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Los objetos de la biotecnología son partes individuales de las células (mitocondrias, ribosomas, cromosomas, membranas, etc.), las propias células y sus grupos: cultivos celulares, microorganismos individuales (hongos, algas, bacterias, protozoos, virus, etc.), y sus colonias, así como microorganismos vegetales y animales multicelulares independientes. Los rangos se extienden desde los virus hasta los humanos. Para la implementación de procesos biotecnológicos, los parámetros importantes de los objetos biológicos son: limpieza, tasa de reproducción celular y reproducción de partículas virales, actividad y estabilidad de biomoléculas. Debe tenerse en cuenta que al crear condiciones favorables para un objeto biológico seleccionado de biotecnología, las mismas condiciones pueden resultar favorables para los microbios o contaminantes contaminantes. Los representantes de la microflora contaminante son virus, bacterias y hongos que se encuentran en cultivos de células vegetales y animales. En este caso, los contaminantes microbianos actúan como plagas de la producción biotecnológica.

Los microorganismos son creaciones asombrosamente perfectas de la naturaleza. Una célula microbiana es capaz de vivir y reproducirse, a menudo utilizando solo un sustrato orgánico y sales minerales como fuente de nutrición. Las bacterias pueden vivir en condiciones aeróbicas y anaeróbicas a temperaturas cercanas a 0 y +80 °C.

El rápido crecimiento de la población de nuestro planeta y el agotamiento de los recursos naturales (fuentes de alimentos, piensos y materias primas para la industria procesadora) no permiten el desarrollo de la economía nacional utilizando métodos tradicionales. Esto determina la relevancia del desarrollo de los procesos biotecnológicos en la actualidad y nos permite considerarlos los más prometedores.

Uno de los conceptos principales en biotecnología es el concepto de "biosistema". Las características generalizadas de un sistema biológico (sistema vivo) se pueden reducir a tres características.

• 1. Los sistemas vivos son sistemas abiertos heterogéneos que intercambian sustancias y energía con el medio ambiente.
• 2. Estos sistemas son autónomos, autorregulados, capaces de intercambiar información con el medio ambiente para mantener su estructura y controlar los procesos metabólicos.
• 3. Los sistemas vivos se reproducen a sí mismos.

Los sistemas y objetos biológicos que utiliza la biotecnología incluyen organismos unicelulares, entre ellos los grupos de acariotas (virus), procariotas (bacterias, algas verdiazules) y eucariotas (hongos, protozoos, algas). Sus tamaños varían desde nanómetros (virus, bacteriófagos) hasta milímetros y centímetros (algas gigantes). Además de lo anterior, como objetos de biotecnología se utilizan células y tejidos de plantas, animales y humanos, sustancias de origen biológico (por ejemplo, enzimas, prostaglandinas, pectinas, ácidos nucleicos) y moléculas.

La elección de estos objetos viene determinada por los siguientes puntos:

• 1. Las células son una especie de "biofábricas" que producen diversos productos valiosos en el proceso de la actividad vital: proteínas, grasas, carbohidratos, vitaminas. nucleína. ácidos, antibióticos, anticuerpos, enzimas, alcoholes, etc. Muchos de estos productos, extremadamente necesarios para el ser humano, aún no están disponibles para su producción por métodos “no biotecnológicos” debido a la escasez o el alto costo de las materias primas o la complejidad. de los procesos tecnológicos.
• 2. Las células se reproducen extremadamente rápido. Así, una célula bacteriana se divide cada 20 a 60 minutos, una célula de levadura se divide cada 1,5 a 2 horas, una célula animal se divide cada 24 horas, lo que permite crecer artificialmente en un tiempo relativamente corto en sistemas industriales relativamente baratos y no deficientes. medios nutritivos. escalas de enormes cantidades de biomasa de células microbianas, animales y vegetales. En el proceso de actividad vital durante su cultivo, una gran cantidad de productos valiosos ingresan al medio ambiente.
• 3. La biosíntesis de sustancias complejas como proteínas, antibióticos, antígenos, etc. es mucho más accesible y económica que la síntesis química. Como materia prima para la biosíntesis se utilizan residuos de la industria agrícola, pesquera, alimentaria, materiales vegetales (levadura, madera, etc.).
• 4. La posibilidad de realizar el proceso biotecnológico a escala industrial, es decir. disponibilidad de equipos tecnológicos adecuados, disponibilidad de materias primas, tecnologías de procesamiento.

