Основные объекты биотехнологии

Объекты, используемые в биотехнологии (они включают представителей, как прокариот, так и эукариот), чрезвычай­но разнообразны по своей структурной организации и био­логическим характеристикам. К объектам биотехнологии относятся:

— вирусы;

— бактерии и цианобактерии;

— водоросли;

— лишайники;

— грибы;

— водные растения;

— клетки растений и животных.

В группу низших растений входят и микроскопически малые организмы (одноклеточные и многоклеточные), и очень крупные по размерам. Но все они объединены таки­ми общими признаками, как отсутствие расчленения тела на вегетативные органы и разнообразие способов размноже­ния.

К низшим относят следующие отделы: Вирусы, Бакте­рии, группа отделов Водоросли (Сине-зеленые, Зеленые, Ди­атомовые, Бурые, Красные и др.), Миксомицеты, Грибы, Лишайники. По способу питания их подразделяют на две группы: автотрофы (водоросли и лишайники), способные к фотосинтезу, и гетеротрофы (вирусы, бактерии — за не­большим исключением, — миксомицеты, грибы), исполь­зующие для питания готовые органические вещества.

Низшие растения прошли длинный исторический путь развития, но многие их представители до сих пор сохрани­ли черты примитивной организации. На определенном эта­пе развития они дали начало высшим растениям, венцом которых являются покрытосеменные.

2.Вирусы

Вирусы (от лат. virus — яд) — это мельчайшие организ­мы (не более 200-300 нм), невидимые в световой микроскоп, не имеющие клеточного строения, лишенные собственных систем энергообеспечения, отличающиеся паразитическим способом существования, т. е. являющиеся внутриклеточ­ными паразитами. Детальное изучение вирусов стало воз­можным с развитием электронной микроскопии, биохимии, молекулярной биологии.

Структура. Вирусные частицы (вирионы) имеют белко­вую капсулу — капсид, содержащий геном вируса, пред­ставленный одной или несколькими молекулами ДНК или РНК. Капсид построен из капсомеров — белковых комп­лексов, состоящих, в свою очередь, из протомеров. Вири­оны часто имеют правильную геометрическую форму (ико­саэдр, цилиндр). Такая структура капсида предусматривает идентичность связей между составляющими ее белками и, следовательно, может быть построена из стандартных бел­ков одного или нескольких видов, что позволяет вирусу «экономить» место в геноме. Белки капсида комплементар­ны определенным молекулярным структурам в клетке хо­зяина и вступают с ними во взаимодействие, необходимое для проникновения и существования вируса. Капсид защи­щает вирус только вне живой клетки. Вне клетки-хозяина вирусы ведут себя как вещество (могут быть получены в кристаллической форме); попав в живую клетку, они вновь проявляют активность.

Механизм инфицирования. Условно процесс вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно разбить на следующие этапы.

Присоединение к клеточной мембране — так назы­ваемая адсорбция. Обычно, для того чтобы вирус адсорби­ровался на поверхности клетки, она должна иметь в соста­ве своей плазматической мембраны специфический белок (часто гликопротеин) — рецептор, специфичный для данно­го вируса. Наличие рецептора нередко определяет круг хо­зяев данного вируса, а также его тканеспецифичность.

Проникновение в клетку. На этом этапе вирусу необ­ходимо доставить внутрь клетки свою генетическую инфор­мацию. Некоторые вирусы привносят также собственные белки, необходимые для ее реализации. Различные вирусы для проникновения в клетку используют разные стратегии. Вирусы также различаются по локализации их реплика­ции: часть вирусов размножается в цитоплазме клетки, а часть — в ее ядре.

Перепрограммирование клетки. При заражении виру­сом в клетке активируются специальные механизмы проти­вовирусной защиты. Зараженные клетки начинают синте­зировать сигнальные молекулы, например интерфероны, переводящие окружающие здоровые клетки в противови­русное состояние и активирующие системы иммунитета. Повреждения, вызываемые размножением вируса в клетке, могут быть обнаружены системами внутреннего клеточного контроля, и такая клетка должна будет «покончить жизнь самоубийством» в ходе процесса, называемого апоптозом (или программируемой клеточной гибелью). От способности вируса преодолевать системы противовирусной защиты на­прямую зависит его выживание. Неудивительно, что мно­гие вирусы, эволюционируя, приобрели способность подав­лять синтез интерферонов, апоптозную программу и т. д. Кроме подавления противовирусной защиты, вирусы стре­мятся создать в клетке максимально благоприятные усло­вия для развития своего потомства.

