Loe ka:
|
Nagu a objektid biotehnoloogiad võivad hõlmata: mikroorganismide, loomade ja taimede rakke, transgeenseid loomi ja taimi, samuti rakkude ja üksikute ensüümide mitmekomponentseid ensüümsüsteeme.
Enamiku kaasaegse biotehnoloogilise tootmise aluseks on mikroobne süntees, s.o erinevate bioloogiliselt aktiivsete ainete süntees mikroorganismide abil. Sõltumata objekti olemusest on iga biotehnoloogilise protsessi arendamise esmane etapp hankimine puhtad kultuurid organismid (kui need on mikroobid), rakud või koed (kui need on keerulisemad organismid – taimed või loomad). Viimaste (st taime- või loomarakkude) edasise manipuleerimise paljud etapid on mikrobioloogilises tootmises kasutatavad põhimõtted ja meetodid. Metodoloogilisest vaatenurgast ei erine nii mikroobide rakukultuurid kui ka taime- ja loomakoekultuurid praktiliselt midagi mikroobikultuuridest. Maailma m kudevad organismidäärmiselt mitmekesine. Aastal n. Neid on teada rohkem kui 100 tuhat erinevat tüüpi. See prokarüootid(bakterid, aktinomütseedid, riketsia, tsüanobakterid) ja osa e ukarüoot(pärm, niitseened, mõned algloomad ja vetikad). Arvestades mikroorganismide suurt mitmekesisust, on oluline küsimus õige valik see organism, mis on võimeline tarnima vajalikku toodet, st teenima tööstuslikke eesmärke. Mikroorganismid:
1) Tööstuslik : Escherichia coli ( E. coli), heinapulk ( Sina. subtilis) ja pagaripärm ( S. cerevisiae). Tavaliselt on nad supertootjad. Supertootjate saamiseks tehakse geeniselektsiooni ja geenitehnoloogia lähenemisi (inimese geenide sisestamine bakteritesse: interferoonide, insuliini jne geenid). PS peab olema patenteeritud.
2) Põhiline- kasutatakse piiratud arvul, klassifitseeritud GRAS("üldiselt ohutuks tunnistatud" - bakterid Bacillus subtilis, Bacillus amylolique-faciens, muud tüüpi batsillid ja laktobatsillid, liigid Streptomyces, seened Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, pärm Saccharomyces ja jne. . GRAS- mikroorganismid on mittepatogeensed, mittetoksilised ega moodusta üldjuhul antibiootikume, seetõttu tuleks uue biotehnoloogilise protsessi väljatöötamisel keskenduda just nendele mikroorganismidele.
3) mudel- batsillid (proteolüütiliste ensüümide tootjad) on olemas mudelmikroorganismide kataloogid.
Peamine kriteerium Biotehnoloogilise objekti valikul on oluline sihtprodukti sünteesimise oskus. mikroorganismid peavad (nõuded):
on kõrge kasvutempoga;
Taaskasutada odavaid substraate, mis on nende eluea jaoks vajalikud;
Olema vastupidav võõrale mikrofloorale, st olema kõrge konkurentsivõimega. (nõuded): võime kasvada odavatel substraatidel, kõrge majanduslik efektiivsus, minimaalne kõrvalsaaduste teke (toksilised metaboliidid, allergeenid)
Kõik eelnev võimaldab oluliselt vähendada sihttoote tootmiskulusid. Järgnevalt on toodud näited, mis on mõeldud ülal öeldu illustreerimiseks.
1. Üherakulised organismid mida iseloomustab kõrgem kasvutempo ja sünteetilised protsessid,
2. Erilist tähelepanu Kuidas biotehnoloogilised arendusobjektid kujutavad fotosünteetilised mikroorganismid kes kasutavad energiat oma elutegevuses päikesevalgus.
3. termofiilsed mikroorganismid, kasvab 60-80 °C juures. See omadus on peaaegu ületamatu takistus võõra mikrofloora arengule.
24. Mikroorganismide eelised teiste objektide ees kaasaegsete biotehnoloogiliste probleemide lahendamisel:
· Väikesed suurused
· Kõikjal kohalviibiv
· Erinevat tüüpi ainevahetus
· Fototroofid
· Mahutab väikese mahu (1 ml kuni 1 miljard inimest)
· Kõrge jagunemismäär, kiire kasv
· Võimalus elada erinevates tingimustes.
Fotosünteetilised organismid on paljulubavad ammoniaagi, vesiniku ja valgu tootjatena.
60-80 kraadi juures kasvavad termofiilsed mikroorganismid on usaldusväärseks kaitseks saastumise eest. Termofiilide poolt sünteesitud ensüüme iseloomustavad suurenenud vastupidavus kuumusele, kuid samal ajal on need normaalsel temperatuuril passiivsed.
11688 0
Esimene katse süstematiseerida teavet organismide kohta kuulub Aristotelesele (4. sajand eKr). Kõik selleks ajaks tuntud elusorganismid jagas ta kaheks kuningriigiks - taimedeks ja loomadeks. 19. sajandi teisel poolel tegi saksa teadlane E. Haeckel ettepaneku eraldada kõik mikroorganismid omaette kuningriiki Protista (ürgolendid – kreeka keelest "protos" - kõige lihtsamad).
Mikroorganismide edasine uurimine paljastas nende heterogeensuse, mis viis rühma jagunemiseni kõrgemateks ja madalamateks protestideks. Suurimad protestid olid mikroskoopilised loomad (algloomad), mikroskoopilised vetikad (v.a sinivetikad, mida nimetatakse ka sinivetikateks) ja mikroskoopilised seened (hallitusseened, pärmseened) ning madalamad kõik bakterid, sealhulgas sinivetikad. Jagamine kõrgemateks ja madalamateks protestideks viidi läbi vastavalt kahele avastatud rakulise organisatsiooni tüübile - eukarüootsele ja prokarüootsele. Kõrgemad protestid on eukarüootid, madalamad prokarüootid.
