Основные цели и задачи биотехнологии

ОТПРОБИРКИДОБИОРЕАКТОРА

В. В. РЕВИН

Д. А. КАДИМАЛИЕВ

Н. А. АТЫКЯН

ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ

ОТ ПРОБИРКИ ДО БИОРЕАКТОРА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено Учебно-методическим объединением по классическому университетскому образованию РФ

в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 011600 «Биология»

САРАНСК

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОРДОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

УДК 573.6 ББК Е08 Р321

Рецензенты:

лаборатория биохимии и биотехнологии фототрофных микроорганизмов (заведующий доктор биологических наук профессор И. Н. Гоготов);

заведующий кафедрой биофизики и биотехнологии

Воронежского государственного университета доктор биологических наук

профессор В. Г. Артюхов

Печатается при финансовой поддержке гранта Рособразования РНП.2.1.1.7708

и гранта Роснауки РИ-19.0/001/079

Ревин, В. В.

Р321 Введение в биотехнологию: от пробирки до биореактора:

учеб. пособие / В. В. Ревин, Д. А. Кадималиев, Н. А. Аты-кян. — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. — 256 с. ISBN 5-7103-1367-Х

В пособии на современном научном уровне изложены основные дости­жения биотехнологии на сегодняшнем этапе ее развития, представлены глав­ные направления разработок в области генетической, клеточной и белковой инженерии, а также прикладные аспекты использования данных методов.

Предназначено для студентов биологических специальностей.

УДК 573.6 ББК Е08

Учебное издание

РЕВИН Виктор Васильевич, КАДИМАЛИЕВ Давуд Али-оглы, АТЫКЯН Нелли Альбертовна

ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ: ОТ ПРОБИРКИ ДО БИОРЕАКТОРА

Учебное пособие

Редактор А. Б. Родюшкина. Технический редактор Т. А. Сальникова.

Дизайн обложки Я. В. Рунковой. Корректор Я. Я. Панова.

Компьютерная верстка Е. Ф. Рогачевой

Сдано на верстку 31.08.05. Подписано в печать 30.12.05.

Формат 60x84^6. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Гарнитура Петербург. Усл. печ. л. 14,88. Уч.-изд. л. 15,95.

Тираж 500 экз. Заказ № 2673.

Издательство Мордовского университета

Типография Издательства Мордовского университета

430000, г. Саранск, ул. Советская, 24

ISBN 5-7103-1367-Х © Ревин В. В., Кадималиев Д. А.,

АтыкянН. А., 2006 © Оформление. Издательство Мордовского университета, 2006

ВВЕДЕНИЕ

В книге дается характеристика основных методов и приемов, ис­пользуемых в биотехнологии для создания новых, промышленно важ­ных продуцентов биологически активных веществ, для выведения новых сортов растений и пород животных, а также представлены до­стижения этой науки в производстве биологически активных веществ, медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности. В пособии рассмотрены и перспективные отрасли приложения биотехнологиче­ских методов: выработка дешевой энергии, обезвреживание отходов производств и ряд других.

Предмет биотехнологии. Сегодня биотехнология стремитель­но выдвинулась на передние рубежи научно-технического прогрес­са. Этому способствовали 2 фактора. С одной стороны, это бурное развитие молекулярной биологии, генетики, биохимии, биофизики, которые опираются на достижения физики, химии и вычислительной математики, что позволило использовать потенциал живых организ­мов в интересах людей. С другой — огромная потребность человече­ства в новых технологиях, способных ликвидировать нехватку про­довольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшить состояние здоровья и экологическую ситуацию на огромных континентах.

Что же включает в себя понятие биотехнологии? Этот термин происходит от греческих слов bios — жизнь, techne — искусство, logos — слово, учение, наука. В литературе есть множество его опре­делений.

1. Биотехнология — объединение биохимии и микробиологии,
инженерных дисциплин для технологического использования микро­
организмов, культуры клеток, тканей и отдельных структур клетки.

2. Биотехнология — наука об использовании биологических про­
цессов в технике и промышленном производстве.

3. Биотехнология — промышленное использование биологиче­
ских процессов на основе микроорганизмов, культуры клеток и тка­
ней, а также отдельных структур и компонентов клеток животных и
растений с заданными свойствами.

