεύονται, αλλά ωθούνται να διαιρεθούν, σχηματίζοντας τον πρωτογενή κάλο.

Εκτός από την ανάπτυξη κάλλων, είναι δυνατή η καλλιέργεια κυττάρων ορισμένων φυτών σε καλλιέργειες εναιωρήματος. Οι πρωτοπλάστες των φυτικών κυττάρων φαίνεται επίσης να είναι σημαντικά βιολογικά αντικείμενα. Οι μέθοδοι για τη λήψη τους είναι ουσιαστικά παρόμοιες με τις μεθόδους για τη λήψη βακτηριακών και μυκητιακών πρωτοπλάστων. Τα επόμενα πειράματα με τη μεσολάβηση κυττάρων με αυτά είναι δελεαστικά όσον αφορά τα πιθανά πολύτιμα αποτελέσματα.

4. Βιοαντικείμενα – μικροοργανισμοί. Οι κύριες ομάδες λαμβανόμενων βιολογικά δραστικών ουσιών.

Τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας είναι ιοί, βακτήρια, μύκητες - μικρομυκήτες και μακρομύκητες, πρωτόζωοι οργανισμοί, κύτταρα (ιστοί) φυτών, ζώων και ανθρώπων, ορισμένες βιογενείς και λειτουργικά παρόμοιες ουσίες (π.χ. ένζυμα, προσταγλανδίνες, λεκτίνες, νουκλεϊκά οξέα κ. ). Κατά συνέπεια, τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας μπορούν να αντιπροσωπεύονται από οργανωμένα σωματίδια (ιούς), κύτταρα (ιστούς) ή μεταβολίτες τους (πρωτογενείς, δευτερογενείς). Ακόμη και όταν ένα βιομόριο χρησιμοποιείται ως αντικείμενο βιοτεχνολογίας, η αρχική του βιοσύνθεση πραγματοποιείται στις περισσότερες περιπτώσεις από τα αντίστοιχα κύτταρα. Από αυτή την άποψη, μπορεί να ειπωθεί ότι τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας αναφέρονται είτε σε μικρόβια είτε σε φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς. Με τη σειρά του, το σώμα μπορεί μεταφορικά να χαρακτηριστεί ως ένα σύστημα οικονομικής, σύνθετης, συμπαγούς, αυτορυθμιζόμενης και, επομένως, σκόπιμης βιοχημικής παραγωγής, προχωρώντας σταθερά και ενεργά με τη βέλτιστη διατήρηση όλων των απαραίτητων παραμέτρων. Από αυτόν τον ορισμό προκύπτει ότι οι ιοί δεν είναι οργανισμοί, αλλά σύμφωνα με το περιεχόμενο των μορίων κληρονομικότητας, την προσαρμοστικότητα, τη μεταβλητότητα και ορισμένες άλλες ιδιότητες, ανήκουν σε εκπροσώπους της άγριας ζωής.

Επί του παρόντος, η πλειονότητα των αντικειμένων στη βιοτεχνολογία είναι μικρόβια που ανήκουν στα τρία βασίλεια (μη πυρηνικά, προπυρηνικά, πυρηνικά) και σε πέντε βασίλεια (ιούς, βακτήρια, μύκητες, φυτά και ζώα). Επιπλέον, τα δύο πρώτα βασίλεια αποτελούνται αποκλειστικά από μικρόβια.

Τα κύτταρα των μυκήτων, των φυκών, των φυτών και των ζώων έχουν έναν πραγματικό πυρήνα διαχωρισμένο από το κυτταρόπλασμα και ως εκ τούτου αναφέρονται ως ευκαρυώτες.

5. Βιοαντικείμενα - μακρομόρια με ενζυματική δραστηριότητα. Χρήση σε βιοτεχνολογικές διεργασίες.

ΣΤΟ πρόσφατους χρόνουςμια ομάδα παρασκευασμάτων ενζύμων έχει λάβει μια νέα κατεύθυνση εφαρμογής - αυτή είναι η μηχανική ενζυμολογία, η οποία είναι ένα τμήμα της βιοτεχνολογίας όπου ένα ένζυμο δρα ως βιοαντικείμενο.

Οργανοθεραπεία, δηλ. η θεραπεία με όργανα και σκευάσματα από όργανα, ιστούς και εκκρίσεις ζώων, για μεγάλο χρονικό διάστημα στηριζόταν σε βαθύ εμπειρισμό και αντικρουόμενες ιδέες, κατέχοντας εξέχουσα θέση στην ιατρική όλων των εποχών και των λαών. Μόλις στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, ως αποτέλεσμα των επιτυχιών που πέτυχαν οι βιολογικές και οργανική χημεία, και την ανάπτυξη της πειραματικής φυσιολογίας, η οργανοθεραπεία γίνεται επιστημονική βάση. Αυτό συνδέεται με το όνομα του Γάλλου φυσιολόγου Brown-Séquard. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στο έργο του Brown-Sekar που σχετίζεται με την εισαγωγή στο ανθρώπινο σώμα εκχυλισμάτων από τους όρχεις ενός ταύρου, που είχε θετική επιρροήσχετικά με την απόδοση και την ευημερία.

Τα πρώτα επίσημα φάρμακα (GF VII) ήταν η επινεφρίνη, η ινσουλίνη, η πιτουϊτρίνη, η πεψίνη και η παγκρεατίνη. Στη συνέχεια, ως αποτέλεσμα εκτεταμένης έρευνας που διεξήχθη από σοβιετικούς ενδοκρινολόγους και φαρμακολόγους, αποδείχθηκε ότι ήταν δυνατή η σταθερή επέκταση του φάσματος των επίσημων και ανεπίσημων παρασκευασμάτων οργάνων.

Ωστόσο, ορισμένα αμινοξέα λαμβάνονται με χημική σύνθεση, για παράδειγμα, γλυκίνη, καθώς και D-, L-μεθειονίνη, το D-ισομερές της οποίας είναι χαμηλής τοξικότητας, επομένως, ένα ιατρικό παρασκεύασμα με βάση τη μεθειονίνη περιέχει D- και L- μορφών, αν και το φάρμακο χρησιμοποιείται στο εξωτερικό στην ιατρική, που περιέχει μόνο τη μορφή L της μεθειονίνης. Εκεί, το ρακεμικό μίγμα της μεθειονίνης διαχωρίζεται με βιομετατροπή της μορφής D στη μορφή L υπό την επίδραση ειδικών ενζύμων ζωντανών κυττάρων μικροοργανισμών.

Τα παρασκευάσματα ακινητοποιημένων ενζύμων έχουν έναν αριθμό σημαντικών πλεονεκτημάτων όταν χρησιμοποιούνται για εφαρμοσμένους σκοπούς σε σύγκριση με φυσικούς πρόδρομους. Πρώτον, ένας ετερογενής καταλύτης μπορεί εύκολα να διαχωριστεί από το μέσο αντίδρασης, γεγονός που καθιστά δυνατό: α) να σταματήσει η αντίδραση την κατάλληλη στιγμή. β) επαναχρησιμοποίηση του καταλύτη. γ) αποκτήστε ένα προϊόν που δεν είναι μολυσμένο με το ένζυμο. Το τελευταίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε μια σειρά από βιομηχανίες τροφίμων και φαρμακευτικών προϊόντων.

Δεύτερον, η χρήση ετερογενών καταλυτών καθιστά δυνατή τη συνεχή διεξαγωγή της ενζυμικής διαδικασίας, για παράδειγμα, σε στήλες ροής, και τον έλεγχο του ρυθμού της καταλυόμενης αντίδρασης, καθώς και της απόδοσης του προϊόντος, αλλάζοντας τον ρυθμό ροής.

Τρίτον, η ακινητοποίηση ή η τροποποίηση του ενζύμου συμβάλλει σε μια στοχευμένη αλλαγή στις ιδιότητες του καταλύτη, συμπεριλαμβανομένης της εξειδίκευσής του (ειδικά σε σχέση με τα μακρομοριακά υποστρώματα), της εξάρτησης της καταλυτικής δραστηριότητας από το pH, την ιοντική σύνθεση και άλλες παραμέτρους του μέσο και, πολύ σημαντικό, η σταθερότητά του σε σχέση με διάφορα είδη μετουσιωτικών επιδράσεων. Σημειώνουμε ότι σημαντική συνεισφορά στην ανάπτυξη γενικών αρχών για τη σταθεροποίηση των ενζύμων έγινε από σοβιετικούς ερευνητές.

Τέταρτον, η ακινητοποίηση των ενζύμων καθιστά δυνατή τη ρύθμιση της καταλυτικής τους δραστηριότητας αλλάζοντας τις ιδιότητες του στηρίγματος υπό τη δράση κάποιων φυσικών παραγόντων, όπως το φως ή ο ήχος. Σε αυτή τη βάση, δημιουργούνται αισθητήρες που είναι ευαίσθητοι στον μηχανισμό και στον ήχο, ενισχυτές ασθενούς σήματος και φωτογραφικές διαδικασίες χωρίς ασήμι.

Ως αποτέλεσμα της εισαγωγής μιας νέας κατηγορίας βιοοργανικών καταλυτών - ακινητοποιημένων ενζύμων, νέοι, προηγουμένως απρόσιτοι τρόποι ανάπτυξης έχουν ανοίξει για την εφαρμοσμένη ενζυμολογία. Απλώς η λίστα των περιοχών στις οποίες βρίσκουν εφαρμογή τα ακινητοποιημένα ένζυμα θα μπορούσε να καταλάβει πολύ χώρο.

6. Οδηγίες για τη βελτίωση βιολογικών αντικειμένων με μεθόδους επιλογής και μεταλλαξιογένεσης. Μεταλλαξιογόνα. Ταξινόμηση. Χαρακτηριστικό γνώρισμα. Ο μηχανισμός δράσης τους.

Ότι οι μεταλλάξεις είναι η κύρια πηγή μεταβλητότητας στους οργανισμούς, δημιουργώντας τη βάση για την εξέλιξη. Ωστόσο, στο δεύτερο μισό του XIX αιώνα. για τους μικροοργανισμούς, ανακαλύφθηκε μια άλλη πηγή μεταβλητότητας - η μεταφορά ξένων γονιδίων - ένα είδος «γενετικής μηχανικής της φύσης».

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, η έννοια της μετάλλαξης αποδιδόταν μόνο στα χρωμοσώματα στα προκαρυωτικά και στα χρωμοσώματα (πυρήνας) στους ευκαρυώτες. Επί του παρόντος, εκτός από τις χρωμοσωμικές μεταλλάξεις, έχει εμφανιστεί και η έννοια των κυτταροπλασματικών μεταλλάξεων (πλασμίδιο - σε προκαρυώτες, μιτοχονδριακό και πλασμίδιο - σε ευκαρυώτες).

Οι μεταλλάξεις μπορούν να προκληθούν τόσο από αναδιάταξη του αντιγράφου (αλλαγή στον αριθμό και τη σειρά των γονιδίων σε αυτό) όσο και από αλλαγές σε ένα μεμονωμένο γονίδιο.

Σε σχέση με οποιαδήποτε βιολογικά αντικείμενα, αλλά ιδιαίτερα συχνά στην περίπτωση των μικροοργανισμών, εντοπίζονται οι λεγόμενες αυθόρμητες μεταλλάξεις, οι οποίες βρίσκονται σε έναν πληθυσμό κυττάρων χωρίς ιδιαίτερη επίδραση σε αυτόν.

Σύμφωνα με τη σοβαρότητα σχεδόν οποιουδήποτε χαρακτηριστικού, τα κύτταρα σε έναν μικροβιακό πληθυσμό αποτελούν μια σειρά παραλλαγών. Τα περισσότερα κύτταρα έχουν μέση βαρύτητα του χαρακτηριστικού. Οι αποκλίσεις «+» και «-» από τη μέση τιμή βρίσκονται στον πληθυσμό όσο λιγότερο συχνά, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόκλιση προς οποιαδήποτε κατεύθυνση (Εικ. I). Η αρχική, απλούστερη προσέγγιση για τη βελτίωση ενός βιολογικού αντικειμένου συνίστατο στην επιλογή των αποκλίσεων «+» (υποθέτοντας ότι αυτές οι αποκλίσεις αντιστοιχούν στα συμφέροντα της παραγωγής). Σε έναν νέο κλώνο (γενετικά ομοιογενής απόγονος ενός κυττάρου· σε ένα στερεό μέσο - μια αποικία), που ελήφθη από ένα κύτταρο με απόκλιση "+", η επιλογή πραγματοποιήθηκε και πάλι σύμφωνα με την ίδια αρχή. Ωστόσο, μια τέτοια διαδικασία, όταν επαναλαμβάνεται πολλές φορές, χάνει μάλλον γρήγορα την αποτελεσματικότητά της, δηλαδή οι αποκλίσεις «+» γίνονται μικρότερες σε μέγεθος σε νέους κλώνους.

Η μεταλλαξιογένεση πραγματοποιείται όταν ένα βιολογικό αντικείμενο υποβάλλεται σε επεξεργασία με φυσικούς ή χημικούς μεταλλαξιογόνους παράγοντες. Στην πρώτη περίπτωση, κατά κανόνα, πρόκειται για υπεριώδη, γάμμα, ακτίνες Χ. στο δεύτερο - νιτροσομεθυλουρία, νιτροσογουανιδίνη, βαφές ακριδίνης, ορισμένες φυσικές ουσίες (για παράδειγμα, από τροπικά αντιβιοτικά DNA λόγω της τοξικότητάς τους που δεν χρησιμοποιούνται στην κλινική μολυσματικών ασθενειών). Ο μηχανισμός δράσης τόσο των φυσικών όσο και των χημικών μεταλλαξιγόνων σχετίζεται με την άμεση δράση τους στο DNA (κυρίως στις αζωτούχες βάσεις του DNA, που εκφράζεται σε σταυροσύνδεση, διμερισμό, αλκυλίωση των τελευταίων και παρεμβολή μεταξύ τους).

Εννοείται βέβαια ότι η βλάβη δεν οδηγεί σε θάνατο. Έτσι, μετά την επεξεργασία ενός βιολογικού αντικειμένου με μεταλλαξιογόνα (φυσικά ή χημικά), η επίδρασή τους στο DNA οδηγεί σε συχνές κληρονομικές αλλαγές ήδη στο επίπεδο του φαινοτύπου (μία ή άλλη από τις ιδιότητές του). Η επόμενη εργασία είναι να επιλέξει και να αξιολογήσει ακριβώς τις μεταλλάξεις που χρειάζεται ο βιοτεχνολόγος. Για την ταυτοποίησή τους, η επεξεργασμένη καλλιέργεια σπέρνεται σε στερεά θρεπτικά μέσα διαφορετικών συνθέσεων, αφού αραιωθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να μην υπάρχει συνεχής ανάπτυξη στο στερεό μέσο, ​​αλλά να σχηματίζονται ξεχωριστές αποικίες που σχηματίζονται κατά την αναπαραγωγή μεμονωμένων κυττάρων. Στη συνέχεια, κάθε αποικία επανασπείρεται και η προκύπτουσα καλλιέργεια (κλώνος) ελέγχεται για ένα ή άλλο χαρακτηριστικό σε σύγκριση με το αρχικό. Αυτό το μέρος επιλογής της εργασίας στο σύνολό της είναι πολύ επίπονο, αν και οι τεχνικές που καθιστούν δυνατή την αύξηση της αποτελεσματικότητάς της βελτιώνονται συνεχώς.

Έτσι, αλλάζοντας τη σύνθεση των στερεών θρεπτικών μέσων στα οποία αναπτύσσονται οι αποικίες, μπορεί κανείς να λάβει αμέσως αρχικές πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των κυττάρων αυτής της αποικίας σε σύγκριση με τα κύτταρα της αρχικής καλλιέργειας. Για τη σπορά κλώνων με διαφορετικά μεταβολικά χαρακτηριστικά, χρησιμοποιείται η λεγόμενη «μέθοδος αποτύπωσης» που αναπτύχθηκε από τους J. Lederberg και E. Lederberg. Ο πληθυσμός των μικροβιακών κυττάρων εκτρέφεται έτσι ώστε να αναπτυχθούν περίπου εκατό αποικίες σε ένα τρυβλίο Petri με θρεπτικό μέσο και να διαχωρίζονται σαφώς. Το βελούδο τοποθετείται σε έναν μεταλλικό κύλινδρο με διάμετρο κοντά στη διάμετρο ενός πιάτου Petri. τότε όλα αποστειρώνονται, δημιουργώντας έτσι έναν «αποστειρωμένο βελούδινο πάτο» του κυλίνδρου. Στη συνέχεια, αυτός ο πυθμένας εφαρμόζεται στην επιφάνεια του μέσου σε ένα κύπελλο με αποικίες που αναπτύσσονται πάνω του. Σε αυτή την περίπτωση, οι αποικίες φαίνεται να είναι «αποτυπωμένες» στο βελούδο. Στη συνέχεια, αυτό το βελούδο εφαρμόζεται στην επιφάνεια των μέσων διαφορετικής σύνθεσης. Έτσι, είναι δυνατό να καθοριστεί: ποια από τις αποικίες στο αρχικό πιάτο (η θέση των αποικιών στο βελούδο αντικατοπτρίζει τη θέση τους στην επιφάνεια του στερεού μέσου στο αρχικό πιάτο) αντιστοιχεί, για παράδειγμα, σε ένα μεταλλαγμένο που χρειάζεται μια συγκεκριμένη βιταμίνη ή ένα συγκεκριμένο αμινοξύ. ή ποια αποικία αποτελείται από μεταλλαγμένα κύτταρα ικανά να σχηματίσουν ένα ένζυμο που οξειδώνει ένα συγκεκριμένο υπόστρωμα; ή ποια αποικία αποτελείται από κύτταρα που έχουν αποκτήσει αντίσταση σε ένα συγκεκριμένο αντιβιοτικό κ.λπ.

Πρώτα απ 'όλα, ο βιοτεχνολόγος ενδιαφέρεται για μεταλλαγμένες καλλιέργειες που έχουν αυξημένη ικανότητα να σχηματίζουν το προϊόν-στόχο. Ο παραγωγός της ουσίας στόχος, ο πιο πολλά υποσχόμενος από πρακτική άποψη, μπορεί να υποβληθεί επανειλημμένα σε θεραπεία με διαφορετικούς μεταλλαξιογόνους παράγοντες. Νέα μεταλλαγμένα στελέχη που ελήφθησαν σε επιστημονικά εργαστήρια διαφορετικές χώρεςτου κόσμου, χρησιμεύουν ως αντικείμενο ανταλλαγής σε δημιουργική συνεργασία, πώληση αδειών κ.λπ.

Οι πιθανές πιθανότητες μεταλλαξιογένεσης (με επακόλουθη επιλογή) οφείλονται στην εξάρτηση της βιοσύνθεσης του προϊόντος στόχου από πολλές μεταβολικές διεργασίες στον οργανισμό του παραγωγού. Για παράδειγμα, αυξημένη δραστηριότηταενός οργανισμού που σχηματίζει το προϊόν στόχο μπορεί να αναμένεται εάν η μετάλλαξη έχει οδηγήσει σε διπλασιασμό (διπλασιασμό) ή ενίσχυση (πολλαπλασιασμό) των δομικών γονιδίων που περιλαμβάνονται στο σύστημα σύνθεσης προϊόντος στόχου. Περαιτέρω, η δραστηριότητα μπορεί να αυξηθεί εάν, λόγω διαφορετικών τύπων μεταλλάξεων, καταστέλλονται οι λειτουργίες των γονιδίων καταστολέα που ρυθμίζουν τη σύνθεση του προϊόντος στόχου. Ένας πολύ αποτελεσματικός τρόπος για να αυξηθεί ο σχηματισμός του προϊόντος στόχου είναι η παραβίαση του συστήματος αναστολής. Είναι επίσης δυνατό να αυξηθεί η δραστηριότητα του παραγωγού αλλάζοντας (λόγω μεταλλάξεων) το σύστημα μεταφοράς των προδρόμων ουσιών του προϊόντος στόχου στο κύτταρο. Τέλος, μερικές φορές το προϊόν-στόχος, με απότομη αύξηση του σχηματισμού του, επηρεάζει αρνητικά τη βιωσιμότητα του ίδιου του παραγωγού (το λεγόμενο αυτοκτονικό αποτέλεσμα). Η αύξηση της αντοχής ενός παραγωγού στη δική του ουσία είναι συχνά απαραίτητη για την απόκτηση, για παράδειγμα, υπερπαραγωγών αντιβιοτικών.

Εκτός από τον διπλασιασμό και την ενίσχυση των δομικών γονιδίων, οι μεταλλάξεις μπορεί να έχουν χαρακτήρα διαγραφής - «διαγραφής», π.χ. απώλεια μέρους του γενετικού υλικού. Οι μεταλλάξεις μπορεί να προκληθούν από μετάθεση (εισαγωγή τμήματος ενός χρωμοσώματος σε μια νέα θέση) ή αναστροφή (αλλαγή της σειράς των γονιδίων σε ένα χρωμόσωμα). Σε αυτή την περίπτωση, το γονιδίωμα του μεταλλαγμένου οργανισμού υφίσταται αλλαγές που οδηγούν σε ορισμένες περιπτώσεις στην απώλεια ενός συγκεκριμένου χαρακτηριστικού από το μεταλλαγμένο, και σε άλλες στην εμφάνιση ενός νέου χαρακτηριστικού σε αυτό. Τα γονίδια σε νέα μέρη βρίσκονται υπό τον έλεγχο άλλων ρυθμιστικών συστημάτων. Επιπλέον, υβριδικές πρωτεΐνες ασυνήθιστες για τον αρχικό οργανισμό μπορεί να εμφανιστούν σε μεταλλαγμένα κύτταρα λόγω του γεγονότος ότι υπό τον έλεγχο ενός προαγωγέα υπάρχουν πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες δύο (ή περισσότερων) δομικών γονιδίων που προηγουμένως ήταν απομακρυσμένα το ένα από το άλλο.

Οι αποκαλούμενες «σημειακές» μεταλλάξεις μπορεί επίσης να έχουν μεγάλη σημασία για τη βιοτεχνολογική παραγωγή. Σε αυτή την περίπτωση, αλλαγές συμβαίνουν σε ένα μόνο γονίδιο. Για παράδειγμα, η απώλεια ή η εισαγωγή μίας ή περισσότερων βάσεων Οι μεταλλάξεις "σημείου" περιλαμβάνουν τη μεταστροφή (όταν μια πουρίνη αντικαθίσταται από μια πυριμιδίνη) και τη μετάβαση (αντικατάσταση μιας πουρίνης από μια άλλη πουρίνη ή μιας πυριμιδίνης από μια άλλη πυριμιδίνη). Οι υποκαταστάσεις σε ένα ζεύγος νουκλεοτιδίων (ελάχιστες υποκαταστάσεις) κατά τη μεταφορά του γενετικού κώδικα στο στάδιο της μετάφρασης οδηγούν στην εμφάνιση στην κωδικοποιημένη πρωτεΐνη ενός άλλου αμινοξέος αντί για ένα. Αυτό μπορεί να αλλάξει δραστικά τη διαμόρφωση μιας δεδομένης πρωτεΐνης και, κατά συνέπεια, τη λειτουργική της δραστηριότητα, ειδικά στην περίπτωση αντικατάστασης υπολειμμάτων αμινοξέων στο ενεργό ή αλλοστερικό κέντρο.