Nendel rakutüüpidel on nii ühiseid jooni kui ka olulisi erinevusi. /Rakk on membraaniga piiritletud tsütoplasma tükk, millel on iseloomulik ultrastruktuur: kaks elektrontihedat kihti, kumbki paksusega 2,5-3,0 nm, mis on eraldatud elektronide läbipaistva piluga. Selliseid membraane nimetatakse elementaarseteks.| Igas rakus on kahte tüüpi nukleiinhappeid (DNA ja RNA), valke, lipiide ja süsivesikuid. Tsütoplasma ja elementaarmembraan on raku olulised struktuurielemendid. Prokarüootsel rakul on üks sisemine õõnsus, mille moodustab elementaarne membraan, mida nimetatakse tsütoplasmaatiliseks membraaniks (CPM).
Erinevalt prokarüootsetest rakkudest on eukarüootsetel rakkudel sekundaarsed õõnsused. Elementaarmembraanidega piiratud ja rakus teatud funktsioone täitvaid rakustruktuure nimetatakse organellideks (organellideks). Nende hulka kuuluvad tuum, mitokondrid, ribosoomid, lüsosoomid, Golgi aparaat, kloroplastid jne. Tuum toimib geneetilise informatsiooni hoidjana, mille kandjaks on DNA. Tuuma peamised struktuursed ja funktsionaalsed elemendid, mis sisaldavad geene lineaarses järjekorras, on kromosoomid. Mitokondrid varustavad rakku energiaga ainete oksüdatsiooni kaudu hapniku osalusel. Nad sünteesivad ka oma mitokondriaalseid valke.
Kõik teised raku valgud sünteesitakse ribosoomidel. Lüsosoomid sisaldavad ensüüme erinevate biopolümeeride lagundamiseks. Golgi aparaat (nimetatud 1906. aastal Nobeli preemia saanud itaalia teadlase Camillo Golgi järgi) on seotud raku jääkproduktide – erinevate sekretsioonide, kollageeni, glükogeeni, lipiidide jm tekkega, glükoproteiinide sünteesiga. Kloroplastid, mida leidub ainult taimerakkudes, viivad läbi fotosünteesi.
Prokarüootsetes rakkudes puuduvad eespool loetletud organellid, mis on tüüpilised eukarüootidele. Nende tuuma DNA ei ole tsütoplasmast membraaniga eraldatud. Põhilised erinevused prokarüootsete ja eukarüootsete rakkude struktuuris olid põhjuseks, miks rakuorganisatsiooni kõige primitiivsemal tasemel paiknevad prokarüootsed mikroorganismid eraldusid erilisse kuningriiki Mopega (R. Whittaker). Mikroskoopiliste, enamasti üherakuliste, eristamata eluvormide hulka kuulub Protista kuningriik. Mitmerakulisi eukarüoote esindavad kolm kuningriiki: Plantae (taimed), Fungi (seened) ja Animalia (loomad).
Enamiku bakterite suurused jäävad vahemikku 0,5-3 mikronit, kuid nende hulgas on ka "hiiglasi" ja "kääbusi". Näiteks spiroheedi raku pikkus ulatub 500 mikronini. Prokarüootsetest rakkudest on väikseimad mükoplasmarühma kuuluvad bakterid, mille raku läbimõõt on 0,1-0,15 mikronit. Pikka aega arvati, et prokarüootsetel rakkudel on kera (kokid), silindri (vardad) või spiraali (spirilla või vibrio) kuju. Hiljuti on näidatud, et lisaks näidatud vormidele võivad bakterid olla ka rõnga või tähe kujuga; Mõnele liigile on iseloomulik hargnemine. Mitmerakulised prokarüootid on erineva konfiguratsiooniga klastrid, enamasti filamendid.
Bakterid on makroorganismide – loomade ja taimede – elutingimuste, kohanemisvõime, toitumisviiside ja bioenergia tootmise poolest äärmiselt mitmekesised. Bakterite iidseimad vormid - arhebakterid on võimelised elama ekstreemsetes tingimustes (kõrge temperatuur ja rõhk, kontsentreeritud soolalahused, happelised lahused). Eubakterid (tüüpilised prokarüootid või bakterid) on tingimuste suhtes tundlikumad keskkond.
Bakterid on geeniuuringute jaoks mugavad objektid. Enim uuritud ja geenitehnoloogia uuringutes laialdasemalt kasutatav on inimese soolestikus elav Escherichia coli (E. coli).
Taimede hulka kuuluvad vetikad, mis on veeorganismid, ja kõrgemad taimed, mis elavad peamiselt maismaal. Vetikatel ei ole elundeid ega kudesid ning need koosnevad diferentseerumata (identsetest) rakkudest. Agar-agarit ja alginaate saadakse vetikatest – polüsahhariididest, mida kasutatakse mikrobioloogilise söötme tootmiseks ja toiduainetööstuses. Kõrgemad taimed on spetsialiseeritud elunditega - juured, varred, lehed - mitmerakulised organismid. Need koosnevad kudedest, mille moodustavad spetsiaalsed rakud. Taimed on toitainete tarnijad teistele organismidele.
Kuigi traditsioonilised meetodid Endiselt on laialdaselt kasutusel füsioloogiliselt aktiivsete ja ravivate ühendite ekstraheerimine taimedest (ekstraheerimine, destilleerimine, filtreerimine) rakukultuuridest bioloogiliselt aktiivsete ainete saamise tehnoloogiad, aga ka toodete tootmine geneetiliselt muundatud taimedest.
Seened ühendavad taime- ja loomarakkude tunnuseid. Neil on rakutuum ja sarnaselt taimedele tugev rakusein. Nagu loomarakud, on nad võimelised sünteesima polüsahhariide – kitiini ja glükogeeni ning vajavad teatud vitamiine. Mikroskoopilised seened on eriti huvitavad biotehnoloogia jaoks - pärm-, hallitusseened, kõrgemad seened, mida kasutatakse pagari-, õlle- ja piimatööstuses, samuti orgaaniliste hapete, alkoholide, antibiootikumide, söödavalgu ja erinevate bioloogiliselt aktiivsete ainete tootmiseks.