Из приведенных определений ясно, что как бы ни стремились точ­нее передать значение термина «биотехнология», остается ясным од­но — эта наука рождена усилиями многих дисциплин, изучающих живую материю, и соответствует социальному заказу современного человека. Благодаря ее междисциплинарному характеру результаты фундаментальных исследований в области биологических, химиче­ских и технических наук приобретают прикладное значение. Био-

технология непосредственно связана с общей биологией, микробио­логией, ботаникой, зоологией, анатомией и физиологией, биологиче­ской, органической, физической и коллоидной химией, иммунологией, биоинженерией, электропикой, технологией лекарств, генетикой и дру­гими научными дисциплинами.

История развития биотехнологии. Биотехнология форми­ровалась и эволюционировала с развитием человеческого общества. Ее становление ряд ученых условно подразделяют на 4 периода (Блинов Н. П., 1995) — эмпирический, этиологический, биотехниче­ский и генотехнический.

Эмпирический (от греч. empeirios — опытный), или доисторический, период — самый длительный, охватывающий примерно 8 000 лет, из которых более б 000 лет — до нашей эры и около 2 000 лет — нашей эры. Древние народы интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. Шумеры — пер­вые жители Месопотамии (на территории современного Ирака) — выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. В этом им следовали ассирийцы и вавилоняне, жившие также в Месо­потамии, египтяне и древйие индусы. В течение нескольких тысяче­летий известен уксус, издавна приготавливавшийся в домашних усло­виях, хотя о микробах — индукторах этого процесса — мир узнал лишь в 1868 г. благодаря работам Л. Пастера, и это несмотря на существование с XIV в. так называемого «орлеанского способа» по­лучения этого продукта. Первая дистилляция вина осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков готовили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в.; получение почти абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду Луллию (ок. 1235 — ок. 1315) путем перегонки вина с негашеной известью.

В те древние времена продукты растительного и животного про­исхождения использовались не только в пищу, но и для лечебных целей. Например, в ассирийской столице Ниневии (8 — 7 вв. до н. э.)была царская библиотека, насчитывавшая более 30 000 клинопис­ных табличек, в 33 из которых имелись сведения о лекарственных средствах и их рецептуре, а в самом городе размещался сад лекар­ственных растений.

К этому же периоду относятся: получение кисломолочных про­дуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосова­ние кормов, мочка лубоволокнистых растений.

Таким образом, исстари народы пользовались результатами мик­робиологических процессов, ничего не зная о микробах. Эмпиризм также был характерен и для практики применения полезных расте­ний и животных.

Второй, этиологический (от греч. aitia — причина), период в раз­витии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую

треть XX в. (1856 — 1933 гг.). Этот этап связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 — 1895) — основоположника научной микробиологии и ряда микробио­логических дисциплин (промышленной, медицинской, химической, санитарной). Он раскрыл микробную природу брожений, доказал воз­можность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опро­верг представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии, пред­ложил метод стерилизации, называемый теперь пастеризацией, и т. д. Немеркнущая слава Л. Пастера не затмила имен его выдающихся учеников и сотрудников: Э. Дюкло, Э. Ру, Щ. Э. Шамберлана, Ж. А. Вильемена, И. И. Мечникова. В этот же период творили Р. Кох, Д. Листер, Ш. Китазато, Г. Т. Риккетс, Д. И. Ивановский,

A. Лаверан и др.

В биотехнологии важными являются питательные среды для куль­тивирования ряда биообъектов. Уже в 1859 г. Л. Пастер приготовил первую жидкую питательную среду, метод выращивания грибов на желатине предложил О. Брефельд в 1864 г., Ж. Ролен сообщил о жидких средах для выращивания нитчатых грибов в 1870 г., Р. Коху в 1876 г. удалось вырастить бациллы сибирской язвы в водянистой капле, извлеченной из глаза погибшей коровы. В 80-е гг. XIX столе­тия Р. Кох предложил метод культивирования бактерий на стериль­ных ломтиках картофеля и затем на агаризованных питательных средах.