Los métodos utilizados en biotecnología se determinan a dos niveles: celular y molecular. Ambos están determinados por objetos biológicos.

En el primer caso, se trata de células bacterianas (para la producción de preparados de vacunas), actinomicetos (para la producción de antibióticos), micromicetos (para la producción de ácido cítrico), células animales (para la producción de vacunas antivirales), humanas. células (para la producción de interferón), etc.

En el segundo caso, se trata de moléculas, por ejemplo, ácidos nucleicos. Sin embargo, en la etapa final, el nivel molecular se transforma al nivel celular.

Al elegir un objeto biológico, en todos los casos se debe observar el principio de fabricabilidad. Por lo tanto, si durante numerosos ciclos de cultivo las propiedades de un objeto biológico no se conservan o sufren cambios, entonces este objeto debe considerarse de baja tecnología, es decir, inaceptable para los avances tecnológicos posteriores a la etapa de investigación de laboratorio.

Los científicos prestan gran atención a la creación con propósito. nuevos objetos biológicos que no existen en la naturaleza. En primer lugar, cabe señalar la creación de nuevas células de microorganismos, plantas y animales mediante métodos de ingeniería genética. La creación de nuevos objetos biológicos, por supuesto, se ve facilitada por la mejora de la protección jurídica de las invenciones en el campo de la ingeniería genética y la biotecnología en general. Se ha formado una dirección que se ocupa de la construcción de células artificiales. Actualmente, existen métodos que permiten obtener células artificiales utilizando diversos materiales sintéticos y biológicos, por ejemplo, una membrana celular artificial con una determinada permeabilidad y propiedades superficiales. Algunos materiales pueden estar contenidos dentro de dichas células: sistemas enzimáticos, extractos celulares, anticuerpos, hormonas, células biológicas, etc.

Por ejemplo, el uso de células artificiales ha dado resultados positivos en la producción de interferones e inmunosorbentes.

Los científicos también utilizan organismos anaeróbicos. Los procesos anaeróbicos llaman la atención de los investigadores por la falta de energía y la posibilidad de producir biogás.

Los microorganismos anaeróbicos se utilizan con éxito para procesar desechos (biomasa vegetal, desechos de la industria alimentaria, desechos domésticos, etc.) y aguas residuales (aguas residuales domésticas e industriales, estiércol) en biogás.

Como se desprende de todo lo anterior, en los procesos biotecnológicos es posible utilizar una serie de objetos biológicos caracterizados por diferentes niveles de complejidad: celular, subcelular, molecular. El enfoque para crear todo el sistema biotecnológico en su conjunto depende de las características de un objeto biológico en particular.

El principal objeto del proceso biotecnológico es la célula. En él se sintetiza el producto objetivo. En esencia, una célula es una planta química en miniatura donde cada minuto se sintetizan cientos de compuestos complejos.

La base de la producción biotecnológica moderna es la síntesis de diversas sustancias utilizando células microbianas. Las células de plantas y animales superiores aún no han encontrado un uso generalizado debido a sus altas exigencias en las condiciones de cultivo.

La etapa inicial del desarrollo biotecnológico. esta recibiendo Cultivos puros de células y tejidos. Otras manipulaciones con estos cultivos se caracterizan por la uniformidad de enfoques basados ​​en métodos microbiológicos clásicos. En este caso, los cultivos de células y tejidos de plantas y animales superiores se asemejan a cultivos de microorganismos.

Eucariotas y procariotas. La mayoría de los microorganismos son criaturas unicelulares. Una célula microbiana está separada del ambiente externo por una pared celular y, a veces, solo por una membrana citoplasmática, y contiene varias estructuras subcelulares. Hay dos tipos principales de estructura celular, que se diferencian entre sí por una serie de características fundamentales. Estas son células eucariotas y procarióticas. Los microorganismos que tienen un núcleo verdadero se llaman eucariotas (eu - del griego - verdadero, karyo - núcleo). Los microorganismos con un aparato nuclear primitivo se clasifican como procariotas (prenucleares).

