Елинов Н.П. Основы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

(ткани) растений, животных и человека, некоторые биогенные и

функционально сходные с ними вещества (например, ферменты,

простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты и др.). Следова-

тельно, объекты биотехнологии могут быть представлены органи-

зованными частицами (вирусы), клетками (тканями) или их мета-

болитами (первичными, вторичными). Даже при использовании

биомолекулы как объекта биотехнологии исходный биосинтез ее

осуществляется в большинстве случаев соответствующими клет-

ками. В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии

относятся либо к микробам, либо к растительным и животным

организмам. В свою очередь организм можно образно характери-

зовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, само-

регулируемого и, следовательно, целенаправленного биохимиче-

ского производства, устойчиво и активно протекающего при оп-

тимальном поддержании всех необходимых параметров. Из такого

определения следует, что вирусы не являются организмами, но по

содержанию молекул наследственности, приспособляемости, из-

менчивости и некоторым другим свойствам они относятся к пред-

ставителям живой природы.

Как видно из приводимой схемы, объекты биотехнологии

исключительно разнообразны, диапазон их распространяется от

организованных частиц (вирусов) (рис. 1А) до человека.

Вирусы занимают положение между живой и неживой приро-

дой, у них нет ядра, хотя имеется наследственный ядерный мате-

риал — рибонуклеиновая кислота (РНК) или дезоксирибонуклеи-

новая кислота (ДНК).

В отличие от микробов клеточной организации РНК и ДНК в

вирусных частицах вместе никогда не обнаруживаются.

Из сказанного следует, что названия "биологическая техноло-

гия,

или биотехнология" и "биохимическая технология" тождест-

венны, так как биологические процессы, используемые в технике

и промышленном производстве, базируются на биохимической

основе.

В настоящее время большинство объектов биотехнологии со-

ставляют микробы, относящиеся к трем надцарствам (безъядер-

ные,

предъядерные, ядерные) и пяти царствам (вирусы, бактерии,

грибы, растения и животные). Причем первые два надцарства

состоят исключительно из микробов, тогда как третье — преиму-

щественно из растений и животных.

Безъядерные

(Acaiyotae)

Предъядерные

(Procaryotae)

Ядерные

(Eucaryotae)

Царства

Вирусы

(Vira)

Бактерии

(Bacteria)

Грибы

(Mycota)

Растения

(Plantes).

Животные

(Animalia)

Морфологическая элемен тар н а я

единица

Неклеточная

организованная

частица

Клетка

Тип содержащейся нуклеиновой

кислоты - ДНК

и/или

РНК

ДНК или РНК

(никогда вместе)

ДНК и РНК ДНК и РНК

Микробами среди растений являются микроскопические водо-

росли (Algae), а среди животных

—

микроскопические простейшие

(Protozoa). Из эукариот к микробам относятся грибы и, при опре-

деленных оговорках, лишайники, которые являются природными

симбиотическими ассоциациями микроскопических грибов и мик-

роводорослей или грибов и цианобактерий.

первой половине XIX

в.

было сделано одно из самых основных

обобщений биологии — клеточная теория (М. Шлейден, Т. Шванн,

Р.

Вирхов), которая стала общепризнанной. Она же оказалась

фундаментом науки — цитология (от греч. kitos — полость). Из

всех объектов биотехнологии лишь вирусы, вироиды и биомоле-

кулы не имеют клеточной организации. Однако вирусы, находясь

в клетках, ведут себя как живые существа — они реплицируются

("размножаются")

и их генетический материал функционирует, в

. основном^ по общим законам, присущим клеткам любого проис-

хождения. По мере совершенствования методов' и техники цито-

логических исследований ученые глубже проникают в сущность

организованных частиц и клеток, а в результате такого проникно-

вения удается обосновать принадлежность всех живых существ к

трем надцарствам: Acaryotae — безъядерные, Procaryotae

—

предъ-

ядерные и Eucaryotae — ядерные (от греч. а — нет, pro — до, ей

— хорошо, полностью, karyon — ядро). К первому относятся

организованные частицы — вирусы и вироиды, ко второму —

бактерии, к третьему — все другие организмы (грибы, водоросли,

растения, животные).

Несмотря на то, что представители всех надцарств содержат

генетический материал, различные акариоты лишены какого-либо

одного типа нуклеиновой кислоты РНК или

ДНК.

Они не способны

функционировать (в том числе — реплицироваться) вне живой

клетки, и, следовательно, правомочно именовать их безъядерными.

