Курс лекций для студентов специальности -48 02 01 «Биотехнология» Минск 2014 034)

5 
процессы привлекают внимание исследователей малыми энергетиче-
скими затратами на процесс (нет необходимости в аэрации и интен-
сивном перемешивании питательной среды), а также возможностью 
получения в качестве 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 со-
обществ различных популяций, тесно связанных между собой. Ассоци-
ации культур в сравнении с монокультурами имеют ряд преимуществ: 
– способность ассимилировать сложные субстраты, малодоступ-
ные для монокультур; 
– более высокая продуктивность; 
– повышенная устойчивость к токсичным веществам и изменяю-
щимся факторам окружающей среды. 
Основная область применения смешанных культур – биодеграда-
ция 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 при-
родных условиях закрепление микробных клеток на различного вида 
носителях является естественным и распространенным процессом. 
В биотехнологических производствах применяют следующие ви-
ды 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. 
Создание и использование биосистем с иммобилизованными биоло-
гическими агентами – одно из современных направлений развития био-
технологической отрасли, что обусловлено существенными преимуще-
ствами иммобилизованных клеток и ферментов перед свободными: 
– удержание биоагентов в объеме реактора; 
– возможность создания высокой регулируемой концентрации 
биоагента в реакторе; 
– возможность организации непрерывного процесса с многократ-
ным использованием агента и высокой скоростью протока среды; 

6 
– удешевление процесса выделения целевого продукта из культу-
ральной среды, не содержащей клеточной массы; 
– более высокая активность (продуктивность) и стабильность 
биоагента в иммобилизованном состоянии;
– повышение устойчивости иммобилизованных биоагентов к не-
благоприятным факторам среды; 
– возможность промышленного использования дорогостоящих 
биоагентов (например, ферментов); 
– использование иммобилизованных биоагентов в создании био-
логических микроустройств (ферментных электродов, биологических 
датчиков, запоминающих устройств и т. д.). 
Набор биологических агентов непрерывно пополняется новыми, 
нетрадиционными объектами, появляются нестандартные биотехно-
логические процессы. 
Особое внимание в настоящее время уделяется созданию не су-
ществующих в природе биологических агентов методами генетиче-
ской инженерии. Сформировалось направление конструирования ис-
кусственных клеток. 
Разрабатываются подходы к созданию искусственных ферментов 
и аналогов ферментов, обладающих повышенной стабильностью 
и активностью. 
К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе раз-
вития биотехнологии относятся растительные и животные тканевые 
клетки, а также клетки тканей человека. 
Биотехнология клеток растений – это молодая отрасль. Культуры 
растительных клеток могут быть использованы: 
– в биосинтетических и биотрансформирующих реакциях; 
– для изучения метаболизма растений, а также системы «расте-
ние – паразит» (вирусы, грибы, насекомые и т. д.); 
– при микроразмножении и получении новых форм растений в аг-
ротехнике. 
Растительные клетки можно культивировать как на твердой среде, 
так и глубинным способом. При крупномасштабном культивировании 
суспензии клеток растений следует учитывать, что эти клетки чрезвы-
чайно чувствительны к эффекту среза и быстро лизируются при ин-
тенсивном механическом перемешивании среды (большинство клеток 
погибает уже к 20–30-му часу культивирования). Клетки растений 
имеют также тенденцию агрегироваться, что затрудняет контроль па-
раметров процесса и нарушает массообмен. 
Получение культуры клеток растений начинают с отбора в асепти-
ческих условиях кусочка ткани растения. Используют различные ткани 