Ένα από τα πιο λαμπρά παραδείγματα της αποτελεσματικότητας της μεταλλαξιογένεσης που ακολουθείται από επιλογή με βάση την αύξηση του σχηματισμού του προϊόντος στόχου είναι η ιστορία της δημιουργίας σύγχρονων υπερπαραγωγών πενικιλίνης. Η εργασία με τα αρχικά βιολογικά αντικείμενα - στελέχη (στέλεχος - καλλιέργεια κλώνων, η ομοιογένεια της οποίας διατηρείται με επιλογή) του μύκητα Penicillium chrysogenum, που απομονώθηκε από φυσικές πηγές, πραγματοποιείται από τη δεκαετία του 1940. για αρκετές δεκαετίες σε πολλά εργαστήρια. Αρχικά, σημειώθηκε κάποια επιτυχία στην επιλογή μεταλλαγμένων που προέκυψαν από αυθόρμητες μεταλλάξεις. Στη συνέχεια περάσαμε στην επαγωγή μεταλλάξεων από φυσικούς και χημικούς μεταλλαξιογόνους παράγοντες. Ως αποτέλεσμα μιας σειράς επιτυχημένων μεταλλάξεων και σταδιακής επιλογής όλο και πιο παραγωγικών μεταλλαγμάτων, η δραστηριότητα των στελεχών Penicillium chrysogenum που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία των χωρών όπου παράγεται πενικιλλίνη είναι τώρα 100 χιλιάδες φορές υψηλότερη από αυτή του αρχικού στελέχους που ανακαλύφθηκε από τον Α. Φλέμινγκ, από την οποία ξεκίνησε η ιστορία της ανακάλυψης της πενικιλίνης.

Τα στελέχη παραγωγής (σε σχέση με τη βιοτεχνολογική παραγωγή) με τόσο υψηλή παραγωγικότητα (αυτό ισχύει όχι μόνο για την πενικιλλίνη, αλλά και για άλλα προϊόντα-στόχους) είναι εξαιρετικά ασταθή λόγω του γεγονότος ότι πολλές τεχνητές αλλαγές στο γονιδίωμα των κυττάρων στελεχών από μόνες τους δεν είναι θετική σημασία για τη βιωσιμότητα αυτών των κυττάρων. Επομένως, τα μεταλλαγμένα στελέχη απαιτούν συνεχή παρακολούθηση κατά την αποθήκευση: ο κυτταρικός πληθυσμός σπέρνεται σε στερεό μέσο και οι καλλιέργειες που λαμβάνονται από μεμονωμένες αποικίες ελέγχονται για παραγωγικότητα. Σε αυτή την περίπτωση, τα revertants - καλλιέργειες με μειωμένη δραστηριότητα απορρίπτονται. Η αναστροφή εξηγείται από αντίστροφες αυθόρμητες μεταλλάξεις που οδηγούν στην επιστροφή ενός τμήματος του γονιδιώματος (ένα συγκεκριμένο θραύσμα DNA) στην αρχική του κατάσταση. Ειδικά συστήματα ενζυμικής επιδιόρθωσης εμπλέκονται στην επαναφορά στον κανόνα - στον εξελικτικό μηχανισμό για τη διατήρηση της σταθερότητας του είδους.

Η βελτίωση των βιολογικών αντικειμένων σε σχέση με την παραγωγή δεν περιορίζεται στην αύξηση της παραγωγικότητάς τους. Αν και αυτή η κατεύθυνση είναι αναμφίβολα η κύρια, δεν μπορεί να είναι η μοναδική: η επιτυχής λειτουργία της βιοτεχνολογικής παραγωγής καθορίζεται από πολλούς παράγοντες. Από οικονομικής άποψης, είναι πολύ σημαντικό να αποκτηθούν μεταλλαγμένα προϊόντα ικανά να χρησιμοποιούν φθηνότερα και λιγότερο ανεπαρκή θρεπτικά μέσα. Αν τα ακριβά περιβάλλοντα δεν δημιουργούν ιδιαίτερα οικονομικά προβλήματα, τότε σε μεγάλης κλίμακας παραγωγή, η μείωση του κόστους τους (αν και χωρίς αύξηση του επιπέδου δραστηριότητας του παραγωγού) είναι εξαιρετικά σημαντική.

Ένα άλλο παράδειγμα: στην περίπτωση ορισμένων βιολογικών αντικειμένων, το πολιτιστικό υγρό μετά το τέλος της ζύμωσης έχει δυσμενείς τεχνολογικά ρεολογικές ιδιότητες. Επομένως, στο κατάστημα για την απομόνωση και τον καθαρισμό του προϊόντος στόχου, δουλεύοντας με υγρό καλλιέργειας αυξημένου ιξώδους, αντιμετωπίζουν δυσκολίες κατά τη χρήση διαχωριστών, φίλτρου κ.λπ. Οι μεταλλάξεις που αλλάζουν τον μεταβολισμό ενός βιολογικού αντικειμένου με αντίστοιχο τρόπο απομακρύνουν αυτές τις δυσκολίες σε μεγάλο βαθμό.

Η παραγωγή βιολογικών αντικειμένων ανθεκτικών στους φάγους έχει μεγάλη σημασία σε σχέση με τη διασφάλιση της αξιοπιστίας της παραγωγής. Η συμμόρφωση με τις άσηπτες συνθήκες κατά τη ζύμωση αφορά πρωτίστως την αποτροπή εισόδου κυττάρων και σπορίων ξένων βακτηρίων και ινών (σε πιο σπάνιες περιπτώσεις, φυκιών και πρωτόζωων) στο εμβόλιο (και επίσης στη συσκευή ζύμωσης). Είναι εξαιρετικά δύσκολο να αποτραπεί η είσοδος φάγων στον ζυμωτήρα μαζί με τον αέρα διεργασίας που αποστειρώνεται με διήθηση. Δεν είναι τυχαίο ότι οι ιοί τα πρώτα χρόνια μετά την ανακάλυψή τους ονομάζονταν «φιλτραριζόμενοι». Επομένως, ο κύριος τρόπος για την καταπολέμηση των βακτηριοφάγων, των ακτινοφάγων και των φάγων που μολύνουν μύκητες είναι η απόκτηση μεταλλαγμένων μορφών βιολογικών αντικειμένων που είναι ανθεκτικά σε αυτούς.

Χωρίς να θίγουμε τις ιδιαίτερες περιπτώσεις εργασίας με βιολογικά αντικείμενα-παθογόνα, θα πρέπει να τονιστεί ότι μερικές φορές το έργο της βελτίωσης βιολογικών αντικειμένων προέρχεται από τις απαιτήσεις της βιομηχανικής υγιεινής. Για παράδειγμα, ένας παραγωγός ενός από τα σημαντικά αντιβιοτικά βήτα-λακτάμης, που απομονώθηκε από φυσική πηγή, σχημάτισε σημαντική ποσότητα πτητικών ουσιών με δυσάρεστη οσμή λαχανικών που σαπίζουν.

Μεταλλάξεις που οδηγούν στη διαγραφή γονιδίων που κωδικοποιούν ένζυμα που εμπλέκονται στη σύνθεση αυτών των πτητικών ουσιών που αποκτώνται σε αυτήν την περίπτωση πρακτική αξίαγια παραγωγή.

Από τα προηγούμενα προκύπτει ότι ένα σύγχρονο βιολογικό αντικείμενο που χρησιμοποιείται στη βιοτεχνολογική βιομηχανία είναι ένας υπερπαραγωγός που διαφέρει από το αρχικό φυσικό στέλεχος όχι σε έναν, αλλά, κατά κανόνα, σε πολλούς δείκτες. Η αποθήκευση τέτοιων στελεχών-υπερπαραγωγών είναι ένα σοβαρό ανεξάρτητο πρόβλημα. Με όλες τις μεθόδους αποθήκευσης, πρέπει περιοδικά να επανασπορεύονται και να ελέγχονται τόσο για παραγωγικότητα όσο και για άλλες σημαντικές ιδιότητες για την παραγωγή.

Στην περίπτωση της χρήσης ανώτερων φυτών και ζώων ως βιολογικών αντικειμένων για τη λήψη φαρμάκων, οι δυνατότητες χρήσης μεταλλαξιογένεσης και επιλογής για τη βελτίωσή τους είναι περιορισμένες. Ωστόσο, κατ' αρχήν, η μεταλλαξιογένεση και η επιλογή δεν αποκλείονται εδώ. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τα φυτά που σχηματίζουν δευτερογενείς μεταβολίτες που χρησιμοποιούνται ως φαρμακευτικές ουσίες.

7. Οδηγίες για τη δημιουργία νέων βιολογικών αντικειμένων με μεθόδους γενετικής μηχανικής. Βασικά επίπεδα γενετικής μηχανικής. Χαρακτηριστικό γνώρισμα.

Με τη βοήθεια μεθόδων γενετικής μηχανικής, είναι δυνατή η κατασκευή νέων μορφών μικροοργανισμών σύμφωνα με ένα συγκεκριμένο σχέδιο, ικανών να συνθέσουν μια μεγάλη ποικιλία προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων προϊόντων ζωικής και φυτικής προέλευσης.Ταυτόχρονα, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη τους υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης και την παραγωγικότητα των μικροοργανισμών, την ικανότητά τους να χρησιμοποιούν διάφορα είδη πρώτων υλών. Η δυνατότητα μικροβιολογικής σύνθεσης ανθρώπινων πρωτεϊνών ανοίγει ευρείες προοπτικές για τη βιοτεχνολογία: η σωματοστατίνη, οι ιντερφερόνες, η ινσουλίνη και η αυξητική ορμόνη λαμβάνονται με αυτόν τον τρόπο.

Τα κύρια προβλήματα στον τρόπο κατασκευής νέων παραγωγών μικροοργανισμών είναι τα ακόλουθα.

1. Γονιδιακά προϊόντα φυτικής, ζωικής και ανθρώπινης προέλευσης εισέρχονται σε ένα ξένο για αυτά ενδοκυτταρικό περιβάλλον, όπου καταστρέφονται από μικροβιακές πρωτεάσες. Τα σύντομα πεπτίδια όπως η σωματοστατίνη υδρολύονται ιδιαίτερα γρήγορα, μέσα σε λίγα λεπτά. Η στρατηγική για την προστασία των γενετικά τροποποιημένων πρωτεϊνών σε ένα μικροβιακό κύτταρο περιορίζεται σε: α) τη χρήση αναστολέων πρωτεάσης. Έτσι, η απόδοση της ανθρώπινης ιντερφερόνης αυξήθηκε 4 φορές όταν ένα θραύσμα DNA του φάγου Τ4 με το γονίδιο εισήχθη στο πλασμίδιο που φέρει το γονίδιο ιντερφερόνης. καρφίτσα,υπεύθυνος για τη σύνθεση ενός αναστολέα πρωτεάσης. β) λήψη ενός πεπτιδίου ενδιαφέροντος ως μέρος ενός μορίου υβριδικής πρωτεΐνης· γι' αυτό, το γονίδιο πεπτιδίου συντήκεται με το φυσικό γονίδιο του οργανισμού-δέκτη. το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο γονίδιο πρωτεΐνης είναι το Α Η ασθένεια του σταφυλοκοκουγ) ενίσχυση (αύξηση του αριθμού των αντιγράφων) των γονιδίων. επαναλαμβανόμενη επανάληψη του γονιδίου ανθρώπινης προϊνσουλίνης στο πλασμίδιο οδήγησε σε σύνθεση στο κύτταρο Ε. coliένα πολυμερές αυτής της πρωτεΐνης, το οποίο αποδείχθηκε πολύ πιο σταθερό στη δράση των ενδοκυτταρικών πρωτεασών από τη μονομερή προϊνσουλίνη. Το πρόβλημα της σταθεροποίησης των ξένων πρωτεϊνών στα κύτταρα δεν έχει ακόμη μελετηθεί επαρκώς (V.I. Tanyashin, 1985).

2. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το προϊόν του μεταμοσχευμένου γονιδίου δεν απελευθερώνεται στο μέσο καλλιέργειας και συσσωρεύεται μέσα στο κύτταρο, γεγονός που περιπλέκει σημαντικά την απομόνωσή του. Έτσι, η αποδεκτή μέθοδος λήψης ινσουλίνης χρησιμοποιώντας Ε. coliπεριλαμβάνει την καταστροφή των κυττάρων και τον επακόλουθο καθαρισμό της ινσουλίνης. Από αυτή την άποψη, μεγάλη σημασία αποδίδεται στη μεταμόσχευση γονιδίων που είναι υπεύθυνα για την απέκκριση πρωτεϊνών από τα κύτταρα. Υπάρχουν πληροφορίες για μια νέα μέθοδο γενετικά τροποποιημένης σύνθεσης ινσουλίνης, η οποία απελευθερώνεται στο μέσο καλλιέργειας (M. Sun, 1983).

Δικαιολογείται επίσης ο επαναπροσανατολισμός των βιοτεχνολόγων από το αγαπημένο τους αντικείμενο της γενετικής μηχανικής. Ε. coliσε άλλα βιολογικά αντικείμενα. Ε. coliεκκρίνει σχετικά λίγες πρωτεΐνες. Επιπλέον, το κυτταρικό τοίχωμα αυτού του βακτηρίου περιέχει την τοξική ουσία ενδοκοτίνη, η οποία πρέπει να διαχωριστεί προσεκτικά από τα προϊόντα που χρησιμοποιούνται για φαρμακολογικούς σκοπούς. Καθώς τα αντικείμενα της γενετικής μηχανικής είναι πολλά υποσχόμενα, επομένως, τα θετικά κατά Gram βακτήρια (αντιπρόσωποι των γενών Bacillus, Staphylococcus, Streptomyces).Συγκεκριμένα Bas. subtilisαπελευθερώνει περισσότερες από 50 διαφορετικές πρωτεΐνες στο μέσο καλλιέργειας (C. Vard, 1984). Αυτά περιλαμβάνουν ένζυμα, εντομοκτόνα και αντιβιοτικά. Οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί είναι επίσης πολλά υποσχόμενοι. Έχουν μια σειρά από πλεονεκτήματα, συγκεκριμένα, η ιντερφερόνη ζυμομύκητα συντίθεται σε γλυκοζυλιωμένη μορφή, όπως η φυσική ανθρώπινη πρωτεΐνη (σε αντίθεση με την ιντερφερόνη που συντίθεται στα κύτταρα E. coti).

3. Τα περισσότερα κληρονομικά γνωρίσματα κωδικοποιούνται από πολλά γονίδια και η ανάπτυξη της γενετικής μηχανικής θα πρέπει να περιλαμβάνει τα στάδια της διαδοχικής μεταμόσχευσης καθενός από τα γονίδια. Ένα παράδειγμα ενός υλοποιημένου πολυγονιδιακού έργου είναι η δημιουργία ενός στελέχους Ψευδομονάς sp., ικανή να χρησιμοποιεί αργό πετρέλαιο. Με τη βοήθεια πλασμιδίων, το στέλεχος εμπλουτίστηκε διαδοχικά σε γονίδια για ένζυμα που αποικοδομούν το οκτάνιο, την καμφορά, το ξυλόλιο και το ναφθαλίνιο (V. G. Debabov, 1982). Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δυνατή όχι διαδοχική, αλλά ταυτόχρονη μεταμόσχευση ολόκληρων μπλοκ γονιδίων χρησιμοποιώντας ένα μόνο πλασμίδιο. Ως μέρος ενός πλασμιδίου, το nif-οπερόνιο μπορεί να μεταφερθεί στο κύτταρο δέκτη Πνευμονία Klebsiella,υπεύθυνος για τη δέσμευση του αζώτου. Η ικανότητα του σώματος να σταθεροποιεί το άζωτο καθορίζεται από την παρουσία τουλάχιστον 17 διαφορετικών γονιδίων υπεύθυνων τόσο για τα δομικά συστατικά του συμπλέγματος νιτρογενάσης όσο και για τη ρύθμιση της σύνθεσής τους.

Η γενετική μηχανική των φυτών πραγματοποιείται σε οργανικό, ιστικό και κυτταρικό επίπεδο. Όπως φαίνεται, αν και για λίγα είδη (ντομάτες, καπνός, μηδική), η δυνατότητα αναγέννησης ολόκληρου του οργανισμού από ένα μόνο κύτταρο έχει αυξήσει απότομα το ενδιαφέρον για τη γενετική μηχανική των φυτών. Ωστόσο, εδώ, εκτός από τα καθαρά τεχνικά προβλήματα, είναι απαραίτητο να επιλυθούν προβλήματα που σχετίζονται με παραβιάσεις της δομής του γονιδιώματος (αλλαγές στην πλοειδία, χρωμοσωμικές ανακατατάξεις) των καλλιεργούμενων φυτικών κυττάρων. Ένα παράδειγμα ενός υλοποιημένου έργου γενετικής μηχανικής είναι η σύνθεση της φαζολίνης, μιας πρωτεΐνης αποθήκευσης φασολιών, σε αναγεννημένα φυτά καπνού. Η μεταμόσχευση του γονιδίου που είναι υπεύθυνο για τη σύνθεση της φαζολίνης πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα πλασμίδιο Ti ως φορέα. Με τη βοήθεια του πλασμιδίου Ti, το γονίδιο αντίστασης στο αντιβιοτικό νεομυκίνη μεταμοσχεύθηκε επίσης σε φυτά καπνού και με τη βοήθεια του ιού CMV, το γονίδιο αντίστασης στον αναστολέα της διυδροφολικής αναγωγάσης μεθοτρεξάτη μεταμοσχεύθηκε σε φυτά γογγύλι.

Η φυτική γενετική μηχανική περιλαμβάνει χειρισμούς όχι μόνο με το πυρηνικό γονιδίωμα των κυττάρων, αλλά και με το γονιδίωμα των χλωροπλαστών και των μιτοχονδρίων. Στο γονιδίωμα του χλωροπλάστη είναι πιο σκόπιμο να εισαχθεί το γονίδιο δέσμευσης αζώτου για να εξαλειφθεί η ανάγκη του φυτού για αζωτούχα λιπάσματα. Δύο πλασμίδια (S-1 και S-2) βρέθηκαν στα μιτοχόνδρια αραβοσίτου, τα οποία καθορίζουν την κυτταροπλασματική στειρότητα των αρσενικών. Εάν οι κτηνοτρόφοι πρέπει να «απαγορέψουν» την αυτογονιμοποίηση του καλαμποκιού και να επιτρέψουν μόνο τη διασταυρούμενη επικονίαση, μπορεί να μην ενδιαφέρονται να αφαιρέσουν χειροκίνητα τους στήμονες εάν πάρουν φυτά με κυτταροπλασματική αρσενική στειρότητα για γονιμοποίηση. Τέτοια φυτά μπορούν να εκτραφούν με μακροπρόθεσμη επιλογή, αλλά η γενετική μηχανική προσφέρει μια ταχύτερη και πιο στοχευμένη μέθοδο - την άμεση εισαγωγή πλασμιδίων στα μιτοχόνδρια των κυττάρων αραβοσίτου. Οι εξελίξεις στον τομέα της φυτικής γενετικής μηχανικής θα πρέπει επίσης να περιλαμβάνουν τη γενετική τροποποίηση συμβιών φυτών - οζιδίων βακτηρίων του γένους Ριζόβιο.Σχεδιάζεται η εισαγωγή στα κύτταρα αυτών των βακτηρίων χρησιμοποιώντας πλασμίδια hup(πρόσληψη υδρογόνου) - ένα γονίδιο που υπάρχει στη φύση μόνο σε ορισμένα στελέχη του R. japonicumκαι R. leguminosarum. Nir-genπροκαλεί την απορρόφηση και χρήση του αερίου υδρογόνου που απελευθερώνεται κατά τη λειτουργία του συμπλέγματος ενζύμων δέσμευσης του αζώτου των βακτηρίων των οζιδίων. Η ανακύκλωση του υδρογόνου καθιστά δυνατή την αποφυγή της απώλειας αναγωγικών ισοδυνάμων κατά τη συμβιωτική δέσμευση αζώτου στους όζους των ψυχανθών και τη σημαντική αύξηση της παραγωγικότητας αυτών των φυτών.

Η εφαρμογή μεθόδων γενετικής μηχανικής για τη βελτίωση των φυλών των ζώων εκτροφής παραμένει ένα μακρινό έργο. Μιλάμε για την αύξηση της αποτελεσματικότητας της χρήσης των ζωοτροφών, την αύξηση της γονιμότητας, την απόδοση γάλακτος και αυγού, την αντοχή των ζώων στις ασθένειες, την επιτάχυνση της ανάπτυξής τους και τη βελτίωση της ποιότητας του κρέατος. Ωστόσο, η γενετική όλων αυτών των χαρακτηριστικών των ζώων εκτροφής δεν έχει ακόμη διευκρινιστεί, γεγονός που εμποδίζει τις προσπάθειες γενετικής χειραγώγησης σε αυτόν τον τομέα.

8. Κυτταρική μηχανική και χρήση της στη δημιουργία μικροοργανισμών και φυτικών κυττάρων. Μέθοδος σύντηξης πρωτοπλάστων.

Η κυτταρική μηχανική είναι ένας από τους πιο σημαντικούς τομείς της βιοτεχνολογίας. Βασίζεται στη χρήση ενός θεμελιωδώς νέου αντικειμένου - μιας απομονωμένης καλλιέργειας κυττάρων ή ιστών ευκαρυωτικών οργανισμών, καθώς και στην ολική δύναμη - μια μοναδική ιδιότητα των φυτικών κυττάρων. Η χρήση αυτού του αντικειμένου άνοιξε μεγάλες ευκαιρίες για την επίλυση παγκόσμιων θεωρητικών και πρακτικών προβλημάτων. Στην περιοχή του θεμελιώδεις επιστήμεςέχει καταστεί εφικτή η μελέτη τέτοιων πολύπλοκων προβλημάτων όπως η αλληλεπίδραση των κυττάρων στους ιστούς, η κυτταρική διαφοροποίηση, η μορφογένεση, η συνειδητοποίηση της κυτταρικής παντοδυναμίας, οι μηχανισμοί εμφάνισης καρκινικών κυττάρων κ.λπ. ιδιαίτερα, φθηνότερα φάρμακα, καθώς και η καλλιέργεια υγιών φυτών χωρίς ιούς, ο κλωνικός πολλαπλασιασμός τους κ.λπ.

Το 1955, μετά την ανακάλυψη από τους F. Skoog και S. Miller μιας νέας κατηγορίας φυτοορμονών - κυτοκινινών - αποδείχθηκε ότι η συνδυασμένη δράση τους με μια άλλη κατηγορία φυτοορμονών - τις αυξίνες - κατέστησε δυνατή την τόνωση της κυτταρικής διαίρεσης, την υποστήριξη της ανάπτυξης ιστό τύλου και επάγουν μορφογένεση υπό ελεγχόμενες συνθήκες.