Sellise tehnoloogia näide on hankimine viirusevastane ravim interferoon, mida kasutatakse gripi ja muude haiguste ennetamiseks ja raviks viirusnakkused. Kõige lootustandvam meetod bioloogiliselt aktiivsete ainete tootmiseks on geenitehnoloogia. Eelkõige saadakse sel viisil iniminsuliini, valguhormooni.
S.V. Makarov, T.E. Nikiforova, N.A. Kozlov
Biotehnoloogia objektid
Viimastel aastakümnetel on bioloogia muutunud puhtalt teoreetilise huviga teadusest teaduseks, mille praktilist tähtsust on vaevalt võimalik üle hinnata. Selge suund on tööstuse "biologiseerimisele". Biotehnoloogiast on saamas üks teaduse ja tehnoloogia arengu prioriteetseid valdkondi. Biotehnoloogia laiad praktilised võimalused on toonud kaasa erinevate bioloogiliste objektidega seotud leiutiste arvu järsu kasvu,
Alates inimeste ravimise viisidest geenitehnoloogia abil kuni keskkonna kaitsmise viisideni.
Biotehnoloogia edusamme saab nüüd kaitsta ajutiste ja leiutiste patentidega, samuti taimesortide ja loomatõugude patentidega. Samuti on võimalik kaitsmine oskusteabe, samuti kaubamärkide ja autoriõiguse seaduse kaudu.
Patendid on muutumas üha olulisemaks vahendiks bioloogia ja biotehnoloogia kommertsialiseerimisel ning relv võitluses biotehnoloogiliste toodete turgude pärast. Biotehnoloogiliste leiutiste kaitsmise küsimus on jätkuvalt arutelu all nii riiklikul kui ka rahvusvahelisel tasandil.
Biotehnoloogia valdkonna leiutiste objektidele vastavalt lõigetele. 9, 10 «Ajutise patendi ja leiutise patendi ja kasuliku mudeli patenditaotluse koostamise, esitamise ja läbivaatamise juhend» hõlmab mikroorganismide, taime- ja loomarakkude tüvesid ning geenitehnoloogia tooteid, mis on tavapäraselt klassifitseeritud aineteks (üksikud ühendid). Arvestades nende leiutiste eripära ja suurt hulka eritermineid, ilma milleta on võimatu mõista teema olemust, on vaja anda mõningaid selgitusi.
Need objektid võivad olla kas elusad tüved või elutud ained. Elusobjektid:
Üksikud mikroorganismide tüved.
Taime- ja loomarakkude üksikud tüved,
Mikroorganismide, taime- ja loomarakukultuuride konsortsiumid.
Elustud objektid:
Biotehnoloogiliste vahenditega saadud ühendid - antibiootikumid, ensüümid, vaktsiinid jne;
Geenitehnoloogia tooted - DNA ja RNA järjestused, geenid, plasmiidid, vektorid, valgud jne.
Biotehnoloogia valdkonda kuuluvad ka erinevad meetodid, milles kasutatakse mikroorganismide tüvesid, taime- ja loomarakkude tüvesid, antibiootikume, nukleiinhappeid, vaktsiinide valmistamise meetodeid jne.
Termin "tüvi" tähendab puhast ühest liiki mikroorganismide kultuuri, mis on eraldatud konkreetsest allikast või saadud kunstlikult (mutatsiooni tulemusena) ja millel on spetsiifilised füsioloogilised ja biokeemilised omadused.
Mõistel "mikroorganism" puudub täpne taksonoomiline tähendus (st see ei viita ühelegi konkreetsele taksonile - perekonnale, perekonnale, liigile jne). See eeldab, et iga mikroskoopilise suurusega organism kuulub mikroorganismi hulka. See mõiste on aga üsna meelevaldne, sest traditsiooniliselt mikroskoopilisteks peetavate objektide hulgast tuntakse ka makroskoopilisi ning sama tüve suurus võib kultiveerimistingimustest ja muudest teguritest olenevalt oluliselt erineda.
Patendimenetluses hõlmab objekt "tüvi" kõiki mikroskoopilise suurusega elujõulisi organisme - baktereid, viirusi, algloomi, mikroskoopilisi selgrootuid ja muid üksiktüvesid, mikroorganismide konsortsiume, samuti taimede ja loomade kultiveeritud somaatilisi rakke. Tüvi saab olla õiguskaitse objektiks ainult siis, kui sellel on praktilisi (kasulikke) omadusi. Uus tüvi, mida teaduslikust vaatenurgast iseloomustab teatud omaduste kogum, ei kuulu kaitse alla.
Üksikud tüved hõlmavad ühe liigi mikroorganismide kultuuri.
Mõiste “konsortsium” hõlmab kõiki mikroorganismide koosluste vorme, s.o. nii kunstlikult koostatud segakultuuridest kui ka isoleeritud kultuuridest looduslikud allikad funktsionaalselt jagamatu tervikuna. Konsortsiumide kasutamisel on mitmeid eeliseid. Näiteks kõige püsivamad pestitsiidid lagunevad kiiremini ja täielikumalt mitte puhaskultuuride (üksiktüvede), vaid spetsiaalselt kohandatud koosluste kaudu. Mikroobikoosluste kasutamisel põhinev tootmine on majanduslikult kümneid kordi suurem kui puhaskultuuridel põhinev tootmine. Puhaskultuuride alusuuringute kulud on kümneid ja sadu kordi suuremad kui mikroobikoosluste tööstusliku kasutuse uurimise kulud jne.
Taime- ja loomarakud on väljaspool keha kasvanud rakkude kogum, mida kasutatakse aretustööks mis tahes ainete tootjana, viiruste kultiveerimiseks vaktsiinide saamiseks jne.
Olgu öeldud, et termini "tüvi" kasutamine patendipraktikas on mõnevõrra erinev V bioloogia, sest Praktikas ei kasuta bioloogid tavaliselt enamiku ülalloetletud mikroorganismide puhul terminit "tüvi". Kuid patendimenetluses kasutatava tüve mõiste ei ole vastuolus bioloogias omaks võetud tüve mõistega. Selle termini kasutamine patendivaldkonnas on seotud püüdega ühendada paljusid bioloogilisi objekte leiutise objektideks.