В ряду открытий всемирного значения — обнаружение в 1892 г. вируса мозаичной болезни табака Д. И. Ивановским (1864 — 1920). Большой вклад в вирусологию был внесен отечественными и зарубежными учеными: Л. А. Зильбером, А. А. Смородинцевым, М. П. Чумаковым, А. Борелем, К. Левадити, К. Ландштейнером,

B. Стэнли, П. Лейдлоу, П. Руа, П. Ф. Эндерсом и многими другими.

Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Бо­лее того, каждый вид мог быть размножен в питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). В этот период было начато из­готовление прессованных пищевых дрожжей, а также некоторых про­дуктов обмена (метаболизма) — ацетона, бутанола, лимонной и мо­лочной кислот. Во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Знание причин биологических процессов еще не исключало не­стерильные операции, хотя стремление к использованию чистых куль­тур микроорганизмов значительно повысилось.

Для всестороннего изучения морфолого-физиологических свойств и продуктов обмена микробов все ранее предложенные способы их выращивания оказались малопригодными. Более того, накопление однородной по возрасту большой массы клеток оставалось исключи-

телыю трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиаль­но иной подход к решению многих задач в области биотехнологии. В 1933 г. А. Клюйвер и Л. X. Ц. Перкин опубликовали работу «Мето­ды изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложи­ли основные технические приемы, а также подходы к оценке и интер­претации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов.

С этого времени начинается третий период в развитии биологи­ческой технологии — биотехнический, обусловленный внедрением в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего протекание различных процессов в стерильных усло­виях. Особенно мощный толчок в разработке промышленного био­технологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (во время Второй мировой войны, 1939 — 1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомик-робных препаратах для лечения больных с инфицированными рана­ми). Следует отметить, что уже в 1868 г. И. Мишер получил нукле­ин (ДНК) из гнойных телец (лейкоцитов); В. Оствальд в 1893 г. выявил каталитическую функцию ферментов; Т. Леб в 1897 г. уста­новил способность к выживанию вне организма (в пробирках с плаз­мой или сывороткой крови) клеток крови и соединительной ткани; Г. Хаберландт в 1902 г. показал возможность культивирования кле­ток различных тканей растений в простых питательных растворах; К. Нейберг в 1912 г. раскрыл механизм процессов брожения; Л. Михаэлис и М. Л. Ментен в 1913 г. разработали кинетику фер­ментативных реакций, а А. Каррель усовершенствовал способ выра­щивания клеток тканей животных и человека и впервые при­менил экстракт эмбрионов для ускорения их роста; Г. А. Надсон и Г. С. Филлипов в 1925 г. доказали мутагенное действие рентгенов­ских лучей на дрожжи, а в 1937 г. Г. Кребс открыл цикл трикарбоно-вых кислот (ЦТК); в I960 г. Ж. Барски и др. впервые обнаружили соматические гибриды опухолевых клеток мыши. Следовательно, на­копленные научные факты стали побудительным мотивом для разра­ботки способов крупномасштабного культивирования клеток различ­ного происхождения. Это необходимо было для получения различ­ных клеточных продуктов и самих клеток для нужд человека, прежде всего в качестве или в составе лечебных и профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрациклинов, декстрана, ряда амино­кислот и многих других веществ. К 1950 г. Ж. Моно (Франция) разработал теоретические основы непрерывного управляемого куль­тивирования микробов; в 50-е гг. вопросам практической реализа­ции непрерывного культивирования микроорганизмов посвятили свои исследования М. Стефенсон, И. Малек, Н. Д. Иерусалимский и др.

Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные за­дачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необхо-

димого оборудования, в том числе главного из них — биореакторов, которые используют и в настоящее время.

Четвертый период в биотехнологии — генотехнический (от лат. genos — род) — начался в 1972 г., когда П. Берг со своими сотрудни­ками в США создал первую рекомбинантную молекулу ДНК. Одна­ко следует отметить, что в 1969 г. Дж. Бекуит с коллегами выделила в химически чистом виде лактозный ген из кишечной палочки, пока­зав тем самым возможность направленных манипуляций с генетиче­ским материалом бактерий.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было бы невозможным достижение современных результатов в области био­технологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привели к фор­мированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом — суть гено-технического периода.

Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выра­ботанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встро­енную генетическую информацию об этом гормоне. На таком же уровне или с близким к тому заделом находятся следующие генно-инженер­ные препараты: интерфероны, фактор некротизации опухоли (TNF), интерлейкин-2, соматотропный гормон человека и его аналог сомато-медии Ц и др.

Зная строение аппарата наследственности у разных организмов, удается манипулировать не только нуклеиновыми кислотами, но и целыми хромосомами (хромосомная инженерия) и клетками (кле­точная инженерия).

Для генотехнического периода характерны: разработка интен­сивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, фер­ментов, аминокислот, витаминов), получение суперпродуцентов; со­здание продуцентов, несущих в себе бессмысленную генетическую информацию (например, гены интерферона человека в клетках Pseudomonas aeruginosa); создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе (неклубеньковых растений, несущих гены азотобактерий, ответственные за способность фиксировать молеку­лярный азот из воздуха); разработка и внедрение экологически чи­стых и, по возможности, безотходных технологий; создание и приме­нение в практике специальной аппаратуры блочного (сменного) типа для различных биотехнологических схем; автоматизация и компью­теризация биотехнологических процессов; создание экономически оптимальных производственных процессов при максимальном исполь­зовании сырья и минимальном потреблении энергии.

Объект и задачи биотехнологии. В любом биотехнологиче­ском процессе наиважнейшим звеном является биообъект, «капризы»

которого по любому поводу могут пагубно сказаться на результатах опыта.

Объектом биотехнологии в общем случае является клетка или ее компоненты, т. е. вирусы, бактерии, грибы — микромицеты и макроми-цеты, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, некоторые биогенные и функционально сходные с ними вещества (например, ферменты, простагландины, лектины, нуклеино­вые кислоты и др.). Следовательно, объекты биотехнологии могут быть представлены организованными частицами (вирусами), клетками (тка­нями) или их метаболитами (первичными и вторичными). Даже при использовании биомолекулы как объекта биотехнологии исходный биосинтез ее осуществляется в большинстве случаев соответствую­щими клетками. В этой связи можно сказать, что объекты биотехно­логии относятся либо к микробам, либо к растительным и животным организмам.

Итак, объекты биотехнологии исключительно разнообразны, диа­пазон их распространяется от организованных частиц (вирусов) до человека.

Вирусы. Среди микробов вирусы характеризуются наименьшей величиной — измеряются в нанометрах (нм) — и относятся к обли-гатным паразитам. Они занимают пограничное положение между живой и неживой природой, у них нет ядра, хотя имеется наследствен­ный ядерный материал — рибонуклеиновая кислота (РНК) или дез-оксирибоиуклеиновая кислота (ДНК). В отличие от микробов кле­точной организации РНК и ДНК в вирусных частицах вместе никог­да не обнаруживаются.

Последний признак положен в основу классификации их на ви­русы бактерий, или бактериофаги, вирусы растений и вирусы живот­ных; имеются также вирусы грибов. Как уже было сказано, структур­но эти микроорганизмы представляют собой организованные частицы, содержащие один какой-либо тип нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК), не осуществляющие собственный обмен веществ, но способ­ные к репликации в клетках организма-хозяина или интеграции с его геномом, ведя при этом скрытое существование. Под организованно­стью вирусной частицы (вириона) понимают специфическое построе­ние, или архитектонику (от греч. archi — начальный, главный, пер­вый; tecton — искусник, мастер), структурных блоков, характерную для того или иного вируса, существующего вне организма. Каждый вирион в очищенном виде представляет собой истинный кристалл, который построен из нуклеиновой кислоты и белка, не связанных друг с другом ковалентными связями. Понятие «вирион» относится к ин-тактной вирусной частице (от лат. intactus — нетронутый, неповреж­денный), способной к инфицированию, или заражению (от лат. infec-tiosus — заразный).

Нуклеиновые кислоты — вещества наследственности вирусов. По типу нуклеиновой кислоты их подразделяют на РНК- и ДНК-содер-

жащие вирусы. К первым относят все вирусы растений, ко вторым — большинство бактериофагов, ряд вирусов человека и животных (аде­новирусы, вирусы герпеса, осповакцииы и др.).