Персистенция. Некоторые вирусы могут переходить в латентное состояние (так называемая персистенция), слабо вмешиваясь в процессы, происходящие в клетке, и активи­роваться лишь при определенных условиях. На этом по­строена, например, стратегия размножения некоторых бак­териофагов: до тех пор пока зараженная клетка находится в благоприятной среде, фаг не убивает ее, наследуется до­черними клетками и нередко интегрируется в клеточный геном. Однако при попадании зараженной фагом бактерии в неблагоприятную среду возбудитель захватывает контроль над клеточными процессами так, что клетка начинает производить материалы, из которых строятся новые фаги. Клетка превращается в «фабрику», способную производить многие тысячи фагов. Зрелые частицы, выходя из клетки, разрывают клеточную мембрану, тем самым убивая клетку. С персистенцией вирусов связаны некоторые онкологиче­ские заболевания.

Создание новых вирусных компонентов. Размноже­ние вирусов в самом общем случае предусматривает три процесса:

— транскрипцию вирусного генома, т. е. синтез вирус­ной мРНК;

— трансляцию мРНК, т. е. синтез вирусных белков;

— репликацию вирусного генома.

У многих вирусов существуют системы контроля, обес­печивающие оптимальное расходование биоматериалов клетки-хозяина. Например, когда вирусной мРНК накопле­но достаточно, транскрипция вирусного генома подавляет­ся, а репликация, напротив, активируется.

Созревание вирионов и выход из клетки. В конце концов, новосинтезированные геномные РНК или ДНК «одевают­ся» соответствующими белками и выходят из клетки. Сле­дует отметить, что активно размножающийся вирус не всег­да убивает клетку-хозяина. В некоторых случаях дочерние вирусы отпочковываются от плазматической мембраны, не вызывая ее разрыва. Таким образом, клетка может про­должать жить и продуцировать вирус.

Классификация вирусов. Систематику и таксономию вирусов кодифицирует и поддерживает Международный комитет по таксономии вирусов (International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV), поддерживающий также и так­сономическую базу The Universal Virus Database ICTVdB.

Форма представления генетической информации лежит в основе современной классификации вирусов. В настоящее время их подразделяют на ДНК- и РНК-содержащие вирусы.

К вирусам относятся бактериофаги — паразиты микро­организмов. Они состоят из двух частей: призматической головки и хвостового отростка. Если добавить к микробам бактериофаг, действующий именно на данный вид микро­бов, через несколько минут его можно обнаружить на по­верхности микробной клетки, к которой он прикрепляется отростком. Затем бактериофаг выделяет фермент, раство­ряющий оболочку бактерии в месте прикрепления отрост­ка. Сквозь это отверстие ДНК, находящаяся в головке, по­падает в клетку. Капсид остается снаружи. Под влиянием ДНК фага обмен веществ бактерии перестраивается, белок синтезирующие системы бактерии образуют белки фага, происходит репликация фаговой ДНК. Через 15-30 мин оболочка клетки разрывается, и огромное количество фагов выходит в окружающую среду. Фаги заражают новые клет­ки, вызывая их лизис.

Значение вирусов. Вирусы вызывают ряд опасных забо­леваний человека (оспу, гепатит, грипп, корь, полиомие­лит, СПИД, рак и т. д.), растений (мозаичную болезнь таба­ка, томата, огурца, карликовость, увядание земляники), животных (чуму свиней, ящур). Однако препараты соответ­ствующих бактериофагов применяют для лечения бактери­альных заболеваний — дизентерии и холеры.

Получение интерферона — особого клеточного белка, препятствующего размножению вирусов, — широко ис­пользуют в медицине, особенно во время вспышек эпидемий гриппа. Это вещество универсального действия, активное по отношению ко многим вирусам, хотя чувствительность разных вирусов к нему неодинакова. Будучи продуктом са­мой клетки, интерферон полностью лишен токсического воздействия на нее. Сейчас применяют готовый интерфе­рон, его можно синтезировать в клетках, культивируемых вне организма.