Euroopa patendikonventsiooni reeglis 28 kasutati kuni 1995. aastani sõna "tüvi" asemel mõistet "mikroorganism", kaldudes tõlgendama "bioloogiliselt paljunevat materjali". Selle eeskirja lisaväljaandes, mis jõustus 1. oktoobril 1996, asendati mõiste “mikroorganism” mõistega “bioloogiline materjal”. Sama terminit kasutatakse ka EL biotehnoloogiliste leiutiste õiguskaitse direktiivis. Bioloogiline materjal viitab mis tahes materjalile, mis sisaldab geneetilist teavet, mis on isepaljunev või bioloogilises süsteemis reprodutseeritav.
Mõiste “bioloogiline materjal” laiendab oluliselt nende bioloogiliste objektide loetelu, mis on (ja võivad olla ka tulevikus) leiutise objektid ning kajastab täpsemalt objekti olemust (olemust).
Biotehnoloogiliselt saadud ühendid, nagu varem mainitud, hõlmavad antibiootikume ja ensüüme. va kcins jne.
Antibiootikumid - need on bioloogilist päritolu ained, mis võivad nakatada mikroorganisme või pärssida nende kasvu, samuti kasvu pahaloomulised kasvajad. Neid kasutatakse meditsiinis, põllumajanduses, toiduainetööstuses ja mikrobioloogiatööstuses. Antibiootikume saadakse nii mikrobioloogilise kui ka keemilise sünteesi teel.
Ensüümid (ensüümid) - bioloogilised katalüsaatorid, keemilise olemuselt valgud. Peab olema kõigis keharakkudes. Nad kiirendavad ainete muundumist (biokeemilisi reaktsioone), suunavad ja reguleerivad ainevahetust.
Vaktsiinid- preparaadid elusatest või surnud mikroorganismidest, mikroobirakkude üksikutest komponentidest, mikroorganismide jääkproduktidest. Neid kasutatakse inimeste ja loomade ennetamiseks ja raviks.
Geenitehnoloogia objektid, kui täpsustame varem loetletud suured objektide rühmad, hõlmavad järgmist:
DIC ja RNA järjestused on nukleiinhapped - DNA (desoksüribonukleiinhape) ja RNA (ribonukleiinhape), komplekssed orgaanilised ühendid. Need võivad paikneda raku tuumas, tsütoplasmas, selle organellides (tsütoplasmas esinevad struktuurid). Nukleiinhapped koosnevad nukleotiididest, mis on omavahel seotud kindla järjestusega. Nukleiinhapete põhiülesanne on geneetilise teabe säilitamine ja edastamine.
Geenid (nukleiinfragmendid kubisevad) on DNA molekulide (kõrgemad organismid) või RNA (viirused) lõigud. Geenid koosnevad nukleotiididest (keerulistest orgaanilistest ühenditest), mis on omavahel seotud, moodustades iga DNA (RNA) ahela. Iga geen sisaldab sadu nukleotiide ja vastutab konkreetse valgu sünteesi eest. Kontrollides valkude moodustumist, juhivad geenid kõiki keha keemilisi reaktsioone ja määravad seetõttu selle omadused.
Rekombinantsed nukleiinhappemolekulid uued (kunstlikult loodud) nukleiinhappejärjestused, mis on moodustatud võõr-DNA molekulide ahelasse sisestamisel.
Plasmiid - autonoomseks replikatsiooniks võimeline DNA molekul, mis võimaldab geneetilise materjali dubleerimist.
vektor- DNA molekul, mis võib sisaldada võõr-DNA-d, siseneda rakku ja kanda sinna üle selle võõra DNA poolt kantud geneetilise informatsiooni. Kuid geneetilise teabe edastamine pole vektori ainus funktsioon, näiteks on vektorid, mis tagavad geneetilise teabe rakendamise jne.
Oravad- suure molekulmassiga orgaanilised ühendid. koosnevad aminohapetest ja osalevad rakkude ja kudede ehituses, olles ensüümid, hormoonid, hingamisteede pigmendid (hemoglobiin) jne.
1.6.2. Biotehnoloogia objektide kirjeldamise iseärasused leiutisetaotluse koostamisel
Biotehnoloogia valdkonna objektide kirjeldamise osad on sama järjestuse ja ülesehitusega kui traditsioonilistel (seade, meetod, aine, teadaolevate objektide kasutamine uuel otstarbel). Siiski on mitmeid funktsioone, mis on toodud allpool. Objektide kirjelduse kohta pole vaja üksikasjalikku teavet anda, seega see teave annab ainult üldine idee teabe olemuse kohta. Üksikasjalik kirjeldus objektid on toodud juhendis ja taotluse koostamisel peaksite sellest juhinduma normdokument ja lisana - "Soovitused ajutiste patentide ja leiutiste patentide koostamise kohta meditsiini-, bioloogia- ja põllumajandus", avaldatud 2002.
Mikroorganismide, taime- ja loomarakkude tüvede kirjeldamisel märkida nomenklatuuri andmed, tüve päritolu, kvantitatiivsed ja kvaliteetne koostis toitekeskkonnad, kultiveerimistingimused, teave biosünteesi kohta, kasulikud (siht)produktid, tüve aktiivsuse tase, ladestumine (täpsem teave ladestumise kohta on toodud allpool) jne.
Mikroorganismide, taime- ja loomarakkude konsortsiumide puhul märkige komponentide (konsortsiumi kuuluvad mikroorganismid) olemasolu kontrollimise meetod, nende eraldamise meetodid, konsortsiumi stabiilsus, teave ladestamise kohta jne.
Leiutisekohane valem mikroorganismi, rakkude ja loomade tüve jaoks sisaldab bioloogilise objekti liiki ja üldnimetust, hoiukogu nimetust või lühendit, kollektsiooni poolt deponeeritud objektile antud registreerimisnumbrit ja eesmärki. tüvest. Näiteks:
"Pärmitüvi Rhodotoruia giutinis VKPM U-2230 karotenoidide tootja";
- „Bakteritüvede konsortsium Pseudomonas liigid VKPM B-6782, Pseudomonas pseudoaica Jigenes VKPM B-6783, Corynebacterium liigid DRCJV D-6784. lagunevad naftasaadused”;
- "Inimese rakukultuuri tüvi NTNIV 27 GKV nr 4122 – inimese immuunpuudulikkuse viiruse tootja."
Biotehnoloogiliselt saadud ühendite puhul oleneb kirjelduses esitatav teave teemast. Näiteks kui viimane viitab tundmatu struktuuriga ühenditele, siis on vaja andmeid selle ühendi eristamiseks teistest. Kui me räägime üksikutest ühenditest, siis on vaja esitada struktuurivalem jne. Valemite sõnastamise näited on toodud objekti “aine” kirjeldamisel käesoleva õpiku vastavas peatükis.
Geenitehnoloogia tooteid on suhteliselt hiljuti hakatud käsitlema leiutise objektidena ja seetõttu on siin vaja mõningaid selgitusi.
Küsimus, kuidas geenitehnoloogia tooteid iseloomustada, on üks raskemini lahendatavaid. Põhjus pole mitte ainult selles, et tegemist on üsna noore teadmisvaldkonnaga, vaid ka geenitehnoloogia toodete spetsiifilisuses, mis seisneb nii nende keemilises olemuses (siit ka võimaluses võrdsustada need üksikute ühenditega kui kaitseobjektidega) kui ka geenitehnoloogia toodete spetsiifilisuses. tõsiasi – ja see on peamine – et nad on geneetilise informatsiooni kandjad.
Geneetilise materjali kontrollitud manipuleerimise võimalus tekitab suurt huvi nii elusorganismide (mikroorganismid, taimed, loomad) kui ka nende elementide (geenid, plasmiidid, DNA fragmendid jne) kaubandusliku kasutamise vastu.
Kaasaegse tööstusliku geenitehnoloogia alguseks peetakse 1980. aastat, mil anti tüvele patent
Deponeerimisdokumendi esitamine eeldab, et leiutaja on juba tõendanud leiutise seisukohast olulise organismi olemasolu, mida huvitatud isik saab taotleda ja hankida ning koos avaldatud kirjeldusega teeb leiutise üldsusele kättesaadavaks.
4 Biotehnoloogilise protsessi peamiseks lüliks on bioloogiline objekt, mis on võimeline läbi viima teatud lähteaine modifikatsiooni ja moodustama üht või teist vajalikku toodet. Sellised biotehnoloogilised objektid võivad hõlmata mikroorganismide, loomade ja taimede rakke, transgeenseid loomi ja taimi, seeni, aga ka rakkude ja üksikute ensüümide mitmekomponentseid ensüümsüsteeme. Enamiku kaasaegse biotehnoloogilise tootmise aluseks on mikroobne süntees, s.o erinevate bioloogiliselt aktiivsete ainete süntees mikroorganismide abil. Kahjuks ei ole taimset ja loomset päritolu objektid mitmel põhjusel veel leidnud nii laialdast kasutust. Seetõttu on tulevikus soovitatav käsitleda mikroorganisme kui biotehnoloogia põhiobjekte.
1 Mikroorganismid on biotehnoloogia peamised objektid erinevat tüüpi mikroorganismid. Need on peamiselt bakterid, aktinomütseedid ja tsüanobakterid. Nii suure hulga mikroorganismide puhul on väga oluliseks ja sageli ka keeruliseks probleemiks täpselt sellise organismi õige valik, mis on võimeline vajaliku toote andma, s.t. teenima tööstuslikke eesmärke. 5
Paljudes biotehnoloogilistes protsessides kasutatakse piiratud arvu mikroorganisme, mis on klassifitseeritud GRAS-iks (üldtunnustatud kui ohutud). Selliste mikroorganismide hulka kuuluvad bakterid Basillus subtilis, Basillus amyloliquefaciens, muud tüüpi batsillid ja laktobatsillid ning Streptomyces'i liigid. Siia kuuluvad ka seeneliigid Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, pärmseen Saccharomyces jt. GRAS-i mikroorganismid on mittepatogeensed, mittetoksilised ega moodusta üldjuhul antibiootikume, mistõttu tuleks uue biotehnoloogilise protsessi väljatöötamisel keskenduda just neile. mikroorganismid kui biotehnoloogia põhiobjektid. 6
Mikrobioloogiatööstus kasutab praegu tuhandeid mikroorganismide tüvesid, mis eraldati peamiselt looduslikest allikatest nende põhjal. kasulikud omadused ja seejärel täiustatud erinevate meetodite abil. Seoses tootmise ja tootevaliku laienemisega on mikrobioloogiatööstuses üha enam kaasatud mikroobide maailma esindajaid. Tuleb märkida, et lähitulevikus ei uurita ühtegi neist samal määral kui E. coli ja Bac. subtilis. Selle põhjuseks on seda tüüpi uuringute tohutu töömahukus ja kõrge hind. 7
Sellest tulenevalt tekib probleem sellise uurimisstrateegia ja -taktika väljatöötamisega, mis võimaldaks mõistliku tööjõuga uute mikroorganismide potentsiaalist ammutada kõike seda, mis on kõige väärtuslikum biotehnoloogilistes protsessides kasutamiseks sobivate tööstuslikult oluliste tootjatüvede loomisel. Klassikaline lähenemisviis on soovitud mikroorganismi eraldamine looduslikest tingimustest. Oletatava tootja looduslikest elupaikadest võetakse materjaliproovid (võetakse materjaliproovid) ja nakatatakse selektiivses keskkonnas, mis tagab huvipakkuva mikroorganismi eelistatud arengu, s.o. saada nn rikastamiskultuure. 8
Järgmine samm on puhaskultuuri eraldamine koos isoleeritud mikroorganismi edasise uurimisega ja vajaduse korral selle tootmisvõime ligikaudne määramine. On veel üks viis mikroorganismide-tootjate valimiseks - see on valik soovitud tüüpi olemasolevatest hästi uuritud ja põhjalikult iseloomustatud mikroorganismide kogudest. See muidugi välistab vajaduse teha mitmeid töömahukaid toiminguid. 9
Peamine kriteerium biotehnoloogilise objekti valikul on sihttoote sünteesimise võime. Kuid lisaks sellele võib protsessi enda tehnoloogia sisaldada lisanõudeid, mis on mõnikord väga-väga olulised, et mitte öelda määravad. Üldjuhul peavad mikroorganismid olema suure kasvukiirusega, kasutama oma eluks vajalikke odavaid substraate ja asuma võõras mikroflooras, st olema kõrge konkurentsivõimega. Kõik eelnev võimaldab oluliselt vähendada sihttoote tootmiskulusid. 10