Белок структурируется вокруг вирусной нуклеиновой кислоты (генома) в виде оболочки и называется капсидом. Последний опре­деляет форму вириона. Вместе с нуклеиновой кислотой капсид обра­зует нуклеокапсид.

Вироиды. В 1971 г. Т. О. Динер (США) впервые описал субви­русный возбудитель (патоген) веретеновидиости клубней картофеля (ВВКК), названный вироидом. К 1984 г. было известно 10 болезней культурных растений (в том числе зерновых), вызываемых вироида-ми. По молекулярной структуре они представляют собой одиоцепо-чечные, ковалентно замкнутые, кольцевые молекулы РНК, лишенные капсидов. Число нуклеотидов в таких РНК находится в пределах 240 — 400. По форме вироиды могут быть линейные и кольцевидные, они способны принимать шпилечную, квазидвухцепочечную коп-формацию (от лат. quasi — якобы, как будто, почти, близко; conformatio — форма, расположение). Каждый их тип, например ВВКК или вироид экзокортиса цитрусовых (ВЭЦ), содержит уникальный, только ему присущий особый вид низкомолекулярпой РНК. Размеры вироидов не превышают 15 им. В чувствительных клетках растений-хозяев они сосредоточиваются в ядре, ассоции­руясь с ядрышком в виде белково-иуклеинового комплекса, и реплицируются автономно целиком при помощи предшествующих или активированных ферментов хозяина. Вироиды не транслиру­ются! Это подтверждается их структурным сходством между собой и отсутствием у ряда вироидов кодоиов-ииициаторов. В то же время репликация происходит благодаря транскрипции последователь­ностей вироидных РНК с РНК-матриц при участии РНК-полимераз.

Бактерии — существа клеточной организации, у которых ядер­ный материал не отделен от цитоплазмы элементарными мембранами и не связан с какими-либо основными белками. Цитоплазма в них с нерегулярно разбросанными рибосомами (70S-Tnna) неподвижна, клет­ки не обладают способностью к эндо- и экзоцитозу. В большинстве своем бактерии одноклеточны, наименьший их диаметр — Q,2 — 10,0 мкм.

Все бактерии составляют единое царство Bacteria, хотя одни из них — архебактерии (Archaebacteria) — заметно отличаются от дру­гих, названных эубактериями (Eubacteria) (от греч. ей — хорошо). Очевидно, первые являются более древними представителями прока­риот, чем вторые. Архебактерии обитают в средах с экстремальными условиями (от лат. extremus — крайний) — высокие концентрации неорганических солей, повышенные температуры, оксид и диоксид углерода — как единственные источники углерода. К ним относятся галобактерии, термоацидофильные и метанобразующие, или метано-генные, бактерии.

Грибы. К царству низших эукариот — Mycota — относятся мик-ромицеты, т. е. микроскопические грибы (например, дрожжи, пеии-циллы, аспергиллы и др.), и макромицеты, формирующие в процессе своего роста и развития визуально наблюдаемые плодовые тела, — трутовики, агариковые грибы и др. Микро- и макромицеты могут быть объектами биотехнологии.

Примечательно, что грибы имеют сходство и с растениями (верху­шечный, или апикальный, рост, прочная клеточная стенка, наличие вакуолей и поперечных перегородок у многих из них), и с животными (гетеротрофный тип питания, большая или меньшая потребность в витаминах, наличие хитина или хитозана, синтез гликогена). Следо­вательно, грибы эволюционио произошли раньше — до дивергенции растений и животных в самостоятельные царства. В то же время лишь грибам присуще мицелиальное строение и, как следствие, абсорбцион­ный способ питания (осмотрофия); для них характерны раздельное нахождение двух ядер в одной клетке, способных к одновременному делению и имитирующих диплоидное ядро (дикариозис), и нахожде­ние разнокачественных ядер в одной клетке (гетерокариозис).