3.Бактерии

До конца 1970-х гг. термин «бактерия» служил синони­мом прокариот, но в 1977 г. на основании данных молеку­лярной биологии прокариоты подразделили на царства архебактерий и эубактерий (собственно бактерий).

Строение бактерий. Подавляющее большинство бакте­рий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобак­терий) одноклеточны. По форме клеток они могут быть шаровидными (кокки), палочковидными (бациллы, клостридии, псевдомонады), извитыми (вибрионы, спириллы, спирохеты), реже — звездчатыми, тетраэдрическими, куби­ческими, С- или О-образными. Обязательными клеточными структурами бактерий являются:

— нуклеоид;

— рибосомы;

— цитоплазматическая мембрана (ЦПМ).

Прокариоты, в отличие от эукариот, не имеют в цито­плазме обособленного ядра. Вся необходимая для жизнеде­ятельности бактерий генетическая информация содержится и одной двухцепочечной ДНК (бактериальная хромосома), имеющей форму замкнутого кольца. Она в одной точке прикреплена к ЦПМ. ДНК в развернутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома представлена обычно в единственном экземпляре, т. е. практически все прокариоты гаплоидны, хотя в отдельных случаях одна клетка может содержать несколько копий своей хромосо­мы. Деление хромосомы сопровождается делением клетки. Область клетки, в которой локализована хромосома, называется нуклеоидом; она не окружена ядерной мембраной. 1$ связи с этим новосинтезированная мРНК сразу доступна для связывания с рибосомами, т. е. процессы транскрип­ции и трансляции могут протекать одновременно. Ядрыш­ка нет.

Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находят­ся плазмиды — замкнутые в кольцо небольшие молекулы ДНК, способные к независимой репликации. Они содержат дополнительные гены, необходимые лишь в специфических условиях. В них кодируются механизмы устойчивости к от­дельным лекарственным препаратам, способности к перено­су генов при конъюгации, синтеза веществ антибиотиче­ской природы, способности использовать некоторые сахара или обеспечивать деградацию ряда веществ. То есть плаз­миды действуют как факторы адаптации. В некоторых слу­чаях гены плазмиды могут интегрировать в хромосому бак­терии.

Рибосомы прокариот отличаются от таковых у эукариот и имеют константу седиментации 70 S (у эукариот — 80 S).

У разных групп прокариот имеются локальные впячива- ния ЦПМ — мезосомы, выполняющие в клетке разнообраз­ные функции и разделяющие ее на функционально различ­ные части. Считается, что мезосомы принимают участие в делении бактерий. Когда на мембранах мезосом располага­ются окислительно-восстановительные ферменты, они явля­ются эквивалентами митохондрий клеток растений и живот­ных. У фотосинтезирующих бактерий во впячивания мембран вмонтирован пигмент — бактериохлорофилл. С его помощью и осуществляется бактериальный фотосинтез.

С внешней стороны от ЦПМ находятся несколько слоев (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол), называемых клеточной оболочкой, а также поверхностные структуры (жгутики, ворсинки, пили).

У бактерий существует два основных типа строения кле­точной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам. Клеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный слой толщи­ной 20-80 нм, построенный в основном из пептидогликана муреина с большим количеством тейхоевых кислот и не­большим количеством полисахаридов, белков и липидов. У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ и имеет толщину лишь 2-3 нм. Он окружен наружной мембраной, имеющей, как правило, неровную, искривленную форму.

С внешней стороны от клеточной стенки может нахо­диться капсула — аморфный слой гидратированных поли­сахаридов, сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру.

Многие бактерии способны к активному движению с по­мощью жгутиков — выростов цитоплазмы.

Размножение бактерий. Бактерии не имеют полового процесса и размножаются лишь равновеликим бинарным поперечным делением или почкованием. Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное де­ление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящих к образованию от 4 до 1000 новых клеток под оболочкой материнской клетки).