Το 1959, προτάθηκε μια μέθοδος για την ανάπτυξη μεγάλων μαζών κυτταρικών εναιωρημάτων. Ένα σημαντικό γεγονός ήταν η ανάπτυξη από τον E. Cocking (Πανεπιστήμιο του Nottingham, Μεγάλη Βρετανία) το 1960 μιας μεθόδου για τη λήψη απομονωμένων πρωτοπλάστων. Αυτή ήταν η ώθηση για την παραγωγή σωματικών υβριδίων, την εισαγωγή ιικού RNA, κυτταρικών οργανιδίων και προκαρυωτικών κυττάρων στους πρωτοπλάστες. Ταυτόχρονα, οι J. Morel και R. G. Butenko πρότειναν τη μέθοδο του κλωνικού μικροπολλαπλασιασμού, η οποία βρήκε αμέσως ευρεία πρακτική εφαρμογή. Ένα πολύ σημαντικό επίτευγμα στην ανάπτυξη τεχνολογιών για την καλλιέργεια απομονωμένων ιστών και κυττάρων ήταν η καλλιέργεια ενός μόνο κυττάρου με τη βοήθεια ενός ιστού «νταντάς». Αυτή η μέθοδος αναπτύχθηκε στη Ρωσία το 1969 στο Ινστιτούτο Φυσιολογίας Φυτών. K. A. Timiryazev RAS υπό τη διεύθυνση του R. G. Butenko. Τις τελευταίες δεκαετίες, η ταχεία πρόοδος των τεχνολογιών κυτταρικής μηχανικής συνεχίστηκε, καθιστώντας δυνατή τη σημαντική διευκόλυνση των εργασιών αναπαραγωγής. Μεγάλη επιτυχία έχει επιτευχθεί στην ανάπτυξη μεθόδων για τη λήψη διαγονιδιακών φυτών, τεχνολογιών για τη χρήση απομονωμένων ιστών και κυττάρων ποωδών φυτών και έχει ξεκινήσει η καλλιέργεια ιστών ξυλωδών φυτών.

Ο όρος «απομονωμένοι πρωτοπλάστες» προτάθηκε για πρώτη φορά από τον D. Hunstein το 1880. Ο πρωτοπλάστης σε ολόκληρο το κύτταρο μπορεί να παρατηρηθεί κατά την πλασμόλυση. Ένας απομονωμένος πρωτοπλάστης είναι το περιεχόμενο ενός φυτικού κυττάρου που περιβάλλεται από ένα πλάσμα. Το τοίχωμα κυτταρίνης αυτή η εκπαίδευσηλείπει. Οι απομονωμένοι πρωτοπλάστες είναι ένα από τα πιο πολύτιμα αντικείμενα στη βιοτεχνολογία. Καθιστούν δυνατή τη μελέτη διαφόρων ιδιοτήτων των μεμβρανών, καθώς και τη μεταφορά ουσιών μέσω του πλάσματος. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι ότι είναι αρκετά εύκολο να εισαχθούν γενετικές πληροφορίες από οργανίδια και κύτταρα άλλων φυτών, προκαρυωτικών οργανισμών και ζωικών κυττάρων σε απομονωμένους πρωτοπλάστες. Ο E. Cocking διαπίστωσε ότι ένας απομονωμένος πρωτοπλάστης, λόγω του μηχανισμού της πινοκύτωσης, είναι σε θέση να απορροφήσει από περιβάλλονόχι μόνο ουσίες χαμηλού μοριακού βάρους, αλλά και μεγάλα μόρια, σωματίδια (ιούς) ακόμη και μεμονωμένα οργανίδια.

Μεγάλη σημασία στη δημιουργία νέων μορφών φυτών για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης του πυρηνικού γονιδιώματος και των γονιδιωμάτων των οργανιδίων είναι η ικανότητα των απομονωμένων πρωτοπλαστών να συγχωνεύονται, σχηματίζοντας υβριδικά κύτταρα. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατή η λήψη υβριδίων από φυτά με διάφορους βαθμούς ταξινομικής απόστασης, αλλά με πολύτιμες οικονομικές ιδιότητες.

Για πρώτη φορά, οι πρωτοπλάστες απομονώθηκαν από τον J. Klerner το 1892 κατά τη μελέτη της πλασμόλυσης στα κύτταρα του φύλλου teloreza. (Στρατιώτες αλοΐδες)κατά τη μηχανική βλάβη των ιστών. Επομένως, αυτή η μέθοδος ονομάζεται μηχανική. Σας επιτρέπει να απομονώσετε μόνο έναν μικρό αριθμό πρωτοπλαστών (η απέκκριση δεν είναι δυνατή από όλους τους τύπους ιστών). η ίδια η μέθοδος είναι μακρά και επίπονη. Η σύγχρονη μέθοδος απομόνωσης πρωτοπλαστών είναι η αφαίρεση του κυτταρικού τοιχώματος χρησιμοποιώντας τη σταδιακή χρήση ενζύμων για την καταστροφή του: κυτταρινάση, ημικυτταράση, πηκτινάση. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται ενζυματική.

Η πρώτη επιτυχημένη απομόνωση πρωτοπλαστών από κύτταρα ανώτερων φυτών με αυτή τη μέθοδο έγινε από τον E. Kokking το 1960. Σε σύγκριση με τη μηχανική μέθοδο, η ενζυματική μέθοδος έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα. Καθιστά δυνατή τη σχετικά εύκολη και γρήγορη απομόνωση μεγάλου αριθμού πρωτοπλαστών και δεν υφίστανται ισχυρό οσμωτικό σοκ. Μετά τη δράση των ενζύμων, το μείγμα των πρωτοπλαστών διέρχεται από ένα φίλτρο και φυγοκεντρείται για να αφαιρεθούν άθικτα κύτταρα και τα θραύσματά τους.

Οι πρωτοπλάστες μπορούν να απομονωθούν από κύτταρα φυτικού ιστού, καλλιέργειες κάλων και καλλιέργεια εναιωρήματος. Οι βέλτιστες συνθήκες για την απομόνωση πρωτοπλαστών για διαφορετικά αντικείμενα είναι ατομικές, κάτι που απαιτεί επίπονη προκαταρκτική εργασία για την επιλογή των συγκεντρώσεων ενζύμων, την αναλογία τους και τον χρόνο επεξεργασίας. Υψηλά σημαντικός παράγονταςΗ επιλογή ενός οσμωτικού σταθεροποιητή είναι το κλειδί για την απομόνωση ολόκληρων βιώσιμων πρωτοπλαστών. Ως σταθεροποιητές χρησιμοποιούνται συνήθως διάφορα σάκχαρα, μερικές φορές ιοντικοί οσμωτικοί παράγοντες (διαλύματα CaCl 2, Na 2 HP0 4, άλατα KSI). Η συγκέντρωση των οσμωτικών παραγόντων πρέπει να είναι ελαφρώς υπερτονική προκειμένου οι πρωτοπλάστες να βρίσκονται σε κατάσταση ήπιας πλασμόλυσης. Σε αυτή την περίπτωση, ο μεταβολισμός και η αναγέννηση του κυτταρικού τοιχώματος αναστέλλονται.

Απομονωμένοι πρωτοπλάστες μπορούν να καλλιεργηθούν. Συνήθως, χρησιμοποιούνται τα ίδια μέσα για αυτό, στα οποία αναπτύσσονται απομονωμένα κύτταρα και ιστοί. Αμέσως μετά την απομάκρυνση των ενζύμων, αρχίζει ο σχηματισμός κυτταρικού τοιχώματος στους πρωτοπλάστες σε καλλιέργεια. Ο πρωτοπλάστης που έχει αναγεννήσει το τοίχωμα συμπεριφέρεται σαν ένα απομονωμένο κύτταρο και είναι σε θέση να διαιρεθεί και να σχηματίσει έναν κλώνο κυττάρων. Η αναγέννηση ολόκληρων φυτών από απομονωμένους πρωτοπλάστες συνδέεται με μια σειρά από δυσκολίες. Η αναγέννηση μέσω της εμβρυογένεσης έχει επιτευχθεί μέχρι στιγμής μόνο σε καρότο. Διεγείροντας τον διαδοχικό σχηματισμό ριζών και βλαστών (οργανογένεση), επιτεύχθηκε η αναγέννηση του καπνού, της πετούνιας και κάποιων άλλων φυτών. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι πρωτοπλάστες που απομονώνονται από μια γενετικά σταθερή κυτταρική καλλιέργεια αναγεννούν συχνότερα φυτά και χρησιμοποιούνται με μεγάλη επιτυχία σε μελέτες γενετικής τροποποίησης πρωτοπλαστών.

9. Μέθοδοι κυτταρικής μηχανικής όπως εφαρμόζονται σε ζωικά κύτταρα. Τεχνολογία υβριδώματος και χρήση του σε βιοτεχνολογικές διεργασίες.

Το 1975, οι G. Köhler και K. Milstein κατάφεραν για πρώτη φορά να απομονώσουν κυτταρικούς κλώνους ικανούς να εκκρίνουν μόνο έναν τύπο μορίου αντισώματος και ταυτόχρονα να αναπτυχθούν σε καλλιέργεια. Αυτοί οι κυτταρικοί κλώνοι λήφθηκαν με σύντηξη κυττάρων που σχηματίζουν αντισώματα και καρκινικών κυττάρων - χιμαιρικά κύτταρα, που ονομάζονται υβριδώματα, αφού, αφενός, κληρονόμησαν την ικανότητα να αναπτύσσονται σχεδόν απεριόριστα σε καλλιέργεια και, αφετέρου, την ικανότητα να παράγουν αντισώματα ορισμένης ειδικότητας (μονοκλωνικά αντισώματα) .

Είναι πολύ σημαντικό για έναν βιοτεχνολόγο οι επιλεγμένοι κλώνοι να μπορούν να αποθηκευτούν κατεψυγμένοι για μεγάλο χρονικό διάστημα· επομένως, εάν είναι απαραίτητο, μια συγκεκριμένη δόση ενός τέτοιου κλώνου μπορεί να ληφθεί και να εγχυθεί σε ένα ζώο που θα αναπτύξει μονοκλωνικά αντισώματα που παράγει όγκο. ειδικότητα. Σύντομα θα ανιχνευθούν αντισώματα στον ορό του ζώου σε πολύ υψηλή συγκέντρωση 10 έως 30 mg/ml. Τα κύτταρα ενός τέτοιου κλώνου μπορούν επίσης να αναπτυχθούν in vitro και τα αντισώματα που εκκρίνουν μπορούν να ληφθούν από το υγρό καλλιέργειας.

Η δημιουργία υβριδωμάτων που μπορούν να αποθηκευτούν κατεψυγμένα (κρυοσυντήρηση) κατέστησε δυνατή την οργάνωση ολόκληρων βάζων υβριδωμάτων, τα οποία με τη σειρά τους άνοιξαν μεγάλες προοπτικές για τη χρήση μονοκλωνικών αντισωμάτων. Το πεδίο εφαρμογής τους, εκτός από τον ποσοτικό προσδιορισμό διαφόρων ουσιών, περιλαμβάνει μια μεγάλη ποικιλία διαγνωστικών, για παράδειγμα, την ταυτοποίηση μιας συγκεκριμένης ορμόνης, ιικών ή βακτηριακών αντιγόνων, αντιγόνων ομάδας αίματος και αντιγόνων ιστού.

Στάδια λήψης υβριδικών κυττάρων.Της κυτταρικής σύντηξης προηγείται η δημιουργία στενής επαφής μεταξύ των πλασματικών μεμβρανών. Αυτό αποτρέπεται από την παρουσία επιφανειακού φορτίου στις φυσικές μεμβράνες λόγω αρνητικά φορτισμένων ομάδων πρωτεϊνών και λιπιδίων. Η εκπόλωση των μεμβρανών από ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο, η εξουδετέρωση του αρνητικού φορτίου των μεμβρανών με τη βοήθεια κατιόντων προάγει τη σύντηξη των κυττάρων. Στην πράξη, τα ιόντα Ca2+ και η χλωροπρομαζίνη χρησιμοποιούνται ευρέως. Ένας αποτελεσματικός παράγοντας "αποστράγγισης" (συντηκτογόνος) είναι η πολυαιθυλενογλυκόλη.

Σε σχέση με τα ζωικά κύτταρα, χρησιμοποιείται επίσης ο ιός Sendai, η δράση του οποίου ως συρρέοντος, προφανώς, σχετίζεται με μερική υδρόλυση των πρωτεϊνών της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. Η περιοχή υπομονάδας FI του ιού έχει πρωτεολυτική δράση (C. Nicolau et al., 1984). Τα φυτικά, μυκητιακά και βακτηριακά κύτταρα απελευθερώνονται από το κυτταρικό τοίχωμα πριν από τη σύντηξη και λαμβάνονται πρωτοπλάστες. Το κυτταρικό τοίχωμα υποβάλλεται σε ενζυματική υδρόλυση χρησιμοποιώντας λυσοζύμη (για βακτηριακά κύτταρα), ζυμολυάση σαλιγκαριού (για κύτταρα μυκήτων), ένα σύμπλεγμα κυτταρινασών, ημικυτταρινασών και πηκτινασών που παράγονται από μύκητες (για φυτικά κύτταρα). Η διόγκωση και η επακόλουθη καταστροφή των πρωτοπλαστών αποτρέπεται με τη δημιουργία αυξημένης ωσμωτικότητας του μέσου. Η επιλογή των υδρολυτικών ενζύμων και η συγκέντρωση των αλάτων στο μέσο προκειμένου να εξασφαλιστεί η μέγιστη απόδοση των πρωτοπλαστών είναι μια πολύπλοκη εργασία, η οποία επιλύεται σε κάθε περίπτωση ξεχωριστά.

Διάφορες προσεγγίσεις χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των ληφθέντων υβριδικών κυττάρων: 1) λογιστικοποίηση φαινοτυπικών χαρακτηριστικών. 2) η δημιουργία επιλεκτικών συνθηκών στις οποίες επιβιώνουν μόνο υβρίδια που έχουν συνδυάσει τα γονιδιώματα των γονικών κυττάρων.

Δυνατότητες μεθόδου σύντηξης κυττάρων. Η μέθοδος σύντηξης σωματικών κυττάρων ανοίγει σημαντικές προοπτικές για τη βιοτεχνολογία.

1. Η δυνατότητα διέλευσης φυλογενετικά απομακρυσμένων μορφών ζωής. Με σύντηξη φυτικών κυττάρων, ελήφθησαν γόνιμα, φαινοτυπικά φυσιολογικά μεσοειδικά υβρίδια καπνού, πατάτας, λάχανου με γογγύλια (ισοδύναμα με φυσική ελαιοκράμβη), πετούνιες. Υπάρχουν στείρα διαγενή υβρίδια πατάτας και ντομάτας, στείρα διαφυλικά υβρίδια Arabidopsis και γογγύλι, καπνός και πατάτες, καπνός και μπελαντόνα, που σχηματίζουν μορφολογικά ανώμαλους μίσχους και φυτά. Κυτταρικά υβρίδια έχουν ληφθεί μεταξύ εκπροσώπων διαφορετικών οικογενειών, που υπάρχουν, ωστόσο, μόνο ως μη οργανωμένα αναπτυσσόμενα κύτταρα (καπνός και μπιζέλια, καπνός και σόγια, καπνός και φασόλια αλόγου). Έχουν ληφθεί διαειδικά (Saccharomyces uvarum και S. diastalicus) και διαγενή (Kluyveromyces lactis και S. cerevisiae) υβρίδια ζυμομύκητα. Υπάρχουν στοιχεία για τη σύντηξη κυττάρων διαφόρων τύπων μυκήτων και βακτηρίων.

Κάπως περίεργα είναι τα πειράματα για τη σύντηξη κυττάρων οργανισμών που ανήκουν σε διαφορετικά βασίλεια, για παράδειγμα, κύτταρα βατράχων Xenopus taevis και πρωτοπλάστες καρότου. Ένα υβριδικό κύτταρο φυτού-ζώου ντύνεται σταδιακά με ένα κυτταρικό τοίχωμα και αναπτύσσεται στα μέσα στα οποία καλλιεργούνται τα φυτικά κύτταρα. Ο πυρήνας ενός ζωικού κυττάρου, προφανώς, χάνει γρήγορα τη δραστηριότητά του (E. S. Cocking, 1984).

2. Λήψη ασύμμετρων υβριδίων που φέρουν το πλήρες σύνολο γονιδίων ενός από τους γονείς και ένα μερικό σύνολο του άλλου γονέα. Τέτοια υβρίδια προκύπτουν συχνά από τη σύντηξη κυττάρων οργανισμών που είναι φυλογενετικά απομακρυσμένα μεταξύ τους. Σε αυτή την περίπτωση, λόγω μη φυσιολογικών κυτταρικών διαιρέσεων λόγω της ασυντόνιστης συμπεριφοράς δύο ετερογενών συνόλων χρωμοσωμάτων, σε μια σειρά γενεών, τα χρωμοσώματα ενός από τους γονείς χάνονται μερικώς ή πλήρως.

Τα ασύμμετρα υβρίδια είναι πιο σταθερά, πιο παραγωγικά και πιο βιώσιμα από τα συμμετρικά υβρίδια που φέρουν τα πλήρη σύνολα γονιδίων των γονικών κυττάρων. Για τον σκοπό του ασύμμετρου υβριδισμού, είναι δυνατή η επιλεκτική επεξεργασία των κυττάρων ενός από τους γονείς για την καταστροφή μέρους των χρωμοσωμάτων του. Είναι δυνατή η στοχευμένη μεταφορά από κύτταρο σε κύτταρο του επιθυμητού χρωμοσώματος. Είναι επίσης ενδιαφέρον να ληφθούν κύτταρα στα οποία μόνο το κυτταρόπλασμα είναι υβρίδιο. Τα κυτταροπλασματικά υβρίδια σχηματίζονται όταν, μετά την κυτταρική σύντηξη, οι πυρήνες διατηρούν την αυτονομία τους και, κατά την επακόλουθη διαίρεση του υβριδικού κυττάρου, καταλήγουν σε διαφορετικά θυγατρικά κύτταρα. Η διαλογή τέτοιων κυττάρων πραγματοποιείται από γονίδια-δείκτες του πυρηνικού και κυτταροπλασματικού (μιτοχονδριακού και χλωροπλαστικού) γονιδιώματος.

Κύτταρα με συντηγμένο κυτταρόπλασμα (αλλά όχι πυρήνες) περιέχουν το πυρηνικό γονιδίωμα ενός από τους γονείς και ταυτόχρονα συνδυάζουν τα κυτταροπλασματικά γονίδια των συντηγμένων κυττάρων. Υπάρχουν ενδείξεις ανασυνδυασμού DNA μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών σε υβριδικά κύτταρα.

Λήψη υβριδίων με συγχώνευση τριών ή περισσότερων γονικών κυττάρων. Από τέτοια υβριδικά κύτταρα μπορούν να αναπτυχθούν αναγεννημένα φυτά (μανιτάρια).

Υβριδισμός κυττάρων που φέρουν διαφορετικά αναπτυξιακά προγράμματα - σύντηξη κυττάρων διαφόρων ιστών ή οργάνων, σύντηξη φυσιολογικών κυττάρων με κύτταρα των οποίων το πρόγραμμα ανάπτυξης έχει αλλάξει ως αποτέλεσμα κακοήθους εκφυλισμού. Σε αυτή την περίπτωση, λαμβάνονται τα λεγόμενα κύτταρα υβριδώματος ή υβριδώματα, τα οποία κληρονομούν από ένα φυσιολογικό μητρικό κύτταρο την ικανότητα σύνθεσης μιας ή άλλης χρήσιμης ένωσης και από μια κακοήθη - την ικανότητα ταχείας και απεριόριστης ανάπτυξης.

υβριδική τεχνολογία.Μέχρι σήμερα, η απόκτηση υβριδωμάτων είναι η πιο πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση στην κυτταρική μηχανική. Ο κύριος στόχος είναι να «αθανατιστεί» ένα κύτταρο που παράγει πολύτιμες ουσίες με τη συγχώνευση με ένα καρκινικό κύτταρο και την κλωνοποίηση της προκύπτουσας κυτταρικής σειράς υβριδώματος. Τα υβριδώματα λαμβάνονται με βάση τα κύτταρα - εκπρόσωποι διαφόρων βασιλείων των ζωντανών. Η σύντηξη φυτικών κυττάρων, που συνήθως αναπτύσσονται αργά σε καλλιέργεια, με κύτταρα όγκου φυτού καθιστά δυνατή τη λήψη κλώνων ταχέως αναπτυσσόμενων κυττάρων που παράγουν τις επιθυμητές ενώσεις. Οι εφαρμογές της τεχνολογίας υβριδώματος σε ζωικά κύτταρα είναι πολλαπλές, όπου με τη βοήθειά της σχεδιάζεται να αποκτηθούν απεριόριστοι πολλαπλασιαστικοί παραγωγοί ορμονών και πρωτεϊνικών παραγόντων στο αίμα Τα υβριδώματα έχουν τη μεγαλύτερη πρακτική σημασία - τα προϊόντα της σύντηξης κυττάρων κακοήθων όγκων του ανοσοποιητικού συστήματος (μυελώματα) με φυσιολογικά κύτταρα του ίδιου συστήματος - λεμφοκύτταρα.

Όταν ένας ξένος παράγοντας (βακτήρια, ιοί, «ξένα» κύτταρα ή απλώς πολύπλοκες οργανικές ενώσεις) εισέρχεται στο σώμα ενός ζώου ή ενός ατόμου, τα λεμφοκύτταρα κινητοποιούνται για να εξουδετερώσουν τον εισαγόμενο παράγοντα. Υπάρχουν αρκετοί πληθυσμοί λεμφοκυττάρων με διαφορετικές λειτουργίες. Υπάρχουν τα λεγόμενα Τ-λεμφοκύτταρα, μεταξύ των οποίων υπάρχουν Τ-δολοφόνοι («δολοφόνοι»), που επιτίθενται άμεσα σε έναν ξένο παράγοντα για να τον απενεργοποιήσουν και Β-λεμφοκύτταρα, των οποίων η κύρια λειτουργία είναι να παράγουν ανοσοποιητικές πρωτεΐνες (ανοσοσφαιρίνες). που εξουδετερώνουν έναν ξένο παράγοντα δεσμεύοντας με τις επιφάνειές του (αντιγονικοί καθοριστικοί παράγοντες), με άλλα λόγια, τα Β-λεμφοκύτταρα παράγουν ανοσοπρωτεΐνες που είναι αντισώματα έναντι ενός ξένου παράγοντα - ενός αντιγόνου.

Η σύντηξη ενός φονικού Τ-λεμφοκυττάρου με ένα κύτταρο όγκου παράγει έναν κλώνο κυττάρων απεριόριστης αναπαραγωγής που εντοπίζουν ένα συγκεκριμένο αντιγόνο - αυτό για το οποίο το ληφθέν Τ-λεμφοκύτταρο ήταν ειδικό. Παρόμοιοι κλώνοι υβριδώματος T-killer προσπαθούν να χρησιμοποιηθούν για την καταπολέμηση των καρκινικών κυττάρων απευθείας στο σώμα του ασθενούς (B. Fuchs et al., 1981; 1983).

Όταν ένα Β-λεμφοκύτταρο συγχωνεύεται με ένα κύτταρο μυελώματος, λαμβάνονται κλώνοι Β-υβριδώματος, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρέως ως παραγωγοί αντισωμάτων που στοχεύουν στο ίδιο αντιγόνο με τα αντισώματα που συντίθενται από το Β-λεμφοκύτταρο που δημιούργησε τον κλώνο, δηλαδή μονοκλωνικά αντισώματα. Τα μονοκλωνικά αντισώματα είναι ομοιογενή στις ιδιότητές τους, έχουν την ίδια συγγένεια με το αντιγόνο και δεσμεύονται. ένας μοναδικός αντιγονικός προσδιοριστής. Αυτό είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα των μονοκλωνικών αντισωμάτων - προϊόντων του υβριδώματος Β, σε σύγκριση με αντισώματα που λαμβάνονται χωρίς τη χρήση κυτταρικής μηχανικής, με ανοσοποίηση ενός εργαστηριακού ζώου με ένα επιλεγμένο αντιγόνο, ακολουθούμενη από απομόνωση αντισωμάτων από τον ορό του αίματος ή ως αποτέλεσμα άμεση αλληλεπίδραση του αντιγόνου με έναν πληθυσμό λεμφοκυττάρων σε καλλιέργεια ιστών. Τέτοιες παραδοσιακές μέθοδοι παράγουν ένα μείγμα αντισωμάτων που διαφέρουν ως προς την ειδικότητα και τη συγγένεια για το αντιγόνο, γεγονός που εξηγείται από τη συμμετοχή στην παραγωγή αντισωμάτων πολλών διαφορετικών κλώνων Β-λεμφοκυττάρων και την παρουσία αρκετών καθοριστικών παραγόντων στο αντιγόνο, καθένας από τους οποίους αντιστοιχεί σε συγκεκριμένο τύπο αντισώματος. Έτσι, τα μονοκλωνικά αντισώματα δεσμεύονται επιλεκτικά σε ένα μόνο αντιγόνο, απενεργοποιώντας το, κάτι που έχει μεγάλη πρακτική σημασία για την αναγνώριση και τη θεραπεία ασθενειών που προκαλούνται από ξένους παράγοντες - βακτήρια, μύκητες, ιούς, τοξίνες, αλλεργιογόνα και μετασχηματισμένα ίδια κύτταρα (καρκινικοί όγκοι). Τα μονοκλωνικά αντισώματα χρησιμοποιούνται με επιτυχία για αναλυτικούς σκοπούς για τη μελέτη κυτταρικών οργανιδίων, τη δομή τους ή μεμονωμένα βιομόρια.

Μέχρι πρόσφατα, μόνο κύτταρα μυελώματος και Β-λεμφοκύτταρα ποντικών και αρουραίων χρησιμοποιούνταν για υβριδισμό. Τα μονοκλωνικά αντισώματα που παράγονται από αυτά έχουν περιορισμένη θεραπευτική χρήση, αφού τα ίδια αντιπροσωπεύουν μια ξένη πρωτεΐνη για ανθρώπινο σώμα. Η κυριαρχία της τεχνολογίας απόκτησης υβριδωμάτων με βάση τα ανθρώπινα ανοσοκύτταρα συνδέεται με σημαντικές δυσκολίες: τα ανθρώπινα υβριδώματα αναπτύσσονται αργά και είναι σχετικά ασταθή. Ωστόσο, έχουν ήδη ληφθεί ανθρώπινα υβριδώματα - παραγωγοί μονοκλωνικών αντισωμάτων. Αποδείχθηκε ότι τα ανθρώπινα μονοκλωνικά αντισώματα σε ορισμένες περιπτώσεις προκαλούν ανοσολογικές αντιδράσεις και η κλινική τους αποτελεσματικότητα εξαρτάται από τη σωστή επιλογή της κατηγορίας αντισωμάτων, γραμμών υβριδώματος, κατάλληλων για έναν δεδομένο ασθενή. Τα πλεονεκτήματα των ανθρώπινων μονοκλωνικών αντισωμάτων περιλαμβάνουν την ικανότητα αναγνώρισης λεπτών διαφορών στη δομή του αντιγόνου που δεν αναγνωρίζονται από μονοκλωνικά αντισώματα ποντικού ή αρουραίου. Έχουν γίνει προσπάθειες να ληφθούν χιμαιρικά υβριδώματα που συνδυάζουν κύτταρα μυελώματος ποντικού και ανθρώπινα Β-λεμφοκύτταρα. Τέτοια υβριδώματα έχουν μέχρι στιγμής βρει μόνο περιορισμένη εφαρμογή (tK-Haron, 1984).

Μαζί με τα αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα, τα μονοκλωνικά αντισώματα έχουν επίσης μειονεκτήματα που προκαλούν προβλήματα στην πρακτική χρήση τους. Δεν είναι σταθερά όταν αποθηκεύονται σε ξηρή κατάσταση· ταυτόχρονα, ένα μείγμα συμβατικών (πολυκλωνικών) αντισωμάτων περιέχει πάντα μια ομάδα αντισωμάτων που είναι σταθερά υπό επιλεγμένες συνθήκες αποθήκευσης. Έτσι, η ετερογένεια των συμβατικών αντισωμάτων τους δίνει ένα επιπλέον απόθεμα σταθερότητας κάτω από μεταβαλλόμενες εξωτερικές συνθήκες, το οποίο αντιστοιχεί σε μία από τις κύριες αρχές για τη βελτίωση της αξιοπιστίας των συστημάτων. Τα μονοκλωνικά αντισώματα έχουν συχνά πολύ χαμηλή συγγένεια για ένα αντιγόνο και υπερβολικά στενή ειδικότητα, η οποία εμποδίζει τη χρήση τους έναντι των μεταβλητών αντιγόνων που είναι χαρακτηριστικά των μολυσματικών παραγόντων και των καρκινικών κυττάρων. Πρέπει επίσης να σημειωθεί το πολύ υψηλό κόστος των μονοκλωνικών αντισωμάτων στη διεθνή αγορά.

Το γενικό σχήμα για τη λήψη υβριδωμάτων με βάση τα κύτταρα μυελώματος και τα λεμφοκύτταρα του ανοσοποιητικού περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα.

1. Λήψη μεταλλαγμένων καρκινικών κυττάρων που πεθαίνουν κατά την επακόλουθη επιλογή κυττάρων υβριδώματος. Η τυπική προσέγγιση είναι η αναπαραγωγή κυτταρικών γραμμών μυελώματος που δεν είναι ικανές να συνθέσουν ένζυμα βιοσυνθετικών οδών πουρίνης και πυριμιδίνης από υποξανθίνη και θυμιδίνη, αντίστοιχα (Εικ. 6). Η επιλογή τέτοιων μεταλλαγμένων κυττάρων όγκου πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τοξικά ανάλογα υποξανθίνης και θυμιδίνης. Σε ένα μέσο που περιέχει αυτά τα ανάλογα, επιβιώνουν μόνο μεταλλαγμένα κύτταρα, τα οποία δεν διαθέτουν τα ένζυμα υποξανθινο-γουανινο φωσφοριβοσυλοτρανσφεράση και θυμιδίνη κινάση, τα οποία είναι απαραίτητα για τις εφεδρικές οδούς βιοσύνθεσης νουκλεοτιδίων.

Λήψη λεμφοκυττάρων - παραγωγών αντισωμάτων σε δεδομένα αντιγόνα. Ένα ζώο (ποντίκι, σπάνια αρουραίος, κουνέλι) ανοσοποιείται με την εισαγωγή ενός αντιγόνου στην κοιλιακή κοιλότητα, ενδοφλέβια ή υποδόρια. Για τη λήψη ανθρώπινων υβριδωμάτων, καταφεύγει σε ανοσοποίηση ανθρώπινων λεμφοκυττάρων σε καλλιέργεια ιστών, η οποία είναι πιο περίπλοκη και

Ένας από τους όρους στη βιοτεχνολογία είναι η έννοια του «βιοσυστήματος». Τα γενικευμένα χαρακτηριστικά ενός βιολογικού (ζωντανού) συστήματος μπορούν να περιοριστούν σε τρία κύρια χαρακτηριστικά που είναι εγγενή σε αυτά:

1. Τα ζωντανά συστήματα είναι ετερογενή ανοιχτά συστήματα που ανταλλάσσουν ύλη και ενέργεια με το περιβάλλον.

2. Τα συστήματα αυτά είναι αυτοδιοικούμενα, αυτορυθμιζόμενα και ενεργά, δηλ. ικανό να ανταλλάσσει πληροφορίες με το περιβάλλον για να διατηρήσει τη δομή του και να ελέγξει τις μεταβολικές διεργασίες.

3. Τα ζωντανά συστήματα αυτοαναπαράγονται (κύτταρα, οργανισμοί).

Κατά δομή, τα βιοσυστήματα χωρίζονται σε στοιχεία (υποσυστήματα), αλληλοσυνδεόμενα και χαρακτηρίζονται από μια πολύπλοκη οργάνωση (άτομα, μόρια, οργανίδια, κύτταρα, οργανισμοί, πληθυσμοί, κοινότητες).

Ο έλεγχος σε ένα κύτταρο είναι ένας συνδυασμός των διαδικασιών σύνθεσης μορίων πρωτεΐνης-ενζύμου που είναι απαραίτητες για την υλοποίηση μιας συγκεκριμένης λειτουργίας και συνεχών διεργασιών μεταβολής της δραστηριότητας κατά την αλληλεπίδραση κωδικών τριπλής DNA στον πυρήνα και μακρομορίων στα ριβοσώματα. Η ενίσχυση και η αναστολή της ενζυμικής δραστηριότητας συμβαίνει ανάλογα με την ποσότητα των αρχικών και τελικών προϊόντων των αντίστοιχων βιοχημικών αντιδράσεων. Λόγω αυτής της πολύπλοκης οργάνωσης, τα βιοσυστήματα διαφέρουν από όλα τα μη ζωντανά αντικείμενα.

Η συμπεριφορά ενός βιοσυστήματος είναι ένα σύνολο από τις αντιδράσεις του ως απόκριση σε εξωτερικές επιρροές, δηλ. Το πιο κοινό καθήκον των συστημάτων ελέγχου των ζωντανών οργανισμών είναι να διατηρήσουν την ενεργειακή τους βάση υπό μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Ν.Μ. Ο Amosov χωρίζει όλα τα βιοσυστήματα σε πέντε ιεραρχικά επίπεδα πολυπλοκότητας: μονοκύτταρους οργανισμούς, πολυκύτταρους οργανισμούς, πληθυσμούς, βιογεωκένωση και βιόσφαιρα.

μονοκύτταροι οργανισμοίείναι ιοί, βακτήρια και πρωτόζωα. Οι λειτουργίες των μονοκύτταρων οργανισμών είναι η ανταλλαγή ύλης και ενέργειας με το περιβάλλον, ανάπτυξη και διαίρεση, αντιδράσεις σε εξωτερικά ερεθίσματα με τη μορφή αλλαγών στο μεταβολισμό και τη μορφή κίνησης. Όλες οι λειτουργίες των μονοκύτταρων οργανισμών υποστηρίζονται από βιοχημικές διεργασίες ενζυματικής φύσης και μέσω του ενεργειακού μεταβολισμού - από τη μέθοδο λήψης ενέργειας έως τη σύνθεση νέων δομών ή τη διάσπαση των υπαρχόντων. Ο μόνος μηχανισμός των μονοκύτταρων οργανισμών που εξασφαλίζει την προσαρμογή τους στο περιβάλλον είναι ο μηχανισμός αλλαγών σε μεμονωμένα γονίδια DNA και, ως αποτέλεσμα, αλλαγή στις πρωτεΐνες των ενζύμων και αλλαγή στις βιοχημικές αντιδράσεις.

Η βάση μιας συστηματικής προσέγγισης για την ανάλυση των δομών των βιοσυστημάτων είναι η αναπαράστασή του με τη μορφή δύο συστατικών - ενέργειας και ελέγχου.

Το κύριο στοιχείο είναι η ενεργειακή συνιστώσα, που συμβολίζεται με MS (μεταβολικό σύστημα) και η συνιστώσα ελέγχου, που συμβολίζεται με P (γενετικός και φυσιολογικός έλεγχος) και η μετάδοση σημάτων ελέγχου στους τελεστές (Ε). Μία από τις κύριες λειτουργίες του μεταβολικού συστήματος είναι να παρέχει ενέργεια στα βιοσυστήματα.

Η δομή των βιοσυστημάτων διατηρείται από τους μηχανισμούς γενετικού ελέγχου. Λαμβάνοντας ενέργεια και πληροφορίες από άλλα συστήματα με τη μορφή μεταβολικών προϊόντων (μεταβολίτες) και κατά τη διάρκεια της περιόδου σχηματισμού - με τη μορφή ορμονών, το γενετικό σύστημα ελέγχει τη διαδικασία σύνθεσης των απαραίτητων ουσιών και υποστηρίζει τη ζωτική δραστηριότητα άλλων συστημάτων του σώματος , και οι διαδικασίες σε αυτό το σύστημα προχωρούν αρκετά αργά.

Παρά την ποικιλομορφία των βιοσυστημάτων, η σχέση μεταξύ των βιολογικών ιδιοτήτων τους παραμένει αμετάβλητη για όλους τους οργανισμούς. Σε ένα πολύπλοκο σύστημα, οι δυνατότητες προσαρμογής είναι πολύ μεγαλύτερες από ό,τι σε ένα απλό. Σε ένα απλό σύστημα, αυτές οι λειτουργίες παρέχονται από μικρό αριθμό μηχανισμών, ενώ είναι πιο ευαίσθητες στις αλλαγές στο εξωτερικό περιβάλλον.

Τα βιοσυστήματα χαρακτηρίζονται από ποιοτική ετερογένεια, η οποία εκδηλώνεται στο γεγονός ότι στο ίδιο λειτουργικό βιοσύστημα, υποσυστήματα με ποιοτικά διαφορετικά επαρκή σήματα ελέγχου (χημικά, φυσικά, πληροφοριακά) συνεργάζονται και αρμονικά.

Η ιεραρχία των βιοσυστημ διαχείριση με τέτοια σειρά ώστε η τελική συνάρτηση εξόδου του κατώτερου επιπέδου της ιεραρχίας να περιλαμβάνεται ως στοιχείο στο ανώτερο επίπεδο.

Η συνεχής προσαρμογή στο περιβάλλον και η εξέλιξη είναι αδύνατη χωρίς την ενότητα δύο αντίθετων ιδιοτήτων: δομική-λειτουργική οργάνωση και δομική-λειτουργική πιθανότητα, στοχαστικότητα και μεταβλητότητα.

Η δομική και λειτουργική οργάνωση εκδηλώνεται σε όλα τα επίπεδα των βιοσυστημάτων και χαρακτηρίζεται από υψηλή σταθερότητα του βιολογικού είδους και της μορφής του. Στο επίπεδο των μακρομορίων, αυτή η ιδιότητα παρέχεται από την αντιγραφή των μακρομορίων, στο επίπεδο του κυττάρου - με διαίρεση, σε επίπεδο ατόμου και πληθυσμού - από την αναπαραγωγή ατόμων μέσω της αναπαραγωγής.

Ως βιολογικά αντικείμενα ή συστήματα που χρησιμοποιεί η βιοτεχνολογία, πρώτα απ 'όλα, είναι απαραίτητο να ονομαστούν μονοκύτταροι μικροοργανισμοί, καθώς και ζωικά και φυτικά κύτταρα. Η επιλογή αυτών των αντικειμένων οφείλεται στα ακόλουθα σημεία:

1. Τα κύτταρα είναι ένα είδος «βιοεργοστασίων» που παράγουν ποικίλα πολύτιμα προϊόντα στη διάρκεια της ζωής: πρωτεΐνες, λίπη, υδατάνθρακες, βιταμίνες, νουκλεϊκά οξέα, αμινοξέα, αντιβιοτικά, ορμόνες, αντισώματα, αντιγόνα, ένζυμα, αλκοόλες κ.λπ. Πολλά από αυτά τα προϊόντα, εξαιρετικά απαραίτητα για την ανθρώπινη ζωή, δεν είναι ακόμη διαθέσιμα για λήψη με «μη βιοτεχνολογικές» μεθόδους λόγω της σπανιότητας ή του υψηλού κόστους των πρώτων υλών
ή την πολυπλοκότητα των τεχνολογικών διαδικασιών·

2. Τα κύτταρα αναπαράγονται εξαιρετικά γρήγορα. Έτσι, ένα βακτηριακό κύτταρο διαιρείται κάθε 20-60 λεπτά, ένα κύτταρο ζύμης διαιρείται κάθε 1,5-2 ώρες, ένα ζωικό κύτταρο διαιρείται κάθε 24 ώρες, γεγονός που καθιστά δυνατή την τεχνητή ανάπτυξη σε σχετικά φθηνά και μη ανεπαρκή θρεπτικά μέσα σε βιομηχανική κλίμακα σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα. τεράστιες ποσότητεςβιομάζα μικροβιακών, ζωικών ή φυτικών κυττάρων. Για παράδειγμα, σε έναν βιοαντιδραστήρα χωρητικότητας 100 m3, μπορούν να αναπτυχθούν 10-6-1018 μικροβιακά κύτταρα σε 2-3 ημέρες. και τα ίδια τα κελιά είναι αποθήκες αυτών των προϊόντων.

3. Βιοσύνθεση σύνθετες ουσίες, όπως πρωτεΐνες, αντιβιοτικά, αντιγόνα, αντισώματα κ.λπ. είναι πολύ πιο οικονομικά και τεχνολογικά πιο προσιτά από τη χημική σύνθεση. Ταυτόχρονα, η αρχική πρώτη ύλη για τη βιοσύνθεση, κατά κανόνα, είναι απλούστερη και πιο προσιτή από τις πρώτες ύλες άλλων
είδη σύνθεσης. Για τη βιοσύνθεση, τα απόβλητα από γεωργικά, αλιευτικά προϊόντα, Βιομηχανία τροφίμων, φυτικές πρώτες ύλες (ορός γάλακτος, μαγιά, ξύλο, μελάσα κ.λπ.)

4. Η δυνατότητα διενέργειας βιοτεχνολογικής διαδικασίας σε βιομηχανική κλίμακα, δηλ. διαθεσιμότητα κατάλληλου τεχνολογικού εξοπλισμού, διαθεσιμότητα πρώτων υλών, τεχνολογίες επεξεργασίας κ.λπ.

Έτσι, η φύση έδωσε στους ερευνητές ένα ζωντανό σύστημα που περιέχει και συνθέτει μοναδικά συστατικά και, πρώτα απ 'όλα, νουκλεϊκά οξέα, με την ανακάλυψη των οποίων η βιοτεχνολογία και η παγκόσμια επιστήμη γενικά άρχισε να αναπτύσσεται γρήγορα.

Τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας είναι ιοί, βακτήρια, μύκητες, πρωτόζωοι οργανισμοί, κύτταρα (ιστοί) φυτών, ζώων και ανθρώπων, ουσίες βιολογικής προέλευσης (π.χ. ένζυμα, προσταγλανδίνες, λεκτίνες, νουκλεϊκά οξέα), μόρια.

Από αυτή την άποψη, μπορεί να ειπωθεί ότι τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας αναφέρονται είτε σε μικροοργανισμούς είτε σε φυτικά και ζωικά κύτταρα. Με τη σειρά του, το σώμα μπορεί να χαρακτηριστεί ως ένα σύστημα οικονομικής, πολύπλοκης, συμπαγούς, σκόπιμης σύνθεσης, που προχωρά σταθερά και ενεργά με τη βέλτιστη διατήρηση όλων των απαραίτητων παραμέτρων.

Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στη βιοτεχνολογία καθορίζονται από δύο επίπεδα: το κυτταρικό και το μοριακό. Και τα δύο καθορίζονται από βιολογικά αντικείμενα.

Στην πρώτη περίπτωση, ασχολούνται με βακτηριακά κύτταρα (για την παραγωγή σκευασμάτων εμβολίων), ακτινομύκητες (για την παραγωγή αντιβιοτικών), μικρομυκήτες (για παραγωγή κιτρικού οξέος), ζωικά κύτταρα (για την παρασκευή αντιιικών εμβολίων), ανθρώπινα κύτταρα κύτταρα (για την παρασκευή ιντερφερόνης) κ.λπ.

Στη δεύτερη περίπτωση, ασχολούνται με μόρια, για παράδειγμα, με νουκλεϊκά οξέα. Ωστόσο, στο τελικό στάδιο, το μοριακό επίπεδο μετατρέπεται σε κυτταρικό. Κύτταρα ζώων και φυτών, μικροβιακά κύτταρα στη διαδικασία της ζωής (αφομοίωση και αφομοίωση) σχηματίζουν νέα προϊόντα και απελευθερώνουν μεταβολίτες ποικίλης φυσικοχημικής σύστασης και βιολογικής δράσης.

Όταν ένα κύτταρο μεγαλώνει, λαμβάνει χώρα ένας τεράστιος αριθμός αντιδράσεων που καταλύονται από ένζυμα, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται ενδιάμεσες ενώσεις, οι οποίες με τη σειρά τους μετατρέπονται σε κυτταρικές δομές. Ενδιάμεσες ενώσεις, δομικά στοιχεία περιλαμβάνουν 20 αμινοξέα, 4 ριβονουκλεοτίδια, 4 δεοξυριβονουκλεοτίδια, 10 βιταμίνες, μονοσακχαρίτες, λιπαρά οξέα, εξοζαμίνες. Από αυτά τα «δομικά στοιχεία» δημιουργούνται «μπλοκ»: περίπου 2000 πρωτεΐνες, DNA, τρεις τύποι RNA, πολυσακχαρίτες, λιπίδια, ένζυμα. Τα «μπλοκ» που προκύπτουν χρησιμοποιούνται για την κατασκευή κυτταρικών δομών: ο πυρήνας, τα ριβοσώματα, η μεμβράνη, το κυτταρικό τοίχωμα, τα μιτοχόνδρια, τα μαστίγια κ.λπ., που αποτελούν το κύτταρο.

Σε κάθε στάδιο της «βιολογικής σύνθεσης» του κυττάρου, είναι δυνατό να προσδιοριστούν εκείνα τα προϊόντα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη βιοτεχνολογία.

Συνήθως, τα μονοκύτταρα προϊόντα χωρίζονται σε 4 κατηγορίες:

α) τα ίδια τα κύτταρα ως πηγή του προϊόντος στόχου. Για παράδειγμα, καλλιεργημένα βακτήρια ή ιοί χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ζωντανού ή νεκρού εμβολίου σωματιδίων. μαγιά ως πρωτεΐνη τροφοδοσίας ή ως βάση για τη λήψη υδρολύσεων θρεπτικών μέσων, κ.λπ.

β) μεγάλα μόρια που συντίθενται από τα κύτταρα στη διαδικασία της ανάπτυξης: ένζυμα, τοξίνες, αντιγόνα, αντισώματα, πεπτιδογλυκάνες κ.λπ.