Основные таксономические группы грибов (от греч. taxis — при­ведение в порядок, устройство; nomos — закон) — достаточно устояв­шиеся, однако предлагаемые разными авторами классификационные схемы весьма многочисленны и порой во многом различны. В этой связи целесообразно и научно оправданно придерживаться следую­щей схемы. Царство грибов включает два отдела — Myxomycota и Eumycota, т. е. грибы-слизевики (от греч. туха — слизь), и настоя­щие грибы (от греч. ей — хорошо, в смысле — типичный, хорошо развитый).

Растения (микроскопические водоросли). Как правило, во­доросли являются водными организмами, их насчитывают около 100 000 видов. Все они пигментированы за счет хлорофилла, кароти-ноидов, ксантофиллов, фикобилинов. Водоросли — важный источ­ник различных полисахаридов и других биологически активных ве­ществ. Размножаются они вегетативно, бесполым и половым путя­ми. Как биообъекты используются недостаточно, хотя, например, ла­минария под названием морской капусты производится промышлен­ностью различных стран. Хорошо известны агар-агар и альгинаты, получаемые из водорослей.

Клетки высших растений. Высшие растения (порядка 300 000 ви­дов) — это дифференцированные многоклеточные, преимуществен­но наземные организмы. Способы их бесполого и полового размно­жения хорошо описаны в учебниках ботаники. В процессе диффе­ренциации и специализации клетки растений группировались в тка­ни (простые, состоящие из однотипных клеток, и сложные — из раз­ных типов клеток). В зависимости от функции последние подразде­ляют на образовательные, или меристемные (от греч. meristos — де­лимый), покровные, проводящие, механические, основные, секретор-

ные (выделительные). Из всех тканей лишь меристематические спо­собны к делению, и за их счет образуются все другие ткани. Это важно для получения клеток, которые затем должны быть включены в биотехнологический процесс.

Клетки меристемы, задерживающиеся на эмбриональной стадии развития в течение всей жизни растения, называются инициальными. Любой вид растения может дать в соответствующих условиях неорга­низованную массу делящихся клеток — каллус (от лат. callus — мозоль), особенно при индуцирующем влиянии растительных гормо­нов. Массовое производство такого рода образований с дальнейшей регенерацией побегов пригодно для крупномасштабного производ­ства растений. Вообще каллус представляет собой основной тип куль­тивируемой на питательной среде растительной клетки. Его ткань может длительно рекультивироваться из любого растения. При этом первоначальные клетки растения (в том числе и меристематические) дедифференцируются и деспециализируются, но индуцируются к деле­нию, формируя первичный каллус.

Кроме выращивания каллусов удается культивировать клетки некоторых растений в суспензионных культурах.

Важными биообъектами представляются также протопласты рас­тительных клеток. Методы их получения принципиально сходны с методами получения бактериальных и грибных протопластов. По­следующие клеточгю-инжеиерные эксперименты с ними могут обе­щать ценные результаты.

Клетки животных. Из царства Animalia биообъектами могут быть простейшие организмы — Protozoa — и высшие животные. И если сегодня о биотехнологии Protozoa мало что известно, то в области биотехнологии животных имеются внедренные развитые технологи­ческие процессы, написаны соответствующие монографии в нашей стране и за рубежом.

Тем не менее высокие дифференциация и специализация эукарио-тических клеток животных объясняют те трудности, с которыми при­ходится сталкиваться исследователям и практическим работникам, когда они имеют дело с подобным материалом.

Простейшие {Protozoa) — это одноклеточные микроскопические животные. В данном отделе различают классы жгутиковых (Flagellata, или Mastigofora, от лат. flagellum — бич, жгут, masticatus — жева­тельный, от греч. foros — нести), саркодовых (Sarcodina, от греч. sarcos — мясо), споровиков (Sporozoa) и реснитчатых (Cileiofora, или Ciliata). Простейшие широко распространены в природе, некото­рые из них обитают и в теле человека. По своему строению их клетки напоминают клетки животных и содержат все основные структурные элементы (органоиды и включения). Многие Protozoa активно пере­двигаются с помощью ложноножек, жгутиков и ресничек. По типу питания они являются гетеротрофами, обладающими специальными структурами для захвата пищи или поглощающими ее посредством фагоцитоза.

и

Культивирование простейших in vitro — дело непростое, однако доступное при определенном усердии, а препарат «Круцин» из Trypanosoma kruzi является свидетельством удачного использования этого организма в биотехнологии.

