Глава 2

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы — микроминеты и макромицеты, протозойные организмы, клетки

22

(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.

23

Безъядерные (Асагуо1ае)	Н адцарст в а Предъядерные (Ргосагуо1ае)	Ядерные (Еисагуо1ае)
Царства
Вирусы (Уца)	Бактерии (Вас1ег1а)	Ж (А	Расте (Р1ап явотщ лшаП	А Грибы (Мусо1а) ния 1ев). ле а) •
Морфологическая элементарная единица
1 Неклеточная организованная частица	Клетка	Клетка
Тип содержащейся нуклеиновой кислоты - ДНК и/или РНК
1 ДНК или РНК (никогда вместе)	1 ДНК и РНК	1 ДНК и РНК

Микробами среди растений являются микроскопические водо- росли (А1дае), а среди животных — микроскопические простейшие (Рго1о2оа). 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.

В 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. кНоб — 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

24

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: Асагуо1ае — безъядерные, Ргосагуо1;ае — предъ- ядерные и Еисагуохае — ядерные (от греч. а — нет, рго — до, ей — хорошо, полностью, кагуоп — 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

25

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. агсЫ — начальный, главный, первый, 1ес1оп — искусник, мастер) струк- турных блоков, характерную для того или иного вируса, сущест- вующего вне организма — вирион(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. пйасШз — нетронутый, неповрежденный), способный к инфицированию или заражению (от лат. ццесшоБШ — 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

26

могут быть линейные и кольцевидные, они способны принимать шпилечную, квазидвухцепочечную конформацию (от лат. диав1 — якобы, как-будто, почти, близко; сопгогтайо — форма, расположе-

«г»

та.

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 (6), 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 зкзокор- 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 (705-типа) неподвижна, клетки не обладают способностями к эндо- и экзоцитозу. В большинстве своем бактерии одноклеточны, наименьший диаметр их 0,2 — 10,0 мкм.

Все бактерии составляют единое царство Вас1епа, хотя одни из

27

них — археобактерии (АгспаеоЪас1епа) заметно отличаются от других, названных эубактериями (ЕиЬас1епа) (от греч. ей — хоро- шо). Очевидно, археобактерии являются более древними предста- вителями прокариот, чем эубактерии. Они обитают в средах с экстремальными условиями (от лат. ех1гети8 — 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. йепйгоп — дерево, дгагшпа

— описание) прокариот может быть изображена следующим об- разом:

Галофильные Термоацидофиль— Метаногенные Фототрофные Хемотрофные бактерии кые бактерии бактерии бактерии бактерии

\ I ^«? X /

А р х е о б а^^т^р^ии^ » Э^у бактер ии

Предаовые 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 На1оагси1а, На1оЪас1егшт, На1ососси8, Ыа1гоЬас1епит, Ыа1гососси5. 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 (ЗшгоюЪиБ асЫосоЫахшв), в самонагревающихся терриконах угольных шахт при рН 1 — 2 и температуре 59°С (Тпегтор1а8та асМорМит), в горячих источниках на дне морей и на склонах вулканов при температуре 85 — 105°С (Тпегторго1еи8 1епах, Т. пеи1горгп1и5 и АР-)-

Метаногенные бактерии, к которым относятся кокки (МеШапососсивуаптеШ), сарцины (Ме1паповагстаЪахкеп), палоч- ки (МеШапоЪас1епит{огтк1сит, Ме1ЬапоЬге^Ьас1еггиттапиит), спириллы (МеШаповртПит липда1е!) 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. аевплапит — берег, заливаемый приливом), в рубце жвачных

28

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. тепйоБиз—ложный, фальшивый, дгасИш—стройный, тонкий, ЙГДШ8 — прочный, 1епег—чувствительный, нежный, сийз—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. тукез — гриб, р1авта — вязкая, эластичная; врепа — завиток, спираль, кольцо) (рис. 1Б). Это мельчайшие свободноживущие полиморфные бактерии, без клеточной стенки, сгруппированные в классе Мо1Иси1ез (от лат. гпоШб — 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,

29

в частности, Е. соН. Установленно, что клетки кишечной палочки, несущие две мутации (гшп А и гшп В) делятся ассиметрично и в каждое второе деление образуется круглая безъядерная мини-клет- ка (примерно в 3 раза меньше родительской клетки по размеру). Мутации в генах гес А и шт А сопровождаются инактивацией основных систем репарации и существенным возрастанием чувст- вительности клеток к ультрафиолетовым лучам. Клетки Е. соИ при этом увеличиваются в размерах (макси-клетки). Мини- и макси- клетки используются для включения многокопийных плазмид при постановке генно-инженерного эксперимента.