У прокариот может происходить горизонтальный пере­нос генов. При конъюгации клетка-донор в ходе непосред­ственного контакта передает клетке-реципиенту часть свое­го генома (в некоторых случаях — весь геном). Участки ДНК донорной клетки могут обмениваться на гомологич­ные участки ДНК реципиента. Вероятность такого обмена значима только для бактерий одного вида.

Бактериальная клетка может поглощать и свободно на­ходящуюся в среде ДНК, включая ее в свой геном. Данный процесс носит название трансформации. В природных усло­виях обмен генетической информацией протекает с по­мощью бактериофагов (трансдукция). При горизонтальном переносе новых генов не образуется, однако осуществляется создание разных генных сочетаний. Эти свойства бактерий очень важны для генетической инженерии.

Спорообразование у бактерий. Некоторые бактерии об­разуют споры. Их формирование характерно для особо ус­тойчивых форм с замедленным метаболизмом и служит для сохранения в неблагоприятных условиях, а также для рас­пространения. Споры могут сохраняться продолжительное время, не теряя жизнеспособности. Так, эндоспоры многих бактерий способны выдерживать 10-минутное кипячение при 100 °С, высушивание в течение тысячи лет и, по неко­торым данным, сохраняются в жизнеспособном состоянии в почвах и горных породах миллионы лет.

Метаболизм бактерий. За исключением некоторых спе­цифических моментов, биохимические пути, по которым осуществляется синтез белков, жиров, углеводов и нуклео­тидов, у бактерий схожи с таковыми у других организмов. Однако по числу возможных биохимических путей и, соот­ветственно, по степени зависимости от поступления органи­ческих веществ извне бактерии различаются. Часть бакте­рий может синтезировать все необходимые им органиче­ские молекулы из неорганических соединений (автотрофы), другие же требуют готовых органических соединений, ко­торые они способны лишь трансформировать (гетеротрофы).

Классификация бактерий. Наибольшую известность получила фенотипическая классификация бактерий, осно­ванная на строении их клеточной стенки. На основе этой классификации построен «Определитель бактерий Берги», девятое издание которого вышло в 1984-1987 гг. Крупней­шими таксономическими группами в ней стали четыре от­дела: Gracilicutes (грамотрицательные), Firmicutes (грамположительные), Tenericutes (микоплазмы) и Mendosicutes (археи).

Значение бактерий. Бактерии-сапрофиты играют боль­шую роль в круговороте веществ в природе, разрушая в экосистемах мертвый органический материал. Хорошо из­вестна их роль во всех биогеохимических циклах на нашей планете. Бактерии принимают участие в круговоротах хи­мических элементов (углерода, железа, серы, азота, фосфо­ра и др.), в процессах почвообразования, определяют пло­дородие почв.

Многие бактерии «населяют» организмы животных и человека, стоят на страже здоровья.

Биотехнологические функции, выполняемые бактериями, разнообразны. Их применяют при производстве различных веществ: уксуса (Gluconobacter suboxidans), молочнокислых напитков и продуктов (Lactobacillus, Leuconostoc), а также микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis) и герби­цидов, белков (Methylomonas), витаминов (Clostridium — рибофлавин); при переработке отходов, получении бактери­альных удобрений, растворителей и органических кислот, биогаза и фотоводорода. Широко используется такое свой­ство некоторых бактерий, как диазотрофность, т. е. способ­ность к фиксации атмосферного азота.

Благодаря быстрому росту и размножению, а также простоте строения, бактерии активно применяют в научных исследованиях по молекулярной биологии, генетике и био­химии, в генно-инженерных работах при создании геном­ных клонотек и введении генов в растительные клетки (агробактерии). Информация о метаболических процессах бактерий позволила производить бактериальный синтез ви­таминов, гормонов, ферментов, антибиотиков и др.

Перспективными направлениями являются очистка с использованием бактерий почв и водоемов, загрязненных нефтепродуктами или ксенобиотиками, а также обогащение руд с помощью сероокисляющих бактерий.

Нельзя забывать о том, что отдельные виды бактерий вызывают опасные заболевания у человека (чуму, холеру, туберкулез, брюшной тиф, сибирскую язву, ботулизм и др.), животных и растений (бактериозы). Некоторые виды бактерий могут разрушать металл, стекло, резину, хлопок, древесину, масла, лаки, краски.