Вирусы как объекты биотехнологии

Объекты биотехнологии. Вирусы. Эубактерии. Грибы. Лишайники. Растения. Животные. Строение животной и растительной клетки.

Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации:

а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК);

б) бактерии и цианобактерии;

е) культуры клеток растений и животных;

ж) растения – низшие (анабена-азолла) и высшие – рясковые.

Объектами биотехнологии являются различные представители живой природы, которые делятся на три надцарства: акариоты (безъядерные), прокариоты (предъядерные) и эукариоты (ядерные) и 5 царств: вирусы, бактерии, в том числе микроскопические водоросли, грибы, а также растения и животные, в том числе простейшие.

Вирусы представляют собой бесклеточные частицы размером несколько нм и видны только под электронным микроскопом. Они являются облигатными, то есть обязательными, паразитами и могут размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток вирусы существуют в виде вирионов, представляющих собой комплекс нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) с белком, связанных между собой не ковалентными связями. Белковые молекулы, окружающие РНК или ДНК, создают оболочку вируса, называемую капсидом. По типу нуклеиновой кислоты вирусы делятся на РНК-содержащие (вирусы растений, а также вирусы, вызывающие грипп, бешенство, полиомиелит, СПИД и другие заболевания человека) и ДНК - содержащие (бактериофаги, некоторые вирусы человека и животных, например, герпеса, оспы и другие), некоторые, например, мимивирусы, имеют оба типа молекул – ДНК и РНК. Наряду с типичными вирусами открыты вироиды. Они представляют собой частицы, состоящие из низкомолекулярных РНК (240 – 400 нуклеотидов), и не содержащие капсидов.

Эубактерии являются более чувствительными к условиям окружающей среды. Многие из них способны паразитировать в многоклеточных организмах и вызывать болезни человека, животных и растений. Болезнетворные микроорганизмы называются патогенными. Например, все известные микоплазмы являются патогенными. Паразиты бывают облигатными и факультативными. Облигатные паразиты не могут обитать вне организма. К ним относятся, в частности, возбудители сифилиса и гонореи. Факультативные (не обязательные) паразиты, например, синегнойная палочка или вульгарный протей, обитающие во внешней среде, при снижении защитных сил организма могут вызвать инфекцию. Бактерии представляют собой безядерные, одноклеточные (как правило) организмы, размером 0,2 – 10,0 мкм и имеющие определенную форму (палочки, кокки, спиралевидные формы и т. д.). Внутреннее содержимое бактериальной клетки (цитоплазма) изолировано от внешней среды клеточной оболочкой, состоящей из тонкой мембраны и стенки, на которую приходится до 20 % сухого вещества бактерий. Клеточная стенка имеет сложное строение и придает бактериальной клетке определенную форму. Исключение составляют микоплазмы, у которых нет клеточной стенки и определенной формы. Бактериальные клетки, лишенные клеточной стенки называются протопластами. Протопласты используются в клеточно-инженерных исследованиях. Бактерии отличаются чрезвычайным разнообразием по условиям обитания, приспособляемости, способам питания и биоэнергообразования, а также по отношению к макроорганизмам – животным и растениям. Среди них выделяют наиболее древние формы, археобактерии, способные жить в экстремальных условиях. Так галобактериии, обнаруженные в морских солеварнях, оптимальной средой обитания является концентрированный раствор поваренной соли (3,5 – 5,0 моль/л). Термоацидофильные бактерии способны жить в горячих источниках, на склонах вулканов и в терриконах угольных шахт при рН 1 – 3 и температурах 59 – 105 С. Благодаря большому разнообразию бактерий, обладающих широким диапазоном биохимического состава и своеобразием протекающих в них реакций, бактерии наиболее часто служат биотехнологическими объектами. Из биомассы бактерий получают различные органические вещества - аминокислоты, разнообразные белковые вещества, в том числе ферменты. Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований, так как быстро размножаются и содержат плазмидную ДНК, способную включать в свой состав чужеродные фрагменты. Генетически модифицированные и иммобилизованные на носителях клетки бактерии используются в научно-исследовательских и промышленных целях. Наиболее изученной и широко применяемой в генноинженерных исследованиях клеткой является кишечная палочка, обитающая в толстом кишечнике человека.

