Основные понятия биотехнологии

 

Биотехнология – это совокупность методов для придания биологическим объектам заданных свойств с целью их использования в разных отраслях производства.

 

      Развитие и становление современной, основанной на знаниях о строении и функциях ДНК, биотехнологии приходится на вторую половину ХХ века. Биотехнология работает с биомо-лекулами (ДНК, белки и т. д.), микроорганизмами (бактериями, микроскопическими грибами, дрожжами, спорами, вирусами и т. д.), клетками и тканями растений и животных. Все это можно рассматривать как наноструктуры, поэтому часто биотехнологию считают одним из разделов нанотехнологии.Многие биотехнологические производства человечество освоило задолго до того, как были открыты не только основные законы биологии, но и существование самих микроорганизмов.

      К ним относятся, например, производства хлеба, вина, пива, уксуса, кефира, сыра и т. п.

Где только ни применяются достижения современной нанобиотехнологии:

      В пищевой, фармацевтической, химической, нефтяной промышленности микробы производят многие продукты, пищевые добавки и комбикорма, синтезируют и очищают сложные химические вещества, контролируют состав растворов.

      В экологии микроскопические работники очищают сточные воды, разлагают отходы и мусор, поглощают вредные вещества.

      В энергетике бактерии вырабатывают горючие газы и ликвидируют последствия нефтяных загрязнений, а полученный с помощью дрожжей или микробных ферментов спирт добавляют в бензин. Микробы занимаются фотосинтезом, восстанавливают топливные ячейки, а недавно ученые сделали из бактерии “живую” нанобатарейку.

      В сельском хозяйстве используются трансгенные (генетически измененные) растения и животные, биологические средства защиты растений, бактериальные удобрения, фитогормоны, стимулирующие рост растений. Не за горами использование в животноводстве клонированных и даже генетически модифицированных животных.

      В электронике биологические объекты уже служат деталями микросхем и датчиков, а в будущем возможно создание полностью живых компьютеров. Изучение молекулярной природы

нейронов сделало возможным соединение живых нервов с микрочипами, а удивительное вещество бактериородопсин управляет лучами света.

      В машиностроении биомолекулы и микроорганизмы уже сегодня составляют основу примитивных наномашин, синтезирующих по заданной программе сложные полимеры и свои ко-пии. Живые мышцы приводят в движение микророботов, а молекулы ДНК собирают наночаст-ицы в трехмерные структуры.

      В основе биотехнологии лежат процессы, протекающие в клетке. Известно, что первыми живыми обитателями Земли были так называемые прокариотные клетки, которые и сформиро-вали ту среду, в которой появились все другие организмы.

Около двух с половиной миллиардов лет они были единственными живыми существами на планете, и только 1 млрд. лет назад, когда произошла «неопротерозойская революция», на

Земле появились и стали распространяться эукариоты.

      Наследственная информация всех известных науке существ записана в молекулах ДНК, входящих в состав хромосом. Принято делить организмы на две группы по наличию у них ядра,

отделяющего хромосомы от цитоплазмы клетки.

      Прокариоты (от лат. «pro» – до + греч. «karyon» – ядро)-это безъядерные организмы, к которым относятся бактерии и цианобактерии (сине_зеленые водоросли). В отличие от них,эукариоты (от греч. «eu» – полностью + «karyon» – ядро) имеют четко оформленное ядро с оболочкой, отделяющей его от цитоплазмы. К ним относятся грибы, растения и животные.

Типичный прокариот включает следующие основные подсистемы:

_ геном (инструкция по сборке РНК и белков);

_ механизм репликации ДНК (производство ее новых копий);

_ рибосомы (синтез белка);

_ цитозоль (управление обменом веществ);

_ мембрана (взаимодействие с внешней средой и синтез АТФ16).

Рис 183. Основные подсистемы прокариотной клетки

 

16. Аденозинфосфорные кислоты – нуклеотиды, содержащие аденозин (аденин + углевод рибоза) и

один, два или три остатка фосфорной кислоты (соответственно, аденозинмонофосфат – АМФ,

аденозиндифосфат – АДФ и аденозинтрифосфат – АТФ). Они есть во всех организмах (от микроба

и растения до человека) и играют важнейшую роль в обмене веществ и энергий, т. к. присоединение

к ним фосфатных групп сопровождается аккумуляцией энергии, а отщепление – выделением

энергии, используемой для различных процессов жизнедеятельности. АТФ – универсальный

аккумулятор и переносчик энергии во всех живых организмах.

 

      Мембрана содержит механизмы переноса веществ: субстратов – внутрь клетки, а продуктов ее жизнедеятельности – наружу. Поступающие из внешней среды субстраты (химические соединения органического и неорганического происхождения) в результате электрохимических преобразований расходуются на синтез необходимых клетке соединений, в т. ч. АТФ – универсального переносчика энергии. У фотосинтезирующих организмов мембраны обеспечивают накопление разницы электрических потенциалов, возникающих под действием света при участии молекул хлорофилла.

      Одна из главных подсистем клетки – цитозоль – представляет собой внутреннюю полужидкую среду клетки. Это своеобразный «котел» всех метаболических превращений. Механизмы обмена веществ в клетке направлены на ее рост и развитие.

Для этого необходимы энергия и строительные блоки (аминокислоты) для производства белков. И то, и другое получается в результате переработки поступающих извне веществ. Энергия обра-зуется в результате расщепления сложных веществ – катаболизма, а строительные блоки – в результате синтеза, анаболизма. Катаболизм и анаболизм представляют собой две основные

части метаболизма – обмена веществ.

Наследственная информация закодирована в парах нуклеотидов на двойной спирали ДНК. Ген – это участок ДНК, кодирующий свойства определенного белка или молекулы РНК и соответ-ствующий какому_либо признаку организма. А полный набор генов называется геномом.

Геном бактерий включает несколько тысяч генов, расположенных линейно на макромолекуле ДНК, называемой хромосомой. В отличие от эукариотных клеток, имеющих большое число незамкнутых хромосом, клетки прокариот содержат всего одну кольцевую хромосому.

      Прокариоты размножаются бесполым путем, посредством деления клеток после репликации ДНК. Репликация представляет собой процесс, когда ДНК дочерних клеток получаются из

одной нити материнской и одной нити вновь синтезированной ДНК. Как это происходит?

Джеймс Уотсон и Френсис Крик, открывшие в 1953 году структуру ДНК, доказали, что ее молекула состоит из тысяч соединенных между собой маленьких молекул четырех видов нуклеотидов, или оснований: гуанина (G), цитозина (С), тимина (T) и аденина (A). Па_

ры нуклеотидов связаны между собой водородными связями, причем таким образом,

что аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином.

Рис 184. Схема

соединений нуклеотидов

в молекуле ДНК

 

      Именно таким, комплементарным, образом соединяются между собой две нити спирали ДНК: напротив тимина из одной нити всегда будет находиться аденин из другой и ничто иное.

Такое расположение позволило объяснить механизмы репликации ДНК: двойная спираль расплетается c образованием двух репликативных вилок, на каждой из которых начинается

встречный синтез второй нити. В этом процессе принимает участие специальный белок-ДНКполимераза, который, проходя вдоль нити материнской ДНК, последовательно считывает нуклеотиды и строит на их основе вторую нить (по принципу комплементарности).

Рис 185. Репликация ДНК

 

      Таким образом, каждая из исходных нитей материнской ДНК получает по точной копии ее бывшей «партнерши». Нуклеотидные нити достраиваются из так называемых предшествен-ников, поступающих из цитозоля и образуемых из пентоз,оснований, АТФ, ферментов и др. молекулярных соединений.

      Превращение информации в активный белок происходит на рибосоме. Мы уже встречались с этим механизмом в первой главе. Для нормального развития и функционирования клетки ей

необходимо поддерживать постоянный обмен веществ с внешней средой, получая из среды различные субстраты и выводя в нее некоторые продукты жизнедеятельности.

      В качестве субстратов используются, в основном, различные углеродсодержащие соедине-ния(17) – глюкоза, крахмал, спирты и органические кислоты, углекислота, метан, парафины и т.д., широко распространенные в природе.

      А вот в качестве продуктов, как оказалось, микроорганизмы способны синтезировать многие чрезвычайно полезные вещества – различные белки, ферменты, аминокислоты, витамины, гормоны, антибиотики и прочие биологически активные соединения. Другими словами, бактерии являются настоящими молекулярными фабриками по производству необходимых человеку веществ.

      Эти свойства микробов легли в основу множества биотехнологических производств, начало которым положило широкомасштабное производство антибиотика пенициллина в 40_х годах ХХ столетия.

 

17. Углеводы – обширная группа органических соединений, входящих в состав всех живых организмов. Представители этого класса веществ по составу отвечают общей формуле CmH2nOn, то есть углерод + вода (отсюда название). Примерами углеводов являются глюкоза: C6H12O6, сахароза C12H22O11, крахмал C6H10O5 и др. Углеводороды – органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода. Углеводороды являются основным компонентом большин-ства нефтей и природных газов. Общая формула для предельных углеводородов: CnH2n+2 Например, метан СH4, этан С2H6, пропан С3H8, бутан С4H10 и т. п.