Вопрос 6 Биотехнология

В условиях биотехнологического производства ЛС:

• Что такое система внутриклеточного транспорта и секреции конечных продуктов у микроорганизмов?

Если целевой продукт является внутриклеточным, то для его извлечения из клеток приходится разрушать всю систему, поэтому возникает вопрос о целесообразности использования иммобилизации биообъекта. В этом случае, методами генетической инженерии, может быть сконструирована и введена в продуцент система транспорта целевого продукта из клетки в среду.

К системе внутриклеточного транспорта относится внутренняя часть цитоплазматической мембраны — двухслойная фосфолипидная субклеточная структура с включенными в нее разнообразными по функциям белками, мембраны митохондрий, вакуоли у растений, эндоплазматический ретикулум. Через эти структуры осуществляется транспорт веществ внутри клетки.

Процессы транспорта через клеточную оболочку связаны с секрецией конечных продуктов у микроорганизмов. Их подразделяют на пассивную диффузию, облегченную диффузию и активный транспорт.

При пассивной диффузии, т.е. в соответствии с градиентом концентрации, когда в среде концентрация выше, чем внутри клетки, в клетку проникают вода, углеводороды, молекулы кислорода, азота, водорода.

В случае облегченной диффузии необходимые клетке вещества переносятся из среды в клетку с помощью пермеаз — особого класса белков, содержащихся в мембране. Переносимое вещество реагирует с пермеазой на наружной стороне мембраны и освобождается после переноса через мембрану внутри клетки. При облегченной диффузии проникающее в клетку вещество продвигается по градиенту концентрации. Затрат энергии на этот процесс не требуется, как и при пассивной диффузии.

При активном транспорте вещества в клетку, требующем затраты энергии, движение переносимого вещества может происходить против градиента концентрации. При этом концентрация накапливающегося в клетке соединения может превзойти в сотни и тысячи раз его концентрацию в среде. В такие системы входят расположенные в периплазматическом пространстве белки с высоким сродством к ряду метаболитов, принадлежащим к пептидам, аминокислотам, сахарам и др. Они препятствуют выходу в среду ряда метаболитов из цитоплазмы. С их помощью в периплазматическом пространстве накапливаются определенные питательные соединения из среды.

Самостоятельный интерес представляет выведение из клетки избыточных продуктов метаболизма, в частности защитных ферментов, антибиотиков и экзоферментов, позволяющих утилизировать находящиеся в среде полимеры. Низкомолекулярные вещества могут выводиться путем пассивной или облегченной диффузии. Однако существуют и энергозависимые системы. Особый интерес у биотехнологов, в том числе работающих в области получения рекомбинантных белков, вызывает проблема выведения из клетки белка, синтезируемого в цитоплазме, включая чужеродный белок, являющийся целевым продуктом. В данном случае биотехнолог идет по пути повторения выработанного эволюцией механизма секреции таких белков, как внеклеточные ферменты.

Когда синтезируется такого рода белок, которому предстоит пересечь цитоплазматическую мембрану и выйти из клетки в среду, то, во-первых, его синтез происходит на рибосомах, связанных с обращенной в цитоплазму поверхностью цитоплазматической мембраны, во-вторых, покидающая рибосому полипептидная цепь на своем N-терминальном конце содержит сигнальный или лидерный пептид (15—30 аминокислотных остатков). Этот дополнительный участок в полипептидной цепи временно нужен для выведения внеклеточного белка из клетки

Разумеется, проблема выведения чужеродных белков не решается однозначно и только за счет присоединения лидерной последовательности, так как существует много других факторов, влияющих на экскрецию белков.

В заключение этого краткого рассмотрения проблем транспорта веществ в клетку и из клетки обратим особое внимание на мутации, которые могут затрагивать ферментные системы транспорта, молекулы переносчиков, структурные компоненты цитоплазматической и внешней мембран, что дает биотехнологу богатый набор мутантов с самыми разнообразными изменениями физиологических и биохимических свойств.

Особенности транспортных систем у некоторых биообъектов определяют их способность воздействовать на окружающую среду в нужном для человека аспекте.

Например, ряд представителей микроорганизмов рода Pseudomonas и целенаправленно полученных от природных культур мутантов обезвреживают самые разнообразные химические соединения (кольчатые углеводороды и др.), попадание которых в окружающую среду приводит к нарушению экологии в обширных географических регионах. Причем способность вышеуказанных микроорганизмов обезвреживать загрязнения обусловлена не только набором ферментов, утилизирующих экзотические вещества, но и особенностями транспортных систем, начиная с режима осцилляции пориновых каналов внешней мембраны.