Грибы, насчитывающие десятки тысяч видов, сочетают в себе черты клеток растений и животных. Они имеют клеточное ядро, как и растения – прочную клеточную стенку; аналогично клеткам животных они нуждаются в некоторых витаминах и способны синтезировать свойственные животным полисахариды: хитин и гликоген. Наибольший интерес для биотехнологии представляют микроскопические грибы, к которым относятся дрожжи, плесневые и другие микроорганизмы, применяемые в хлебопечении, пивоварении и в молочной промышленности. Они используются также для получения спиртов, органических кислот, антибиотиков, различных биологически активных веществ и кормового белка.

Самостоятельную группу организмов, представляющих собой симбиоз (сожительство) грибов с водорослями или с цианобактериями, составляют лишайники, которые являются перспективными источниками ряда биологически активных веществ.

Растения, насчитывающие около 500000 видов, состоят из ядерных клеток, которые имеют сложное строение и выполняют различные специализированные функции. К ним относятся водоросли, являющиеся водными организмами, и высшие растения, обитающие преимущественно на суше. Водоросли отличаются от высших растений тем, что не имеют органов и тканей, а представляют собой слоевища, состоящие из недифференцированных (одинаковых) клеток. Как и другие растения, водоросли обладают способностью к фотосинтезу и богаты различными углеводами и пигментами. Один из видов водорослей – морская капуста используется в пищу. Из водорослей добывают агар-агар и альгинаты – полисахариды, используемые для изготовления микробиологических сред, в пищевой промышленности, косметологии.

Высшие растения – многоклеточные организмы, имеющие специализированные органы, такие как корни, стебли, листья. Они состоят из тканей, образованных дифференцированными клетками. Ткани различаются химическим составом, строением и выполняют различные функции: механические, покровные, выделительные, проводящие и другие. Особое значение для биотехнологии имеет одна из тканей растений, называемая меристемой. Клетки меристемы способны к делению, благодаря чему осуществляется рост, а также образование тканей и органов растений. Они не утрачивают способности делиться и после удаления из растения. При выращивании на специальных питательных средах клетки меристемы дают массу делящихся клеток – каллус, который можно длительно культивировать, получать из него новые растения или использовать для извлечения нужных веществ. Наиболее сложным, но более эффективным, является выращивание отдельных растительных клеток в жидких средах (в суспензионных культурах). Благодаря способности растений улавливать световую энергию солнца и использовать ее в синтезе органических веществ, растения служат поставщиками питательных веществ для других организмов. Растения составляют большую часть биомассы Земли, поэтому производство и переработка растительного сырья для удовлетворения различных потребностей человека используется с древнейших времен. Являясь богатым и незаменимым источниками разнообразных углеводов, липидов, витаминов и многих других физиологически активных и лекарственных веществ, растения служат прежде всего для их получения. Не смотря на выдающиеся достижения биотехнологии, используются традиционные способы извлечения биогенных соединений: экстракция, перегонка, фильтрация. Все большую роль приобретают технологии получения биологически активных веществ из клеточных культур (биостимуляторы из женьшеня, противораковое средство таксол из коры тиса и др.), а также производство продуктов из генетически модифицированных растений.

Животные бывают простейшими – одноклеточными и высшими – многоклеточными. Как и растения они состоят из ядерных клеток. Среди простейших имеются паразиты и возбудители болезней высших животных и человека. Культивирование их на искусственных средах чрезвычайно затруднено. Однако некоторые простейшие выращиваются и используются для целей биоиндикации, в токсикологических исследованиях и для получения отдельных веществ. Ткани высших животных являются источниками полноценного белка, липидных веществ и некоторых витаминов, необходимых для питания человека. Из клеток крови животных получают различные белковые препараты (альбумин, иммуноглобулины, ферменты), некоторые гормоны и другие биологически активные вещества. В современных технологиях все чаще используются культуры клеток животных или человека, выращиваемых на искусственных средах (получение интерферона, моноклональных антител). Наиболее перспективным и экономичным способом производства биологически активных веществ является генная инженерия, позволяющая внедрить ген животного в клетку бактерии, которая начинает синтезировать нужное вещество. Так получают в настоящее время человеческий инсулин – гормон белковой природы, без которого не возможен нормальный обмен веществ, гормон роста и некоторые другие вещества.

