БІОТЕХНОЛОГІЯ - Іншина Н.М. - 2009

ВСТУП

Об’єкти біотехнології

Об’єктами біотехнології є живі організми, а також їх клітинні компоненти. Біосфера Землі надзвичайно різноманітна. На сьогодні відомо близько 300 000 різних видів рослин, понад І млн тварин (табл. 1).

Таблиця 1

Кількість біологічних видів, що населяють сучасну Землю

Група організмів	Загальна кількість видів	Кількість відомих видів (%)
Тварини (ссавці, птахи, риби)	3,5 · 10⁴	>90
Членистоногі / безхребетні	10⁶ — 10⁷	10
Нематоди	5 · 10⁵	3
Вищі рослини	2,7 · 10⁵	>90
Водорості	10⁴ — 10⁵	≈ 70
Мохоподібні	2,5 · 10⁴	70
Гриби	1,5 · 10⁴	≈ 5
Бактерії	10⁴ — 10⁵	≈1-10
Археї	10⁵ — 10⁶	≈0,1-1
Віруси	10⁵ — 10⁶	-4

Основними об’єктами біотехнології є: субклітинні структури (віруси, плазміди, ДНК мітохондрій і хлоропластів, ядерна ДНК), мікроорганізми (бактерії і ціанобактерії, гриби, водорості, найпростіші), клітинні лінії комах, рослин і тварин, багатоклітинні організми (рослини, тварини).

Бактерії і ціанобактерії

Серед бактерій у біотехнологічних дослідженнях найчастіше використовується кишкова паличка Escherichia coli. E.coli — грамнегативна бактерія родини ентеробактерій, факультативний анаероб. Це непатогенна рухлива бактерія довжиною менш ніж 1 — 2 мкм. Кишкова паличка є представником нормальної кишкової мікрофлори ссавців, вона також мешкає у ґрунті і воді. Розмножується поділом кожні 22 хв.

У 1922 р. був ізольований штам Е.соlі К-12, який використовується в експериментальних дослідженнях. Цей штам втратив життєздатність у кишечнику людини, він не може розмножуватися і тривалий час існувати за межами лабораторії. Штам Е.соlі К-12 нетоксичний і непатогенний для людини.

Е.соlі є продуцентом багатьох корисних речовин. Підраховано, що в цитоплазмі Е.соlі знаходиться 200 млн молекул вуглеводів, 30 млн молекул амінокислот, 1 млн молекул (5000 різних типів) білків, 25 млн молекул ліпідів. У кожній бактеріальній клітині міститься 10 000 рибосом.

Бактерії використовуються у промислових виробництвах таких сполук:

- оцту (Acetobacter і Gluconobacter suboxidans);

- молочнокислих продуктів (lactobacillus, Leuconostoc);

- білка та амінокислот (Methylomonas, Corunebacterium);

- вітамінів (Clostridium);

- розчинників та органічних кислот (Clostridium).

Бактерії також використовуються для виробництва біогазу, вилуговування руд й утилізації гірничодобувних відходів, біотрансформації промислових і побутових відходів, фіксації

атмосферного азоту. У генній інженерії бактерії використовуються для створення геномних клонотек.

Гриби

Серед еукаріотичних мікроорганізмів у біотехнології найчастіше використовуються дріжджі Saccharomyces cerevisiae. Це непатогенні мікроорганізми довжиною приблизно 5 мкм. S. cerevisiae розмножуються брунькуванням.

У 1996 р. був повністю розшифрований геном S. cerevisiae. Встановлено, що більшість генів S. cerevisiae, які регулюють клітинний поділ, подібні до людських.

Із 500 відомих видів дріжджів першими почали культивувати

S. cerevisiae для виробництва спирту. За рік у світі використовують понад 1 млн т цих дріжджів.

У біотехнологічній промисловості гриби використовують для одержання таких продуктів:

- антибіотиків (Penicillum, Streptomyces);

- гормонів росту рослин - ауксини і гіббереліни (Fusarium);

- каротиноїдів (Rhaffia rhodozima);

- білка (Saccharomyces lypolitica, Candida);

- ферментів (Penicillum);

- соєвого соусу (Aspergillus oryzae);

- сирів на зразок рокфор і камамбер.

Харчові продукти на основі зброджених пліснявими грибами Rhizopus oligosporus соєвих бобів або пшениці містять у 5 - 7 разів більше вітамінів (рибофлавін, нікотинова кислота) і у кілька разів більше білка.

Найпростіші

Найпростіші є нетрадиційними об’єктами біотехнології, найчастіше їх використовують як компонент активного мулу під час очищення стічних вод. Найпростіші джгутикові використовуються для біосинтезу ліпідів, евгленові джгутикові є продуцентами полісахаридів.

Представники родів Astasia та Euglena синтезують полісахарид парамілон (50% від маси клітин) — стимулятор імунної системи для ссавців, що має протипухлинну дію. Евгленові - продуценти глюканів — структурних гетерополісахаридів (містять глюкозу, манозу, ксилозу, арабінозу, рибозу, галактозу, рамнозу, фруктозу, глюкозамін), що використовуються в медицині, харчовій і текстильній промисловості.

Водорості

Основний шлях використання водоростей - одержання білка. В їжу використовують не менш ніж 100 видів водоростей (морська капуста, аларія, порфіра, родименія, хондрус, ундарія). Гідролізати білка одноклітинних водоростей родів Cfaiorella і Scenedesmus використовуються в медицині і харчовій промисловості.

Водорості є продуцентами багатоатомних спиртів. Наприклад, одноклітинна водорість Dundiella bardawi у значних кількостях синтезує гліцерол (85% від сухої маси клітини). Бурі водорості синтезують 6-атомний спирт — манніт, що застосовується у харчовій та паперовій промисловості, фармацевтиці, під час виготовлення вибухівок.

Водорості - єдине джерело агару, агароїдів, каррагініна, альгінатів. Червоні водорості (лауренція, грацилярія, гелідіум) використовуються для одержання полісахариду агару. Вміст агару становить 30-40% від маси водоростей.

Бурі водорості - джерело альгінатів — солей апьгінової кислоти, що використовуються для виготовлення таких матеріалів:

- якісних мастил для деталей машин;

- медичних препаратів;

- синтетичних волокон і пластика;

- стійких лакофарбових покриттів;

- шовку;

- клейких речовин, будівельних матеріалів;

- харчових продуктів (фруктових соків, морозива).

У сільському господарстві водорості використовуються як добрива, їх біомаса збагачує ґрунт на Фосфор, Калій, Йод, мікроелементи, поповнює бактеріальну азотфіксуючу мікрофлору.

Культури еукаріотичних клітин

Культури еукаріотичних клітин використовуються для вивчення біохімічних властивостей різних тканин, а також як продуценти корисних речовин. Об’єктами біотехнології є клітинні лінії рослин, тварин і людини.

Культури клітин, що здатні до необмеженого росту in vitro, називають клітинними лініями. Клітинні лінії використовуються для розмноження вірусів, одержання рекомбінантних білків і вакцин.