Биотехнологических систем. Направления развития биотехнологии

Сельскохозяйственная биотехнология в современной трактовке – это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) животных, растений и микроорганизмов в целях расширения их разнообразия, интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

В традиционном, классическом стиле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природных и селекционных) животных, растений и микроорганизмов, в естественных и искусственных условиях.

Клеточная инженерия, основанная на уникальном свойстве клеток – их тотипотентности, т. е. способности к регенерации целого организма, а также продуцированию ими важнейших соединений вторичного синтеза, обеспечила ускоренное получение новых ценных форм и линий сельскохозяйственных растений, размножение ценных генотипов, получение биологически активных препаратов пищевого, кормового и медицинского назначения.

Основная форма существования жизни – клетка, в которой протекают все физиологические процессы, как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Рост и размножение организмов связаны с образованием новых клеток. Совокупность биохимических процессов, обеспечивающих рост и развитие клетки, называется обменом веществ, или метаболизмом. Каждая клетка на определённой стадии делится и даёт начало двум дочерним клеткам. Клетки разнообразны по форме, величине, степени дифференциации и функциям.

Биотехнологические процессы основываются на функционировании либо клеток, либо изолированных из них биологических структур, чаще всего ферментов. Даже если процесс ферментации осуществляют биологические агенты, полученные методами генной и клеточной инженерии, важно знать общие закономерности жизнедеятельности клетки, чтобы управлять их ростом и метаболизмом и получать целевой продукт с максимальным выходом и при высокой интенсивности процесса ферментации. Поэтому биотехнология и начинается с изучения живой клетки и законов управления процессами её жизнедеятельности.

Эволюция жизни на нашей планете привела к возникновению чрезвычайно большого разнообразия живых существ. Основные компоненты всякой клетки – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибонуклеиновая кислота (РНК), белки, липиды, фосфолипиды, углеводы и др. Однако имеются заметные различия между клетками бактерий и цианобактерий, с одной стороны, и животными и растительными клетками – с другой.

Бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли), не имеющие окружённого мембраной ядра и других окружённых мембраной внутриклеточных органелл, называют прокариотами. Клетки животных, растений, водорослей, грибов и простейших имеют истинное ядро, в котором находится ДНК в виде хромосом, и другие органеллы, например митохондрии и хлоропласты (у растений). Такие организмы, в том числе и одноклеточные с подобной организацией клеток, называют эукариотами.

Условно к живым существам можно отнести вирусы, которые не способны размножаться самостоятельно и их репродукция может происходить только внутри живых клеток.

Первичным источником энергии для биологических процессов является солнце. Каждую секунду оно излучает такое количество энергии, которое эквивалентно примерно 4 млн. т массы. Часть солнечной энергии доходит до Земли в виде фотонов света (квантов) – дискретной электромагнитной энергии, из которой только 0, 1-1, 0% используется фотосинтезирующими организмами. Но даже из этого количества усвоенной энергии в течение года в процессе фотосинтеза образуется 164 млрд. т органической массы.

Фотосинтезирующие организмы, используя солнечную энергию, отщепляют от молекулы воды водород и выделяют кислород. В процессе фотосинтеза из диоксида углерода и воды с использованием солнечной энергии образуются органические вещества, в первую очередь глюкоза.

Как известно, микроорганизмы, которые способны сами синтезировать органические вещества в процессе хемо - или фотосинтеза, называют автотрофными, а микроорганизмы, для существования которых необходимы уже готовые органические вещества – гетеротрофными. В круговороте углерода в природе принимают участие, как авто-, так и гетеротрофные организмы, причём существует определённое равновесие между фиксирующими СО₂ фотосинтезирующими микроорганизмами (главным образом растениями) и микроорганизмами, разрушающими органические соединения.

К наиболее распространённым в природе и широко используемым в микробиологической промышленности группам относятся микроскопические грибы (дрожжи и плесени), актиномицеты (образуют подобие мицелия), также бактерии. Размеры их клеток обычно 0, 5-10 мкм, они хорошо видны в световом микроскопе. Размер вирусов колеблется от 10 до 100 нм. В клетке бактерий паразитируют бактериофаги, или вирусы бактерий. Они не видны в обычном световом микроскопе.

Строение клетки и функции её структур.

В целом строение клеток животных, растений и микроорганизмов имеет много общего, однако имеются и отличия (табл. 1.1; рис. 1.1).

Преградой между содержимым клетки и окружающей средой, и вместе с тем постоянно открытой, является мембрана (рис. 1.1; 7). принадлежит функция – взять из окружающей среды то, что нужно, и вывести ненужное.

Таблица 1.1. Органоиды клетки и их характеристика

Рис. 1.1. Строение эукариотической клетки:

1- лизосома, 2 – жировая капля, 3 – центриоль, 5- ядерные поры, 6 - ядрышко, 7 – плазматическая мембрана (как у прокариот), 8 – конденсированный хроматин, 9 – цитоплазма, 10 – ядро, 11 – шероховатый эндоплазматический ретикулум, 12 – рибосомы, 13 – митохондрии, 14 – кристы, 15 –окаймлённый пузырёк, 16 – гладкий эндоплазматический ретикулум, 17 – пиноцитозный пузырёк, 19 - комплекс Гольджи, 20 – вакуоль, 22 – хлоропласт, 23 – ДНК, 24 - клеточная стенка (слой целлюлозы), 25 - плазмодесма

Клеточная мембрана представляет собой двухслойное образование из молекул жирового вещества – липидов. Концами, которые легко отталкивают воду, эти молекулы притянуты друг к другу, а концы, которые хорошо смачиваются, торчат наружу и вовнутрь клетки.

Все живые существа делятся на теплокровных и холодокровных. У первых, к которым принадлежат высшие животные, температура тела относительно стабильна и почти не зависит от температуры окружающей среды. У холоднокровных температура такая же, как и окружающей среды. К её снижению каждый приспосабливается по разному. Например, у змей, черепах, бактерий с наступлением зимы во внутренней жидкости организма появляются морозостойкие примеси. Растения впадают в состояние покоя.

Кроме внешней мембраны, в клетке есть ещё довольно сложная система внутренних мембран, которые имеют форму пузырьков и трубочек, связанных между собой. Такую систему назвали эндоплазматической сетью (рис.1.1; 11). В любой клетке имеется скопление (поток) мембранного материала, которым обмениваются между собой разные компоненты эндоплазматической сети и внешней мембраны. На части внутренних мембран расположены крохотные тельца – рибосомы (рис. 1.1; 12). Это «цеха» где образуется белок.

У растений над поверхностной мембраной есть ещё и стенка из целлюлозы, которая образует каркас клетки (рис. 1.1; 24). У животных внешняя плазматическая мембрана окружена ещё и «чехлом» из высокомолекулярных углеводов. В зависимости от функции клетки в ней появляются выпячивания в виде отростков; некоторые клетки из – за этого кажутся сморщенными. В зависимости от сложности организма, которому они принадлежат, таких отростков может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч, и все они имеют функциональное значение.

Клетки разной формы выполняют разные функции: как же они действуют как единое целое, да ещё и мгновенно? Общность достигается одинаковым строением участков мембраны, на которой выступают «щупы» из белка и сахаров – клеточные рецепторы. Их в биотехнологии называют «антигенами тканевой совместимости» или ещё «белками совместимости». Через них осуществляется взаимодействие с себе подобными и отторжение чужеродных белков – в первом случае и, во втором - это рабочий инструмент, принимающий сигналы, идущие из центра головного и спинного мозга, а также из внешней среды. Клетка, на которой сигнал обрывается, в здоровом организме подлежит уничтожению. Губительность раковой клетки, если организм не смог с ней справиться, в том, что её рецепторы отказываются работать в гармонии с себе подобными. Таким образом, белки и сахара, обеспечивающие индивидуальность клетки, являются в то же время гарантом её безопасности.

В середине клетки сохраняется низкая концентрация ионов натрия и высокая – калия; через их перемещение в животных клетках действует натриево – калиевый насос, транспортирующий нужные вещества. По мнению учёных, этот процесс осуществляет белок, существующий в двух альтернативных формах: одна имеет открытую в середине клетки полость, куда входит Na⁺, другая – открытую наружу полость для К⁺; у растений и грибов действует протонный насос, где вместо иона натрия - ион водорода. О важности этого процесса свидетельствует то, что на него тратится треть энергии, выделяющейся во время дыхания. Вообще для улавливания нужных клетке веществ существует очень сложная система ионных каналов и их регуляции. Могут попадать и большие молекулы, но для этого есть специальный способ. Такая молекула окружается мембраной и, приобретая вид пузырька, «проскальзывает» в клетку.