Клетки растений и животных являются сложно организованными образованиями, состоящими из цитоплазмы и более плотного ядра. В цитоплазме содержатся внутриклеточные органеллы: митохондрии, рибосомы и лизосомы, шороховатые и гладкие мембраны эндоплазматической сети, погруженные в водорастворимую среду клетки – цитозоль. Клетка окружена плазматической мембраной, обладающей избирательной проницаемостью благодаря наличию специальных механизмов транспорта веществ. Клеточные ядра служат для хранения генетической информации, носителем которой является ДНК.

Митохондрии снабжают клетку энергией за счет окисления веществ, при участии кислорода. В них синтезируются также собственные белки митохондрий. Это – исключение из общего правила. Все остальные клеточные белки синтезируются на рибосомах.

Лизосомы содержат ферменты для расщепления различных биополимеров. Мембраны эндоплазматической сети формируют внутреннюю структуру (каркас) клетки, на них осуществляются превращения внутри клеточных веществ, а также реакции обезвреживания чужеродных соединений (ксенобиотиков).

С мембранами эндоплазматической сети связан аппарат Гольджи, представляющий собой систему микротрубочек. В аппарате Гольджи происходят реакции химической модификации белков, а также синтез резервных и секретируемых из клетки веществ.

Жидкая часть клетки – цитозоль содержит ферменты синтеза и анаэробного окисления веществ, а также низкомолекулярные органические и неорганические соединения.

Особенностью строения растительных клеток является наличие хлоропластов, в которых происходят процессы фотосинтеза. От клеток животных растительная клетка отличается также твердой стенкой, в состав которой входят вещества полисахаридной природы (целлюлоза, гемицеллюлозы, пектины) и полифенольный полимер лигнин.

Вопросы по теме:

1. Что является объектом биотехнологии?

2. Какова особенность строения растительной клетки?

3. Какие надцарства живой природы существуют?

Вирусы являются паразитами и могут размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток вирусы представляют собой комплексы нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) с белком. Они не являются организмами в полном смысле слова, так как не имеют свойственных клеткам органелл, не обладают собственным обменом веществ и живут и размножаются в клетках животных, человека, растений, бактерий, используя для своей жизнедеятельности ресурсы и обменные процессы этих клеток.

Бактерии являются доядерными организмами (прокариотами), так как у них имеется примитивное ядро без оболочки, ядрышка, гистонов, а в цитоплазме отсутствуют высокоорганизованные органеллы <митохондрии, лизосомы, аппарат Гольджи и др.)

К растениям относятся водоросли, являющиеся водными организмами, и высшие растения, обитающие преимущественно на суше. Водоросли не имеют органов и тканей и состоят из недифференцированных (одинаковых) клеток. Высшие растения являются многоклеточными организмами, имеющими специализированные органы - корни, стебли, листья. Они состоят из тканей, образованных специализированными клетками. Растения служат поставщиками питательных веществ для других организмов.

Грибы сочетают в себе черты клеток растений и животных. Они имеют клеточное ядро и, как у растений, прочную клеточную стенку. Как клетки животных, они способны синтезировать полисахариды - хитин и гликоген и нуждаются в некоторых витаминах. Особенно интересны для биотехнологии микроскопические грибы - дрожжи, плесневые и другие микроорганизмы, применяемые в хлебопекарной, пивоваренной и молочной промышленности, а также для получения органических кислот, спиртов, антибиотиков, кормового белка, различных биологически активных веществ.

Животные состоят из двух основных групп: простейших (одноклеточных) и высших (многоклеточных). Их клетки, как и клетки растений, являются ядерными. Поскольку многие простейшие являются паразитами и возбудителями болезней высших животных и человека, культивирование их на искусственных средах затруднено. Они используются в основном в токсикологических исследованиях.

Основными технологическими принципами, используемыми в биотехнологии, являются:

а) брожение (ферментация);

б) биоконверсия (превращение одного вещества в другое);

в) культивирование бактерий, вирусов, растительных и животных клеток;

г) генетическая инженерия.

Простейшим способом получения биотехнологической продукции является использование животных и их органов и тканей. Ткани высших животных являются источниками белка, липидов, некоторых витаминов. Например, иммунные сывороточные препараты получают из крови иммунизированных животных (лошадей, кроликов); гормон инсулин - из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней. Гормон роста получают из гипофиза умерших людей; для получения препаратов крови используют донорскую, плацентарную и абортную кровь.

