Клітина як основний об’єкт біотехнологічних досліджень - Об’єкти біотехнології в харчовій
1) Живим організмам властиві загальні принципи структури:
. - Єдність елементарного складу;
. - єдність типів хімічних сполук;
. - Єдність субклітинної організації;
V. – єдність клітинної будови.
2) Будова клітини та функції клітинних органел.
а) клітинні мембрани
- рецептори клітинної мембрани
- біліпідний шар з інтегральними білками мембрани
- компоненти ліпідного шару; - фосфоліпідна (будова); - функція.
- мембранні білки – ферменти, їх функції.
- Гілкопротеїди поверхневого шару.
Транспорт речовин через мембрани. Чотири основні механізми транспорту:
- Активний транспорт (напрямок руху іонів Na, К і Cl).
- Екзо та ендоцитоз.
б) Ендоплазматичний ретикулум (ЕР)
«шорсткий» або глянулярний ф-ція.
в) Апарат Гольджі.
ж) Рибосоми. Типи рибосом: 70 S і 80 S
к) Клітинна стінка.
л) Пластиди. Типи пластид:
Особливості прокаріотичної (бактеріальної) - протоцит та еукаріотичної клітин - еуцит. Плазміди - властиві тільки протоциту. Автономно реплікують кільцеві ДНК. Не більше 100 генів.
Особливості будови клітинної стінки - наявність муреїну.
Вчені розробили методи вирощування у штучних умовах (культивування) клітин рослин тварин і навіть людини. Культивування клітин дозволяє отримувати різні цінні продукти, які раніше видобуваються в дуже обмеженій кількості через відсутність джерел сировини. Особливо успішно розвивається клітинна інженерія рослин. Використовуючи методи генетики, вдається відбирати лінії таких клітин рослин - продуцентів практично важливих речовин.які здатні рости на простих поживних середовищах і в той же час накопичувати цінних продуктів у кілька разів більше, ніж сама рослина. Вирощування маси клітин рослин вже використовується у промислових масштабах для отримання фізіологічно активних сполук. Налагоджено, наприклад, виробництво біомаси женьшеню для потреб парфумерної та медичної промисловості. Закладаються основи виробництва біомаси лікарських рослин – діоскореї та раувольфії. Розробляються способи вирощування клітинної маси інших рідкісних рослин - продуцентів цінних речовин (родіоли рожевої та ін.). Інший важливий напрямок клітинної інженерії - клональне мікророзмноження рослин на основі культури тканин. Заснований це метод на дивовижній властивості рослин: з окремої клітини або шматочка тканини в певних умовах може зрости ціла рослина, здатна до нормального зростання та розмноження. Цим методом із невеликої частини рослини можна отримати до 1 млн. рослин на рік. Клональне мікророзмноження використовується для оздоровлення та швидкого розмноження рідкісних, господарсько цінних чи новостворених сортів сільськогосподарських культур. Таким шляхом із клітин, не заражених вірусами, одержують здорові рослини картоплі, винограду, цукрових буряків, садових суниць, малини та багатьох інших культур. В даний час розроблені методи мікророзмноження і складніших об'єктів - деревних рослин (яблуні, ялини, сосни). На основі цих методів буде створено технології промислового отримання вихідного садивного матеріалу цінних деревних порід. Методи клітинної інженерії дозволять значно прискорити селекційний процес при виведенні нових сортів хлібних злаків та інших важливих сільськогосподарських культур: термін їх одержання скорочується до 3-4 років (замість 10-12 років, необхідних привикористання стандартних способів селекції). Перспективним методом виведення нових сортів цінних сільськогосподарських культур є також розроблений вченими принципово новий спосіб злиття клітин. Цей метод дозволяє отримувати гібриди, які не можуть бути створені звичайним шляхом схрещування через бар'єр міжвидової несумісності. Методом злиття клітин отримано, наприклад, гібриди різних видів картоплі, томатів, тютюну; тютюну та картоплі, ріпаку та турнепсу, тютюну та беладони. На основі гібриду культурної та дикої картоплі, яка стійка до вірусів та інших захворювань, створюються нові сорти. Аналогічним способом одержують цінний селекційний матеріал томатів та інших культур. У перспективі - комплексне використання методів генетичної та клітинної інженерії для створення нових сортів рослин із заздалегідь заданими властивостями, наприклад, осконструйованими в них системами фіксації атмосферного азоту. Великих успіхів досягнуто клітинної інженерією у сфері імунології: розроблено методи отримання спеціальних гібридних клітин, які виробляють індивідуальні, чи моноклональні, антитіла. Це дозволило створити високочутливі засоби діагностики низки важких захворювань людини, тварин та рослин. Значний внесок робить сучасна біотехнологія у вирішенні такої важливої проблеми, як боротьба з вірусними захворюваннями сільськогосподарських культур, що завдають великої шкоди народному господарству. Вчені розробили високоспецифічні сироватки для виявлення понад 20 вірусів, що спричиняють захворювання різних сільськогосподарських культур. Розроблено та виготовлено систему приладів та пристроїв для масової автоматичної експрес-діагностики вірусних хвороб рослин в умовах сільськогосподарського виробництва. Нові методи діагностики дозволяютьвідбирати для посадки вільний від вірусів вихідний матеріал (насіння, бульби та ін), що сприяє значному підвищенню врожаю.