Если мысленно обозначить одну из молекул белка, которая с пищей попала в наш организм, и проследить что с ней происходит, то можно придти к следующему заключению. Поскольку это «чужой» белок, то его нужно расщепить на составные части – аминокислоты, чтобы потом их использовать для строительства собственного белка. Во время синтеза молекулы была затрачена энергия, часть которой «законсервировалась» в связях между атомами и их группами. Эту энергию надлежит изъять, разорвав связи. В лабораторных условиях для этого нужны высокая температура и давление, а в клетках практически все преобразования происходят в «мягких» условиях, то есть без высокого давления и повышенной температуры, но зато с участием особых веществ – ферментов. Они расщепляют белок на составные белковые молекулы, нуклеиновые кислоты и полисахара.

Ферменты – тоже белки, где есть участки, ускоряющие реакцию, и те, которые регулируют её функцию. Таким образом, они изменили свою пространственную функцию, скоординировали процесс – и снова восстановились: поскольку ферменты постоянно «поддерживают огонь жизни» но никогда не сгорают. Эти белки не плавают свободно в пространстве клеточных отсеков, а встроены в структуру мембран: и тех, что снаружи, и тех, что внутри. Но есть место, где они сконцентрированы в таких количествах, что могли бы и клетку переварить, если бы имели выход наружу. Эти клеточные структуры – лизосомы (рис. 1.1; 1) – являются, так называемыми в биотехнологии «плавительными котлами» клетки.

Ферменты, а их большое разнообразие, спрятаны в клетке под мембранами и наружу выходят при таких обстоятельствах, например, когда молекула, за которой мы следим под микроскопом, прикрепилась к мембране. От неё отделился участок – образовался пищеварительный мешочек; лизосома на миг слилась с белком – и связи между группами его атомов разорваны. Энергия высвобождена, а вдобавок имеем ещё и набор строительного материала – аминокислот.

Дальше энергию надлежит превратить в такую форму, чтобы её можно было потреблять. Для этого в клетке существуют:

- хлоропласты у растений (рис.1.1; 22);

- митохондрии – у животных и растений (1.1; 13).

Растения превращают энергию световых квантов в химическую энергию, которая «оседает» в соответствующих химических связях органических молекул. Эту энергию и использует животная клетка. Следовательно, всё живое на земле зависит от растений. Поэтому растения называютпервичными продуцентами.

Органические вещества образуются в хлоропластах из углекислого газа и воды. Хлоропласт имеет довольно сложное строение: можно сказать, что в нём действуют энергопревращающие «молекулярные машины», где главную роль играет движение электронов. Словно водопад, перемещаются они с высокоэнергетического уровня на низкоэнергетический, приводя в движение реакции, во время которых образуются соединения, являющиеся носителями животворной энергии, пригодной для осуществления всех работ в клетке. Эти вещества называются в биотехнологии «ассимилятивной силой» в форме аденозинтрифосфата (АТФ), а также двух восстановительных соединений с очень сложными и длинными названиями, в связи с чем ограничиваются сокращениями: НИДФН и НАДН.

Ведущая роль здесь принадлежит хлорофиллу – пигменту зелёного цвета. Поглотив частичку света, его молекула становится подобна сжатой пружине: передав энергию химическому процессу, она восстанавливает себя. При этом, как указывалось, образуются органические вещества, а сам процесс называется фотосинтезом.

Что же происходит в митохондриях?

Их тонкое строение можно рассмотреть в электронный микроскоп: в большинстве случаев это серовато – коричневые тельца – круглые или палочкообразные. Внутренняя мембрана митохондрий образовывает многочисленные выпячивания – кристы (1.1; 14). Именно в них и происходит дыхательный процесс. Митохондрий в клетке временами бывает до ста тысяч. Здесь наблюдается такая закономерность: митохондрии летательных мышц курицы и мотылька похожи между собою больше, чем митохондрии летательных и, например, скелетных мышц той же курицы: одинаковая функция определяет одинаковость строения. Митохондрииобразуются путём деления перетяжкой.

Вследствие связанных с дыханием процессов в митохондриях образуется уникальное вещество – аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая накапливает в своих связях много свободной энергии, универсальное топливо природы. Мыслит ли человек, доится ли корова, летит ли птица – всё это благодаря тому, что аденозинтрифосфат переходит в другое вещество – аденозиндифосфат, и при этом выделяется энергия. Свободная энергия это та, которую можно использовать для любой работы.

Процесс энергообеспечения клетки одинаковый - и у сельскохозяйственного растения, и у насекомого, и у сельскохозяйственного животного, и у человека. В этом состоит закон единства физико – химического состава всего живого, который сформулировал В. И. Вернадский: Всё живое построено из одних и тех же атомов и органических молекул, и подавляющее большинство химических реакций, которые происходят в клетке, одинаковы для всех живых существ – от бактерии и сельскохозяйственного животного до человека.