23)Мутации

Мутационная изменчивость является результатом мутаций. Мутации — это внезапные изменения наследуемого генетического материала, приводя­щие к появлению новых признаков организма, способных передаваться по­следующему потомству. Мутации могут быть естественными и искусственно вызванными. В природе они могут возникать неожиданно (спонтанно), но чаще под влиянием мутагенов (мутация греч. henes — рождающий, рожден­ный), т.е. факторов, порождающих мутации.

Естественные мутации могут затрагивать разнообразные стороны строения и функций организма. Например, у дрозофилы описаны мутационные изменения формы крыльев, окраска тела, глаз, а также многих физиологических признаков (продолжительность жизни, плодовитость, устойчивость к повреждающим факто­рам и пр.).

Большинство мутаций нейтральны, однако бывают мутации, вредные для организма, некоторые (летальные) даже вызывают его гибель. Очень редко возникают полезные для организма мутации, которые улучшают какие-то свойства особи, но именно они, закрепленные в потомстве, дают ей некото­рые преимущества в естественном отборе перед другими.

Генотипическая изменчивость присуща всем живым организмам. Она является основным источником генетического разнообразия особей внутри вида, чем обусловливает эволюцию видов в природе и отбор луч­ших форм в селекции.

24)Практическое значение изменчивости микроорганизмов

Наследственность и изменчивость – это неразделимо связанные категории биологических явлений, определяющих направление эволюционного развития живых организмов на любом уровне биологической организации. Вследствие этого учение о наследственности и изменчивости микроорганизмов является научной основой систематики микроорганизмов и их идентификации. Знания закономерностей модификационной и мутационной изменчивости позволяют проводить целенаправленную селекцию (отбор) из популяций микроорганизмов особей с нужными человеку свойствами. Таким путем получены высокоактивные штаммы многих продуцентов различных органических соединений. Селекцию микроорганизмов для выделения полезных мутантов осуществляют несколькими путями: • благодаря поиску и отбору полезных форм микроорганизмов из природных источников; • в результате адаптации микроорганизмов путем выращивания при постоянно изменяющихся условиях культивирования; • благодаря повторному выделению чистых культур из производственных штаммов; • путем отбора индуцированных штаммов; • путем использования явлений трансформации, трансдукции и конъюгации для получения штаммов с новыми свойствами. В настоящее время получило развитие новое направление молекулярной биологии – генная инженерия. Генная инженерия занимается конструированием, выделением и пересадкой определенных генов из одних клеток в другие. В результате клетки приобретают новые свойства.

25)Современные представления о биотехнологии В ХХ веке происходило бурное развитие молекулярной биологии и генетики с применением достижений химии и физики. Важнейшим направлением исследований явилась разработка методов культивирования клеток растений и животных. И если еще совсем недавно для промышленных целей выращивали только бактерии и грибы, то сейчас появилась возможность не только выращивать любые клетки для производства биомассы, но и управлять их развитием, особенно у растений. Таким образом, новые научно-технологические подходы воплотились в разработку биотехнологических методов, позволяющих манипулировать непосредственно генами, создавать новые продукты, организмы и изменять свойства уже существующих. Главная цель применения этих методов - более полное использование потенциала живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. В 70-е годы появились и активно развивались такие важнейшие   области биотехнологии, как  генетическая (или генная) и  клеточная инженерия, положившие начало «новой» биотехнологии, в отличие от «старой» биотехнологии, основанной на традиционных микробиологических процессах. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – это "старая" биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта, - "новая" биотехнология. В современной биотехнологии производятся и перерабатываются разнообразные микроорганизмы, являющиеся сырьем для получения ценных продуктов - ферментов, антибиотиков, белковых паст. Современная биотехнология объединяет принципы химической и биологической наук (молекулярная и клеточная биология, генетика, иммунология) с техническими дисциплинами ( технология, компьютерная наука) для производства товаров и услуг и контроля окружающей среды. Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Современная биотехнология — это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения. 26)Основные направления биотехнологии Главным направлением биотехнологии является производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферменты, витамины, гормоны), лекарственных препаратов (антибиотики, вакцины, сыворотки, высокоспецифичные антитела и др.), а также ценных соединений (кормовые добавки, например, незаменимые аминокислоты, кормовые белки и т. д.). Одним из важнейших направлений современной биотехнологии является также использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязненной почвы и т. п.). Так, для извлечения металлов из сточных вод могут широко использоваться штаммы бактерий, способные накапливать уран, медь, кобальт. Другие бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Ассимилируя углеводороды нефти, такие микроорганизмы преобразуют их в белки, витамины из группы В и каротины. Большое значение имеет использование методов биотехнологии для защиты растений от вредителей и болезней. Биотехнология проникает в тяжелую промышленность, где микроорганизмы используются для добычи, превращения и переработки природных ископаемых. Биотехнология решает не только конкретные задачи науки и производства. У нее есть более глобальная методологическая задача — она расширяет и ускоряет масштабы воздействия человека на живую природу и способствует адаптации живых систем к условиям существования человека, т. е. к ноосфере. Биотехнология, таким образом, выступает в роли мощного фактора антропогенной адаптивной эволюции. У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. При появлении все новых и новых векторов человек с их помощью будет внедрять нужные гены в клетки растений, животных и человека. Это позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней человека, заставить клетки синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, а затем — непосредственно белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу. Используя методы, уже освоенные природой, биотехнологи надеются получать с помощью фотосинтеза водород — самое экологически чистое топливо будущего, электроэнергию, превращать в аммиак атмосферный азот при обычных условиях. 27)Основная схема и компоненты современной биотехнологической системы. Особенности биотехнологических процессов. Подразделение по признаку целевого продукта.