Бактерии подразделяют на группы по источникам энергии, углерода и донорам электронов (таблица 2), благодаря чему можно выделить типичных представителей в каждой из них.

Так, цианобактерии относят к первой подгруппе, зеленые несерные бактерии — к второй, нитрифицирующие бактерии — к третьей, водородные бактерии -— к четвертой и, наконец, бациллы и другие микроорганизмы — к пятой. Для сравнения можно указать, что дрожжи и нитчатые грибы из эукариот также отно- сятся к хемогетероорганотрофам. *

В учебной и научной литературе можно встретить и такие термины, как прототрофы, метатрофы, паратрофы, миксотрофы. Следует подчеркнуть, что все эти термины были предложены в начале XX в. в связи с разделением бактерий на группы по типам

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 (т \а1го) и в организме чувствительного животного (т лпуо), были названы В. Пфефером миксотрофами (от лат. пнхидв — 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	Тип питания
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	Паратрофия Хемотрофия Фототрофия Автотрофия Гетеротрофия Литотрофия Органотрофия

Применительно к характеристике способностей микроорганиз- мов питаться живым белком т лпгго или, чаще т \гг\го, используют термин патогенность (от греч. раОюв — болезнь, депев1в — 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. варпЛев — гниение, гниль) и патогенные (болезнетвор- ные). Между ними находятся промежуточные виды — облигатные и факультативные паразиты (от лат. оЪпдаШв — обязательный, безусловный, ГасиНаИуив — 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 М1сготопозрога зр. из группы актиноплан, Нуотодепотопаз (АкаНдепез) еиггоряа из группы во- дородных бактерий, Ьис1Ъас1егшт папгеу! из группы светящихся бактерий, палочку туберкулеза — МусоЬасхегшт ШЪегсиюзхз, не- которых псевдомонасов (например, Рзеийотопаз аегидтоза), эше- рихии (ЕзспепсЫа соН) 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 — Мусо1а 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. 1ах18 —

32

приведение в порядок, устройство, потов — закон) являются достаточно устоявшимися, однако предлагаемые разными автора- ми классификационные схемы весьма многочисленны и, порой, во многом различны. В этой связи целесообразно и научно оправданно придерживаться следующей схемы. Царство грибов включает два отдела — Мухотусога и Еитусога, то есть грибы-слизевики (от греч. туха — слизь) и настоящие грибы (от греч. ей — хорошо, в смысле — типичный, хорошо развитый). Первые из них немного- численны и представлены "голой" плазменной массой — плазмо- дием. Они претерпевают своеобразный цикл развития и образуют половые аттрактанты (от лат. аИгасгю — притяжение, тяготение).

Отдел эумицетов включает 7 классов: СпугпсИотусегев, НурЬоспу1пЙ1отусе1еБ, Оотусегев, 2удотусе1ев, Азсотусе1ев, ВавШютусегев и Оеи1еготусе1ев. К хитридиевым (от греч. спуйтсУоп — капелька, что отражает содержание капли жира в зооспорах) относится более 500 видов грибов, в основном пред- ставленных плазмодиальными образованиями, то есть у них пол- ностью отсутствует мицелий, а если он есть, то находится лишь в зачаточном состоянии. Зооспоры и планогаметы (клетки размно- жения) располагают только одним задним бичевидным (плетевид- ным) жгутиком, что имеет определенное таксономическое значе- ние.

Гифохитридиевые имеют зооспоры с одним передним биче- видным жгутиком, нити их не имеют перегородок, класс представ- лен немногими видами.