Бактерии имеют клеточную организацию и у них имеются

нуклеиновые кислоты обоих типов

—

РНК и ДНК, из которых ДНК

представлена в виде одиночной (кольцевидной) хромосомы. Боль-

шинство из них размножается на питательных средах (вне орга-

низма), а если среди бактерий и есть безусловные (облигатные)

паразиты, приближающиеся по данному признаку к вирусам (хла-

мидии, спироплазмы, риккетсии), то паразитизм их отличается по

своему механизму — его можно назвать клеточным. Паразитизм

вирусов развивается на генетическом уровне. Таким образом,

бактерии — это организмы, состоящие из функционально связан-

ных структур, в том числе, генетических. Несмотря на то, что

генетические структуры бактериальной клетки функционируют

полноценно, они не сгруппированы в форме отграниченного ядра,

и поэтому бактерии отнесены к предъядерным (прокариотическим)

организмам.

Клетки грибов,-водорослей, растений и животных имеют на-

стоящее, отграниченное от цитоплазмы, ядро и поэтому их относят

к эукариотам.

2.1.

Вирусы. Среди микробов вирусы характеризуются

наименьшей величиной — они измеряются в нанометрах (нм.), и

облигатным паразитизмом. Последний признак положен в основу

классификации их на вирусы бактерий, или бактериофаги, вирусы

растений и вирусы животных; имеются также и вирусы грибов.

Как уже было сказано, структурно вирусы представляют собой

организованные частицы, содержащие один какой-либо тип нук-

леиновой кислоты (РНК или ДНК), не обладающие собственным

обменом веществ, но способные к репликации в клетках организ-

ма-хозяина или интеграции с его геномом, ведя при этом "скрытое

существование". Под организованностью вирусной частицы пони-

мают специфическое построение, или архитектонику

(от

греч,

archi

— начальный, главный, первый, tecton — искусник, мастер) струк-

турных блоков, характерную для того или иного вируса, сущест-

вующего вне организма

—

в и р и о н (см. рис. 22а). Каждый вирион

в очищенном виде представляет собой истинный кристалл, кото-

рый построен из нуклеиновой кислоты и белка, не связанных друг

с другом ковалентными связями. Понятие "вирион" относится к

интактной вирусной частице (от лат. intactus — нетронутый,

неповрежденный), способный к инфицированию или заражению

(от лат. infectiosus — заразный).

Нуклеиновые кислоты — вещества наследственности вирусов.

По типу нуклеиновой кислоты их подразделяют на РНК-содержа-

щие вирусы и ДНК-содержащие вирусы. К первым относят все

вирусы растений, ко вторым — большинство бактериофагов, ряд

вирусов человека и животных (аденовирусы, вирусы герпеса,

осповакцины и др.).

Белок структурируется вокруг вирусной нуклеиновой кислоты

(генома) в виде оболочки и называется капсидом. Форма

вириона определяется его капсидом. Вместе с нуклеиновой кисло-

той капсид образует нуклеокапсид.

Примерный перечень вирусов включает 17 семейств вирусов

позвоночных и 7 семейств вирусов беспозвоночных животных, 10

семейств вирусов бактерий. Описаны 20 родов вирусов растений

и 5 родов вирусов грибов. Классификационные схемы вирусов до

конца еще не устоявшиеся, к тому же открывают новые для науки

вирусы (пример с вирусами эбола, иммунодефицита человека —

ВИЧ).

Представителями ДНК-содержащих вирусов являются ви-

русы контагиозного моллюска, оспы, герпеса, большинство фагов

бактерий; РНК-содержащими являются вирусы растений, вирусы

гриппа человека, бешенства, полиомиелита и др.

2.1.1.

Вироиды. В 1971 г. Т. О. Динер (США) впервые описал

субвирусный возбудитель (патоген) веретеновидности клубней

картофеля (ВВКК), названный вироидом. К 1984 г. было известно

10 болезней культурных растений (в том числе — зерновых),

вызываемых вироидами. По молекулярной структуре вироиды

представляют собой одноцепочечные, ковалентно замкнутые, коль-

цевые 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 конформацию (от лат. quasi —

якобы, как-будто, почти, близко; conformatio — форма, расположе-

ний"

:«S*

•та

-0т. ф&.

••«,

, &

, J

Рис.