Сырье животного происхождения является наиболее дорогим. В связи с этим в настоящее время все чаще используются культуры клеток животных или человека, выращиваемых на искусственных средах. Примером такой технологии является получение противовирусного препарата интерферона, применяющегося для профилактики и лечения гриппа и других вирусных инфекций. Наиболее перспективным способом производства биологически активных веществ является генная инженерия. В частности, так получают человеческий инсулин - гормон белковой природы.

Для получения многих лекарственных средств (сердечных, мочегонных, противовоспалительных и т.д.) используют растения. Несмотря на то, что традиционные методы извлечения физиологически активных и лекарственных соединений из растений (экстракция, перегонка, фильтрация) по-прежнему широко используются, все большее значение приобретают технологии получения биологически активных веществ из клеточных культур, а также производство продуктов из генетически модифицированных растений.

Из водорослей получают агар-агар и альгинаты - полисахариды, используемые в пищевой промышленности, а также для изготовления микробиологических сред.

Бактерии наиболее часто используются в биотехнологических процессах. Из биомассы бактерий получают различные органические вещества - аминокислоты, белки, в том числе ферменты. Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований. Наиболее изученной и широко применяемой в генноинженерных исследованиях является кишечная палочка Escherichia coli (Е. coli), обитающая в толстом кишечнике человека.

Первая попытка систематизации сведений об организмах принадлежит Аристотелю (4-й век до н.э.). Все известные к тому времени живые организмы были поделены им на два царства - растения и животные. Во второй половине 19-го века немецкий ученый Э. Геккель предложил выделить все микроорганизмы в отдельное царство Protista (первосущества - от греч. "protos" - простейший).

Дальнейшее изучение микроорганизмов выявило их неоднородность, что повлекло деление группы на высшие и низшие протесты. К высшим протестам были отнесены микроскопические животные (простейшие), микроскопические водоросли (кроме сине-зеленых, называемых также цианобактериями) и микроскопические грибы (плесени, дрожжи), к низшим - все бактерии, включая цианобактерии. Деление на высшие и низшие протесты осуществлялось в соответствии с двумя обнаруженными типами клеточной организации - эукариотной и прокариотной. Высшие протесты являются эукариотами, низшие -прокариотами.

Указанные типы клетки имеют как общие черты, так и существенные различия. /Клетка - это кусочек цитоплазмы, отграниченный мембраной, имеющей характерную ультраструктуру: два электронно-плотных слоя.каждый толщиной 2,5-3,0 нм, разделенных электронно-прозрачным промежутком. Такие мембраны называются элементарными.| В любой клетке присутствуют два вида нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белки, липиды, углеводы. Цитоплазма и элементарная мембрана являются обязательными структурными элементами клетки. Прокариотная клетка имеет одну внутреннюю полость, образуемую элементарной мембраной, называемой цитоплазматической (ЦПМ).

В эукариотных клетках, в отличие от прокариотных, есть вторичные полости. Клеточные структуры, ограниченные элементарными мембранами и выполняющие в клетке определенные функции, называются органеллами (органоидами). К ним относят ядро, митохондрии, рибосомы, лизосомы, аппарат Гольджи, хлоропласты и др. Ядро выполняет роль хранителя генетической информации, в качестве носителя которого выступает ДНК. Главными структурно-функциональными элементами ядра, содержащими в линейном порядке гены, являются хромосомы. Митохондрии снабжают клетку энергией за счет окисления веществ при участии кислорода. В них также синтезируются собственные белки митохондрий.

Все остальные клеточные белки синтезируются на рибосомах. Лизосомы содержат ферменты для расщепления различных биополимеров. Аппарат Гольджи (назван по имени итальянского ученого Камилло Гольджи, получившего в 1906 г. Нобелевскую премию) участвует в формировании продуктов жизнедеятельности клетки - различных секретов, коллагена, гликогена, липидов и др., в синтезе гликопротеидов. В хлоропластах, присутствующих только в растительных клетках, осуществляется фотосинтез.

В клетках прокариот перечисленные выше органеллы, типичные для эукариот, отсутствуют. Ядерная ДНК у них не отделена от цитоплазмы мембраной. Принципиальные различия в структуре прокариотных и эукариотных клеток явились причиной выделения прокариотных микроорганизмов, находящихся на самом примитивном уровне клеточной организации, в особое царство Мопега (Р. Виттэкер). Микроскопические, в основном одноклеточные, недифференцированные формы жизни включает царство Protista. Многоклеточные эукариоты представлены тремя царствами: Plantae (растения), Fungi (грибы) и Animalia (животные).