Toome mõned näited, mis tõestavad mikroorganismide rolli biotehnoloogia objektina: 1. Üherakulisi organisme iseloomustavad reeglina kõrgemad kasvukiirused ja sünteetilised protsessid kui kõrgemaid organisme. Kuid see ei ole iseloomulik kõigile mikroorganismidele. Mõned neist kasvavad äärmiselt aeglaselt, kuid pakuvad huvi, sest nad on võimelised tootma erinevaid väga väärtuslikke aineid. 11
2. Biotehnoloogilise arengu objektidena pakuvad erilist huvi fotosünteetilised mikroorganismid, mis kasutavad oma elutegevuses päikesevalguse energiat. Mõned neist (tsüanobakterid ja fotosünteetilised eukarüootid) kasutavad süsinikdioksiidi allikana CO 2 ja mõned tsüanobakterite esindajad on lisaks kõigele eelnevale võimelised assimileerima õhulämmastikku (st nad on äärmiselt tagasihoidlikud toitaineid). Fotosünteetilised mikroorganismid on paljulubavad ammoniaagi, vesiniku, valgu ja mitmete orgaaniliste ühendite tootjatena. Kuid nende geneetilise korralduse ja elu molekulaarbioloogiliste mehhanismide kohta kehtivate piiratud põhiteadmiste tõttu ei tohiks nende kasutamisel edusamme lähitulevikus oodata. 12
3. Teatavat tähelepanu pööratakse sellistele biotehnoloogilistele objektidele nagu °C juures kasvavad termofiilsed mikroorganismid. See omadus on suhteliselt mittesteriilsel kasvatamisel peaaegu ületamatu takistus võõra mikrofloora arengule, s.t. on usaldusväärne kaitse reostusest. Termofiilide seas leiti alkoholide, aminohapete, ensüümide ja molekulaarse vesiniku tootjaid. Lisaks on nende kasvukiirus ja metaboolne aktiivsus 1,5-2 korda suurem kui mesofiilidel. Termofiilide poolt sünteesitud ensüüme iseloomustab suurenenud vastupidavus kuumusele, mõnedele oksüdeerivatele ainetele, detergentidele, orgaanilistele lahustitele ja muudele ebasoodsatele teguritele. Samal ajal on nad tavatemperatuuril vähe aktiivsed. 13
Seega on termofiilsete mikroorganismide ühe esindaja proteaasid 20 °C juures 100 korda vähem aktiivsed kui 75 °C juures. Viimane on mõne tööstusliku tootmise jaoks väga oluline omadus. Näiteks termofiilse bakteri Thermus aquaticus ensüüm Tag polümeraas on leidnud laialdast rakendust geenitehnoloogias. Juba varem mainiti nende organismide teist väga olulist omadust, nimelt seda, et nende kultiveerimisel ületab nende elukeskkonna temperatuur oluliselt ümbritseva õhu temperatuuri. See kõrge temperatuuride erinevus tagab kiire ja tõhusa soojusvahetuse, võimaldades kasutada bioloogilisi reaktoreid ilma mahukate jahutusseadmeteta. Ja viimane omakorda hõlbustab segamist, õhutamist ja vahu eemaldamist, mis koos vähendab oluliselt protsessi maksumust. 14
2 Mikroorganismide eraldamine ja valimine Kõige väärtuslikumate ja aktiivsemate tootjate loomise protsessi lahutamatu komponent, s.o. Biotehnoloogias objektide valikul on oluline nende valik. Peamine valikuviis on genoomide teadlik kujundamine soovitud tootja valiku igas etapis. Seda olukorda ei saanud alati realiseerida, kuna puuduvad tõhusad meetodid valitud organismide genoomide muutmiseks. Mikroobsete tehnoloogiate väljatöötamisel on mänginud olulist rolli meetodid, mis põhinevad spontaanselt tekkivate modifitseeritud variantide valikul, mida iseloomustavad soovitud kasulikud omadused. 15
Selliste meetodite puhul kasutatakse tavaliselt astmelist selektsiooni: igas selektsioonietapis valitakse mikroorganismide populatsioonist välja kõige aktiivsemad variandid (spontaansed mutandid), millest järgmises etapis valitakse välja uued tõhusamad tüved jne. Vaatamata ilmsetele piirangutele seda meetodit, mis seisneb mutantide väheses esinemissageduses, on selle võimed veel liiga vara, et neid täielikult ammendatuks lugeda. 16
Indutseeritud mutageneesi meetodi kasutamisel kiireneb kõige tõhusamate tootjate valiku protsess märkimisväärselt. Mutageensete mõjudena kasutatakse UV-, röntgen- ja gammakiirgust, teatud kemikaale jne. Kuid ka sellel tehnikal pole puudusi, millest peamiseks on töömahukus ja teabe puudumine muutuste olemuse kohta. katsetaja valib vastavalt lõpptulemusele. 17
Näiteks võib organismi vastupanuvõimet raskmetalliioonide suhtes seostada nende katioonide bakteriraku neelamise süsteemi pärssimisega, katioonide rakust eemaldamise protsessi aktiveerimisega või süsteemi (süsteemide) ümberstruktureerimisega, mis on sõltuvad katiooni inhibeerivast toimest rakus. Loomulikult võimaldab jätkusuutlikkuse suurendamise mehhanismide tundmine teostada sihipärast mõjutamist, et saavutada lõpptulemus lühema ajaga, kui ka valida konkreetsetele tootmistingimustele paremini sobivaid valikuid. Loetletud lähenemisviiside kasutamine koos klassikaliste selektsioonitehnikatega on tootvate mikroorganismide kaasaegse selektsiooni olemus. 18
Näiteks võib organismi vastupanuvõimet raskmetalliioonide suhtes seostada nende katioonide bakteriraku neelamise süsteemi pärssimisega, katioonide rakust eemaldamise protsessi aktiveerimisega või süsteemi (süsteemide) ümberstruktureerimisega, mis on sõltuvad katiooni inhibeerivast toimest rakus. Loomulikult võimaldab jätkusuutlikkuse suurendamise mehhanismide tundmine teostada sihipärast mõjutamist, et saavutada lõpptulemus lühema ajaga, kui ka valida konkreetsetele tootmistingimustele paremini sobivaid valikuid. Loetletud lähenemisviiside kasutamine koos klassikaliste selektsioonitehnikatega on tootvate mikroorganismide kaasaegse selektsiooni olemus. 19
