БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

12. МИКРОБИОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

Что такое микробиология?

Микробиология — это наука о микроорганизмах, т. е. организмах, которые настолько малы, что увидеть их можно только с помощью микроскопа. К ним относятся бактерии, вирусы, грибы и протесты, такие как простейшие и микроскопические водоросли. Классификация и некоторые основные характеристики этих организмов приведены в гл. 2.

Микроорганизмы чрезвычайно разнообразны и представляют огромный потенциал для использования человеком. В подходящих условиях они быстро растут и размножаются, потребляя и производя широкий спектр химических соединений. Именно эта многосторонность и делает их такими полезными. С помощью генной инженерии их можно даже заставить производить не свойственные им полезные продукты, например инсулин. И хотя использование микроорганизмов человеком, по-видимому, еще только начинается, успехи в этой области уже достигнуты немалые. Применение микроорганизмов и других биологических объектов на пользу человека можно охарактеризовать одним словом — биотехнология.

Что такое биотехнология?

Биотехнология — это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. В биотехнологии применяются не только микроорганизмы. Фактически, любое производство, в основе которого лежит биологический процесс, можно рассматривать как биотехнологию. Сюда же можно включить генную инженерию и клонирование сельскохозяйственных растений и животных. Примеры биотехнологий приведены на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Возможности использования биотехнологии. Представленная классификация условна, различные направления могут перекрываться. Важным методом биотехнологии является генная инженерия. Ее применяют, если нужно «улучшить» микроорганизмы, растения или животных. Роль генной инженерии существенно возрастет в XXI в.

Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например этиловый спирт, пиво или гормон инсулин. Примерами биотехнологий являются также очистка сточных вод, переработка твердых отходов или выявление загрязнения с использованием биосенсоров. Здесь более важен процесс, чем конечный продукт.

Более широко биотехнологию можно определить, как использование живых организмов для нужд человека. Таким образом, к биотехнологии в принципе можно отнести разведение и усовершенствование сельскохозяйственных животных, например крупного рогатого скота и свиней, а также растений, таких как пшеница или картофель. Для этих целей особенно важны новые методы генной инженерии, поскольку они позволяют гораздо точнее и быстрее наделять живые организмы новыми желаемыми признаками по сравнению с традиционными методами селекции.

В данной главе мы рассмотрим основные принципы широкомасштабного микробиологического производства и остановимся на некоторых примерах. Новые технологии будут изменять наше общество, так же как в свое время изменили его старые. По мере их появления будут возникать спорные вопросы, как социальные, так и этические: некоторые из них обсуждаются в конце гл. 25 в разделе, касающемся проблем прикладной генетики.

12.1. Потребности для роста

Впервые ученые попробовали выращивать бактерии и грибы в контролируемых условиях в середине девятнадцатого века. Основоположниками работ с бактериями были Луи Пастер — в Париже и Роберт Кох — в Берлине. Ученые прекрасно понимали, насколько важно уметь выращивать чистые культуры изучаемых организмов. Для этого требовалось разработать методы, с помощью которых различные микроорганизмы можно было бы отделять друг от друга. Для выращивания некоторых микроорганизмов, в особенности тех, которые вызывают болезни и ведут паразитический образ жизни, нужны сложные питательные среды, тогда как потребности других микроорганизмов относительно просты.

12.1.1. Необходимые питательные вещества

Для роста, поддержания жизнедеятельности и размножения требуются самые разные вещества. Кроме того, нужен источник энергии. Для выращивания микроорганизмов используют так называемую питательную среду, обогащенную питательными веществами. Любая питательная среда должна содержать:

1. Источник углерода. Большинство бактерий, все грибы и простейшие являются гетеротрофами, т. е. они нуждаются в органическом источнике углерода (см. разд. 2.5.4 и табл. 2.3). Обычно таким источником являются глюкоза или соль органической кислоты, например ацетат натрия. Однако в целом бактерии могут использовать в качестве источника углерода широкий спектр органических веществ, включая жирные кислоты, спирты, белки, углеводы и метан. Некоторые почвенные бактерии и грибы, а также ряд бактерий, живущих в кишечнике травоядных (например, жвачных) животных, могут усваивать целлюлозу и используют ее в качестве источника углерода. Все болезнетворные бактерии являются гетеротрофами.

Водоросли и некоторые бактерии, например цианобактерии (сине-зеленые водоросли), являются автотрофами, т. е. источником углерода для них является диоксид углерода. Водоросли относятся к фотосинтезирующим организмам, тогда как среди бактерий встречаются как фотосинтезирующие, так и хемосинтезирующие (табл. 2.3).

2. Источник азота может быть органического происхождения, к примеру аминокислоты, пептиды и белки, или неорганического, например соли аммония или нитраты. Аминокислоты обычно добавляют в виде растворов частично переваренных белков, так называемых пептонов.

3. Факторы роста, или витамины, иногда необходимы для выращивания микроорганизмов. Факторы роста равнозначны витаминам, которые необходимы животным, и многие из них действительно являются витаминами. Это органические вещества, которые важны для роста и требуются в очень небольших количествах. К ним относятся некоторые витамины группы В (тиамин, или В₁; рибофлавин, или В₂; ниацин, или В₃ и В₆), а также фолиевая кислота и парааминобензойная кислота. Для нормального роста требуются лишь следовые количества витаминов. Кроме того, могут потребоваться и другие органические вещества, такие как пурины и пиримидины.

Микроорганизмы различаются по способности к синтезу собственных факторов роста из более простых субстратов. Если микроорганизмы достаточно требовательны к условиям роста, то среды для их выращивания в лаборатории готовят на основе природных субстратов, на которых эти микроорганизмы обычно растут (к числу таких субстратов относятся кровь, почва, мясной или дрожжевой экстракты).

4. Минеральные соли. Чаще всего для роста требуются положительно заряженные ионы кальция, калия, натрия, железа и магния, а также отрицательно заряженные хлорид-, фосфат- (источник фосфора) и сульфат-ионы (источник серы). Как отмечалось выше, азот вносят в виде аммония или нитрата. Потребности для роста водорослей примерно такие же, как и для роста растений (см. табл. 7.7 и 7.8).

12.1. Приведите по одному примеру роли каждого из перечисленных элементов.

1) железа и фосфора для гетеротрофных бактерий;

2) азота и магния для автотрофных бактерий.

(Если нужно, используйте табл. 7.7).

5. Источник энергии. Энергетические потребности живых клеток обсуждались в начале гл. 7 и 9. Энергия может поставляться в форме химической энергии или энергии света. Организм, потребляющий химическую энергию, называется хемотрофным; организм, использующий энергию света, называется фототрофным, или фотосинтезирующим (табл. 2.3). К фотосинтезирующим микроорганизмам относятся водоросли и некоторые бактерии, например цианобактерии. Если необходима химическая энергия, то она обычно поставляется в виде сахара, например глюкозы.

6. Вода. Несмотря на то, что она не является в прямом смысле питательным веществом, вода необходима всем живым клеткам. Обычно бактериям нужно больше влаги, чем дрожжам, а дрожжам — больше, чем плесневым грибам.

Пример относительно простой питательной (культуральной) среды приведен в табл. 12.1.

12.2. Для чего нужен каждый из компонентов в среде, приведенной в табл. 12.1?

Таблица 12.1. Относительно простая среда, используемая для роста бактерии Escherichia coli, которая обычно обитает в кишечнике человека