Важливе практичне значення мають роботи з інженерної ензимології.
Першим важливим успіхом була іммобілізація ферментів - закріплення молекул ферментів за допомогою міцних хімічних зв'язків на синтетичних полімерах, полісахаридах та інших носіях-матрицях. Закріплені ферменти стабільніші, їх можна використовувати багаторазово. Іммобілізація дозволяє здійснювати безперервні каталітичні процеси, отримувати продукцію, не забруднену ферментом (що особливо важливо у ряді харчових та фармакологічних виробництв), значно знизити її собівартість. Цей метод застосовують, наприклад, для отримання антибіотиків. Так, вченими розроблено та впроваджено у промислове виробництво технологію отримання антибіотиків на основі іммобілізованого ферменту пеніцилінамідази. В результаті застосування цієї технології в п'ять разів знизилася витрата сировини, собівартість кінцевого продукту зменшилася майже вдвічі, обсяг виробництва зріс у сім разів, а загальний економічний ефект становив близько 100 млн. рублів. Наступним кроком інженерної ензимології була розробка методів іммобілізації клітин мікроорганізмів, а потім - клітин рослин та тварин. Іммобілізовані клітини є найбільш економічними біокаталізаторами, оскільки мають високу активність і стабільність, а головне - застосування їх повністю виключає витрати на виділення та очищення ферментів. В даний час на основі іммобілізованих клітин розроблено методи одержання органічних кислот, амінокислот, антибіотиків, стероїдів, спиртів та інших цінних продуктів. Іммобілізовані клітини мікроорганізмів використовуються також для очищення стічних вод, переробкисільськогосподарських та промислових відходів. Біотехнологія знаходить все ширше застосування й у багатьох галузях промислового виробництва: розроблено методи використання мікроорганізмів для вилучення кольорових шляхетних металів із руд та промислових відходів, підвищення нафтовіддачі пластів, боротьби з метаном у вугільних шахтах.
Так, для звільнення шахт від метану вчені запропонували бурити свердловини у вугільних пластах і подавати в них суспензію з бактерій, що метаноокислюються. Таким чином, вдається видалити близько 60% метану ще до початку експлуатації пласта. А нещодавно знайшли простіший і ефективніший спосіб: суспензією з бактерій обприскують породи виробленого простору, звідки найбільш інтенсивно виділяється газ. Розбризкування суспензії можна здійснювати за допомогою спеціальних форсунок, що встановлюються на кріпленнях. Випробування, проведені на шахтах Донбасу, показали, що мікроскопічні «працівники» швидко знищують від 50 до 80 % небезпечного газу у виробках. А ось за допомогою інших бактерій, які самі виділяють метан, можна підвищувати тиск у нафтових пластах та забезпечувати повніше вилучення нафти. Значний внесок належить зробити біотехнології і у вирішенні енергетичної проблеми. Обмеженість запасів нафти та газу змушує шукати шляхи використання нетрадиційних джерел енергії. Один із таких шляхів - біоконверсія рослинної сировини, або, іншими словами, ферментативна переробка целюлозосодержащих відходів промисловості та сільського господарства. В результаті біоконверсії можна отримати глюкозу, а з неї - спирт, який і служитиме паливом. Все ширше розгортаються дослідження з одержання біогазу (в основному метану) шляхом переробки тваринницьких, промислових та комунальних відходів за допомогоюмікроорганізмів. У цьому залишки після переробки є високоефективним органічним добривом. Таким чином, цим шляхом вирішуються відразу кілька проблем: охорона навколишнього середовища від забруднень, отримання енергії та виробництво добрив. Настанови щодо отримання біогазу вже працюють у різних країнах. Можливості біотехнології практично безмежні. Вона сміливо вторгається в різні сфери народного господарства. І в недалекому майбутньому, безсумнівно, ще більше зросте практична значущість біотехнології у вирішенні найважливіших завдань селекції, медицини, енергетики, охорони навколишнього середовища від забруднень.[12]