Biotehnoloogia objektid ja meetodid
2. loeng
Loengu formaat:ülevaateloeng
1. Biotehnoloogia objektid
2. Biotehnoloogiliste protsesside mitmekesisus.
3. Biotehnoloogia põhisuunad
1. Bioobjekt– biotehnoloogilise tootmise keskne ja kohustuslik element, mis loob selle eripära.
Bioobjekt võib olla terviklik mitmerakuline või üherakuline organism, mis on säilitanud oma elujõulisuse. Need võivad olla mitmerakulise organismi isoleeritud rakud, aga ka teatud metaboolsesse protsessi kaasatud rakkudest eraldatud viirused ja multiensüümikompleksid. Lõpuks võib bioloogiline objekt olla isoleeritud ensüüm.
Bioloogilise objekti funktsioon- sihtsaaduse täielik biosüntees, sealhulgas järjestikuste ensümaatiliste reaktsioonide seeria või ainult ühe ensümaatilise reaktsiooni katalüüs, mis on sihtsaaduse saamiseks võtmetähtsusega.
Bioloogilist objekti, mis viib läbi sihtprodukti täieliku biosünteesi, nimetatakse tootjaks. Bioloogilist objekti, mis on individuaalne ensüüm või täidab ühe ensümaatilise reaktsiooni funktsiooni, mida kasutab biotehnoloog, nimetatakse tööstuslikuks katalüsaatoriks.
Seega hõlmavad bioloogilised objektid nii makromolekule kui ka mikro- ja makroorganisme.
Tööstuslikus tootmises kasutatakse makromolekulidena kõigi teadaolevate klasside ensüüme, kõige sagedamini aga hüdrolaase ja transferaase. On tõestatud, et ensüümide kasutamine tootmises immobiliseeritud kujul, st seostatuna lahustumatu kandjaga, on kõige ratsionaalsem, kuna sel juhul on tagatud nende kasutamise korratavus ja korduvate tootmistsüklite standardiseerimine. Teatud kokkuleppe kohaselt algab Elavate asjade trepp viirustest. Viimaseid kui bioloogilisi objekte (nõrgenenud patogeensusega) kasutatakse eelkõige vaktsiinide valmistamiseks.
Bioloogiliste objektidena on prokarüootide ja eukarüootide mikroobirakud kaasaegses biotehnoloogilises tootmises domineerival positsioonil. Nad on tootjad, mida kasutatakse ravimid esmased metaboliidid; aminohapped, lämmastikalused, koensüümid, mono- ja disahhariidid, asendusravis kasutatavad meditsiinilised ensüümid jne.
Mikroorganismid moodustavad tohutul hulgal sekundaarseid metaboliite, millest paljusid kasutatakse näiteks antibiootikumide ja teiste imetajarakkude homöostaasi korrigeerijatena.
Kõrgemad taimed on traditsiooniline ja siiani kõige ulatuslikum ravimite allikas. Taimede kui bioloogiliste objektide kasutamisel on põhitähelepanu suunatud taimekudede kasvatamise tehissöötmetel (kallus- ja suspensioonkultuurid) küsimustele ning sellega avanevatele uutele väljavaadetele.
Traditsioonilised ravimite ja diagnostika tarnijad on loomamaailma esindajad. Üsna sageli toimivad bioloogiliste objektidena imetajad, linnud, roomajad, kahepaiksed, lülijalgsed, kalad ja molluskid. Nende toodetavate bioloogiliselt aktiivsete ühendite valik, mida meditsiinis kasutatakse, on äärmiselt suur.
IN viimastel aastatel Seoses rekombinantse DNA tehnoloogia arenguga kasvab sellise bioloogilise objekti kui inimese tähtsus kiiresti, kuigi esmapilgul tundub see paradoksaalne.
Põhimõtteliselt võiks inimese juba ammu liigitada bioloogiliseks objektiks, näiteks homoloogse antiseerumi saamisel või inimese kudede ja elundite siirdamiseks, näiteks luuüdi, neerude vms kasutamisel.
Biotehnoloogia seisukohalt (bioreaktorite abil) sai inimene aga bioloogiliseks objektiks alles pärast seda, kui sai aru võimalusest kloonida oma DNA (täpsemalt eksonid) mikroobirakkudes. Tänu sellele lähenemisele likvideeriti tooraine nappus liigispetsiifiliste inimvalkude saamiseks.
Iseloom bioloogiline süsteem(mikroorganismid, putukate, taimede ja imetajate rakuliinid, hulkraksed organismid) on biotehnoloogilise protsessi jaoks äärmiselt oluline. Paljudel juhtudel on kaubanduslikuks lõpptooteks geneetiliselt muundatud isepaljunev bioloogiline üksus (mikroorganism, viirus, taim või loom).
Prokarüootid ja eukarüootid. Kõik elusorganismid jagunevad tavaliselt kahte põhirühma: prokarüootid ja eukarüootid. Umbes 1,5 miljardit aastat tagasi toimus üleminek väikestelt rakkudelt suhteliselt lihtsatele sisemine struktuur(nn prokarüootid, mis hõlmavad erinevaid baktereid) suuremateks ja palju keerulisemateks eukarüootseteks rakkudeks, mis on sarnased rakkudega. kõrgemad taimed ja loomad.