1. Бактериофаг Т2(А):1 — капсомеры, по-

крывающие головку, 2— воротничок, 3 — шей-

ка, 4 — полый стержень, 5 — чехол, 6 — нити,

7 — икосаэдрическая головка; мендсикуты Б (а-

д):

галобактерии (а), метанобактерии (б), вегета-

тивные формы (в) и покоящиеся формы (г);

термоацидофилы (д); тенерикуты (е): микоплаз-

мы (ж), спироплазмы (з).

ние).

Каждый тип вироида, например ВВКК или вироид экзокор-

тиса цитрусовых (ВЭЦ), содержит уникальный, только ему прису-

щий, особый вид низкомолекулярной РНК. Размеры вироидов

находятся в пределах 15 нм. В чувствительных клетках растений-

хозяев они сосредоточиваются в ядре, ассоциируясь с ядрышком

в виде белково-нуклеинового комплекса, и реплицируются авто-

номно-целиком при помощи предсуществующих или активирован-

ных ферментов хозяина. Вироиды не транслируются! Это подтвер-

ждается структурным сходством их между собой и отсутствием у

ряда вироидов кодонов-инициаторов. В то же время репликация

происходит благодаря транскрипции последовательностей вироид-

ных РНК с РНК-матриц при участии РНК-полимераз.

2.2.

Бактерии — существа клеточной организации, у

которых ядерный материал не отделен от цитоплазмы элементар-

ными мембранами и не связан (!?) с какими-либо основными

белками. Цитоплазма в них с нерегулярно разбросанными рибо-

сомами (70S-THna) неподвижна, клетки не обладают способностями

эндо-

и экзоцитозу.

большинстве своем бактерии одноклеточны,

наименьший диаметр их 0,2 — 10,0 мкм.

Все бактерии составляют единое царство Bacteria, хотя одни из

них — археобактерии (Archaeobacteria) заметно отличаются от

других, названных эубактериями (Eubacteria) (От греч. ей — хоро-

шо) . Очевидно, археобактерии являются более древними предста-

вителями прокариот, чем эубактерии. Они обитают в средах с

экстремальными условиями (от лат. extremus — крайний) — высо-

кие концентрации неорганических солей, повышенные темпера-

туры, оксид и диоксид углерода — как единственные источники

углерода. К археобактериям относятся галобактерии, термоацидо-

фильные бактерии и метанобразующие, или метаногенные бакте-

рии (рис. 1Б). Дендрограмма (от греч. dendron — дерево, gramma

— описание) прокариот может быть изображена следующим об-

разом:

Галофильные Термоапидофиль— Метаногенные Фототрофные Хемотрофные

бактерии ные бактерии бактерии бактерии бактерии

Ар хеобактер ии • Эубактерии

Предковые формы

Фототрофными бактериями являются оксигенные цианобакте-

рии, аноксигенные пурпурные и зеленые бактерии; хемотрофными

— грамположительные и грамотрицательные бактерии и бациллы,

миксобактерии, стебельковые и почкующиеся бактерии, вибрио-

ны,

спириллы, спирохеты, актиномицеты, коринебактерии, мико-

бактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы и спироплазмы.

Галобактерии включают роды Haloarcula, Halobacterium,

Halococcus, Natrobacterium, Natrococcus. Они обнаруживаются в

морских солеварнях (оптимум натрия хлорида для них 3,5 — 5 М).

Термоацидофильные бактерии обитают в кислых горячих ис-

точниках при рН 2 — 3 и температуре 70° — 90°С (Sulfolobus

acidocoldarius), в самонагревающихся терриконах угольных шахт

при рН 1 — 2 и температуре 59°С (Thermoplasma acidophilum), в

горячих источниках на дне морей и на склонах вулканов при

температуре 85 — 105°С (Thermoproteus tenax, Т. neutrophilia и

АР-)-

Метаногенные бактерии, к которым относятся кокки

(Methanococcus

vannielli),

сарцины (Methanosarcinabarkeri), палоч-

ки (Methanobacteriumformicicum, Methanobrevibacterruminantium),

спириллы (Methanospirillum hungatei) и другие формы, являются

анаэробными микроорганизмами. Они обитают в отстойниках

сточных вод городов и населенных пунктов, в навозе, в осадках на

дне прудов и озер, в рисовых полях, в лиманах и эстуариях (от лат.

aestuarium — берег, заливаемый приливом), в рубце жвачных

животных. Приуроченность их к широкому диапазону температур

естественна, учитывая среды обитания. Тем не менее, например в

рубце жвачных животных температура достаточно постоянная. .