γ) πρωτογενείς μεταβολίτες - ουσίες χαμηλού μοριακού βάρους (λιγότερο από 1500 daltons) απαραίτητες για την ανάπτυξη των κυττάρων, όπως αμινοξέα, βιταμίνες, νουκλεοτίδια, οργανικά οξέα.

δ) δευτερογενείς μεταβολίτες (ιδιολύτες) - ενώσεις χαμηλού μοριακού βάρους που δεν απαιτούνται για την ανάπτυξη των κυττάρων: αντιβιοτικά, αλκαλοειδή, τοξίνες, ορμόνες.

Η βιοτεχνολογία χρησιμοποιεί αυτή την παραγωγή κυττάρων ως πρώτη ύλη, η οποία, ως αποτέλεσμα της τεχνολογικής επεξεργασίας, μετατρέπεται σε τελικό, χρησιμοποιήσιμο προϊόν.

Όλα τα μικροαντικείμενα που χρησιμοποιούνται στη βιοτεχνολογία αναφέρονται ως ακαρυώτες, προ- ή ευκαρυώτες. Από την ομάδα των ευκαρυωτών, για παράδειγμα, λειτουργεί ως βιολογικά αντικείμενα με κύτταρα πρωτόζωων, φυκιών και μυκήτων, από την ομάδα των προκαρυωτών - με κύτταρα γαλαζοπράσινων φυκών και βακτηρίων, ακαρυώτες - με ιούς.

Τα βιοαντικείμενα από τον μικρόκοσμο ποικίλλουν σε μέγεθος από νανόμετρα (ιοί, βακτηριοφάγοι) έως χιλιοστά και εκατοστά (γίγαντα φύκια) και χαρακτηρίζονται από σχετικά γρήγορο ρυθμό αναπαραγωγής. Η σύγχρονη φαρμακοβιομηχανία χρησιμοποιεί μια τεράστια γκάμα βιολογικών αντικειμένων, η ομαδοποίηση των οποίων είναι πολύ περίπλοκη και μπορεί να γίνει καλύτερα με βάση την αρχή της αναλογικότητάς τους.

Ένα τεράστιο σύνολο βιολογικών αντικειμένων δεν εξαντλεί ολόκληρη τη στοιχειακή βάση, με την οποία λειτουργεί η βιοτεχνολογία. Οι πρόσφατες εξελίξεις στη βιολογία και τη γενετική μηχανική οδήγησαν στην εμφάνιση εντελώς νέων βιολογικών αντικειμένων - διαγονιδιακά (γενετικά τροποποιημένα) βακτήρια, ιούς, μύκητες, φυτικά, ζωικά, ανθρώπινα κύτταρα και κύτταρα χίμαιρας.

Παρά το γεγονός ότι οι εκπρόσωποι όλων των υπερβασιλείων περιέχουν γενετικό υλικό, διάφοροι ακαρυώτες στερούνται οποιουδήποτε τύπου νουκλεϊκού οξέος (RNA ή DNA). Δεν είναι σε θέση να λειτουργήσουν (συμπεριλαμβανομένου του αντιγράφου) έξω από ένα ζωντανό κύτταρο, και, ως εκ τούτου, είναι θεμιτό να τα αποκαλούμε χωρίς πυρηνικά. Ο παρασιτισμός των ιών αναπτύσσεται σε γενετικό επίπεδο.

Η στοχευμένη εξέταση διαφόρων οικολογικών θέσεων αποκαλύπτει συνεχώς νέες ομάδες μικροοργανισμών που παράγουν χρήσιμες ουσίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη βιοτεχνολογία. Ο αριθμός των τύπων μικροοργανισμών που χρησιμοποιούνται στη βιοτεχνολογία αυξάνεται συνεχώς.

Κατά την επιλογή ενός βιολογικού αντικειμένου, σε όλες τις περιπτώσεις είναι απαραίτητο να τηρείται η αρχή της δυνατότητας κατασκευής. Έτσι, εάν κατά τη διάρκεια πολλών κύκλων καλλιέργειας οι ιδιότητες ενός βιολογικού αντικειμένου δεν διατηρηθούν ή υποστούν σημαντικές αλλαγές, τότε αυτό το βιολογικό αντικείμενο θα πρέπει να αναγνωριστεί ως μη τεχνολογικό, δηλ. απαράδεκτη για τις τεχνολογικές εξελίξεις μετά το στάδιο της εργαστηριακής έρευνας.

Με την ανάπτυξη της βιοτεχνολογίας, εξειδικευμένες τράπεζες βιολογικών αντικειμένων αποκτούν μεγάλη σημασία, ειδικότερα, συλλογές μικροοργανισμών με μελετημένες ιδιότητες, καθώς και κρυοτράπεζες ζωικών και φυτικών κυττάρων, που μπορούν ήδη να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία χρησιμοποιώντας ειδικές μεθόδους για την κατασκευή νέων οργανισμών. χρήσιμο για τη βιοτεχνολογία. Στην πραγματικότητα, αυτές οι εξειδικευμένες τράπεζες καλλιεργειών είναι υπεύθυνες για τη διατήρηση μιας εξαιρετικά πολύτιμης γονιδιακής δεξαμενής.

Οι συλλογές πολιτισμού διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη νομική προστασία των νέων καλλιεργειών και στην τυποποίηση των βιοτεχνολογικών διαδικασιών. Στις συλλογές, η διατήρηση, η συντήρηση και η παροχή μικροοργανισμών με στελέχη, πλασμίδια, φάγους, κυτταρικές σειρές πραγματοποιείται τόσο για επιστημονική και εφαρμοσμένη έρευνα, όσο και για σχετικές βιομηχανίες. Οι συλλογές καλλιεργειών, εκτός από το κύριο καθήκον - διασφάλιση της βιωσιμότητας και διατήρησης των γενετικών ιδιοτήτων των στελεχών - συμβάλλουν στην ανάπτυξη της επιστημονικής έρευνας (στον τομέα της ταξινόμησης, κυτταρολογίας, φυσιολογίας) και εξυπηρετούν τους σκοπούς της εκπαίδευσης. Επιτελούν μια απαραίτητη λειτουργία ως αποθέτες στελεχών που μπορούν να κατοχυρωθούν με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Σύμφωνα με τους διεθνείς κανόνες, όχι μόνο οι αποτελεσματικοί παραγωγοί, αλλά και οι καλλιέργειες που χρησιμοποιούνται στη γενετική μηχανική μπορούν να κατοχυρωθούν με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και να κατατεθούν.

Οι επιστήμονες δίνουν μεγάλη προσοχή στη σκόπιμη δημιουργία νέων βιολογικών αντικειμένων που δεν υπάρχουν στη φύση. Πρώτα απ 'όλα, πρέπει να σημειωθεί η δημιουργία νέων κυττάρων μικροοργανισμών, φυτών, ζώων με γενετική μηχανική. Η δημιουργία νέων βιολογικών αντικειμένων συμβάλλει φυσικά στη βελτίωση της νομικής προστασίας των εφευρέσεων στον τομέα της γενετικής μηχανικής και της βιοτεχνολογίας γενικότερα. Έχει διαμορφωθεί μια κατεύθυνση που ασχολείται με το σχεδιασμό τεχνητών κυττάρων. Επί του παρόντος, υπάρχουν μέθοδοι που καθιστούν δυνατή τη λήψη τεχνητών κυττάρων χρησιμοποιώντας διάφορα συνθετικά και βιολογικά υλικά, για παράδειγμα, μια τεχνητή κυτταρική μεμβράνη με δεδομένη διαπερατότητα και επιφανειακές ιδιότητες. Μερικά υλικά μπορούν να εγκλωβιστούν μέσα σε τέτοια κύτταρα: ενζυμικά συστήματα, εκχυλίσματα κυττάρων, βιολογικά κύτταρα, μαγνητικά υλικά, ισότοπα, αντισώματα, αντιγόνα, ορμόνες κ.λπ. Η χρήση τεχνητών κυττάρων έχει αποφέρει θετικά αποτελέσματα στην παραγωγή ιντερφερονών και μονοκλωνικών αντισωμάτων. η δημιουργία ανοσοπροσροφητικών κ.λπ.

Αναπτύσσονται προσεγγίσεις για τη δημιουργία τεχνητών ενζύμων και αναλόγων ενζύμων με αυξημένη σταθερότητα και δραστηριότητα. Για παράδειγμα, πραγματοποιείται σύνθεση πολυπεπτιδίων της επιθυμητής στερεοδιάταξης, γίνονται έρευνες για μεθόδους κατευθυνόμενης μεταλλαξογένεσης προκειμένου να αντικατασταθεί ένα αμινοξύ με ένα άλλο στο μόριο του ενζύμου. Γίνονται προσπάθειες κατασκευής μη ενζυματικών καταλυτικών μοντέλων.

Οι ακόλουθες ομάδες βιολογικών αντικειμένων θα πρέπει να επισημανθούν ως οι πιο υποσχόμενες:

Ανασυνδυασμένα, δηλ. οργανισμοί που λαμβάνονται με γενετική μηχανική·

Κύτταρα φυτικών και ζωικών ιστών.

Θερμόφιλοι μικροοργανισμοί και ένζυμα.

αναερόβιοι οργανισμοί;

Ενώσεις για τον μετασχηματισμό πολύπλοκων υποστρωμάτων.

Ακινητοποιημένα βιολογικά αντικείμενα.

Η διαδικασία τεχνητής δημιουργίας ενός βιολογικού αντικειμένου (μικροοργανισμού ή κυττάρου ιστού) συνίσταται στην αλλαγή της γενετικής του πληροφορίας προκειμένου να αποκλειστούν οι ανεπιθύμητες και να ενισχυθούν οι επιθυμητές ιδιότητες ή να του προσδοθούν εντελώς νέες ιδιότητες. Οι πιο στοχευμένες αλλαγές μπορούν να γίνουν με ανασυνδυασμό - ανακατανομή γονιδίων ή τμημάτων γονιδίων και συνδυασμό γενετικών πληροφοριών από δύο ή περισσότερους οργανισμούς σε έναν οργανισμό. Η λήψη ανασυνδυασμένων οργανισμών, ειδικότερα, μπορεί να πραγματοποιηθεί με σύντηξη πρωτοπλάστη, με μεταφορά φυσικών πλασμιδίων και με μεθόδους γενετικής μηχανικής.

Οι μη παραδοσιακοί βιολογικοί παράγοντες σε αυτό το στάδιο της ανάπτυξης της βιοτεχνολογίας περιλαμβάνουν κύτταρα φυτικών και ζωικών ιστών, συμπεριλαμβανομένων υβριδωμάτων, μεταμοσχεύσεων. Οι καλλιέργειες κυττάρων θηλαστικών παράγουν ήδη εμβόλια ιντερφερόνης και ιού· στο εγγύς μέλλον θα πραγματοποιηθεί μεγάλης κλίμακας παραγωγή μονοκλωνικών αντισωμάτων, επιφανειακών αντιγόνων ανθρώπινων κυττάρων και αγγειογενετικών παραγόντων.

Με την ανάπτυξη μεθόδων βιοτεχνολογίας, όλο και μεγαλύτερη προσοχή θα δίνεται στη χρήση των θερμόφιλων μικροοργανισμών και των ενζύμων τους.

Τα ένζυμα που παράγονται από θερμόφιλους μικροοργανισμούς χαρακτηρίζονται από θερμική σταθερότητα και μεγαλύτερη αντοχή στη μετουσίωση σε σύγκριση με τα ένζυμα από μεσόφιλα. Η διεξαγωγή βιοτεχνολογικών διεργασιών σε υψηλές θερμοκρασίες με χρήση ενζύμων θερμόφιλων μικροοργανισμών έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα:

1) ο ρυθμός αντίδρασης αυξάνεται.

2) αυξάνει τη διαλυτότητα των αντιδραστηρίων και λόγω αυτού - την παραγωγικότητα της διαδικασίας.

3) η πιθανότητα μικροβιακής μόλυνσης του μέσου αντίδρασης μειώνεται.

Υπάρχει μια αναβίωση των βιοτεχνολογικών διεργασιών που χρησιμοποιούν αναερόβιους μικροοργανισμούς, οι οποίοι συχνά είναι και θερμόφιλοι. Οι αναερόβιες διεργασίες προσελκύουν την προσοχή των ερευνητών λόγω της έλλειψης ενέργειας και της δυνατότητας λήψης βιοαερίου. Δεδομένου ότι η αναερόβια καλλιέργεια δεν απαιτεί αερισμό του μέσου και βιοχημικές διεργασίεςλιγότερο έντονο, το σύστημα απομάκρυνσης θερμότητας απλοποιείται, οι αναερόβιες διεργασίες μπορούν να θεωρηθούν ως εξοικονόμηση ενέργειας.

Οι αναερόβιοι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται με επιτυχία για την επεξεργασία απορριμμάτων (φυτική βιομάζα, απόβλητα βιομηχανίας τροφίμων, οικιακά απορρίμματα κ.λπ.) και λυμάτων (οικιακά και βιομηχανικά λύματα, κοπριά) σε βιοαέριο.

Τα τελευταία χρόνια, η χρήση μικτών καλλιεργειών μικροοργανισμών και οι φυσικές τους ενώσεις επεκτείνεται. Σε μια πραγματική βιολογική κατάσταση στη φύση, οι μικροοργανισμοί υπάρχουν με τη μορφή κοινοτήτων διαφόρων πληθυσμών που συνδέονται στενά μεταξύ τους και πραγματοποιούν την κυκλοφορία ουσιών στη φύση.

Τα κύρια πλεονεκτήματα των μικτών καλλιεργειών σε σύγκριση με τις μονοκαλλιέργειες είναι τα εξής:

Η ικανότητα χρήσης πολύπλοκων, ετερογενών υποστρωμάτων, συχνά ακατάλληλων για μονοκαλλιέργειες.

Η ικανότητα ανοργανοποίησης σύνθετων οργανικών ενώσεων.

Αυξημένη ικανότητα βιομετατροπής οργανική ύλη;

Αυξημένη αντοχή σε τοξικές ουσίες, συμπεριλαμβανομένων των βαρέων μετάλλων.

Αυξημένη αντοχή στις περιβαλλοντικές επιδράσεις.

Αυξημένη παραγωγικότητα.

Πιθανή ανταλλαγή γενετικές πληροφορίεςμεταξύ διαφορετικών τύπων κοινοτήτων.

Είναι απαραίτητο να επισημανθεί μια τέτοια ομάδα βιολογικών αντικειμένων όπως τα ένζυμα-καταλύτες βιολογικής προέλευσης, τα οποία μελετώνται στην εφαρμοσμένη πτυχή από τη μηχανική ενζυμολογία. Το κύριο καθήκον του είναι η ανάπτυξη βιοτεχνολογικών διεργασιών που χρησιμοποιούν την καταλυτική δράση ενζύμων, που συνήθως απομονώνονται από βιολογικά συστήματα ή βρίσκονται μέσα σε κύτταρα που στερούνται τεχνητά την ικανότητα ανάπτυξης. Χάρη στα ένζυμα, ο ρυθμός των αντιδράσεων αυξάνεται κατά ένα συντελεστή 106-1012 σε σύγκριση με αντιδράσεις που συμβαίνουν απουσία αυτών των καταλυτών.

Τα ακινητοποιημένα βιολογικά αντικείμενα θα πρέπει να επισημανθούν ως ξεχωριστός κλάδος δημιουργίας και χρήσης βιολογικών αντικειμένων. Το ακινητοποιημένο αντικείμενο είναι ένα αρμονικό σύστημα, η δράση του οποίου καθορίζεται γενικά από τη σωστή επιλογή τριών κύριων συστατικών: του βιολογικού αντικειμένου, του φορέα και της μεθόδου δέσμευσης του αντικειμένου στον φορέα.

Χρησιμοποιούνται κυρίως οι ακόλουθες ομάδες μεθόδων για την κινητοποίηση βιολογικών αντικειμένων:

Συμπερίληψη σε τζελ, μικροκάψουλες.

Προσρόφηση σε αδιάλυτους φορείς.

Ομοιοπολικός δεσμός σε φορέα.

Διασύνδεση με διλειτουργικά αντιδραστήρια χωρίς τη χρήση φορέα.

- «αυτοσυσσώρευση» στην περίπτωση άθικτων κυττάρων.

Τα κύρια πλεονεκτήματα της χρήσης ακινητοποιημένων βιολογικών αντικειμένων είναι:

Υψηλή δραστηριότητα.

Ικανότητα ελέγχου του μικροπεριβάλλοντος του παράγοντα.

τη δυνατότητα πλήρους και γρήγορου διαχωρισμού των προϊόντων-στόχων·

Η δυνατότητα οργάνωσης συνεχών διαδικασιών με πολλαπλή χρήση του αντικειμένου.

Όπως προκύπτει από τα παραπάνω, σε βιοτεχνολογικές διεργασίες είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ένας αριθμός βιολογικών αντικειμένων που χαρακτηρίζονται από διαφορετικά επίπεδα πολυπλοκότητας της βιολογικής ρύθμισης, για παράδειγμα, κυτταρικό, υποκυτταρικό, μοριακό. Η προσέγγιση για τη δημιουργία ολόκληρου του βιοτεχνολογικού συστήματος στο σύνολό του εξαρτάται άμεσα από τα χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου βιολογικού αντικειμένου.

Διοικητικό δίκαιο και μέθοδοι δημόσιας διοίκησης

Ενεργητικές, διαδραστικές και άλλες καινοτόμες μέθοδοι (τεχνολογίες) που χρησιμοποιούνται για τη διαμόρφωση

Ανάλυση θεωριών κινήτρων της εργασιακής δραστηριότητας του προσωπικού και μεθόδων για την αύξησή της

Ticket5Μέθοδοι για τη μελέτη της ανθρώπινης γενετικής. Βιοχημικές και δίδυμες μέθοδοι, τα καθήκοντά τους.2. Αγκυλόστομος και νέκτορας. Κύκλος ζωής και ιατρική σημασία

Β. Οι κύριες μέθοδοι επιλογής που χρησιμοποιούνται για την πρόσληψη προσωπικού στον οργανισμό

1. Τι είναι η βιοτεχνολογία; Σε ποιους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας χρησιμοποιούνται οι βιοτεχνολογικές διαδικασίες;

Η βιοτεχνολογία είναι ένα πεδίο της επιστήμης και πρακτικές δραστηριότητεςσχετίζεται με την παραγωγή διαφόρων προϊόντων με τη χρήση ζωντανών οργανισμών, καλλιεργημένων κυττάρων και βιολογικών διεργασιών. Οι βιοτεχνολογικές διαδικασίες χρησιμοποιούνται στην αρτοποιία, την οινοποίηση, την παραγωγή γαλακτοκομικών προϊόντων που έχουν υποστεί ζύμωση, την επεξεργασία δέρματος κ.λπ.

2. Ποιες είναι οι κύριες κατευθύνσεις της βιοτεχνολογίας;

Οι κύριες κατευθύνσεις της βιοτεχνολογίας: η παραγωγή βιολογικά ενεργών ενώσεων και φαρμάκων (ένζυμα, βιταμίνες, ορμόνες, αντιβιοτικά, ανοσοσφαιρίνες κ.λπ.) με τη χρήση μικροοργανισμών και καλλιεργημένων ευκαρυωτικών κυττάρων. παραγωγή προϊόντων διατροφής και ζωοτροφών· δημιουργία νέων χρήσιμων στελεχών μικροοργανισμών, φυτικών ποικιλιών και φυλών ζώων· ανάπτυξη και χρήση βιολογικών μεθόδων φυτοπροστασίας από παράσιτα και ασθένειες· δημιουργία και χρήση βιοτεχνολογικών μεθόδων προστασίας του περιβάλλοντος κ.λπ.

3. Τι είναι η κυτταρική μηχανική; Ποιες μεθόδους κυτταρικής μηχανικής γνωρίζετε; Ποια είναι τα αποτελέσματα της εφαρμογής τους;

Κυτταρική μηχανική είναι η καλλιέργεια φυτικών, ζωικών και μικροοργανισμών κυττάρων υπό ειδικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένων διαφόρων χειρισμών με αυτά (σύντηξη κυττάρων, αφαίρεση ή μεταμόσχευση οργανιδίων κ.λπ.). Οι μέθοδοι κυτταρικής μηχανικής περιλαμβάνουν: πολλαπλασιασμό φυτών με βάση την καλλιέργεια ιστών, σωματική υβριδοποίηση. Ο σωματικός υβριδισμός είναι η σύντηξη διαφορετικών τύπων σωματικών κυττάρων ενός οργανισμού ή κυττάρων οργανισμών που ανήκουν σε ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, για παράδειγμα, δημιουργήθηκαν υβρίδια που δεν μπορούν να ληφθούν με διασταύρωση ατόμων - υβρίδια καπνού και πατάτας, καρότων και μαϊντανού, ντομάτες και πατάτες κ.λπ.

4. Τι είναι η γενετική μηχανική; Να αναφέρετε τα κύρια εργαλεία της γενετικής μηχανικής.

Η γενετική (γονιδιακή) μηχανική είναι ένα τμήμα της μοριακής βιολογίας που σχετίζεται με την απομόνωση γονιδίων από τα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών, την εφαρμογή διαφόρων χειρισμών με αυτά (συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας υβριδικών μορίων DNA) και την εισαγωγή τους σε άλλους οργανισμούς. Τα κύρια εργαλεία της γενετικής μηχανικής είναι τα ένζυμα και οι φορείς. Χρησιμοποιώντας ένα σύνολο ειδικών ενζύμων, είναι δυνατό να κοπούν μόρια DNA και RNA σε ορισμένες περιοχές, να εξαχθούν τα απαραίτητα θραύσματα από αυτά, να αντιγραφούν και να συρραφούν αυτά τα θραύσματα μεταξύ τους.

5. Ποιοι οργανισμοί ονομάζονται διαγονιδιακοί; Ποιες μεθόδους απόκτησης διαγονιδιακών ζώων μπορείτε να ονομάσετε;

Οι ζωντανοί οργανισμοί των οποίων το γονιδίωμα έχει τροποποιηθεί με εργασίες γενετικής μηχανικής και περιέχουν τουλάχιστον ένα ενεργά γονίδιο άλλου οργανισμού ονομάζονται διαγονιδιακά (γενετικά τροποποιημένα). Μία από τις κύριες μεθόδους για τη λήψη διαγονιδιακών ζώων είναι η μικροέγχυση DNA σε γονιμοποιημένα ωάρια. Όλα ξεκινούν με την εισαγωγή ενός θραύσματος DNA που περιέχει πολλά αντίγραφα του επιθυμητού γονιδίου στον πυρήνα του σπέρματος που γονιμοποίησε το ωάριο. Μετά την πυρηνική σύντηξη, οι τροποποιημένοι ζυγώτες μεταφέρονται στη μήτρα του θηλυκού λήπτη. Μετά από λίγο, γεννά διαγονιδιακά μωρά. Τα τελευταία χρόνια, εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα που λαμβάνονται από έμβρυα σε πρώιμα στάδια ανάπτυξης έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία διαγονιδιακών ζώων. Αυτά τα κύτταρα μπορούν να διαφοροποιηθούν σε οποιονδήποτε άλλο τύπο κυττάρων ενός πολυκύτταρου οργανισμού.