Размеры всех живых организмов располагаются в диапазоне от 10 2 (мельчайшие вирусы) до 10" ангстрем (размеры кита). К микроорганизмам, являющимся основными объектами биотехнологии, относят организмы, имеющие размеры менее предела видимости невооруженным глазом (10 6 ангстрем). Самые малые размеры, близкие к размерам крупных органических молекул - белков, имеют бесклеточные частицы - вирусы (16-200 нм). Вирусы являются паразитами и могут размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток вирусы представляют собой комплексы нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) с белком.

Размеры большинства бактерий находятся в пределах 0,5-3 мкм, однако встречаются среди них свои "гиганты" и "карлики". Например, длина клетки спирохеты достигает 500 мкм. Самые мелкие из прокариотных клеток - бак терии, принадлежащие к группе микоплазм, диаметр их клеток составляет 0,1-0,15 мкм. Долгое время считалось, что клетки прокариот имеют форму сферы (кокки), цилиндра (палочки) или спирали (спириллы или вибрионы). В последнее время показано, что, помимо указанных форм, бактерии могут также иметь форму кольца, звезды; для некоторых видов характерно ветвление. Многоклеточные прокариоты представляют собой скопления различной конфигурации, чаще всего - нити.

Бактерии чрезвычайно разнообразны по условиям обитания, приспособляемости, типам питания и биоэнергообразования, по отношению к макроорганизмам - животным и растениям. Наиболее древние формы бактерий - архебактерш способны жить в экстремальных условиях (высокие температуры и давления, концентрированные растворы солей, кислые растворы). Эубактерии (типичные прокариоты, или бактерии) более чувствительны к условиям окружающей среды.

По типу питания бактерии делятся на следующие группы:

• фототрофы, использующие энергию солнечного света;
• хемоавтотрофы, использующие энергию окисления неорганических веществ (соединений серы, метана, аммиака, нитритов, соединений двухвалентного железа и др.);
• органотрофы, получающие энергию при разложении органических веществ до минеральных веществ; эти бактерии - основные участники круговорота углерода, к этой же группе относятся бактерии, использующие энергию брожения;
• бактерии-паразиты, вызывающие болезни человека, животных и растений. Болезнетворные микроорганизмы называются патогенными.

Неболезнетворные бактерии, способные обитать на слизистых оболочках и кожных покровах, но не питающиеся ''живым белком", называются сапрофиталш. Бактерии наиболее часто используются в биотехнологических процессах. Из биомассы бактерий получают различные органические вещества - аминокислоты, белки, в том числе ферменты.

Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований. Наиболее изученной и широко применяемой в генно-инженерных исследованиях является кишечная палочка Escherichia coli (Е. coli), обитающая в кишечнике человека.

К растениям относятся водоросли, являющиеся водными организмами, и высшие растения, обитающие преимущественно на суше. Водоросли не имеют органов и тканей и состоят из недифференцированных (одинаковых) клеток. Из водорослей получают агар-агар и альгинаты - полисахариды, используемые для изготовления микробиологических сред и в пищевой промышленности. Высшие растения являются многоклеточными организмами, имеющими специализированные органы - корни, стебли, листья. Они состоят из тканей, образованных специализированными клетками. Растения служат поставщиками питательных веществ для других организмов.

Несмотря на то, что традиционные методы извлечения физиологически активных и лекарственных соединений из растений (экстракция, перегонка, фильтрация) по-прежнему широко используются, все большее значение приобретают технологии получения биологически активных веществ из клеточных культур, а также производство продуктов из генетически модифицированных растений.

Грибы сочетают в себе черты клеток растений и животных. Они имеют клеточное ядро и, как у растений, прочную клеточную стенку. Как клетки животных, они способны синтезировать полисахариды - хитин и гликоген и нуждаются в некоторых витаминах. Особенно интересны для биотехнологии микроскопические грибы - дрожжи, плесневые грибы, высшие грибы, применяемые в хлебопекарной, пивоваренной и молочной промышленности, а также для получения органических кислот, спиртов, антибиотиков, кормового белка, различных биологически активных веществ.

Животные состоят из двух основных групп: простейших (одноклеточных) и высших (многоклеточных). Их клетки, как и клетки растений, являются ядерными. Поскольку многие простейшие являются паразитами и возбудителями болезней высших животных и человека, культивирование их на искусственных средах затруднено. Они используются в основном в токсикологических исследованиях. Ткани высших животных являются источниками белка, липидов, некоторых витаминов. Сырье животного происхождения наиболее дорогое. В связи с этим в настоящее время все чаще используются культуры клеток животных или человека, выращиваемых на искусственных средах.