Согласно определителю Д. X. Берги (1984, 1986) археобактерии

относятся к отделу мендосикутов, все другие бактерии, или эубак-

терии — к отделам: грациликутов, фирмикутов и тенерикутов (от

лат. mendosus—ложный, фальшивый, gracilis—стройный, тонкий,

firmus

—

прочный, tener—чувствительный, нежный, cutis

—

кожа).

Грациликуты объединяют грамотрицательные бактерии с двух-

слойной клеточной стенкой (они, как правило, содержат фосфо-

липидную мембрану во внешнем слое клеточной стенки). Форма

клеток у них различная — от сферической до палочковидной, от

прямых до искривленных (изогнутых); подвижные или неподвиж-

ные;

не образуют эндоспор, размножаются делением (некоторые

— почкованием); многие обладают пилями (волосками, или фимб-

риями). По типам питания к грациликутам относятся фототрофы

(включая цианобактерии) и хемотрофы, по типам дыхания —

аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы, по патогенности

— сапрофиты и паразиты.

Микроорганизмы с многослойным муреиновым каркасом от-

носятся к фирмикутам. Все они грамположительные, спорообра-

зующие или не образующие спор; сюда же включены актиноми-

цеты и родственные им бактерии. Форма клеток различная —

круглые, палочковидные, ветвящиеся, нитевидные, неветвящиеся.

По типу питания — преимущественно хемогетеротрофы, по типу

дыхания — аэробы, анаэробы и микроаэрофилы, патогенные и

сапрофиты.

К тенерикутам относятся микоплазмы и спироплазмы (от греч.

myxes — гриб, plasma — вязкая, эластичная; speira — завиток,

спираль, кольцо) (рис. 1Б). Это мельчайшие свободноживущие

полиморфные бактерии, без клеточной стенки, сгруппированные

в классе Mollicutes (от лат. mollis — мягкий). Воспроизводятся они

почкованием, делением, сегментацией ветвистых структур; цитоп-

лазматическая мембрана трехслойна; все известные виды микоп-

лазм патогенны. Диаметр их 0,15 — 0,25 мкм, хотя полиморфизм

по длине клеток весьма широкий. Микоплазмы полностью устой-

чивы к пенициллину; растут на специальных агаризованных сре-

дах.

К мендосикутам относится единственный уже рассмотренный

класс археобактерии, заметно отличающийся от других микроор-

ганизмов.

Известны еще так называемые

мини-

и макси-клетки бактерий,

в частности,

Е.

coli. Установленно,

что

клетки кишечной палочки,

несущие

две

мутации

(min А и min В)

делятся ассиметрично

и в

каждое второе деление образуется круглая безъядерная мини-клет-

ка (примерно

в 3

раза меньше родительской клетки

по

размеру).

Мутации

генах

гее А и uvr А

сопровождаются инактивацией

основных систем репарации

существенным возрастанием чувст-

вительности клеток

ультрафиолетовым лучам. Клетки Е. coli при

этом увеличиваются

размерах (макси-клетки). Мини-

макси-

клетки используются для включения многокопииных плазмид при

постановке генно-инженерного эксперимента.

Бактерии подразделяют

на

группы

по

источникам энергии,

углерода

донорам электронов (таблица

2),

благодаря чему можно

выделить типичных представителей

каждой

из

них.

Так, цианобактерии относят

первой подгруппе, зеленые

несерные бактерии —

второй, нитрифицирующие бактерии

—

к третьей, водородные бактерии

—

к четвертой

и,

наконец, бациллы

и другие микроорганизмы

— к

пятой.

Для

сравнения можно

указать,

что

дрожжи

нитчатые грибы

из

эукариот также отно-

сятся

хемогетероорганотрофам.

В учебной

научной литературе можно встретить

такие

термины,

как

прототрофы, метатрофы, паратрофы, миксотрофы.

Следует подчеркнуть,

что все эти

термины были предложены

начале XX в.

связи

разделением бактерий

на

группы

по

типам

Таблица 2. Деление микробов на группы по источникам энергии, углерода

и доноров электронов.

Группа

Фотот-

рофные

бактерии

Хемот-

рофные

бактерии

энергии

Свет

Химичес-

кие

реакции

окисления

- восста-

новления

Источник

углерода

Неоргани-

ческий

Органи-

ческий

Неоргани-

ческий

Органи-

ческий

доноров

электронов

(водорода)

Неорганические

вещества

Органические

вещества

Неорганические

вещества

Неорганические

вещества

Органические

вещества

Номер

и название

подгруппы

Фотоавтолито-

трофы

Фотогетероор-

ган строфы

Хемоавтолито-

трофы

Хемогетероли-

тотрофы

Хемогетероор-

ганотрофы

Примечание:

От греч. photos — свет, autos — сам, lythos — камень, trophia —

питание, etheros — иной, другой, organicos — органический.