6. Το 1962, ο Βρετανός επιστήμονας J. Gurdon πραγματοποίησε το ακόλουθο πείραμα. Με τη βοήθεια της υπεριώδους ακτινοβολίας σε ένα γονιμοποιημένο αυγό βατράχου, ο πυρήνας καταστράφηκε. Στη συνέχεια, ένας πυρήνας που ελήφθη από ένα εντερικό κύτταρο ενός ενήλικου βατράχου μεταμοσχεύθηκε σε ένα ζυγώτη χωρίς πυρήνα. Ένας τόσο ασυνήθιστος ζυγώτης άρχισε να χωρίζεται και τελικά εξελίχθηκε σε έναν κανονικό βάτραχο. Ο J. Gurdon και οι οπαδοί του συνέχισαν την έρευνα σε αυτόν τον τομέα. Το 2012, ο J. Gurdon έγινε βραβευμένος βραβείο Νόμπελ. Ποια συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν από το περιγραφόμενο πείραμα; Ποια πιστεύετε, ποια ήταν η σημασία και η συνέχεια των πειραμάτων του J. Gurdon;

Είναι σαφές από την παραπάνω περιγραφή ότι ο J. Gurdon, ως αποτέλεσμα του πειράματός του, ήταν ο πρώτος που απέκτησε έναν κλώνο ζώου (βατράχου) που αναπτύχθηκε από διαφοροποιημένα κύτταρα ενός ενήλικου ζώου.

1. Γενικές πληροφορίεςγια βιολογικά αντικείμενα

Τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας είναι ιοί, βακτήρια, μύκητες - μικρομυκήτες και μακρομύκητες, πρωτόζωοι οργανισμοί, κύτταρα (ιστοί) φυτών, ζώων και ανθρώπων, ορισμένες βιογενείς και λειτουργικά παρόμοιες ουσίες (π.χ. ένζυμα, προσταγλανδίνες, λεκτίνες, νουκλεϊκά οξέα κ. ). Κατά συνέπεια, τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας μπορούν να αντιπροσωπεύονται από οργανωμένα σωματίδια (ιούς), κύτταρα (ιστούς) ή μεταβολίτες τους (πρωτογενείς, δευτερογενείς). Ακόμη και όταν ένα βιομόριο χρησιμοποιείται ως αντικείμενο βιοτεχνολογίας, η αρχική του βιοσύνθεση πραγματοποιείται στις περισσότερες περιπτώσεις από τα αντίστοιχα κύτταρα. Από αυτή την άποψη, μπορεί να ειπωθεί ότι τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας αναφέρονται είτε σε μικρόβια είτε σε φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς. Με τη σειρά του, το σώμα μπορεί μεταφορικά να χαρακτηριστεί ως ένα σύστημα οικονομικής, πολύπλοκης, συμπαγούς, αυτορυθμιζόμενης και, επομένως, σκόπιμης βιοχημικής παραγωγής, που προχωρά σταθερά και ενεργά διατηρώντας παράλληλα όλες τις απαραίτητες παραμέτρους. Από αυτόν τον ορισμό προκύπτει ότι οι ιοί δεν είναι οργανισμοί, αλλά σύμφωνα με το περιεχόμενο των μορίων κληρονομικότητας, την προσαρμοστικότητα, τη μεταβλητότητα και ορισμένες άλλες ιδιότητες, ανήκουν σε εκπροσώπους της άγριας ζωής.

Όπως φαίνεται από το παραπάνω διάγραμμα, τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας είναι εξαιρετικά διαφορετικά, το εύρος τους εκτείνεται από τα οργανωμένα σωματίδια (ιούς) μέχρι τον άνθρωπο.

Οι ιοί καταλαμβάνουν μια θέση μεταξύ έμψυχης και άψυχης φύσης, δεν έχουν πυρήνα, αν και υπάρχει ένα κληρονομικό πυρηνικό υλικό - ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) ή δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA).

Σε αντίθεση με τα μικρόβια της κυτταρικής οργάνωσης, το RNA και το DNA δεν βρίσκονται ποτέ μαζί στα ιικά σωματίδια.

Επί του παρόντος, η πλειονότητα των αντικειμένων στη βιοτεχνολογία είναι μικρόβια που ανήκουν στα τρία βασίλεια (μη πυρηνικά, προπυρηνικά, πυρηνικά) και σε πέντε βασίλεια (ιούς, βακτήρια, μύκητες, φυτά και ζώα). Επιπλέον, τα δύο πρώτα βασίλεια αποτελούνται αποκλειστικά από μικρόβια, ενώ το τρίτο είναι κυρίως από φυτά και ζώα.

Στο πρώτο μισό του XIX αιώνα. έγινε μια από τις πιο βασικές γενικεύσεις της βιολογίας - η κυτταρική θεωρία (M. Schleiden, T. Schwann, R. Virchow), η οποία έγινε γενικά αναγνωρισμένη. Αποδείχθηκε επίσης το θεμέλιο της επιστήμης - κυτταρολογίας (από το ελληνικό kitos - κοιλότητα). Από όλα τα αντικείμενα της βιοτεχνολογίας, μόνο οι ιοί, τα ιοειδή και τα βιομόρια δεν έχουν κυτταρική οργάνωση. Ωστόσο, οι ιοί, ενώ βρίσκονται σε κύτταρα, συμπεριφέρονται σαν ζωντανά όντα - αναπαράγονται ("πολλαπλασιάζονται") και το γενετικό τους υλικό λειτουργεί κυρίως σύμφωνα με τους γενικούς νόμους που είναι εγγενείς στα κύτταρα οποιασδήποτε προέλευσης. Καθώς οι μέθοδοι και οι τεχνικές της κυτταρολογικής έρευνας βελτιώνονται, οι επιστήμονες διεισδύουν βαθύτερα στην ουσία των οργανωμένων σωματιδίων και κυττάρων, και ως αποτέλεσμα αυτής της διείσδυσης, είναι δυνατόν να τεκμηριωθεί ότι ανήκουν όλα τα ζωντανά όντα σε τρία βασίλεια: Acaryotae - μη πυρηνικά , Procaryotae - προπυρηνικό και Eucaryotae - πυρηνικό (από τα ελληνικά a - όχι, υπέρ - πριν, αυτή - καλή, εντελώς, karyon - πυρήνας). Το πρώτο περιλαμβάνει οργανωμένα σωματίδια - ιούς και ιοειδή, το δεύτερο - βακτήρια, το τρίτο - όλους τους άλλους οργανισμούς (μύκητες, φύκια, φυτά, ζώα).

Παρά το γεγονός ότι οι εκπρόσωποι όλων των υπερβασιλείων περιέχουν γενετικό υλικό, διάφοροι ακαρυώτες στερούνται οποιουδήποτε τύπου RNA ή DNA νουκλεϊκού οξέος. Δεν είναι σε θέση να λειτουργήσουν (συμπεριλαμβανομένου του αντιγράφου) έξω από ένα ζωντανό κύτταρο, και, ως εκ τούτου, είναι θεμιτό να τα αποκαλούμε χωρίς πυρηνικά.

Τα κύτταρα των μυκήτων, των φυκών, των φυτών και των ζώων έχουν έναν πραγματικό πυρήνα διαχωρισμένο από το κυτταρόπλασμα και ως εκ τούτου αναφέρονται ως ευκαρυώτες.

Η ταξινόμηση των προκαρυωτών και των ευκαρυωτικών βασίζεται σε πολυάριθμες δομικές διαφορές, οι κυριότερες από τις οποίες είναι οι ακόλουθες: 1) η παρουσία ή η απουσία πυρήνα που περιέχει χρωμοσωμικό DNA. 2) τη δομή και τη χημική σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος και 3) την παρουσία ή την απουσία υποκυτταρικών κυτταροπλασματικών οργανιδίων. Σε ένα προκαρυωτικό κύτταρο, όπως ένα βακτηριακό, το χρωμοσωμικό DNA βρίσκεται απευθείας στο κυτταρόπλασμα, το κύτταρο περιβάλλεται από ένα άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα, το οποίο συχνά περιέχει πεπτιδογλυκάνη, αλλά όχι χιτίνη ή κυτταρίνη. δεν υπάρχουν υποκυτταρικά κυτταροπλασματικά οργανίδια στο κύτταρο. Σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο υπάρχει ένας πυρήνας που διαχωρίζεται από το κυτταρόπλασμα με μια πυρηνική μεμβράνη, το χρωμοσωμικό DNA βρίσκεται στον πυρήνα. το κυτταρικό τοίχωμα, εάν υπάρχει, μπορεί να περιέχει χιτίνη ή κυτταρίνη, αλλά όχι πεπτιδογλυκάνη. το κυτταρόπλασμα περιέχει διάφορα υποκυτταρικά οργανίδια (μιτοχόνδρια, συσκευή Golgi, χλωροπλάστες στα φυτικά κύτταρα) (Εικ. 1).

Ρύζι. 1. Σχέδιο ενός προκαρυωτικού βακτηριακού κυττάρου (Α) και ενός ευκαρυωτικού ζωικού κυττάρου (ΣΙ)

2. Ιοί και ιοειδή

Τα νουκλεϊκά οξέα είναι οι κληρονομικές ουσίες των ιών. Ανάλογα με τον τύπο του νουκλεϊκού οξέος, χωρίζονται σε ιούς που περιέχουν RNA και σε ιούς που περιέχουν DNA. Οι πρώτοι περιλαμβάνουν όλους τους φυτικούς ιούς, οι δεύτεροι περιλαμβάνουν τους περισσότερους βακτηριοφάγους, έναν αριθμό ιών ανθρώπων και ζώων (αδενοϊούς, ιούς έρπητα, δαμαλίτιδα κ.λπ.).

Η πρωτεΐνη είναι δομημένη γύρω από το ιικό νουκλεϊκό οξύ (γονιδίωμα) με τη μορφή κελύφους και ονομάζεται καψίδιο. Το σχήμα ενός βιριόντος καθορίζεται από το καψίδιο του. Μαζί με νουκλεϊκό οξύτο καψίδιο σχηματίζει το νουκλεοκαψίδιο.

Ένας κατά προσέγγιση κατάλογος ιών περιλαμβάνει 17 οικογένειες ιών σπονδυλωτών και 7 οικογένειες ιών ασπόνδυλων, 10 οικογένειες βακτηριακών ιών. Έχουν περιγραφεί 20 γένη φυτικών ιών και 5 γένη μυκητιακών ιών. Τα συστήματα ταξινόμησης των ιών δεν έχουν ακόμη καθιερωθεί πλήρως και, επιπλέον, ανοίγουν νέους ιούς για την επιστήμη (για παράδειγμα, με ιούς Έμπολα, ανθρώπινη ανοσοανεπάρκεια). Εκπρόσωποι των ιών που περιέχουν DNA είναι οι ιοί του μαλακίου, της ευλογιάς, του έρπητα, των περισσότερων βακτηριακών φάγων. Οι ιοί που περιέχουν RNA είναι οι φυτικοί ιοί, η ανθρώπινη γρίπη, η λύσσα, η πολιομυελίτιδα κ.λπ.

Viroids.Σύμφωνα με τη μοριακή δομή, τα ιοειδή είναι μονόκλωνα, ομοιοπολικά κλειστά, κυκλικά μόρια RNA χωρίς καψίδια. Ο αριθμός των νουκλεοτιδίων σε ένα τέτοιο RNA είναι στην περιοχή από 240-400. Σε σχήμα, τα ιοειδή μπορεί να είναι γραμμικά και δακτυλιοειδή, μπορούν να υιοθετήσουν μια φουρκέτα, σχεδόν δίκλωνη διαμόρφωση (από το λατινικό οιονεί - υποτίθεται, σαν, σχεδόν, κοντά; conformatio - σχήμα, διάταξη). Κάθε τύπος ιοειδούς περιέχει έναν μοναδικό, μοναδικό, ειδικό τύπο RNA χαμηλού μοριακού βάρους. Τα μεγέθη Viroid είναι εντός 15 nm. Σε ευαίσθητα φυτικά κύτταρα-ξενιστές, συγκεντρώνονται στον πυρήνα, συνδέονται με τον πυρήνα με τη μορφή συμπλόκου πρωτεΐνης-νουκλεϊκού οξέος και αναπαράγονται αυτόνομα στο σύνολό τους με τη βοήθεια προηγούμενων ή ενεργοποιημένων ενζύμων ξενιστή. Τα ιοειδή δεν μεταφράζονται. Αυτό επιβεβαιώνεται από τη δομική τους ομοιότητα μεταξύ τους και την απουσία κωδικονίων εκκινητή σε έναν αριθμό ιοειδών. Ταυτόχρονα, η αντιγραφή λαμβάνει χώρα λόγω της μεταγραφής αλληλουχιών RNA του ιού από εκμαγεία RNA με τη συμμετοχή RNA πολυμερασών.

3. Βακτήρια

Τα βακτήρια είναι πλάσματα κυτταρικής οργάνωσης στα οποία το πυρηνικό υλικό δεν διαχωρίζεται από το κυτταρόπλασμα με στοιχειώδεις μεμβράνες και δεν συνδέεται με καμία βασική πρωτεΐνη. Το κυτταρόπλασμα σε αυτά με ακανόνιστα διάσπαρτα ριβοσώματα είναι ακίνητο, τα κύτταρα δεν έχουν την ικανότητα να ενδο- και εξωκυττάρωση. Τα περισσότερα από τα βακτήρια είναι μονοκύτταρα, η μικρότερη διάμετρός τους είναι 0,2-10,0 μικρά.

Όλα τα βακτήρια αποτελούν ένα ενιαίο βασίλειο Βακτήρια, αν και μερικά από αυτά - τα αρχαιοβακτήρια (Archaeobacteria) είναι σημαντικά διαφορετικά από άλλα, που ονομάζονται ευβακτήρια (Eubacteria). Προφανώς, τα αρχαιοβακτήρια είναι αρχαιότεροι εκπρόσωποι των προκαρυωτών από τα ευβακτήρια. Ζουν σε περιβάλλοντα με ακραίες συνθήκες - υψηλές συγκεντρώσεις ανόργανων αλάτων, υψηλές θερμοκρασίες, μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα - ως οι μόνες πηγές άνθρακα. Τα αρχαιοβακτήρια περιλαμβάνουν αλοβακτήρια, θερμοοξεόφιλα βακτήρια και βακτήρια που σχηματίζουν μεθάνιο ή μεθανογόνα.

Τα φωτοτροφικά βακτήρια είναι οξυγονικά κυανοβακτήρια, ανοξυγονικά μοβ και πράσινα βακτήρια. χημειοτροφικά - gram-θετικά και gram-αρνητικά βακτήρια και βάκιλλοι, μυξοβακτήρια, βακτήρια μίσχου και εκκολαπτόμενων βακτηρίων, vibrios, spirilla, σπειροχαίτες, ακτινομύκητες, κορυνοβακτήρια, μυκοβακτήρια, ρικέτσια, χλαμύδια, μυκόπλασμα και σπειρόπλασμα.

Βακτήριο Escherichia coliένας από τους πιο καλά μελετημένους οργανισμούς. Τα τελευταία χρόνια, κατέστη δυνατή η απόκτηση ολοκληρωμένων πληροφοριών για τη γενετική, τη μοριακή βιολογία, τη βιοχημεία, τη φυσιολογία και τη γενική βιολογία του. Είναι μια αρνητική κατά Gram, μη παθογόνος, κινητική ράβδος μήκους μικρότερου από 1 μm. Ο βιότοπός του είναι τα έντερα του ανθρώπου, αλλά μπορεί να σπαρθεί και από χώμα και νερό. Λόγω της ικανότητας πολλαπλασιασμού με απλή διαίρεση σε μέσα που περιέχουν μόνο ιόντα Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, NH 4 +, Cl ~, HP0 4 2 ~ και S0 4 2 ~, ιχνοστοιχεία και άνθρακα πηγή (για παράδειγμα, γλυκόζη), ΜΙ. coliέγινε αγαπημένο αντικείμενο επιστημονικής έρευνας. Κατά την καλλιέργεια μι. coliσε εμπλουτισμένα υγρά θρεπτικά μέσα που περιέχουν αμινοξέα, βιταμίνες, άλατα, ιχνοστοιχεία και μια πηγή άνθρακα, ο χρόνος δημιουργίας (δηλαδή ο χρόνος μεταξύ του σχηματισμού ενός βακτηρίου και της διαίρεσης του) στη λογαριθμική φάση ανάπτυξης σε θερμοκρασία 37 °C είναι περίπου 22 λεπτά.

Για κάθε ζωντανό οργανισμό, υπάρχει ένα ορισμένο διάστημα θερμοκρασίας που είναι το βέλτιστο για την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή του. Οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες προκαλούν μετουσίωση των πρωτεϊνών και καταστροφή άλλων σημαντικών κυτταρικών συστατικών, οδηγώντας σε κυτταρικό θάνατο. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι βιολογικές διεργασίες επιβραδύνονται σημαντικά ή σταματούν εντελώς λόγω των δομικών αλλαγών που υφίστανται τα μόρια πρωτεΐνης. Με βάση καθεστώς θερμοκρασίαςπου προτιμούν ορισμένους μικροοργανισμούς, μπορούν να χωριστούν σε θερμόφιλα (από 45 έως 90 ° C και άνω), μεσόφιλα (από 10 έως 47 ° C) και ψυχόφιλα ή ψυχρότροφα (από -5 έως 35 ° C). Οι μικροοργανισμοί που αναπαράγονται ενεργά μόνο σε ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας μπορούν να αποτελέσουν χρήσιμο εργαλείο για την επίλυση διαφόρων βιοτεχνολογικών προβλημάτων. Για παράδειγμα, τα θερμόφιλα συχνά παρέχουν γονίδια που κωδικοποιούν θερμοσταθερά ένζυμα που χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές ή εργαστηριακές διεργασίες, ενώ γενετικά τροποποιημένα ψυχότροφα χρησιμοποιούνται για τη βιοαποδόμηση των τοξικών αποβλήτων που περιέχονται στο έδαφος και το νερό σε χαμηλές θερμοκρασίες.

μι. coliμπορεί να καλλιεργηθεί τόσο σε αερόβιες (παρουσία οξυγόνου) όσο και σε αναερόβιες (χωρίς οξυγόνο) συνθήκες. Ωστόσο, για βέλτιστη παραγωγή ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών ΜΙ. coliκαι άλλοι μικροοργανισμοί συνήθως αναπτύσσονται υπό αερόβιες συνθήκες. Εάν ο σκοπός της καλλιέργειας βακτηρίων στο εργαστήριο είναι η σύνθεση και η απομόνωση μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης, τότε οι καλλιέργειες αναπτύσσονται σε πολύπλοκα υγρά θρεπτικά μέσα σε φιάλες. Για να διατηρηθεί η επιθυμητή θερμοκρασία και να εξασφαλιστεί επαρκής αερισμός του μέσου καλλιέργειας, οι φιάλες τοποθετούνται σε υδατόλουτρο ή δωμάτιο ελεγχόμενης θερμοκρασίας και ανακινούνται συνεχώς. Ένας τέτοιος αερισμός είναι επαρκής για την αναπαραγωγή των κυττάρων, αλλά όχι πάντα για τη σύνθεση πρωτεϊνών. Η κυτταρική ανάπτυξη και η παραγωγή πρωτεΐνης δεν περιορίζονται από την περιεκτικότητα σε πηγές άνθρακα ή αζώτου στο θρεπτικό μέσο, ​​αλλά από την περιεκτικότητα σε διαλυμένο οξυγόνο: στους 20 ° C, είναι περίπου εννέα εκατομμυριοστά. Αυτό γίνεται ιδιαίτερα σημαντικό στη βιομηχανική παραγωγή ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών με τη βοήθεια μικροοργανισμών. Για να εξασφαλιστούν οι βέλτιστες συνθήκες για τη μέγιστη παραγωγή πρωτεΐνης, σχεδιάζονται ειδικοί ζυμωτήρες και δημιουργούνται συστήματα αερισμού.

Εκτός από ΜΙ. coli, πολλοί άλλοι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται στη μοριακή βιοτεχνολογία. Μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες: μικροοργανισμούς ως πηγές συγκεκριμένων γονιδίων και μικροοργανισμούς που δημιουργούνται με μεθόδους γενετικής μηχανικής για την επίλυση ορισμένων προβλημάτων. Τα συγκεκριμένα γονίδια περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, ένα γονίδιο που κωδικοποιεί μια θερμοσταθερή πολυμεράση DNA, η οποία χρησιμοποιείται στην ευρέως χρησιμοποιούμενη αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR). Αυτό το γονίδιο απομονώθηκε από θερμόφιλα βακτήρια και κλωνοποιήθηκε σε ΜΙ. coli. Η δεύτερη ομάδα μικροοργανισμών περιλαμβάνει, για παράδειγμα, διάφορα στελέχη Corynebacterium γλουταμικό, τα οποία έχουν τροποποιηθεί γενετικά για να αυξήσουν την παραγωγή βιομηχανικά σημαντικών αμινοξέων.

4. Μανιτάρια

Οι βιοτεχνολογικές λειτουργίες των μυκήτων ποικίλλουν. Χρησιμοποιούνται για την απόκτηση προϊόντων όπως:

αντιβιοτικά (πενικίλιο, στρεπτομύκητες, κεφαλοσπορίνες).

γιββερελίνες και κυτοκινίνες (φυζάριο και βοτρύτης).

καροτενοειδή (για παράδειγμα, η ασταξανθίνη, η οποία δίνει στη σάρκα του ψαριού σολομού μια κόκκινη-πορτοκαλί απόχρωση, παράγεται από το Rhaffia rhodozima, το οποίο προστίθεται για τη διατροφή σε ιχθυοβιομηχανίες).

πρωτεΐνη (Candida, Saccharomyces lipolitica);

Τυριά όπως ροκφόρ και καμαμπέρ (πενικίλα)·

σάλτσα σόγιας (Aspergillus oryzae).

Οι μύκητες περιλαμβάνουν ακτινομύκητες, ζυμομύκητες και μούχλες. Οι αληθινοί ακτινομύκητες είναι αυστηροί αερόβιοι, είναι gram-θετικοί και δεν σχηματίζουν σπόρια. Το πιο αντιπροσωπευτικό σε αυτή την ομάδα είναι το γένος Streptomyces, ορισμένα είδη του οποίου παράγουν ευρέως χρησιμοποιούμενα αντιβιοτικά. Όταν αναπτύσσονται σε στερεά μέσα, οι ακτινομύκητες σχηματίζουν ένα πολύ λεπτό μυκήλιο με εναέριες υφές, οι οποίες διαφοροποιούνται σε αλυσίδες κονιδιοσπορίων. Κάθε κονιδιόσπορο είναι ικανό να σχηματίσει μια μικροαποικία.