Примером такой технологии является получение противовирусного препарата интерферона, применяющегося для профилактики и лечения гриппа и других вирусных инфекций. Наиболее перспективным способом производства биологически активных веществ является генная инженерия. В частности, так получают человеческий инсулин - гормон белковой природы.

С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов

Объекты, используемые в биотехнологии (они включают представителей, как прокариот, так и эукариот), чрезвычай­но разнообразны по своей структурной организации и био­логическим характеристикам. К объектам биотехнологии относятся:

— бактерии и цианобактерии;

— клетки растений и животных.

В группу низших растений входят и микроскопически малые организмы (одноклеточные и многоклеточные), и очень крупные по размерам. Но все они объединены таки­ми общими признаками, как отсутствие расчленения тела на вегетативные органы и разнообразие способов размноже­ния.

К низшим относят следующие отделы: Вирусы, Бакте­рии, группа отделов Водоросли (Сине-зеленые, Зеленые, Ди­атомовые, Бурые, Красные и др.), Миксомицеты, Грибы, Лишайники. По способу питания их подразделяют на две группы: автотрофы (водоросли и лишайники), способные к фотосинтезу, и гетеротрофы (вирусы, бактерии — за не­большим исключением, — миксомицеты, грибы), исполь­зующие для питания готовые органические вещества.

Низшие растения прошли длинный исторический путь развития, но многие их представители до сих пор сохрани­ли черты примитивной организации. На определенном эта­пе развития они дали начало высшим растениям, венцом которых являются покрытосеменные.

Вирусы (от лат. virus — яд) — это мельчайшие организ­мы (не более 200-300 нм), невидимые в световой микроскоп, не имеющие клеточного строения, лишенные собственных систем энергообеспечения, отличающиеся паразитическим способом существования, т. е. являющиеся внутриклеточ­ными паразитами. Детальное изучение вирусов стало воз­можным с развитием электронной микроскопии, биохимии, молекулярной биологии.

Механизм инфицирования. Условно процесс вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно разбить на следующие этапы.

Присоединение к клеточной мембране — так назы­ваемая адсорбция. Обычно, для того чтобы вирус адсорби­ровался на поверхности клетки, она должна иметь в соста­ве своей плазматической мембраны специфический белок (часто гликопротеин) — рецептор, специфичный для данно­го вируса. Наличие рецептора нередко определяет круг хо­зяев данного вируса, а также его тканеспецифичность.

Проникновение в клетку. На этом этапе вирусу необ­ходимо доставить внутрь клетки свою генетическую инфор­мацию. Некоторые вирусы привносят также собственные белки, необходимые для ее реализации. Различные вирусы для проникновения в клетку используют разные стратегии. Вирусы также различаются по локализации их реплика­ции: часть вирусов размножается в цитоплазме клетки, а часть — в ее ядре.

Создание новых вирусных компонентов. Размноже­ние вирусов в самом общем случае предусматривает три процесса:

— транскрипцию вирусного генома, т. е. синтез вирус­ной мРНК;

— трансляцию мРНК, т. е. синтез вирусных белков;

— репликацию вирусного генома.

У многих вирусов существуют системы контроля, обес­печивающие оптимальное расходование биоматериалов клетки-хозяина. Например, когда вирусной мРНК накопле­но достаточно, транскрипция вирусного генома подавляет­ся, а репликация, напротив, активируется.

Классификация вирусов. Систематику и таксономию вирусов кодифицирует и поддерживает Международный комитет по таксономии вирусов (International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV), поддерживающий также и так­сономическую базу The Universal Virus Database ICTVdB.

Форма представления генетической информации лежит в основе современной классификации вирусов. В настоящее время их подразделяют на ДНК- и РНК-содержащие вирусы.

