Биологические системы, используемые в биотехнологии

В прокариотической бактериальной клетке хромосомная ДНК находится непосредственно в цитоплазме, клетка окружена ригидной клеточной стенкой. В клетке нет стоклеточных цитоплазматических органелл (рисунок 1). В оптимальных условиях прокариотическая клетка может делиться каждые 20 мин и таким образом давать жизнь более 10 млрд. клеток менее чем за сутки.

Исходя из температурного режима, который предпочитают те иди иные микроорганизмы, подразделяют на термофилы (от 45 до 90 °С и выше), мезофилы (от 10 до 47 °С) и психрофилы или психротрофы (от -5 до 35 °С). Микроорганизмы, активно размножающиеся лишь в определенном диапазоне температур – полезный инструмент для решения различных биотехнологических задач. Например, термофилы часто служат источником генов, кодирующих термостабильные ферменты, а генетически видоизмененные психротрофы используются при пониженной температуре для биодеградации токсичных отходов, содержащихся в почве и воде.

Среди множества биологических объектов, использующихся в молекулярной биотехнологии, основными являются бактерии Escherichia coli, одноклеточные дрожжи Saccharomytes cerevisiae и различные клеточные линии животного происхождения. Все они играют важную роль в получении белков, кодируемых клонированными генами.

Escherichia coli ‒ грамотрицательная непатогенная подвижная палочка длиной менее 1 мкм. Традиционная среда ее обитания – кишечник человека, почва, вода. Штаммы Escherichia coli культивируются на обогащенных жидких питательных средах, содержащих аминокислоты, витамины, соли, микроэлементы и источник углерода. Е.coli можно культивировать в аэробных и анаэробных условиях, но для оптимальной продукции рекомбинантных белков Е.coli и другие микроорганизмы обычно выращивают в аэробных условиях. Рост клеточной массы и продукция белка лимитируются содержанием в питательной среде растворённого кислорода, для этого в ферментерах создают условия аэрации.

Кроме Е.coli в молекулярной биотехнологии используют множество других микроорганизмов, которые подразделяют на две группы:

1. микроорганизмы как источники специфических генов.

2. микроорганизмы, созданные генно-инженерными методами для решения определенных задач.

Синтезированный бактериальной клеткой эукариотический белок часто: подвергают ферментативной модификации, присоединяя к белковой молекуле низкомолекулярные соединения, что необходимо для правильного функционирования белка. Однако Е.coli и другие прокариоты не способны осуществлять эту модификацию, поэтому для получения полноценных эукариотических белков используют S.cerevisiae и другие виды дрожжей.

В качестве биологических систем в молекулярной биотехнологии используют культуру эукариотических клеток. Кусочек ткани определенного организма (насекомого, растения, млекопитающего) обрабатывают протеолитическими ферментами (трипсином), расщепляющими белки межклеточного материала, при работе с растительными клетками используют ферменты, разрушающие клеточную стенку. Высвободившиеся клетки помещают в питательную среду, содержащую аминокислоты, антибиотики, витамины, соли, глюкозу, факторы роста. В этих условиях (деление клеток млекопитающих происходит примерно раз в сутки) на стенке емкости с культурой образуется клеточный монослой. Если после этого не перенести клетки в емкости со свежей питательной средой, рост прекращается. Обычно удается переносить и поддерживать до 50-100 клеточных генераций исходной (первичной) клеточкой культуры, затем клетки начинают терять способность к делению и гибнут.

В молекулярной биотехнологии устойчивые линии используют для крупномасштабного производства вакцин и рекомбинантных белков, для размножения вирусов и выявления белков, которые кодируются клонированными последовательностями ДНК.