Оомицеты также включают свыше 500 видов. Это водные грибы, объединяемые на основании оогамии — полового процесса. Бесполые зооспоры их обладают двумя разными жгутиками, один из которых передний сверкающий (блестковидный, перистый), другой — задний бичевидный.

Зигомицеты, включающие свыше 500 видов, полностью утра- тили подвижные стадии в циклах развития. Половой процесс у них — зигогамия. Мицелий, как правило, хорошо развит и, в основном, без перегородок.

Нередко, в отечественной и зарубежной учебной и научной литературе все, преимущественно водные, грибы (включая и "вы- шедших на сушу" зигомицетов) объединяют в один класс Рпусотусе1ев (от греч. рпусов — водоросль). Все водные грибы либо лишены мицелия, либо он в зачаточном или развитом состо- янии, но не имеет перегородок (септ) или они'редкие — такие грибы относят к низшим. Нитчатые грибы с перегородками в 2 т. 8524 33

мицелии относят к высшим. Не путать эти понятия с понятиями совершенные и несовершенные грибы, из коих первые обладают половым процессом размножения, вторые — не обладают им. Например, Мисог гоихп является низшим совершенным грибом, а, например, 5ШЬе11а аигапИса является высшим несовершенным грибом.

Следовательно, к высшим грибам относят аскомицеты, или сумчатые грибы; базидиомицеты, или базидиальные грибы и дей- теромицеты, или несовершенные грибы (Рипд! ппрегГесИ).

Сумчатые грибы — наиболее обширный класс, включающий свыше 15 ООО видов самых различных строения, формы и место- обитания. Отличительным признаком их являются сумки, образу- ющиеся на аскогенных гифах в результате полового процесса. В сумках формируются половые споры, с помощью которых они размножаются. Чаще образуется 8 спор, хотя нередки и исключе- ния из этого правила. Мицелий у них септированный (от лат. вергшп

— перегородка), в септах имеются центральные поры, обеспечи- вающие сообщения между клетками и обмен клеточным содержи- мым.

Сформировавшиеся сумки образуют плодовые тела, которые могут быть закрытыми (клейстотеции, или клейстокарпии, от лат. с1е1в1ов — могущий закрываться, смыкающийся; 1еке — капсула, покрышка, мешок; сагров — плод), грушевидными с круглой по- рой-остиолой наверху —перитеции (от греч. реп — вокруг) и открытыми блюдцевидными или чашевидными апотециями (от греч. приставки аро — со значением удаления или отделения, обратности или возвращения и др.). Для сумчатых грибов харак- терно и бесполое размножение с помощью конидий, образующих- ся на гаплоидном мицелии. Следовательно, в цикле развития аскомицетов имеются половые и бесполые стадии (рис. 2).

Базидиальные грибы. Насчитывается свыше 30 ООО видов ба- зидиомицетов (от греч. Ьа81в — основание), различающихся боль- шим разнообразием по строению, форме и размерам.-Для базиди- омицетов так же характерны половая и бесполая стадии развития. Первая завершается формированием базидии — репродуктивного органа, на котором образуются, как правило, по 4 споры (базиди- оспоры), сидящих на стеригмах. Бесполая стадия кратковременна

— она представлена прорастающими трубками спор и позже — дикариотическим мицелием. Из этого последнего возникает пло- довое тело — базидиокарп, на котором затем образуются базидии.

Для многих базидиомицетов характерны пряжки (рис. 3), об- разующиеся на мицелии и участвующие в синхронном процессе деления ядер, а в мицелиальных септах — долипоры (см. рис. 32).

Дейтеромицеты (от греч. _г

-3

_{йейегоБ — второй) — сбор- ный класс грибов, поскольку в него включены все те пред- ставители микромицетов, у которых не обнаружен поло- вой процесс развития. Если же половая стадия выявляет- ся, то такой гриб сразу же переносят в соответствую- щий ему класс.}

Насчитывают многие тысячи видов несовершенных грибов. Им присущ хорошо развитый септированный мицелий и конидиальное (бесполое) спороношение. У несовершенных грибов могут иметь место гетерокариоз и парасексуальный цикл.

