Глава 2. Биообъекты, применяемые в биотехнологическом производстве

К основным «компонентам» биотехнологического производства относятся биообъект, биотехнологический процесс, конечный (целевой) продукт. Биообъект — центральный и обязательный элемент био­технологического производства, определяющий его специфику.

Биообъекты отличаются такими показателями, как уровень структурной организации, способность к размножению, а также особенности собственного метаболизма (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Классификация биообъектов по уровням организации

В качестве биообъектов в биотехнологическом процессе рассмат­ривают: целостный жизнеспособный многоклеточный или одноклеточ­ный организм либо изолированные клетки многоклеточного организма; мультиферментные комплексы или индивидуальные изолированные ферменты, а также вирусы.

Для успешной реализации биотехнологических процессов биообъект должен характеризоваться следующими параметрами: чистотой, скоростью размножения клеток или репродукции вирусных частиц, активностью и стабильностью биомолекул и биосистем.

Функцией биообъекта может являться как полный биосинтез целевого продукта (продуцент), так и катализ «ключевой» ферментативной реакции (биокатализатор) (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Производственные функции биообъектов

Биообъекты могут быть также классифицированы в зависимости от их размеров:

1) макрообъекты (человек, млекопитающие, рептилии, рыбы, насекомые, растения);

2) микрообъекты [эукариоты— низшие грибы, водоросли (кроме сине-зеленых); прокариоты — актиномицеты, бактерии, сине-­зеленые водоросли; микробиосистемы — ферменты, протопласты].

В современном биотехнологическом производстве доминирующее положение занимают клетки микроорганизмов (как прокариот, так и эукариот) как продуцентов первичных метаболитов, применяемых в качестве лекарственных средств (аминокислоты, ферменты и кофермен­ты, моно- и дисахара), а также вторичных метаболитов (антибиотиков, витаминов и др.), пробиотиков, используемых при дисбакте­риозах для нормализации микрофлоры. Микроорганизмы также являются биообъектами при производстве иммунобиологических препаратов, гормо­нов пептидной структуры и т.д.

В качестве биообъектов интерес представляют дикорастущие и плантационно-культивируемые растения, водоросли, а также культуры растительных клеток и тканей.

Источниками получения биотехнологических продуктов являются представители животного мира: млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, членистоногие, рыбы, моллюски. Развитие генно-инженерной технологии создания рекомбинантных ДНК позволило рассматривать в качестве биологического объекта и человека, в частности при получении иммунобиологических препаратов, в случае использования костного мозга, почек, других тканей и органов для трансплантации, а также для получения видоспецифических белковых препаратов человека.

Как отмечено выше, биообъектом могут служить и прокариоты, и эукариоты (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Строение про- и эукариот: а — прокариотическая клетка; б — эукариотическая клетка

Характеристика прокариот:

• хромосомная ДНК находится непосредственно в цитоплазме — ядерной зоне или нуклеоиде;
• число хромосом нечетное — одна или три;
• в цитоплазме клеток отсутствуют или плохо развиты органеллы мембранного строения;
• отсутствует клеточный центр, в связи с чем у прокариотических клеток митоз не происходит;
• наружная клеточная мембрана образует выросты — мезосомы, выполняющие функции митохондрий;
• деление прокариотической клетки происходит каждые 20–60 мин.

Характеристика эукариот:

• ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной, содержит хромосомную ДНК;
• число хромосом всегда четное;
• в цитоплазме содержатся органеллы мембранного и немембранного строения: митохондрии, эндоплазматическая сеть, где синтезируются белки, углеводы и липиды;
• имеется аппарат Гольджи, который участвует в синтезе и транспорте различных органических молекул;
• имеются пероксисомы с окислительными ферментами, разрушающими пероксиды;
• размножение клеток эукариот происходит путем митоза;
• обмен между клеткой и внеклеточной средой происходит с помощью экзо- и эндоцитоза.

В качестве биообъекта могут выступать эубактерии (ныне сущест­вующие бактерии, населяющие почву, воду и живые организмы) и архебактерии (самые древние прокариотические организмы на Земле) (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Систематика бактерий

В зависимости от способности существовать при различных температурах окружающей среды выделяют следующие группы микроорганизмов: термофилы (температура среды обитания от 45 до 90 °С и выше); мезофилы (температура среды обитания от 10 до 47 °С); психрофилы или психротрофы (температура среды обитания от –5 до 35 °С).

Наличие трех групп микроорганизмов, существующих и активно размножающихся в различных диапазонах температур, позволяет решать разнообразные биотехнологические задачи. Например, из генотипа термофилов выделяют гены, детерминирующие синтез термостабильных ферментов, а генетически модифицированные психротрофы используются для биодеградации токсичных отходов, содержащихся в почве и воде в условиях пониженных температур.