К вирусам относятся бактериофаги — паразиты микро­организмов. Они состоят из двух частей: призматической головки и хвостового отростка. Если добавить к микробам бактериофаг, действующий именно на данный вид микро­бов, через несколько минут его можно обнаружить на по­верхности микробной клетки, к которой он прикрепляется отростком. Затем бактериофаг выделяет фермент, раство­ряющий оболочку бактерии в месте прикрепления отрост­ка. Сквозь это отверстие ДНК, находящаяся в головке, по­падает в клетку. Капсид остается снаружи. Под влиянием ДНК фага обмен веществ бактерии перестраивается, белок синтезирующие системы бактерии образуют белки фага, происходит репликация фаговой ДНК. Через 15-30 мин оболочка клетки разрывается, и огромное количество фагов выходит в окружающую среду. Фаги заражают новые клет­ки, вызывая их лизис.

Значение вирусов. Вирусы вызывают ряд опасных забо­леваний человека (оспу, гепатит, грипп, корь, полиомие­лит, СПИД, рак и т. д.), растений (мозаичную болезнь таба­ка, томата, огурца, карликовость, увядание земляники), животных (чуму свиней, ящур). Однако препараты соответ­ствующих бактериофагов применяют для лечения бактери­альных заболеваний — дизентерии и холеры.

Получение интерферона — особого клеточного белка, препятствующего размножению вирусов, — широко ис­пользуют в медицине, особенно во время вспышек эпидемий гриппа. Это вещество универсального действия, активное по отношению ко многим вирусам, хотя чувствительность разных вирусов к нему неодинакова. Будучи продуктом са­мой клетки, интерферон полностью лишен токсического воздействия на нее. Сейчас применяют готовый интерфе­рон, его можно синтезировать в клетках, культивируемых вне организма.

Строение бактерий. Подавляющее большинство бакте­рий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобак­терий) одноклеточны. По форме клеток они могут быть шаровидными (кокки), палочковидными (бациллы, клостридии, псевдомонады), извитыми (вибрионы, спириллы, спирохеты), реже — звездчатыми, тетраэдрическими, куби­ческими, С- или О-образными. Обязательными клеточными структурами бактерий являются:

— цитоплазматическая мембрана (ЦПМ).

Прокариоты, в отличие от эукариот, не имеют в цито­плазме обособленного ядра. Вся необходимая для жизнеде­ятельности бактерий генетическая информация содержится и одной двухцепочечной ДНК (бактериальная хромосома), имеющей форму замкнутого кольца. Она в одной точке прикреплена к ЦПМ. ДНК в развернутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома представлена обычно в единственном экземпляре, т. е. практически все прокариоты гаплоидны, хотя в отдельных случаях одна клетка может содержать несколько копий своей хромосо­мы. Деление хромосомы сопровождается делением клетки. Область клетки, в которой локализована хромосома, называется нуклеоидом; она не окружена ядерной мембраной. 1$ связи с этим новосинтезированная мРНК сразу доступна для связывания с рибосомами, т. е. процессы транскрип­ции и трансляции могут протекать одновременно. Ядрыш­ка нет.

Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находят­ся плазмиды — замкнутые в кольцо небольшие молекулы ДНК, способные к независимой репликации. Они содержат дополнительные гены, необходимые лишь в специфических условиях. В них кодируются механизмы устойчивости к от­дельным лекарственным препаратам, способности к перено­су генов при конъюгации, синтеза веществ антибиотиче­ской природы, способности использовать некоторые сахара или обеспечивать деградацию ряда веществ. То есть плаз­миды действуют как факторы адаптации. В некоторых слу­чаях гены плазмиды могут интегрировать в хромосому бак­терии.

Рибосомы прокариот отличаются от таковых у эукариот и имеют константу седиментации 70 S (у эукариот — 80 S).

У разных групп прокариот имеются локальные впячива- ния ЦПМ — мезосомы, выполняющие в клетке разнообраз­ные функции и разделяющие ее на функционально различ­ные части. Считается, что мезосомы принимают участие в делении бактерий. Когда на мембранах мезосом располага­ются окислительно-восстановительные ферменты, они явля­ются эквивалентами митохондрий клеток растений и живот­ных. У фотосинтезирующих бактерий во впячивания мембран вмонтирован пигмент — бактериохлорофилл. С его помощью и осуществляется бактериальный фотосинтез.

С внешней стороны от ЦПМ находятся несколько слоев (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол), называемых клеточной оболочкой, а также поверхностные структуры (жгутики, ворсинки, пили).

У бактерий существует два основных типа строения кле­точной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам. Клеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный слой толщи­ной 20-80 нм, построенный в основном из пептидогликана муреина с большим количеством тейхоевых кислот и не­большим количеством полисахаридов, белков и липидов. У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ и имеет толщину лишь 2-3 нм. Он окружен наружной мембраной, имеющей, как правило, неровную, искривленную форму.