7 
любого органа растения (чаще ствол или листья). Ткань помещают 
в среду, содержащую питательные вещества и факторы роста. Рост 
происходит в виде каллуса, который в дальнейшем культивируют на 
твердой среде или используют для получения суспензии клеток. Кал-
лус представляет собой дезорганизованную массу недифференциро-
ванных клеток, способных к росту и образованию метаболитов. Ткань 
каллуса гетерогенна по морфологии и биохимическим свойствам. Для 
получения суспензионной культуры небольшое количество каллусной 
ткани помещают в жидкую среду и культивируют на качалке в течение 
2–3-х недель. Суспензионная культура более гомогенна и растет быст-
рее. Часть клеток образует агрегаты различных размеров. Предпочита-
ют в дальнейшем использовать суспензию из отдельных клеток. Время 
генерации клеток растений составляет в среднем 30–70 ч. 
Культуры клеток растений могут быть использованы для биосин-
теза вторичных метаболитов (аминокислот, витаминов, гормонов, 
красителей, липидов, нуклеиновых кислот, полисахаридоы, стерои-
дов, ферментов, терпенов, регуляторов роста и т. д.), а также для био-
трансформации химических соединений. Однако экономически вы-
годных биотрансформационных процессов мало. Культивирование 
клеток осуществляют в условиях асептики. Для получения метаболи-
тов можно использовать иммобилизованные клетки растений. Важ-
нейшим их преимуществом является повышенная устойчивость к ме-
ханическим повреждениям. 
В настоящее время основными недостатками использования куль-
тур тканей растения для получения метаболитов являются: 
– высокий уровень инфицирования ферментационной среды; 
– низкая скорость роста (время генерации клеток примерно в 100 
раз больше, чем у микроорганизмов); 
– низкий выход продуктов при большой продолжительности 
процесса. 
В настоящее время культуры клеток растений рассматриваются 
как биологические агенты для получения дорогостоящих, требую-
щихся в небольшом количестве соединений. 
Особый интерес представляет способность культур растений 
к тотипотенции, т. е. регенерации целого растения из отдельной 
клетки (в любой клетке растения заложена информация, необходи-
мая для дифференцирования клеток при делении). Это явление ис-
пользуется в агротехнике. Микроразмножение растений имеет сле-
дующие преимущества: 
– возможность получения растений, не содержащих возбудителей 
болезней; 

8 
– возможность быстрого размножения (в течение круглого года) 
медленно растущих растений или новых видов растений; 
– однородность рассадочного материала; 
– возможность длительного хранения генетического материала 
и обмена им; 
– возможность создания новых генотипов растений. 
Новые формы растений создают с использованием приемов кле-
точной инженерии: гибриды получают с помощью парасексуальной 
гибридизации путем слияния протопластов. Этот метод отличается 
тем, что в качестве родительских используются не половые клетки 
(гаметы), а соматические клетки растения. В большинстве случаев 
применяют протопласты листа либо протопласты из каллусных тка-
ней. Из гибридных клеток, полученных таким путем, регенерируют 
целые растения – гибриды. 
Традиционный селекционный процесс (основанный на примене-
нии полового скрещивания как средства генетического обмена) отли-
чается длительностью (несколько лет), и скрещивание возможно меж-
ду филогенетически близкими растениями.
Путем слияния протопластов успешно осуществляют гибридиза-
цию при межвидовых, межродовых и даже межсемейственных скре-
щиваниях. В настоящее время при селекционных центрах создаются 
лаборатории клеточной инженерии, в которых отрабатывается техни-
ка парасексуальной гибридизации. 
В промышленных условиях культура клеток растений в виде кал-
лусной ткани применялась при производстве спиртового экстракта 
биоженьшеня. 
Культуры клеток тканей животных и человека используются 
в следующих основных направлениях: 
– производстве вирусных вакцин, изучении действия вирусов 
и влияния различных факторов на вирусную инфекцию; 
– получении физиологически активных веществ, например ин-
терферонов; 
– трансплантации тканей человека (пересадка клеток поджелу-
дочной железы для больных сахарным диабетом); 
– производстве моноклональных антител; 
– получении препаратов стволовых клеток для терапевтиче-
ских целей. 
Крупномасштабное культивирование клеток животных и человека 
осложнено тем, что клетки вне организма растут плохо. Для культи-
вирования клеток используются естественные среды (сыворотка, 

9 
сгустки плазмы, тканевые экстракты). Созданные синтетические сре-
ды (среда Маккоя, среда Игла и др.) имеют сложный состав (более 50 
компонентов). Большинство клеток растут на поверхности субстрата 
в виде монослоя (поверхностно-зависимые клетки). Суспензионный 
метод культивирования свободных клеток в реакторе требует специ-
альной аппаратуры: конструкция должна обеспечивать интенсивное 
перемешивание среды без разрушения клеток. В связи с этим разраба-
тываются суспензионные методы выращивания клеток на носителях. 
Проблема создания крупномасштабных систем для культивирования 
клеток животных и человека не решена. 
Основой современной промышленной биотехнологии является 
микробиологический синтез, в котором используются различные 
группы микроорганизмов для получения широкого ассортимента про-
дуктов (рисунок). 
Промышленные продукты микробиологического синтеза 

жүктеу/скачать 1,87 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: