Полная версия

Главная arrow География arrow БИОХИМИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

Биообъект - центральный и обязательный элемент биотехнологического производства, создающий его специфику. Им может быть целостный сохранивший жизнеспособность многоклеточный или одноклеточный организм, изолированные клетки многоклеточного организма, а также вирусы и выделенные из клеток мультифер- ментные комплексы, включенные в определенный метаболический процесс. Наконец, биообъектом может быть индивидуальный изолированный фермент.

Функцией биообъекта в биотехнологии является полный биосинтез целевого продукта, включающий ряд последовательных ферментативных реакций, или катализ лишь одной ферментативной реакции, имеющей ключевое значение для получения целевого продукта.

Биообъект, осуществляющий полный биосинтез целевого продукта, называется продуцентом. Биообъект, являющийся индивидуальным ферментом или выполняющий функцию одной ферментативной реакции, используемой в биотехнологическом процессе, называют промышленным биокатализатором.

Таким образом, к биообъектам относят макромолекулы, микро- и макроорганизмы. В качестве макромолекул в промышленном производстве используют ферменты всех известных классов, но наиболее часто - гидролазы и трансферазы. Наиболее рационально использовать ферменты в иммобилизованном виде, т. е. связанные с нерастворимым носителем.

Для приготовления вакцин используют такие биообъекты, как вирусы. Микробные клетки прокариот и эукариот в биотехнологическом производстве занимают доминирующее положение. Эти биообъекты являются продуцентами первичных метаболитов, используемых в качестве лекарственных средств: аминокислот, азотистых оснований, коферментов, моно- и дисахаридов, ферментов, применяемых в заместительной терапии.

С помощью микроорганизмов синтезируют огромное число вторичных метаболитов, многие из которых нашли широкое применение (антибиотики и другие корректоры гомеостаза клеток млекопитающих).

Пробиотики - препараты на основе биомассы отдельных видов микроорганизмов, используют при дисбактериозах для нормализации микрофлоры желудочно-кишечного тракта. Микробные клетки методами генной инженерии могут быть превращены в продуценты видоспецифических для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета.

Высшие растения являются традиционным и наиболее обширным источником получения лекарственных средств. При использовании растений в качестве биообъектов основное внимание уделяется вопросам культивирования растительных тканей на искусственных средах (каллусные и суспензионные культуры) и открывающихся при этом новых перспективах.

Традиционным источником лекарственных и диагностических средств является животный мир. В этом случае в качестве биообъектов выступают органы, клетки и биоматериал млекопитающих, птиц, рептилий, амфибий, членистоногих, рыб, моллюсков. Разнообразие биологически активных соединений животного происхождения крайне велико.

В последние годы в связи с развитием технологии рекомбинантной ДНК возрастает важность такого биообъекта исследования, как органы и биоматериал организма человека.

Ранее организм человека в качестве биообъекта использовали при получении гомологичной антисыворотки или при пересадке его тканей и органов, например костного мозга, почек.

Однако с позиций биотехнологии человек стал биообъектом лишь после реализации возможности клонирования его ДНК в клетках микроорганизмов. За счет такого подхода ликвидирован дефицит сырья для получения видоспецифических белков человека.

Биотехнология микробного синтеза - это научная область, предметом изучения которой является многообразие биосинтетических процессов, осуществляемых с помощью микроорганизмов. Ее научной основой являются знания о закономерностях роста и жизнедеятельности популяций микроорганизмов в искусственно создаваемых условиях при биотехнологических исследованиях. Чтобы приступить к их проведению, необходимо располагать некоторыми предварительными сведениями о свойствах объекта изучения, о причинно-следственных связях между его параметрами и внешними и внутренними возмущающими воздействиями.

В случае сложных биотехнологических объектов нельзя четко и однозначно определить и изучить отдельные их свойства. В таких объектах одновременно действует много факторов, протекает большое число взаимосвязанных явлений различной физической природы, механизм которых, как правило, до конца не ясен.

Установление законов поведения биотехнологических систем - сложная задача, для решения которой прибегают к построению физических, вещественно-математических и логико-математических моделей, в той или иной мере имитирующих поведение реальных объектов.