Основные компоненты биотехнологической системы

Биотехнологические процессы условно можно подразделить на биологические, биохимические и биоаналогичные. К первым относят те из них, которые основываются на использовании акариот, прокариот и эукариот, вторые - на использовании ферментов и третьи - на химическом синтезе или полусинтезе веществ, функционально близких или эквивалентных первичным (получение аминокислот и др.) или вторичным метаболитам живых организмов (получение производных пенициллина и цефалоспорина, тетрациклина, нуклеиновых оснований и др.). В общем виде любой биотехнологический процесс включает 3 основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную. Предферментационная стадия На этой стадии осуществляется хранение и подготовка культуры продуцента (инокулята), подготовка и получение питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологических и рециркулируемых воды и воздуха. Поддержание и подготовка чистой культуры является очень важным моментом предферментационной стадии для получения целевых продуктов: чаще всего это биомасса микроорганизмов - продуцентов. Таковыми являются бактерии и низшие грибы, однако иногда в качестве продуцентов могут выступать клетки высших эукариот (насекомых, млекопитающих, растений). Ферментация Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов. Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментаторе) и может быть организована различными способами в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта 28)Биологический агент. Микроорганизмы-продуценты биологически активные вещества в биотехнологии

Важнейшими компонентами биотехнологических процессов, определяющими получение целевого продукта, являются биологические агенты. Номенклатура используемых в биотехнологической практике биологических агентов разнообразна и неуклонно расширяется. Современные биотехнологические производства базируются на использовании следующих групп биологических агентов:

– клетки микроорганизмов;

– растительные и животные тканевые клетки, клетки тканей человека;

– компоненты клеток (протопласты, мембраны, митохондрии, хлоропласты и др.);

– рекомбинанты, полученные методами генетической инженерии;

– внеклеточные продукты (ферменты, коферменты);

– вирусы.

В производственной практике наиболее широко используется традиционный биологический агент – микробная клетка. Выявляются все новые виды микроорганизмов, которые могут быть использованы в биотехнологии как продуценты полезных веществ. В связи с этим очень важное значение приобретают специализированные банки биологических агентов, коллекции генетически охарактеризованных микроорганизмов, криобанки клеток тканей животных и растений. Наиболее крупные коллекции промышленных микроорганизмов созданы в США: Coli-центр, Bacillus-центр, грибной центр и др. Основная задача коллекции – обеспечение сохранения жизнеспособности и генетических свойств штаммов. Коллекции культур играют также важную роль в процедуре правовой защиты новых патентуемых штаммов.

С ростом номенклатуры биопродуктов сформировались современные тенденции в использовании микробных клеток, которые связаны с применением термофильных микроорганизмов, анаэробных культур, смешанных культур микроорганизмов и их ассоциаций, иммобилизованных клеток микроорганизмов.

Термофильные микроорганизмы отличаются высокой конкурентоспособностью, при культивировании их предъявляются менее жесткие требования к уровню стерильности и снижаются затраты на охлаждение ферментационной среды, возможна самопроизвольная дистилляция целевого метаболита (например, при спиртовом брожении).

Возрождается интерес к использованию анаэробных микроорганизмов, которые часто также являются термофилами. Анаэробные процессы привлекают внимание исследователей в связи с малыми энергетическими затратами на процесс (нет необходимости в аэрации и интенсивном перемешивании питательной среды), а также возможностью получения в виде побочного продукта энергоносителя – биогаза или водорода. В связи с этим анаэробные процессы можно относить не только к энергосберегающим, но и к энергопродуцирующим.

Расширяется применение смешанных культур микроорганизмов и их ассоциаций. В природе микроорганизмы существуют в виде сообществ различных популяций, тесно связанных между собой. Ассоциации культур в сравнении с монокультурами имеют ряд преимуществ:

– способность ассимилировать сложные субстраты, малодоступные для монокультур;

– более высокая продуктивность;

– повышенная устойчивость к токсичным веществам и изменяющимся факторам окружающей среды.

Основная область применения смешанных культур – биодеградация сложных по составу или обладающих токсичностью субстратов. В частности, ассоциации микроорганизмов перспективны в процессах биоконверсии целлюлозосодержащих субстратов.

Практически все биологические агенты могут быть использованы в биотехнологических процессах в иммобилизованной форме. В природных условиях закрепление микробных клеток на различного вида носителях является естественным и распространенным процессом.

В биотехнологических производствах применяют следующие виды иммобилизации микробных клеток и ферментов:

– включение в гели, капсулы;

– адсорбция на поверхности твердых носителей;

– ковалентное связывание с носителем;

– сшивка бифункциональными реагентами без использования носителя;

– «самоагрегация» интактных клеток при создании определенных условий с образованием хлопьев и гранул