Peamised struktuursed erinevused prokarüootide ja eukarüootide vahel:
· kromosomaalse DNA-d sisaldava tuuma olemasolu või puudumine;
· struktuur ja keemiline koostis rakusein;
· subtsellulaarsete tsütoplasmaatiliste organellide olemasolu või puudumine.
Prokarüootides bakterirakk kromosomaalne DNA asub otse tsütoplasmas, rakku ümbritseb jäik rakusein. Rakul ei ole subtsellulaarseid tsütoplasmaatilisi organelle. IN optimaalsed tingimused Prokarüootne rakk võib jaguneda iga 20 minuti järel ja seega toota rohkem kui 10 miljardit rakku vähem kui 24 tunni jooksul.
Eukarüootsel rakul on tuum, mis on tsütoplasmast eraldatud tuumamembraaniga, tuumas paikneb kromosoomi DNA. Tsütoplasma sisaldab erinevaid subtsellulaarseid organelle: tuuma ümbritsevad membraanid, labürindi moodustavad mitokondrid endoplasmaatiline retikulum(ER), kus sünteesitakse lipiide ja membraanivalke. Membraanid moodustavad paksenenud mullide virnad, mis moodustavad Golgi aparaat, mis osaleb erinevate orgaaniliste molekulide sünteesis ja transpordis. Membraanid ümbritsevad lüsosoomid(subtsellulaarsed struktuurid läbimõõduga 0,2-0,5 mikronit), mis sisaldavad rakusiseseks seedimiseks vajalikke hüdrolüütilisi ensüüme.
Membraanid kaitsevad seega raku enda valke ja nukleiinhappeid nende ensüümide toime eest. Membraanid ümbritsevad ka peroksisoome, mis sisaldavad oksüdatiivseid ensüüme, mis toodavad ja hävitavad ohtlikke, väga reaktiivseid peroksiide (peroksiide). Vahetus rakusiseste membraaniga suletud struktuuride ja rakuvälise keskkonna vahel toimub endotsütoosi kaudu.
2.3 Taimemaailm määrab inimkonna heaolu. Teadaolevalt saab inimkond 1,9 miljardit tonni (-99%) tarbitavast kuivainest taimedest. Taimi kasutatakse laialdaselt erinevaid valdkondi tootmine: põllumajandus, toiduainete tootmine, ehitus, tekstiili-, paberi- ja energiatootmine. Eriti huvitav on erinevate keemiliste ühendite, bioloogiliselt aktiivsete ainete (BAS) tootmine, millest neid toodetakse ravimid(taimsed ravimid), põllumajanduskemikaalid jne.
Põllumajanduse saagikuse märkimisväärne kasv 20. sajandil saavutati keemistamisel, mehhaniseerimisel ja põllumajanduse rekultiveerimisel, mis tõi kaasa keskkonna saastamise, energiaressursside ammendumise ja kulude suurenemise toodanguühiku kohta. Lisaks on põllukultuuride parandamise täiendav edu enamikul juhtudel jõudnud oma piirini. Seetõttu on kiiresti vaja uusi lähenemisviise otsida ja rakendada.
Selle probleemi uutest lähenemisviisidest on kõige lootustandvam rakutehnoloogia (sünonüüm: raku ja koe biotehnoloogia) kasutamine. Rakutehnoloogia (raku- ja koebiotehnoloogia) põhineb põhimõtteliselt uue meetodi – eukarüootsete organismide (taimede, loomade) isoleeritud rakukultuuri – kasutamisel. Isoleeritud rakkude ja kudede kasvatamist kunstlikul toitainekeskkonnal (in vitro) steriilsetes tingimustes nimetatakse isoleeritud koekultuuri meetodiks.
Eraldatud rakkude ja kudede kultiveerimise rolli biotehnoloogias tuleks vaadelda kolmes suunas (Shevelukha et al., 2003). Esimene on seotud isoleeritud taimerakkude võimega toota sekundaarseid sünteesiaineid, mis on väärtuslikud meditsiinis, parfümeerias, kosmeetikas ja muudes tööstusharudes: alkaloide, steroide, glükosiide, hormoone, eeterlikud õlid jne. Reeglina saadakse sekundaarsed ained tahkel (agar) või vedelal (suspensioonkultuur) toitainekeskkonnal kasvatatud kallusekoest. Rakutehnoloogiate põhjal saadakse meditsiinis ja parfümeerias kasutatavaid meditsiinilisi preparaate nagu Dioscorea rakkudest pärit diosgeniin ja ženšenni rakkudest toniseerivaid aineid. Kultiveeritud rakkude produktiivsus rakuvaliku tulemusena võib oluliselt ületada tervete taimede produktiivsust. Selle sekundaarse sünteesi ainete saamise meetodi eeliseks on ka võimalus kasutada selleks otstarbeks taimi, mis meie piirkondades ei kasva. looduslikud tingimused ja saada tooteid aastaringselt. Teine suund on isoleeritud rakukultuuri kasutamine paljunemiseks ja tervendamiseks istutusmaterjal. See meetod, mida nimetatakse taimede klonaalseks mikropaljundamiseks, võib ühest meristeemist toota sadu tuhandeid taimi aastas.
Kolmas suund on isoleeritud rakkude kasutamine sordiaretuses, mis võimaldab saada kiiresti kasvavad taimed vastupidav erinevatele ebasoodsad tegurid keskkonnad: põud, soolsus, madalad ja kõrged temperatuurid, fütopatogeenid, raskmetallid jne. Samas hõlmab see suund uute taimede loomist isoleeritud protoplastide liitmise ja aseksuaalsete (somaatiliste) hübriidide saamisega.
Kahtlemata on 21. sajand transgeensete taimede sajand. Need herbitsiidide, putukate ja viiruste suhtes vastupidavad taimed asendavad kiiresti vanad põllukultuuride sordid. Võõrgeenide ülekandmine isoleeritud protoplastidesse geenitehnoloogia meetodite abil on paljutõotav meetod transgeensete taimede tootmiseks.