В начале XX в. Р. Гаррисои и А. Каррель установили факт возможного культивирования клеток животных in vitro, т. е. дока­зали их способность к независимой жизни в питательной среде вне живого организма.

Для реализации биотехнологических процессов важными пара­метрами биообъектов являются чистота, скорость размножения кле­ток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность био­молекул или биосистем. Следует иметь в виду, что при создании бла­гоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микро-бов-коптамииаитов, или загрязнителей (от лат. contaminatio — зара­жение, загрязнение). Представителями контаминирующей микрофло­ры оказываются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток, являясь при этом вредителями производств в исследуемой области.

Биотехнологии присущи свои специфические методы — это круп­номасштабное глубинное культивирование биообъектов в периоди­ческом, полунепрерывном или непрерывном режиме; выращивание клеток растительных и животных тканей в особых условиях. Причем первое осуществляется при помощи специального оборудования, на­пример, в ферментаторах выращивают бактерии и грибы при получе­нии антибиотиков, ферментов, органических кислот, некоторых вита­минов, а также некоторые клетки человека (бласты) для производ­ства белка — интерферона. Растительные клетки чаще получают в стационарных условиях в среде с уплотненной (например, агаризо-ванной) подложкой в стеклянных или полиэтиленовых емкостях, хотя некоторые их виды можно культивировать в специальных фермента­торах. В стеклянных роллерах выращивают и большинство живот­ных клеток. Другие методы, используемые в биотехнологий, являют­ся общими и для некоторых других наук и применяются, например, в микробиологии, биохимии, биоинженерии, органической химии. Тем не менее следует особо выделить методы клеточной и генной инже­нерии, когда в экспериментальных условиях удается создавать клет­ки с заведомо известными свойствами. Так, осуществлены соматиче­ская гибридизация клеток картофеля и томата (гибрид назван «Пома-то»), перенос генетической информации о синтезе человеческого или животного гормона инсулина в бактериальные клетки (кишечной па­лочки), которые затем могут продуцировать полипептидные цепи инсу­лина.

Основные цели и задачи биотехнологии

В о-п ервых, активация и поддержание путей обмена клеток, веду­щих к накоплению заданных продуктов при доминировании над дру­гими реакциями обмена у культивируемого организма.

Во-вторых, получение клеток или их составных частей (пре­имущественно ферментов) для направленного изменения сложных молекул (например, рестриктазы, изомеразы, пепициллииамидазы).

В-третьих, углубление и совершенствование форм рДНК для биотехнологии и клеточной инженерии с целью получения особо цен­ных результатов в-фундаментальных и прикладных разработках.

В-четвертых, создание безотходных и экологически безопас­ных биотехнологических процессов.

В-пятых, совершенствование и оптимизация аппаратурного оформ­ления биотехнологических процессов с целью достижения максималь­ного выхода конечных продуктов при культивировании естествен­ных видов с измененной наследственностью методами клеточной и генной инженерии.

В-шестых, повышение технико-экономических показателей био-техгюлогических процессов по сравнению с существующими.

Также в задачи биотехнологии входит создание и широкое осво­ение:

1) новых биологически активных веществ (БАВ) и лекарствен­
ных препаратов для медицины (интерферона, инсулина, гормонов,
моноклональных антител), позволяющих осуществить раннюю диаг­
ностику и лечение тяжелых заболеваний;

2) микробиологических средств защиты растений от болезней и
вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста культур;
новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным фак­
торам внешней среды сортов и гибридов;

3) ценных кормовых добавок и БАВ для повышения продуктив­
ности животноводства; новых методов биоинженерии для эффектив­
ной профилактики, диагностики и терапии основных болезней сель­
скохозяйственных животных;

4) новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов
для использования в пищевой, химической, микробиологической и др.
отраслях промышленности;

5) технологий глубокой и эффективной переработки сельскохо­
зяйственных, бытовых и промышленных отходов, использования сточ­
ных вод для производства биогаза и высококачественных удобрений.

Эти задачи определяют перспективы развития биотехнологии, с которыми мы ознакомимся в дальнейшем.