Τα αντιβιοτικά παράγονται επίσης από έναν άλλο τύπο ακτινομυκήτων, τον Micromonospora, των οποίων οι αποικίες στερούνται εναέριων υφών και σχηματίζουν κονιδιοσπόρια απευθείας στο μυκήλιο.

Από τα 500 γνωστά είδη ζύμης, το Saccharomyces cerevisiae ήταν το πρώτο που χρησιμοποιήθηκε από τον άνθρωπο και είναι το πιο πολύ καλλιεργημένο. Μαγιά Saccharomyces cerevisiaeείναι μη παθογόνοι μονοκύτταροι μικροοργανισμοί με διάμετρο κυττάρου περίπου 5 μικρά, που από πολλές απόψεις αντιπροσωπεύουν το ευκαρυωτικό ανάλογο ΜΙ. coli. Η γενετική, η μοριακή βιολογία και ο μεταβολισμός τους έχουν μελετηθεί λεπτομερώς. μικρό. Cere visiaeαναπαράγονται με εκβλάστηση και αναπτύσσονται καλά στο ίδιο απλό περιβάλλον όπως ΜΙ. coli. Η ικανότητά τους να μετατρέπουν τη ζάχαρη σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακαέχει χρησιμοποιηθεί από καιρό για την παρασκευή αλκοολούχων ποτών και ψωμιού. Μαγιά μικρό. cerevisiaeπαρουσιάζουν επίσης μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον. Συγκεκριμένα, αποτελούν το πιο βολικό μοντέλο για τη μελέτη άλλων ευκαρυωτών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, καθώς πολλά από τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για τη ρύθμιση της κυτταρικής διαίρεσης μικρό. cerevisiaeείναι παρόμοια με αυτά στον άνθρωπο. Αυτή η ανακάλυψη συνέβαλε στον εντοπισμό και τον χαρακτηρισμό των ανθρώπινων γονιδίων που ευθύνονται για την ανάπτυξη νεοπλασμάτων. Το ευρέως χρησιμοποιούμενο γενετικό σύστημα ζυμομυκήτων (τεχνητό χρωμόσωμα) είναι απαραίτητος συμμετέχων σε όλες τις μελέτες του ανθρώπινου DNA. Το 1996, προσδιορίστηκε η πλήρης αλληλουχία νουκλεοτιδίων ολόκληρου του συνόλου των χρωμοσωμάτων μικρό. cerevisiae, γεγονός που αύξησε περαιτέρω την αξία αυτού του μικροοργανισμού για την επιστημονική έρευνα.

Μια ευκαρυωτική πρωτεΐνη που συντίθεται από ένα βακτηριακό κύτταρο συχνά πρέπει να υποβληθεί σε ενζυμική τροποποίηση με την προσκόλληση ενώσεων χαμηλού μοριακού βάρους στο μόριο πρωτεΐνης - σε πολλές περιπτώσεις αυτό είναι απαραίτητο για την καλή λειτουργία της πρωτεΐνης. Δυστυχώς, ΜΙ. coliκαι άλλα προκαρυωτικά δεν είναι σε θέση να πραγματοποιήσουν αυτές τις τροποποιήσεις, επομένως, να αποκτήσουν πλήρεις ευκαρυωτικές πρωτεΐνες, μικρό. cerevisiae, καθώς και άλλα είδη μαγιάς: Kluyveromyces lactis, Saccharomyces διαστατικός, Schizisaccharomyces pombe, Yarrowia lipolytica, Πιχία παστορίς, Hansenula πολυμογρα. Οι πιο αποτελεσματικοί παραγωγοί πλήρων ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών είναι Π. παστορίς και Ν. πολυμογρα.

Οι ζύμες ζύμωσης λακτόζης περιλαμβάνουν Kluyveromyces fragilis, που χρησιμοποιείται για τη λήψη αλκοόλης από ορό γάλακτος. Saccharomycopsis lipolyticaαποικοδομεί τους υδρογονάνθρακες και χρησιμοποιείται για τη λήψη πρωτεϊνικής μάζας. Και τα τρία είδη ανήκουν στην κατηγορία Ascomycetes. Άλλα χρήσιμα είδη ανήκουν στην κατηγορία των δευτερομυκήτων (ατελείς μύκητες), αφού δεν αναπαράγονται σεξουαλικά, αλλά με εκβλάστηση. candida utilisαναπτύσσεται σε θειώδη λύματα (απόβλητα από τη βιομηχανία χαρτιού). Trichosporon cutaneum,Η οξείδωση πολλών οργανικών ενώσεων, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων τοξικών (π.χ. φαινόλη), παίζει σημαντικό ρόλο στα αερόβια συστήματα επεξεργασίας λυμάτων. Phaffia rhodozymaσυνθέτει ασταξανθίνη, ένα καροτενοειδές που δίνει στη σάρκα της πέστροφας και του σολομού εκτροφής το χαρακτηριστικό πορτοκαλί ή ροζ χρώμα της. Οι βιομηχανικές ζύμες δεν αναπαράγονται τυπικά σεξουαλικά, δεν σχηματίζουν σπόρια και είναι πολυπλοειδείς. Το τελευταίο εξηγεί τη δύναμή τους και την ικανότητά τους να προσαρμόζονται στις αλλαγές στο περιβάλλον καλλιέργειας (συνήθως, ο πυρήνας του κυττάρου S.cerevisiaeπεριέχει 17 ή 34 χρωμοσώματα, δηλ. τα κύτταρα είναι είτε απλοειδή είτε διπλοειδή).

Τα καλούπια προκαλούν πολυάριθμους μετασχηματισμούς σε στερεά μέσα που συμβαίνουν πριν από τη ζύμωση. Η παρουσία τους εξηγεί την υδρόλυση του αμύλου ρυζιού στην παραγωγή σάκε και την υδρόλυση της σόγιας, του ρυζιού και της βύνης στην παραγωγή τροφίμων που καταναλώνονται στις ασιατικές χώρες. Προϊόντα διατροφής που βασίζονται σε καλούπια που έχουν υποστεί ζύμωση Rhizopus oligosporusη σόγια ή το σιτάρι περιέχουν 5-7 φορές περισσότερες βιταμίνες όπως ριβοφλαβίνη, νικοτινικό οξύ) και έχουν πολλές φορές υψηλότερη περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη. Τα καλούπια παράγουν επίσης βιομηχανικά ένζυμα (αμυλάσες, πηκτινάσες κ.λπ.), οργανικά οξέα και αντιβιοτικά. Χρησιμοποιούνται επίσης στην παραγωγή τυριών, όπως το καμαμπέρ και το ροκφόρ.

Η τεχνητή καλλιέργεια μανιταριών μπορεί επίσης να έχει μια άλλη, όχι λιγότερο σημαντική συμβολή στην παροχή τροφής για τον αυξανόμενο πληθυσμό του πλανήτη. Οι άνθρωποι τρώνε μανιτάρια από την αρχαιότητα. Ως εκ τούτου, το να γίνουν τα μανιτάρια την ίδια διαχειρίσιμη καλλιέργεια με τα δημητριακά, τα λαχανικά, τα φρούτα, ήταν από καιρό ένα επείγον καθήκον. Τα μανιτάρια που καταστρέφουν ξύλο είναι πιο εύκολα επιδεκτικά σε τεχνητή καλλιέργεια. Αυτό οφείλεται στις ιδιαιτερότητες της βιολογίας τους, που μας έγιναν γνωστές και κατανοητές μόλις τώρα. Η ικανότητά τους να αναπτύσσονται εύκολα και να καρποφορούν έχει χρησιμοποιηθεί από την αρχαιότητα.

Η τεχνητή καλλιέργεια μανιταριών που καταστρέφουν το ξύλο έχει γίνει αρκετά διαδεδομένη. Το μυκήλιο των βρώσιμων μανιταριών μπορεί να καλλιεργηθεί σε υγρά μέσα, όπως ορός γάλακτος κ.λπ., σε ειδικούς ζυμωτήρες, στη λεγόμενη βαθιά καλλιέργεια.

5. Πρωτόζωα

Τα πρωτόζωα είναι από τα μη παραδοσιακά αντικείμενα της βιοτεχνολογίας. Μέχρι πρόσφατα, χρησιμοποιούνταν μόνο ως συστατικό της ενεργοποιημένης ιλύος στη βιολογική επεξεργασία λυμάτων. Επί του παρόντος, έχουν προσελκύσει την προσοχή των ερευνητών ως παραγωγοί βιολογικά δραστικών ουσιών.

Με αυτή την ιδιότητα, είναι πιο λογικό να χρησιμοποιούνται ελεύθερα πρωτόζωα, τα οποία έχουν ποικίλες βιοσυνθετικές ικανότητες και ως εκ τούτου είναι ευρέως διαδεδομένα στη φύση.

Μια ιδιαίτερη οικολογική θέση καταλαμβάνουν πρωτόζωα που ζουν στη μεγάλη κοιλία των μηρυκαστικών. Έχουν το ένζυμο κυτταρινάση, το οποίο προωθεί τη διάσπαση των ινών στο στομάχι των μηρυκαστικών. Τα πρωτόζωα της μεγάλης κοιλίας μπορεί να είναι πηγή αυτού του πολύτιμου ενζύμου. Ο αιτιολογικός παράγοντας της νοτιοαμερικανικής τρυπανοσωμίασης είναι Τρυπανόσωμα (Schizotrypanum cruzi)έγινε ο πρώτος παραγωγός του αντικαρκινικού φαρμάκου crucine (ΕΣΣΔ) και του αναλόγου του, τρυπανόζης (Γαλλία). Μελετώντας τον μηχανισμό δράσης αυτών των φαρμάκων, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα φάρμακα αυτά έχουν κυτταροτοξική δράση σε άμεση επαφή με τον όγκο και τον αναστέλλουν έμμεσα, διεγείροντας το δικτυοενδοθηλιακό σύστημα. Αποδείχθηκε ότι η ανασταλτική δράση σχετίζεται με τα κλάσματα λιπαρών οξέων. Χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτών των οργανισμών είναι η υψηλή περιεκτικότητα σε ακόρεστα λιπαρά οξέα, η οποία είναι 70-80% για τα τρυπανοσωμίδια, και Αστασία Λόνγκα(ελεύθερο ζωντανό μαστίγωμα) - 60% των συνολικών λιπαρών οξέων. Στα μαστιγωτά, τα φωσφολιπίδια και τα πολυακόρεστα λιπαρά οξέα έχουν την ίδια σύνθεση και δομή όπως στον άνθρωπο και στα ζώα. Στον κόσμο των μικροβίων, τα πολυακόρεστα λιπαρά οξέα δεν συντίθενται και τα πολυκύτταρα ζώα ή φυτά αντιπροσωπεύουν μια πιο περιορισμένη βάση πόρων από τα πρωτόζωα, οι καλλιέργειες των οποίων μπορούν να ληφθούν με βιοτεχνολογία, ανεξάρτητα από την εποχή ή τις κλιματικές συνθήκες.

Δεδομένου ότι ο μεταβολισμός των λιπιδίων των πρωτόζωων έχει σχετική αστάθεια, έχουν μελετηθεί οι τρόποι ρύθμισής του. Η εφαρμογή στα πρωτόζωα της γενικά αποδεκτής μεθόδου στη μικροβιολογία της αύξησης της βιοσύνθεσης λιπιδίων με μείωση της περιεκτικότητας της πηγής αζώτου στο μέσο και αύξηση της περιεκτικότητας της πηγής άνθρακα οδήγησε σε απότομη αναστολή ή διακοπή της ανάπτυξης των καλλιεργειών. Για τη δημιουργία συνθηκών για στοχευμένη βιοσύνθεση λιπιδίων, πρόδρομες ουσίες και διεγέρτες της βιοσύνθεσης λιπιδίων προστέθηκαν στα μέσα για την καλλιέργεια μαστιγωτών: νουκλεοτίδια μηλονικού, κιτρικού, ηλεκτρικού, κυτιδίνης σε συνδυασμό με ένα συγκεκριμένο καθεστώς αερισμού.

Μια άλλη ομάδα βιολογικά ενεργών ουσιών των πρωτόζωων είναι οι πολυσακχαρίτες. Η ποικιλία των πολυσακχαριτών που συντίθενται από τα πρωτόζωα είναι αρκετά μεγάλη. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το παράμυλον, που είναι χαρακτηριστικό των ευγληνοειδών μαστιγωτών. Εκπρόσωποι του γένους Η Αστασία και η Ευγκέναείναι ικανά για υπερσύνθεση παραμυλονίου, αποτελώντας πάνω από το 50% του ξηρού υπολείμματος των κυττάρων. Αυτός ο πολυσακχαρίτης μελετάται ως διεγερτικό του ανοσοποιητικού συστήματος των θηλαστικών. Το Paramylon, που απομονώθηκε από το A. longa, είναι πρακτικά μη τοξικό. Το έντονο ανοσοτροποποιητικό αποτέλεσμα και η χαμηλή τοξικότητα αυτού του φαρμάκου αποτελούν προϋπόθεση για τη σε βάθος μελέτη του σε συνδυασμό με άμεσα αντικαρκινικά φάρμακα, ακτινοθεραπεία και άλλα επικουρικά.

Επί του παρόντος, ο κόσμος αποδίδει μεγάλη σημασία στην παραγωγή γλυκανών όχι μόνο για ιατρικούς σκοπούς, αλλά και για τις βιομηχανίες τροφίμων και κλωστοϋφαντουργίας. Μέχρι στιγμής, γλυκάνες έχουν ληφθεί από καλλιέργειες βακτηρίων ή φυκιών. Οι ευγενίδες είναι μια από τις πιο υποσχόμενες πηγές αυτής της ουσίας. Οι δομικοί πολυσακχαρίτες που συνθέτουν τις κυτταρικές μεμβράνες των πρωτοζώων είναι ετεροπολυσακχαρίτες που περιέχουν γλυκόζη, μαννόζη, ξυλόζη, αραβινόζη, ριβόζη, γαλακτόζη, ραμνόζη, φρουκτόζη και γλυκοζαμίνη. Οι πιο χαρακτηριστικοί ετεροπολυσακχαρίτες είναι οι αραβινογαλακτάνες, οι D-γαλακτο-D-μαννάνη, οι φωσφανογλυκάνες και άλλοι.

Η βιομάζα των πρωτοζώων περιέχει έως και 50% πρωτεΐνη. Η υψηλή βιολογική του αξία έγκειται στο γεγονός ότι περιέχει όλα τα απαραίτητα αμινοξέα και η περιεκτικότητα σε ελεύθερα αμινοξέα είναι μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από ό,τι στη βιομάζα των μικροφυκών, των βακτηρίων και του κρέατος. Αυτό υποδεικνύει τις ευρείες δυνατότητες χρήσης πρωτοζώων ελεύθερης ζωής ως πηγή πρωτεΐνης τροφής.

6. Φύκια

Τα φύκια χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή πρωτεϊνών. Πολύ ελπιδοφόρες από αυτή την άποψη είναι οι καλλιέργειες μονοκύτταρων φυκών, ιδιαίτερα, ιδιαίτερα παραγωγικά στελέχη του γένους Chlorella και skendesmus. Η βιομάζα τους μετά από κατάλληλη επεξεργασία χρησιμοποιείται ως πρόσθετο στη διατροφή των ζώων, καθώς και για διατροφικούς σκοπούς.

Τα μονοκύτταρα φύκια καλλιεργούνται σε ήπιο θερμό κλίμα (Κεντρική Ασία, Κριμαία) σε ανοιχτές πισίνες με ειδικό θρεπτικό μέσο. Για παράδειγμα, κατά τη ζεστή περίοδο του έτους (6-8 μήνες) μπορείτε να πάρετε 50-60 τόνους βιομάζας χλωρέλλας ανά 1 εκτάριο, ενώ ένα από τα πιο παραγωγικά χόρτα, η μηδική, αποδίδει μόνο 15-20 τόνους καλλιέργειας από την ίδια περιοχή.

Η χλωρέλλα περιέχει περίπου 50% πρωτεΐνη, ενώ η μηδική μόνο 18%. Γενικά, σε 1 εκτάριο, η χλωρέλλα σχηματίζει 20-30 τόνους καθαρής πρωτεΐνης και η μηδική - 2-3,5 τόνους Επιπλέον, η χλωρέλλα περιέχει 40% υδατάνθρακες, 7-10% λιπαρά, βιταμίνες Α (20 φορές περισσότερες), Β2, Κ, ΡΡ και πολλά ιχνοστοιχεία. Μεταβάλλοντας τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου, είναι δυνατό να μετατοπιστούν οι διαδικασίες βιοσύνθεσης στα κύτταρα χλωρέλλας προς τη συσσώρευση είτε πρωτεϊνών είτε υδατανθράκων και επίσης να ενεργοποιηθεί ο σχηματισμός ορισμένων βιταμινών.

Τουλάχιστον 100 είδη μακρόφυτων φυκών τρώγονται στην Ευρώπη και την Αμερική και ιδιαίτερα στην Ανατολή. Πολλά διαφορετικά πιάτα παρασκευάζονται από αυτά, συμπεριλαμβανομένων διαιτητικά, σαλάτες, καρυκεύματα. Σερβίρονται με τη μορφή ζαχαρωμένων κομματιών, είδους γλυκών, χρησιμοποιούνται για την παρασκευή μαρμελάδας, ζελέ, πρόσθετα ζύμης και πολλά άλλα. Στο κατάστημα μπορείτε να αγοράσετε κονσερβοποιημένα φύκια - φύκια από τις θάλασσες της Άπω Ανατολής ή της Βόρειας. Κονσέρβεται με κρέας, ψάρι, λαχανικά, ρύζι, χρησιμοποιείται στην παρασκευή σούπας κ.λπ. Μαζί με το μικροφύκη χλωρέλα, είναι το πιο δημοφιλές βρώσιμο και κτηνοτροφικό φύκι.

Άλλα βρώσιμα μακρόφυτα φύκια είναι επίσης γνωστά - η ulva, από την οποία παρασκευάζονται διάφορες πράσινες σαλάτες, καθώς και αλάρια, πορφύρα, ροδιμένια, χόνδρους, ουντάρια κ.λπ. Στην Ιαπωνία, τα προϊόντα που λαμβάνονται από φύκια ονομάζονται "kombu", και για να κάντε τα νόστιμα μαγειρέματα, υπάρχουν περισσότεροι από δώδεκα τρόποι.

Σε πολλές χώρες, τα φύκια χρησιμοποιούνται ως πολύ χρήσιμο συμπλήρωμα βιταμινών για τη διατροφή των ζώων εκτροφής. Προστίθενται στο σανό ή δίνονται ως ανεξάρτητη τροφή για αγελάδες, άλογα, πρόβατα, κατσίκες, πουλερικά στη Γαλλία, τη Σκωτία, τη Σουηδία, τη Νορβηγία, την Ισλανδία, την Ιαπωνία, την Αμερική, τη Δανία και τον Βορρά μας. Τα ζώα τρέφονται επίσης με τη μορφή συμπληρωμάτων με τη βιομάζα των καλλιεργούμενων μικροφυκών (χλωρέλλα, σκεντέσμος, ντουναλιέλα κ.λπ.).

Υδρολύματα πρωτεϊνών πράσινων φυκών skendesmusχρησιμοποιείται στην ιατρική και τη βιομηχανία καλλυντικών. Πειράματα με πράσινα μονοκύτταρα φύκια πραγματοποιούνται σε πιλοτικά εργοστάσια στο Ισραήλ Dunaliella Bardaw il, που συνθέτει γλυκερίνη. Αυτό το φύκι ανήκει στην κατηγορία των ισομαστιγωτών και είναι παρόμοιο με τη χλαμυδομόνα. Dunadiellaμπορεί να αναπτυχθεί και να αναπαραχθεί σε ένα περιβάλλον με μεγάλη περιεκτικότητα σε αλάτι: τόσο στο νερό των ωκεανών όσο και στα σχεδόν κορεσμένα διαλύματα αλατιού της Νεκράς Θάλασσας. Συσσωρεύει ελεύθερη γλυκερίνη για να εξουδετερώσει τις αρνητικές επιπτώσεις των υψηλών συγκεντρώσεων αλατιού στο περιβάλλον όπου αναπτύσσεται. Κάτω από βέλτιστες συνθήκες και υψηλή περιεκτικότητα σε αλάτι, η γλυκερίνη αντιπροσωπεύει έως και το 85% της ξηρής μάζας των κυττάρων. Αυτά τα φύκια χρειάζονται θαλασσινό νερό, διοξείδιο του άνθρακα και ηλιακό φως για να αναπτυχθούν. Μετά την επεξεργασία, αυτά τα φύκια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ζωοτροφή, καθώς δεν έχουν το δύσπεπτο κυτταρικό τοίχωμα που βρίσκεται σε άλλα φύκια. Περιέχουν επίσης σημαντικές ποσότητες β-καροτίνης. Έτσι, με την καλλιέργεια αυτού του φυκιού, είναι δυνατό να ληφθεί γλυκερίνη, χρωστική ουσία και πρωτεΐνη, κάτι που είναι πολλά υποσχόμενο από οικονομική άποψη.

Μαζί με τις ζωοτροφές, τα φύκια χρησιμοποιούνται από καιρό στη γεωργία ως λιπάσματα. Η βιομάζα εμπλουτίζει το έδαφος με φώσφορο, κάλιο, ιώδιο και σημαντική ποσότητα μικροστοιχείων, και επίσης αναπληρώνει τη βακτηριακή του μικροχλωρίδα, συμπεριλαμβανομένης της αζωτοδέσμευσης. Ταυτόχρονα, τα φύκια αποσυντίθενται στο έδαφος πιο γρήγορα από τα λιπάσματα κοπριάς και μην το φράζουν με σπόρους ζιζανίων, προνύμφες επιβλαβών εντόμων και σπόρια φυτοπαθογόνων μυκήτων.

Ένα από τα πιο πολύτιμα προϊόντα που λαμβάνονται από τα κόκκινα φύκια είναι το άγαρ, ένας πολυσακχαρίτης που υπάρχει στα κελύφη τους και αποτελείται από αγαρόζη και αγαροπηκτίνη. Η ποσότητά του φτάνει το 30-40% του βάρους των φυκιών (φύκια Laurentia και Gracilaria, Gelidium). Τα φύκια είναι η μόνη πηγή άγαρ, αγαροειδή, καραγενίνη, αλγινικά.

Τα καφέ φύκια είναι η μόνη πηγή λήψης μιας από τις πιο πολύτιμες ουσίες των φυκών - άλατα αλγινικού οξέος, αλγινικά. Το αλγινικό οξύ είναι ένας γραμμικός ετεροπολυσακχαρίτης κατασκευασμένος από συνδεδεμένα υπολείμματα (3-D-μαννουρονικό και α-L-υαλουρονικό οξύ).