питания. Так

А.

Фишер в 1903 г. предложил различать прототрофы

(автотрофы

—'•

по В. Пфеферу), не нуждающиеся в готовом орга-

ническом веществе для питания, метатрофы (гетеротрофы — по

В.

Пфеферу), нуждающиеся в органическом веществе — это

большинство сапрофитных микроорганизмов, и паратрофы, пита-

ющиеся живым белком и обитающие лишь в организме других

существ — это все облигатные болезнетворные микробы; те виды,

которые могут расти на питательной среде в пробирке (in vitro) и

в организме чувствительного животного (in vivo), были названы В.

Пфефером миксотрофами (от лат. mixtus — смешанный). Приве-

денные названия (прототрофы, метатрофы и миксотрофы) теперь

имеют больше исторический смысл. В 1946 г. была предложена

классификация микробов по способам питания, или трофики,

которой пользуются и в настоящее время (таблица 3).

Таблица 3. Деление микробов по трофике

Признак

Источник энергии

1) живой организм

2) химическая реакция

3) фотохимическая реакция

Источник углерода

1) диоксид углерода

2) органические вещества

Донор электрона

1) неорганический

2) органический

Тип питания

Паратрофия

Хемотрофия

Фототрофия

Автотрофия

Гетеротрофия

Литотрофия

Органотрофия

Применительно к характеристике способностей микроорганиз-

мов питаться живым белком in vitro или, чаще in vivo, используют

термин патогенность (от греч. pathos — болезнь, genesis — воз-

никновение, происхождение), то есть способность вызывать забо-

левание. Поэтому все бактерии по признаку патогенности подраз-

деляют на две большие группы — сапрофитные (неболезнетвор-

ные,

от

лат.

saprotes — гниение, гниль) и патогенные (болезнетвор-

ные).

Между ними находятся промежуточные виды — облигатные

и факультативные паразиты (от лат. obligatus — обязательный,

безусловный, facultativus — факультативный, возможный в изве-

стных условиях). Облигатными являются, например, спирохеты

сифилиса, гонококки, факультативными — синегнойная палочка,

вульгарный протей. Следовательно, облигатные, или безусловные

паразиты не развиваются вне организма или развиваются с трудом

на питательных средах с нативными белками; факультативные

паразиты растут и размножаются во внешней среде, но при

некоторых обстоятельствах (например, при снижении защитных

сил макроорганизма) они могут быть причиной инфекционного

(заразного) заболевания.

У фототрофных и хемотрофных бактерий, различающихся по

источникам потребляемой энергии, существенно различны и ре-

акции, лежащие в основе энергетического и конструктивного

обменов. В любом случае разнообразие бактериальных видов

настолько велико, что даже ничтожно малая доля их, используемых

в биотехнологических целях, требует к себе исключительного

внимания. Достаточно назвать из числа эубактерий такие далеко

отстоящие микроорганизмы, как Micromonospora sp. из группы

актиноплан, Hydrogenomonas (Alcaligenes) eutropha из группы во-

дородных бактерий, Lucibacterium harveyi из группы светящихся

бактерий, палочку туберкулеза — Mycobacterium tuberculosis, не-

которых псевдомонасов (например, Pseudomonas aeruginosa), эше-

рихии (Escherichia coli) и многие другие, то становится понятной

исключительная важность бережного (можно сказать — любовно-

го) обращения с каждым биообъектом для сохранения стабильно-

сти его морфо-физиологических свойств и продуктивности в со-

ответствующих условиях.

2.3.

Г р и б ы. К царству низших эукариот — Mycota относятся

микромицеты, то есть микроскопические грибы (например, дрож-

жи,

пенициллы, аспергиллы и др.) и макромицеты, формирующие

в процессе своего роста и развития визуально наблюдаемые пло-

довые 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 эволюционно произошли рань-

ше — до дивергенции растений и животных в самостоятельные

царства. В то же время лишь грибам присуще мицелиальное

строение и, как следствие, абсорбционный способ питания (осмот-

рофия), для них известны явления дикариозиса (раздельное на-

хождение двух ядер в одной клетке, способных к одновременному

делению и имитирующих диплоидное ядро) и гетерокариозиса

(нахождение разнокачественных ядер в одной клетке).

Основные таксономические группы грибов (от греч. taxis —