С внешней стороны от клеточной стенки может нахо­диться капсула — аморфный слой гидратированных поли­сахаридов, сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру.

Многие бактерии способны к активному движению с по­мощью жгутиков — выростов цитоплазмы.

Размножение бактерий. Бактерии не имеют полового процесса и размножаются лишь равновеликим бинарным поперечным делением или почкованием. Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное де­ление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящих к образованию от 4 до 1000 новых клеток под оболочкой материнской клетки).

У прокариот может происходить горизонтальный пере­нос генов. При конъюгации клетка-донор в ходе непосред­ственного контакта передает клетке-реципиенту часть свое­го генома (в некоторых случаях — весь геном). Участки ДНК донорной клетки могут обмениваться на гомологич­ные участки ДНК реципиента. Вероятность такого обмена значима только для бактерий одного вида.

Бактериальная клетка может поглощать и свободно на­ходящуюся в среде ДНК, включая ее в свой геном. Данный процесс носит название трансформации. В природных усло­виях обмен генетической информацией протекает с по­мощью бактериофагов (трансдукция). При горизонтальном переносе новых генов не образуется, однако осуществляется создание разных генных сочетаний. Эти свойства бактерий очень важны для генетической инженерии.

Спорообразование у бактерий. Некоторые бактерии об­разуют споры. Их формирование характерно для особо ус­тойчивых форм с замедленным метаболизмом и служит для сохранения в неблагоприятных условиях, а также для рас­пространения. Споры могут сохраняться продолжительное время, не теряя жизнеспособности. Так, эндоспоры многих бактерий способны выдерживать 10-минутное кипячение при 100 °С, высушивание в течение тысячи лет и, по неко­торым данным, сохраняются в жизнеспособном состоянии в почвах и горных породах миллионы лет.

Метаболизм бактерий. За исключением некоторых спе­цифических моментов, биохимические пути, по которым осуществляется синтез белков, жиров, углеводов и нуклео­тидов, у бактерий схожи с таковыми у других организмов. Однако по числу возможных биохимических путей и, соот­ветственно, по степени зависимости от поступления органи­ческих веществ извне бактерии различаются. Часть бакте­рий может синтезировать все необходимые им органиче­ские молекулы из неорганических соединений (автотрофы), другие же требуют готовых органических соединений, ко­торые они способны лишь трансформировать (гетеротрофы).

Значение бактерий. Бактерии-сапрофиты играют боль­шую роль в круговороте веществ в природе, разрушая в экосистемах мертвый органический материал. Хорошо из­вестна их роль во всех биогеохимических циклах на нашей планете. Бактерии принимают участие в круговоротах хи­мических элементов (углерода, железа, серы, азота, фосфо­ра и др.), в процессах почвообразования, определяют пло­дородие почв.

Биотехнологические функции, выполняемые бактериями, разнообразны. Их применяют при производстве различных веществ: уксуса (Gluconobacter suboxidans), молочнокислых напитков и продуктов (Lactobacillus, Leuconostoc), а также микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis) и герби­цидов, белков (Methylomonas), витаминов (Clostridium — рибофлавин); при переработке отходов, получении бактери­альных удобрений, растворителей и органических кислот, биогаза и фотоводорода. Широко используется такое свой­ство некоторых бактерий, как диазотрофность, т. е. способ­ность к фиксации атмосферного азота.

Благодаря быстрому росту и размножению, а также простоте строения, бактерии активно применяют в научных исследованиях по молекулярной биологии, генетике и био­химии, в генно-инженерных работах при создании геном­ных клонотек и введении генов в растительные клетки (агробактерии). Информация о метаболических процессах бактерий позволила производить бактериальный синтез ви­таминов, гормонов, ферментов, антибиотиков и др.

Перспективными направлениями являются очистка с использованием бактерий почв и водоемов, загрязненных нефтепродуктами или ксенобиотиками, а также обогащение руд с помощью сероокисляющих бактерий.

Нельзя забывать о том, что отдельные виды бактерий вызывают опасные заболевания у человека (чуму, холеру, туберкулез, брюшной тиф, сибирскую язву, ботулизм и др.), животных и растений (бактериозы). Некоторые виды бактерий могут разрушать металл, стекло, резину, хлопок, древесину, масла, лаки, краски.