Τα αλγινικά άλατα χρησιμοποιούνται στην εθνική οικονομία. Πρόκειται για την παραγωγή υψηλής ποιότητας λιπαντικών για τρίψιμο εξαρτημάτων μηχανών, ιατρικές και αρωματικές αλοιφές και κρέμες, συνθετικές ίνες και πλαστικά, επιστρώσεις χρωμάτων και βερνικιών ανθεκτικών σε κάθε καιρό, υφάσματα που δεν ξεθωριάζουν με την πάροδο του χρόνου, παραγωγή μεταξιού, κόλλες εξαιρετικά ισχυρή δράση, οικοδομικά υλικά, προϊόντα διατροφής εξαιρετικής ποιότητας – χυμοί φρούτων, κονσέρβες, παγωτό, σταθεροποιητές διαλύματος, μπρικετοποίηση καυσίμου, χυτήριο και πολλά άλλα. Το αλγινικό νάτριο μπορεί να απορροφήσει έως και 300 μονάδες βάρους νερού, ενώ σχηματίζει παχύρρευστα διαλύματα.

Τα καφέ φύκια είναι επίσης πλούσια σε μια πολύ χρήσιμη ένωση - την εξαϋδρική αλκοόλη μαννιτόλη, η οποία χρησιμοποιείται στη βιομηχανία τροφίμων, φαρμακευτικά προϊόντα, στην παραγωγή χαρτιού, χρωμάτων, εκρηκτικών κ.λπ. Τα καφέ φύκια σχεδιάζονται να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή βιοαερίου στο εγγύς μέλλον. Οι καλλιέργειες κάλων μακρόφυτων φυκών μπορούν περαιτέρω να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες κατευθύνσεις. Σε περίπτωση που λαμβάνονται από αγαρόφυτα, το άγαρ μπορεί να ληφθεί απευθείας από αυτά. Καλλιέργειες κάλων μακρόφυτων φυκών τροφίμων, όπως φύκια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για τη λήψη πρωτεΐνης που χρησιμοποιείται άμεσα σε τρόφιμα και πρόσθετα τροφίμων, καθώς και σε ζωοτροφές για ζώα φάρμας.

7. Φυτά

Τα ανώτερα φυτά (περίπου 300.000 είδη) είναι διαφοροποιημένοι πολυκύτταροι, κυρίως επίγειοι οργανισμοί. Στη διαδικασία της διαφοροποίησης και της εξειδίκευσης, τα φυτικά κύτταρα ομαδοποιήθηκαν σε ιστούς (απλά - από κύτταρα του ίδιου τύπου και σύνθετα - από διαφορετικούς τύπους κυττάρων). Οι ιστοί, ανάλογα με τη λειτουργία, διακρίνονται σε εκπαιδευτικούς, ή μεριστικούς (από το ελληνικό meristo - διαιρετέος), περιφραγμένους, αγώγιμους, μηχανικούς, βασικούς, εκκριτικούς (απεκκριτικούς). Από όλους τους ιστούς, μόνο οι μεριστωματικοί είναι ικανοί να διαιρεθούν και όλοι οι άλλοι ιστοί σχηματίζονται σε βάρος τους. Αυτό είναι σημαντικό να το αποκτήσετε κύτταρα, τα οποία στη συνέχεια πρέπει να συμπεριληφθούν στη βιοτεχνολογική διαδικασία.

Τα μεριστεμικά κύτταρα που παραμένουν στο εμβρυϊκό στάδιο ανάπτυξης καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής του φυτού ονομάζονται αρχικά, άλλα σταδιακά διαφοροποιούνται και μετατρέπονται σε κύτταρα διαφόρων μόνιμων ιστών - τελικών κυττάρων. Οποιοδήποτε είδος φυτού μπορεί να παράγει, υπό κατάλληλες συνθήκες, μια ανοργάνωτη μάζα διαιρούμενων κυττάρων - κάλος(από το λατινικό callus - καλαμπόκι), ιδιαίτερα με την επαγωγική δράση των φυτικών ορμονών. Η μαζική παραγωγή κάλων με περαιτέρω αναγέννηση βλαστών είναι κατάλληλη για φυτική παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Γενικά, ο κάλος είναι ο κύριος τύπος φυτικών κυττάρων που καλλιεργούνται σε θρεπτικό μέσο. Ο ιστός του τύλου από οποιοδήποτε φυτό μπορεί να ανακαλλιεργηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ταυτόχρονα, τα αρχικά φυτά (συμπεριλαμβανομένων των μεριστωματικών) αποδιαφοροποιούνται και εξειδικεύονται, αλλά ωθούνται να διαιρεθούν, σχηματίζοντας τον πρωτογενή κάλο.

Εκτός από την ανάπτυξη κάλλων, είναι δυνατή η καλλιέργεια κυττάρων ορισμένων φυτών σε καλλιέργειες εναιωρήματος.

Οι πρωτοπλάστες των φυτικών κυττάρων φαίνεται επίσης να είναι σημαντικά βιολογικά αντικείμενα. Οι μέθοδοι παρασκευής τους είναι ουσιαστικά παρόμοιες με τις μεθόδους λήψης βακτηριακών και μυκητιακών πρωτοπλάστων.

Εκτός από την καλλιέργεια φυτικών κυττάρων, χρησιμοποιείται η υδρόβια φτέρη Azolla. Εκτιμάται ως οργανικό αζωτούχο λίπασμα, καθώς αναπτύσσεται σε στενή συμβίωση με το γαλαζοπράσινο φύκι anabaena. Αυτό επιτρέπει στον συμβιωτικό οργανισμό anaben-azolla να συσσωρεύει πολύ άζωτο στη βλαστική μάζα. Το Anabenu Azolla καλλιεργείται σε ορυζώνες πριν από τη σπορά του ρυζιού, γεγονός που μειώνει την ποσότητα των ορυκτών λιπασμάτων που εφαρμόζονται.

Εκπρόσωποι της οικογένειας των παπιών (Lemnaceae)- τα μικρότερα και απλούστερα σε δομή ανθοφόρα φυτά, το μέγεθος των οποίων σπάνια ξεπερνά το 1 εκ. Τα Duckweeds είναι υδρόβια πλωτά φυτά που ζουν ελεύθερα. Το βλαστικό σώμα μοιάζει με φύλλο ή θάλλο κατώτερων φυτών, επομένως, μέχρι τις αρχές του 18ου αιώνα, η πάπια ταξινομήθηκε ως φυτό θάλλου.

πάπια ( Lemna minor, L. trisulca, Wolfia, Spirodela polyrhiza) χρησιμεύουν ως τροφή για ζώα, πάπιες και άλλα υδρόβια πτηνά, ψάρια και μοσχοβολιστές. Χρησιμοποιούνται τόσο φρέσκα όσο και ξηρά ως πολύτιμη τροφή πρωτεΐνης για χοίρους και πουλερικά. Το Duckweed περιέχει πολλή πρωτεΐνη (έως και 45% του ξηρού βάρους). 45% υδατάνθρακες, 5% λιπαρά και το υπόλοιπο είναι φυτικές ίνες κ.λπ. Είναι ιδιαίτερα παραγωγικά, ανεπιτήδευτα στην καλλιέργεια, καθαρίζουν καλά το νερό και το εμπλουτίζουν με οξυγόνο. Αυτό καθιστά τα ζιζάνια ένα πολύτιμο αντικείμενο για μορφογενετικές, φυσιολογικές και βιοχημικές μελέτες.

8. Ζώα

Τα ίδια τα ζώα και οι καλλιέργειες ζωικών κυττάρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αντικείμενα βιοτεχνολογίας.

Παρά όλες τις διαφορές μεταξύ των τύπων των ευκαρυωτών, οι μεθοδολογικές προσεγγίσεις για την καλλιέργεια κυττάρων εντόμων, φυτών και θηλαστικών έχουν πολλά κοινά. Αρχικά, ένα μικρό κομμάτι του ιστού ενός δεδομένου οργανισμού λαμβάνεται και υποβάλλεται σε επεξεργασία με πρωτεολυτικά ένζυμα που διασπούν τις πρωτεΐνες του μεσοκυττάριου υλικού (όταν εργάζονται με φυτικά κύτταρα, προστίθενται ειδικά ένζυμα που καταστρέφουν το κυτταρικό τοίχωμα). Τα απελευθερωμένα κύτταρα τοποθετούνται σε ένα σύνθετο θρεπτικό μέσο που περιέχει αμινοξέα, αντιβιοτικά, βιταμίνες, άλατα, γλυκόζη και αυξητικούς παράγοντες. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, τα κύτταρα διαιρούνται μέχρι να σχηματιστεί μια κυτταρική μονοστιβάδα στα τοιχώματα του δοχείου καλλιέργειας. Εάν μετά από αυτό τα κύτταρα δεν μεταφερθούν σε δοχεία με φρέσκο ​​θρεπτικό μέσο, ​​τότε η ανάπτυξη θα σταματήσει. Συνήθως είναι δυνατή η μεταφορά (μεταμόσχευση, υποκαλλιέργεια) και η διατήρηση έως και 50-100 γενεών κυττάρων της αρχικής (πρωτογενούς) κυτταρικής καλλιέργειας, τότε τα κύτταρα αρχίζουν να χάνουν την ικανότητα να διαιρούνται και να πεθαίνουν. Τα καλλιεργημένα κύτταρα διατηρούν ορισμένες από τις ιδιότητες του αρχικού κυτταρικού υλικού, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη των βιοχημικών ιδιοτήτων διαφόρων ιστών.

Συχνά, ορισμένα από τα κύτταρα σε μεταμοσχευμένες πρωτογενείς κυτταροκαλλιέργειες υφίστανται γενετικές αλλαγές που επιταχύνουν την ανάπτυξή τους. Οι κυτταρικές καλλιέργειες που αποκτούν επιλεκτικά πλεονεκτήματα με αυτόν τον τρόπο είναι ικανές για απεριόριστη ανάπτυξη in vitro και ονομάζονται ανθεκτικές κυτταρικές σειρές. Ορισμένες κυτταρικές σειρές διατηρούν τις βασικές βιοχημικές ιδιότητες των αρχικών κυττάρων, ενώ άλλες όχι. Τα περισσότερα κύτταρα που είναι ικανά για απεριόριστη ανάπτυξη έχουν σημαντικές χρωμοσωμικές αλλαγές, συγκεκριμένα, υπάρχει αύξηση στον αριθμό ορισμένων χρωμοσωμάτων και απώλεια άλλων. Στη μοριακή βιοτεχνολογία, ανθεκτικές ζωικές κυτταρικές σειρές χρησιμοποιούνται για τον πολλαπλασιασμό ιών και για τον εντοπισμό πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από κλωνοποιημένες αλληλουχίες DNA. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται για μεγάλης κλίμακας παραγωγή εμβολίων και ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών.

9. Απαιτήσεις για βιολογικά αντικείμενα

Για την εφαρμογή βιοτεχνολογικών διεργασιών, σημαντικές παράμετροι των βιολογικών αντικειμένων είναι: η καθαρότητα, ο ρυθμός αναπαραγωγής και αναπαραγωγής των ιικών σωματιδίων, η δραστηριότητα και η σταθερότητα των βιομορίων ή των βιοσυστημάτων.

Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι κατά τη δημιουργία ευνοϊκών συνθηκών για ένα επιλεγμένο βιολογικό αντικείμενο βιοτεχνολογίας, οι ίδιες συνθήκες μπορεί να αποδειχθούν ευνοϊκές, για παράδειγμα, για μικρόβια - ρύπους ή ρύπους. Εκπρόσωποι της μολυσματικής μικροχλωρίδας είναι ιοί, βακτήρια και μύκητες που βρίσκονται σε καλλιέργειες φυτικών ή ζωικών κυττάρων. Σε αυτές τις περιπτώσεις, τα μικρόβια-μολυσματικοί παράγοντες λειτουργούν ως παράσιτα της παραγωγής στη βιοτεχνολογία. Όταν χρησιμοποιούνται ένζυμα ως βιοκαταλύτες, καθίσταται απαραίτητη η προστασία τους σε απομονωμένη ή ακινητοποιημένη κατάσταση από καταστροφή από κοινόχρηστη σαπροφυτική (όχι παθογόνο) μικροχλωρίδα, η οποία μπορεί να διεισδύσει στη βιοτεχνολογική διαδικασία από το εξωτερικό λόγω της μη στειρότητας του συστήματος.

Η δραστηριότητα και η σταθερότητα στην ενεργό κατάσταση των βιολογικών αντικειμένων είναι ένας από τους σημαντικότερους δείκτες της καταλληλότητάς τους για μακροχρόνια χρήση στη βιοτεχνολογία.

Έτσι, ανεξάρτητα από τη συστηματική θέση του βιολογικού αντικειμένου, στην πράξη χρησιμοποιούνται είτε φυσικά οργανωμένα σωματίδια (φάγοι, ιοί) και κύτταρα με φυσικές γενετικές πληροφορίες, είτε κύτταρα με τεχνητά δεδομένες γενετικές πληροφορίες, δηλαδή σε κάθε περίπτωση χρησιμοποιούνται κύτταρα. , είτε πρόκειται για μικροοργανισμό, φυτό, ζώο ή άτομο. Για παράδειγμα, μπορούμε να ονομάσουμε τη διαδικασία λήψης του ιού της πολιομυελίτιδας σε καλλιέργεια νεφρικών κυττάρων πιθήκου προκειμένου να δημιουργηθεί ένα εμβόλιο κατά αυτής της επικίνδυνης ασθένειας. Αν και εδώ μας ενδιαφέρει η συσσώρευση του ιού, η αναπαραγωγή του γίνεται στα κύτταρα του ζωικού οργανισμού. Ένα άλλο παράδειγμα είναι με ένζυμα που χρησιμοποιούνται σε ακινητοποιημένη κατάσταση. Η πηγή των ενζύμων είναι επίσης απομονωμένα κύτταρα ή οι εξειδικευμένες ενώσεις τους με τη μορφή ιστών, από τους οποίους απομονώνονται οι απαραίτητοι βιοκαταλύτες.



Στη φύση, υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός μικροοργανισμών που είναι σε θέση να συνθέσουν προϊόντα ή να πραγματοποιήσουν αντιδράσεις που μπορεί να είναι χρήσιμες για τη βιοτεχνολογία. Ωστόσο, δεν έχουν βρει πρακτική εφαρμογή περισσότεροι από 100 τύποι μικροοργανισμών (βακτήρια, μύκητες, ζυμομύκητες, ιοί, φύκια).

Η μαγιά χρησιμοποιείται ευρέως στην αρτοποιία, τη ζυθοποιία, την οινοποίηση, την παραγωγή χυμών, πρωτεϊνών ζωοτροφών, θρεπτικών μέσων για την ανάπτυξη βακτηρίων και καλλιέργειες ζωικών κυττάρων. Από τα 500 γνωστά είδη ζύμης, χρησιμοποιούνται μόνο λίγα είδη - Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces carlsbergencis, Saccharomyces uwarum.

Αναμεταξύ βακτήριαεκπρόσωποι των ακόλουθων γενών χρησιμοποιούνται συχνότερα στη βιοτεχνολογία: Acetobacter, που μετατρέπει την αιθανόλη σε οξικό οξύ και οξικό οξύσε διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Bacillus - για τη λήψη ενζύμων (B. subtilis), φυτοπροστατευτικών προϊόντων (B. thuringiensis). Clostridium - για τη ζύμωση σακχάρων σε ακετόνη, αιθανόλη, βουτανόλη. Pseudomonas - για παράδειγμα, P. Denitrificans - για τη λήψη βιταμίνης Β 12, Corynebacterium glutamatum - για λήψη αμινοξέων κ.λπ.

Για την απόκτηση ποικιλίας αντιβιοτικών στη βιοτεχνολογία χρησιμοποιούνται ακτινομύκητες (το γένος Streptomyces), μύκητες του γένους Penicillium κ.λπ.

Πολλοί μικροοργανισμοί - βακτήρια, ζυμομύκητες, ιοί - χρησιμοποιούνται ως αποδέκτες ξένου γενετικού υλικούπροκειμένου να ληφθούν ανασυνδυασμένα στελέχη-παραγωγοί βιοτεχνολογικών προϊόντων. Έχουν ληφθεί ανασυνδυασμένα στελέχη Ε. coli που παράγουν ιντερφερόνες, ινσουλίνη, αυξητική ορμόνη και αντιγόνα του ιού του AIDS. στελέχη B. subtilis που παράγουν ιντερφερόνη. στελέχη ζύμης που παράγουν ιντερλευκίνη-2, αντιγόνο ιού ηπατίτιδας Β. ανασυνδυασμένοι ιοί δαμαλίτιδας που συνθέτουν αντιγόνα της ηπατίτιδας Β, του ιού της λύσσας, της εγκεφαλίτιδας που μεταδίδεται από κρότωνες κ.λπ.

Για τη λήψη εμβολίων και διαγνωστικών σκευασμάτων χρησιμοποιούνται επίσης παθογόνοι μικροοργανισμοί (τύφος, κοκκύτης, διφθερίτιδα, τέτανος κ.λπ.).

χρησιμοποιείται ευρέως στη βιοτεχνολογία καλλιέργειες ζωικών και φυτικών κυττάρων. Είναι γνωστό ότι η δομή, η φυσιολογία και η βιοτεχνολογία των ζωικών και φυτικών κυττάρων είναι πιο περίπλοκες από αυτές των βακτηριακών κυττάρων. Από καλλιέργειες ζωικών και φυτικών κυττάρων, μπορεί να εξαχθεί ένα ευρύτερο φάσμα σύνθετων προϊόντων αλυσιδωτής αντίδρασης, αλλά η διαδικασία καλλιέργειας φυτικά και ζωικά κύτταραπιο επίπονη και δαπανηρή. Οι καλλιέργειες φυτικών ιστών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη λήψη ποικίλων ενώσεων που χρησιμοποιούνται στην ιατρική (αλκαλοειδή, αντιφλεγμονώδεις ουσίες, αντιλευχαιμικά και αντικαρκινικά, αντιβακτηριακά, καρδιακά και νεφρικά μέσα, ένζυμα, βιταμίνες, οπιούχα κ.λπ.), τη γεωργία, τη χημική και άλλες βιομηχανίες . Κύτταρα ζώωνχρησιμοποιούνται τόσο για την παραγωγή προϊόντων όσο και για την ανάπτυξη ιών στα κύτταρα προκειμένου να ληφθούν εμβόλια και διαγνωστικά σκευάσματα από αυτά.

Έτσι, στη σύγχρονη βιοτεχνολογική παραγωγή, χρησιμοποιείται ένα πολύ ευρύ φάσμα βιολογικών αντικειμένων, η ταξινόμηση των οποίων είναι πολύ περίπλοκη και μπορεί να γίνει πιο ορθολογικά με βάση αρχή της αναλογικότητάς τους.Ο πίνακας δείχνει βιολογικά αντικείμενα συνδυασμένα σε 5 ομάδες και η αναλογικότητα στις τέσσερις πρώτες έχει πολλαπλότητα τριών τάξεων και μόνο στην πέμπτη ομάδα συλλέγονται βιολογικά αντικείμενα που διαφέρουν σε μέγεθος από την προηγούμενη (τέταρτη) ομάδα μόνο κατά μία τάξη.

Βιοαντικείμενα που χρησιμοποιούνται σε βιοτεχνολογικές μεθόδους για την παραγωγή φαρμακευτικών (διαγνωστικών, θεραπευτικών και προφυλακτικών) παραγόντων:

Απαιτήσεις για βιολογικά αντικείμενα για την εφαρμογή βιοτεχνολογικών διεργασιών: καθαρότητα, υψηλός ρυθμός κυτταρικής αναπαραγωγής και αναπαραγωγής ιικών σωματιδίων, δραστηριότητα και σταθερότητα βιομορίων ή βιοσυστημάτων.

Βασικοί όροι και έννοιες της βιοτεχνολογίας:

Νουκλεϊκά οξέα -σύνθετες οργανικές ενώσεις υψηλού μοριακού χαρακτήρα, που αποτελούνται από μια σειρά συστατικών μιας απλούστερης δομής, που ονομάζονται νουκλεοτίδια.

Νουκλεοτίδιο -είναι ένα σύμπλοκο που περιλαμβάνει μία από τις αζωτούχες βάσεις, έναν υδατάνθρακα (ριβόζη ή δεοξυριβόζη) και ένα υπόλειμμα φωσφορικού οξέος.

DNA (δεοξυριβονουκλεϊκά οξέα) -νουκλεϊκά οξέα που περιέχουν δεοξυριβόζη ως συστατικό υδατάνθρακα και αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη, θυμίνη ως αζωτούχες βάσεις. Το DNA υπάρχει στα κύτταρα οποιουδήποτε οργανισμού, είναι μέρος πολλών ιών. Η πρωταρχική δομή του μορίου του DNA είναι αυστηρά ατομική και συγκεκριμένη· είναι μια κωδική μορφή για την καταγραφή βιολογικών πληροφοριών, δηλ. γενετικός κώδικας.

RNA (ριβονουκλεϊκά οξέα) -νουκλεϊκά οξέα που περιέχουν ριβόζη ως συστατικό υδατάνθρακα και αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη, ουρακίλη ως αζωτούχες βάσεις. Το RNA υπάρχει στα κύτταρα οποιουδήποτε ζωντανού οργανισμού, είναι μέρος πολλών ιών. συμμετέχουν στην υλοποίηση της γενετικής πληροφορίας.

Γονίδιο -κληρονομικός παράγοντας, λειτουργικά αδιαίρετες πληροφορίες γενετικού υλικού. ένα τμήμα ενός μορίου DNA που κωδικοποιεί την πρωτογενή δομή ενός πολυπεπτιδίου, μόρια μεταφοράς και ριβοσωμικού RNA ή αλληλεπιδρά με μια ρυθμιστική πρωτεΐνη.

Γονότυπος -το σύνολο των γονιδίων ενός δεδομένου κυττάρου ή οργανισμού.

Γονιδίωμα -ένα σύνολο γονιδίων χαρακτηριστικών του απλοειδούς συνόλου χρωμοσωμάτων ενός δεδομένου τύπου οργανισμού. κύριο απλοειδές σύνολο χρωμοσωμάτων.

Διάνυσμα -οποιοδήποτε πλασμίδιο ή φάγος στον οποίο μπορεί να εισαχθεί ένα ξένο μόριο DNA με σκοπό την κλωνοποίηση.

πλασμίδιο -κυκλικό εξωχρωμοσωμικό DNA ικανό για αυτόνομη αντιγραφή.

Αντιγραφή -αυτοδιπλασιασμός ενός μορίου DNA σχηματίζοντας το αντίγραφό του χρησιμοποιώντας ένα σύνολο ενζύμων (ϋΝΑ πολυμεράσες, λιγάσες, κ.λπ.).

Υβριδισμός -η διαδικασία σχηματισμού ή παραγωγής υβριδίων, η οποία βασίζεται στον συνδυασμό του γενετικού υλικού διαφορετικών κυττάρων σε ένα κύτταρο.

Κλώνος -ένα σύνολο κυττάρων ή ατόμων που προέρχονται από έναν κοινό πρόγονο μέσω της ασεξουαλικής αναπαραγωγής.

Στέλεχος -μια καθαρή καλλιέργεια ενός μικροοργανισμού που απομονώνεται από μια συγκεκριμένη πηγή ή προκύπτει από μεταλλάξεις.

Ευκαρυωτες -οργανισμοί που αποτελούνται από κύτταρα, τα οποία περιέχουν απαραίτητα ένα ειδικό οργανίδιο - τον πυρήνα.