Моделирование биотехнологических процессов и их оптимизация

При моделировании оперируют такими понятиями, как физические, вещественно-математические и логико-математические модели.

Физические модели имеют природу, сходную с природой изучаемого объекта, и отличаются от него лишь размерами, скоростью течения исследуемых явлений и иногда материалом. Вещественно-математические модели имеют отличную от прототипов природу, но допускают одинаковое с оригиналом математическое описание. Логико-математические модели конструируются из знаков и являются абстрактными моделями, строящимися как исчисления.

В микробиологическом синтезе лабораторное культивирование микроорганизмов является физической моделью промышленного производства. Вещественно-математические модели применяют в биотехнологии микробного синтеза с начала прошлого века. Это системы дифференциальных уравнений различной степени сложности, разработкой которых занимались А.Г. Мак-Кендрик, В.В. Пай, Н.Д. Иерусалимский, Ж. Моно и многие другие исследователи. В настоящее время общее число таких моделей около тысячи.

Логико-математические модели также находят применение в биотехнологии микробного синтеза. Например, В.В. Бирюков (1985) с успехом использовал булевы модели для прогнозирования ферментативных процессов. Следует подчеркнуть, что за логико-математическими моделями большое будущее, так как они составляют основу формализованного языка биотехнологических процессов.

Биотехнология занимается изучением живых систем различной степени сложности. При этом для описания разнообразных явлений наряду с обычным используют биохимический, морфологический, физико-химический, генетический, энергетический и физиологический языки, которые применяют на различных уровнях организации живой материи: клеточном, тканевом, популяционном, биоценотическом.

При исследованиях процессов микробиологического синтеза происходит непрерывная трансформация моделей изучаемого объекта, усложнение и изменение их характера.

На основе данных, полученных из анализа литературных источников или предварительно проведенных экспериментов, биотехнолог-исследователь строит гипотезу о наиболее существенных факторах микробиологического синтеза, которая, как правило, формулируется словесно и представляет собой описательную модель. Затем осуществляется постановка эксперимента и физическое моделирование биотехнологического процесса, на основе результатов которых подтверждаются или опровергаются первичные гипотетические представления о ходе процесса микробиологического синтеза. Полученные результаты затем используются как в лабораторной, так и промышленной биотехнологической практике.

При математическом моделировании исследователь после формулировки описательной модели создает вещественно-математическую модель (как правило, в виде систем дифференциальных уравнений), на основе которой (после проверки ее адекватности и идентификации) осуществляется поиск оптимального режима биотехнологического процесса.

В настоящее время имеется большое число работ по математическому моделированию биотехнологических процессов микробиологического синтеза, начиная от моделей накопления биомассы, антибиотиков, аминокислот и других продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и кончая моделями, учитывающими возрастную структуру популяции, автоселекцию и адаптацию микробных сообществ. Математические описания основываются на законах биохимии, ферментативного катализа и роста клеточных популяций.

Для расчета выхода целевого продукта в биотехнологических исследованиях осуществляется построение схемы изучаемого процесса. Биотехнолог определяет набор начальных субстратов, внутриклеточных регуляторов, в частности ферментов, и конечных продуктов, в том числе целевых. Затем схему изучаемого процесса описывают уравнениями, представляющими собой вещественно-математическую модель этого процесса. Решения этих уравнений лежат в основе управления биотехнологическими процессами.

Скорость накопления целевого продукта микробиологического синтеза в первую очередь определяется кинетикой роста клеточной популяции - объекта культивирования. Целевым физиологически активным соединением может быть суммарная биомасса микробных клеток, их низко- или высокомолекулярные эндометаболиты (например, для ферментов нуклеинового обмена), а также экзометаболиты (например, аминокислоты, антибиотики, витамины).

Количество конечного продукта пропорционально биомассе. Поэтому в работах по математическому моделированию биотехнологических процессов микробиологического синтеза модели накопления биомассы играют первостепенную роль. В качестве такой модели рассмотрим квазихимическую модель роста клеточных популяций.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>