Лишайники (от лат. Нелепее) — это естественные симбионты грибов (микобионтов) и водорослей (фикобионтов) или грибов и цианобактерий (бактериобионтов). Лишайники выделяют в само- стоятельную группу организмов, изучаемую в специальной науч-

35

ной дисциплине—лихенология. В настоящее время известно около 30 ООО видов лишайников. Микобионтами у них выступают пре- имущественно аскомицеты (исключительно редко — базидиоми- цеты), фикобионтами и бактериобионтами — зеленые и желто-зе- леные водоросли, цианобактерии. Называют лишайники по мико- бионту. Лишайники подразделяют по форме на листоватые (в том числе — кочующие), кустистые и корковые (накипные). Размно- жаются они бесполым (кусочками, конидиями) и половым путем за счет микобионта (рис. 4).

Рис. 4. Лишайники: корковый или накипной - 1, листоватый - 2. кустистый - 3, кочующий - 4.

Из сказанного можно составить представление о том, что потенциальных биообъектов для использования в производстве самых различных веществ обильное множество и большинство из них лежит пока нетронутым кладом для будущих поколений кла- доискателей.

2.4 Растения. Царство растений Р1аш.ае включает подцарства багрянок (Кпог1орлу1а), водорослей (Рлусорлу1а) и высших расте- ний (ЕтЬгуорлу1а). У первых двух нет дифференциации тела на органы и ткани — они представляются слоевищем (Шапиз) и обитают главным образом в воде. Тело высших растений расчле- нено на органы и ткани. К настоящему времени насчи- тывают сотни тысяч видов растений, многие из которых исполь- зуют в различных отраслях народного хозяйства.

Для растений характерны: способность к фотосинтезу, наличие целлюлозы, биосинтез крахмала.

2.4.1. Водоросли. К водорослям относятся: багрянки, пиррофитовые, золотистые, желто-зеленые, эвгленовыеихаровые.

36

Как правило, водоросли являются водными организмами, их на- считывают около 100 ООО видов. Все они пигментированы за счет хлорофилла, каротиноидов, ксантофиллов, фикобилинов. Водорос- ли — важный источник различных полисахаридов и других био- логически активных веществ. Размножаются они вегетативно, бесполым и половым путями. Как биообъекты используются недо- статочно, хотя, например, ламинария под названием морской капусты производится промышленностью различных стран. Хоро- шо известны агар-агар и альгинаты, получаемые из водорослей.

2.4.2. Клетки высших растений. Высшие растения (порядка 300 ООО видов) — это дифференцированные многоклеточ- ные, преимущественно наземные организмы. Способы их беспо- лого и полового размножения хорошо описаны в учебниках бота- ники. В процессе дифференциации и специализации клетки рас- тений группировались в ткани (простые — из однотипных клеток, и сложные — из разных типов клеток). Ткани, в зависимости от функции, подразделяют на образовательные, или меристемные (от греч. теп81о8—делимый), покровные, проводящие, механические, основные, секреторные (выделительные). Из всех тканей лишь меристематические способны к делению и за их счет образуются все другие ткани. Это важно для получения клеток, которые затем должны быть включены в биотехнологический процесс (см. спе- циальную часть),

Клетки меристемы, задерживающиеся на эм- бриональной стадии развития в течение всей жизни растения, называются инициальными, другие постепенно дифференцируются и превра- щаются в клетки различных постоянных тканей — конечные клетки.

В зависимости от топологии в растении мери- стемы подразделяют на верхушечные, или апи- кальные (от лат. арех — верхушка), боковые, или латеральные (от лат. 1а1егаИ5 — боковой) и про- межуточные, или интеркалярные (от лат. т1егса1ап5 — промежуточный, вставной) (рис. 5).

В 1902 г. Г. Хаберландт впервые сделал попыт- ки культивировать клетки растений. В середине ^Рис-^5- Меристемы ■' растительные: вер- текущего столетия промышленное производство хушеадые 1_бо-

декоративных и плодоовощных культур в ряде ковые — 2, проме- стран мира базировалось преимущественно на суточные — 3.

37

методе культур тканей и органов растений — были получены линии с заданными характеристиками. Здесь следует отметить, что Г. Хаберландт впервые выдвинул гипотезу о тотипотент- н о с т и любой живой клетки растения. Тотипотентность — это свойство соматических клеток растений полностью реализовать свой потенциал развития вплоть до образования целого растения.

Любой вид растения может дать в соответствующих условиях неорганизованную массу делящихся клеток — каллус (от лат. са11ив

— мозоль), особенно при индуцирующем влиянии растительных гормонов. Массовое производство каллусов с дальнейшей регене- рацией побегов пригодно для крупномасштабного производства растений. Вообще каллус представляет собой основной тип куль- тивируемой на питательной среде растительной клетки. Каллусная ткань из любого растения может длительно рекультивироваться. При этом первоначальные растения (в том числе и меристемати- ческие), дедифференцируются и деспециализируются, но индуци- руются к делению, формируя первичный каллус.

Кроме выращивания каллусов удается культивировать клетки некоторых растений в суспензионных культурах.

Важными биообъектами представляются также и протопласты растительных клеток. Методы их получения принципиально сход- ны с методами получения бактериальных и грибных протопластов. Последующие клеточно-инженерные эксперименты с ними заман- чивы по возможным ценным результатам.

2.5. Клетки животных. Из царства Аштапа биообъектами могут быть простейшие организмы—Рго1огоа и высшие животные. И если сегодня о биотехнологии Рго1огоа мало что-либо известно, то применительно к биотехнологии животных имеются внедрен- ные развитые технологические процессы, написаны соответству- ющие монографии в нашей стране и за рубежом. Тем не менее, высокие дифференциация и специализация эукариотических кле- ток животных объясняют те трудности, с которыми приходится сталкиваться исследователям и практическим работникам, имея дело с подобным материалом.

Простейшие (Рго1огоа) — это одноклеточные микроскопиче- ские животные. В данном отделе различают классы жгутиковых (Р1аде11а1а, или Мавндокэга, от лат. паде11шп — бич, жгут, тазйсаШв

— жевательный, от греч. Готов — нести), саркодовые (ЗагсосИпа, от греч. загсов—мясо), споровики (Зрогогоа) и реснитчатые (СШокэга,

38

или СШа1а). Простейшие широко распространены в природе, некоторые из них обитают и в теле человека. По своему строению клетки их напоминают клетки животных и содержат все основные структурные элементы (органоиды и включения). Многие протозоа активно передвигаются с помощью ложноножек, жгутиков и ре- сничек. По типу питания они являются гетеротрофами, обладаю- щими специальными структурами для захвата пищи или поглощают ее посредством фагоцитоза.

Культивирование протозоа т \п1го не простое, однако доступно при необходимом усердии, а препарат "круцин" из ТгурапоБота кш21 является свидетельством удачного использования этого орга- низма в биотехнологии.

В начале XX в. Р. Гаррисон и А. Каррель установили факт возможного культивирования клеток животных т лагго, то естьони доказали способность животных клеток к независимой жизни в питательной среде вне живого организма.

С учетом всех особенностей животных клеток (в отличие, например, от растительных и бактериальных) порой невозможно отказаться от них во избежание каких-то чрезвычайных затрудне- ний, так как лишь только с их помощью можно получить какой-то особый продукт (вещество). Для примера назовем моноклональные антитела, получение трансгенных животных и т. д.

Для реализации биотехнологических процессов важными па- раметрами биообъектов являются: чистота, скорость размноже- ния клеток и репродукции вирусных частиц, активность и ста- бильность биомолекул или биосистем.

Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия-могут оказаться благоприятными, например, и для микробов — контами- нантов, или загрязнителей (от лат. соп1аттайо — заражение, загрязнение). Представителями контаминирующей микрофлоры оказываются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-кон- таминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. При использовании ферментов в качестве биокатализаторов воз- никает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофит- ной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие несте-

рильности системы, например, из-за негерметичности в каком-ли- бо узле.

Скорости размножения клеток и репродукции вирусных час- тиц прямо пропорционально сказываются на возрастании клеточ- ной массы и образовании метаболитов или, применительно к фагам, на возрастании массы лизирующихся клеток. В этом смысле подавляющее большинство микроорганизмов выгодно отличается от клеток растений и животных. Однако не следует упускать из виду важность конечного продукта. Например, уже упомянутые моноклональные антитела можно получить лишь с помощью жи- вотных клеток, когда длительность культивирования их не приоб- ретает самодовлеющего значения.

Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов —одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.

Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организо- ванные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генети- ческой информацией, либо клетки с искусственно заданной гене- тической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против

этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках живо- тного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником фер- ментов также являются изолированные клетки или специализиро- ванные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.

Биотехнологии присущи свои специфические методы — это крупномасштабное глубинное культивирование биообъектов в пе- риодическом, полунепрерывном или непрерывном режиме; выра- щивание клеток растительных и животных тканей в особых усло- виях. Биотехнологические методы культивирования биообъектов выполняются в специальном оборудовании, например, в фермен- таторах выращивают бактерии и грибы при получении антибио- тиков, ферментов, органических кислот, некоторых витаминов (рис. 6);

в подобных же ферментаторах выращивают некоторые клетки человека (бласты) для получения белка — интерферона. Раститель- ные клетки чаще выращивают в стационарных условиях на среде с уплотненной (например, агаризованной) подложкой в стеклян- ных или полиэтиленовых емкостях, хотя некоторые виды расти- тельных клеток можно культивировать в специальных фермента- торах (рис. 7).

В стеклянных роллерах культивируют и большинство живо- тных клеток или, например, в куриных эмбрионах.

Другие методы, используемые в биотехнологии, являются об- щими, например, с методами в микробиологии, биохимии, биоин- женерии, органической химии и других науках.

Тем не менее, следует особо выделить методы клеточной и генной инженерии, когда в экспериментальных условиях удается создавать клетки с заведомо известными свойствами. Так осуще- ствлены соматическая гибридизация клеток картофеля и томата (гибрид назван "помато"), перенос генетической информации о синтезе человеческого или животного гормона инсулина в бакте- риальные клетки (кишечной палочки), способных затем продуци- ровать полипептидные цепи инсулина.

Эти методы и, прежде всего, генно-инженерные легли в основу современной биотехнологии. Более того, некоторые ученые стре- мятся отождествить генную инженерию и биотехнологию, а это

41

неправильно, поскольку генная инженерия представляет методи- ческую сущность биотехнологии. Наука не может быть наукой, если в ее определении отсутствуют специфичные, только ей при- сущие, объекты и методы.

Однако даже в случае реализации генно-инженерных разрабо- ток измененная наследственная информация на уровне молекул инкорпорируется затем в клетках, с которыми и приходится иметь дело в биотехнологическом процессе. Из этого можно вывести представление об уровнях биотехнологии: клеточном и молеку- лярном. Тот и другой определяются биообъектами. В первом случае дело имеют с клетками, например, актиномицетов при получении антибиотиков, микромицетов при получении лимонной кислоты, животных при изготовлении вирусных вакцин, человека при из- готовлении интерферона. Во втором случае дело имеют с молеку- лами, например, с нуклеиновыми кислотами в так называемой"ре- комбинантной ДНК-биотехнологии" (рДНК-биотехнология), бази- рующейся на генной инженерии и составляющей сущность пред- мета "Молекулярная биотехнология"; или на использовании отдель- ных ферментов (ферментных систем), например, протеаз в мою- щих средствах, липаз для модификации вкуса молочных продуктов и т. д. Однако необходимо помнить, что в начальной или конечной стадии молекулярный уровень трансформируется в клеточный. Так, ферменты продуцируются клетками, а при генно-инженерных разработках реципиентом новой генетической информации стано- вится также клетка.

Особенность методов, используемых в биотехнологии, заклю- чается в том, что они должны выполняться, как правило, в асеп- тических условиях (от греч. а — не, зерисов — гнилостный), то есть при исключении возможности попадания в среду культиви- рования биообъекта болезнетворных (патогенных) и неболезнет- ворных (сапрофитных) микроорганизмов. Патогенные виды пред- ставляют непосредственную опасность для занятых в производстве людей и для потребителей конечных продуктов; сапрофитные виды могут выступать конкурентами за питательные субстраты, антаго- нистами, продуцентами токсических веществ, включая пирогены.

42