Entre los microorganismos a los procariotas incluyen bacterias, actinomicetos y algas verdiazules (cianobacterias), a eucariotas- otras algas (verdes, marrones, rojas), micomicetos (moho mucilaginoso), hongos inferiores - micromicetos (incluidas las levaduras), protozoos (flagelados, ciliados, etc.).

Su propiedad común es su pequeño tamaño, son visibles sólo a través de un microscopio. Actualmente se conocen más de 100 mil especies de diversos microorganismos.

Los procariotas no sufren los procesos de mitosis y meiosis. Se reproducen más a menudo por simple división celular.

En una célula eucariota hay un núcleo separado del citoplasma circundante por una membrana nuclear de dos capas con poros. El núcleo contiene 1-2 nucléolos, centros para la síntesis de ARN ribosómico y cromosomas, los principales portadores de información hereditaria, que consisten en ADN y proteínas. Durante la división, los cromosomas se distribuyen entre las células hijas como resultado de procesos complejos: mitosis y meiosis. El citoplasma de los eucariotas contiene mitocondrias y, en los organismos fotosintéticos, el cloroplasto. La membrana citoplasmática que rodea la célula pasa dentro del citoplasma hacia el retículo endoplásmico; también hay un orgánulo de membrana: el aparato de Golgi.

Células procariotas más simple. No tienen un límite claro entre el núcleo y el citoplasma y no tienen membrana nuclear. El ADN de estas células no forma estructuras similares a los cromosomas eucariotas. Los procariotas no sufren los procesos de mitosis y meiosis. La mayoría de los procariotas no forman orgánulos intracelulares delimitados por membranas; no hay mitocondrias ni cloroplastos.

Selección de formas de microorganismos con propiedades específicas.

La selección de formas de microorganismos con las propiedades deseadas y necesarias para el cultivo incluye varias etapas.

2.1. Aislamiento de microorganismos. Las muestras se toman de los hábitats de los microorganismos (suelo, residuos vegetales, etc.). En relación con los microorganismos oxidantes de hidrocarburos, dicho lugar puede ser el suelo cerca de las estaciones de servicio, la levadura del vino se encuentra abundantemente en las uvas, los microorganismos anaeróbicos que descomponen la celulosa y los formadores de metano viven en grandes cantidades en el rumen de los rumiantes.

2.2. Obtención de cultivos de enriquecimiento. Las muestras se introducen en medios nutritivos líquidos de composición especial, creando condiciones favorables para el desarrollo del productor (temperatura, pH, fuentes de energía, carbono,
nitrógeno, etc). Para acumular el productor de colesterol oxidasa, se utilizan medios con colesterol como única fuente de carbono; microorganismos oxidantes de hidrocarburos - ambientes con parafinas; productores de enzimas proteolíticas o lipolíticas: medios que contienen proteínas o lípidos.

2.3. Aislamiento de cultivos puros. Se inoculan muestras de cultivos de enriquecimiento en medios nutritivos sólidos. Las células individuales de microorganismos en medios nutritivos sólidos se forman aisladas.
colonias o clones, al resembrar se obtienen cultivos puros, formados por células de un tipo de productor.

Otra forma de seleccionar microorganismos es a partir de colecciones existentes. Por ejemplo, los productores de antibióticos suelen ser actinomicetos y etanol, levaduras.

Clon- cultivo obtenido de una célula, cultura pura- una colección de individuos de un tipo de microorganismos, presiones- cultivos aislados de diferentes medios naturales o del mismo medio en diferentes momentos.

2.4. Determinación de la capacidad de sintetizar el producto objetivo. el criterio principal a la hora de seleccionar productores. Los microorganismos deben cumplir los siguientes requisitos:

1) tener una alta tasa de crecimiento;

2) utilizar sustratos baratos de por vida;

3) ser resistente a la infección por microflora extraña.

Los organismos unicelulares se caracterizan por tasas más altas de procesos sintéticos que las plantas y animales superiores. Así, una vaca que pesa 500 kg sintetiza alrededor de 0,5 kg de proteína en un día. Se puede obtener la misma cantidad de proteína en un día utilizando 5 g de levadura. De interés son los microorganismos fotosintéticos que utilizan energía luminosa y son capaces de asimilar el nitrógeno atmosférico. Los microorganismos termófilos son beneficiosos. Su uso reduce los costos adicionales de esterilización de equipos industriales. La tasa de crecimiento y el metabolismo de estos organismos es entre 1,5 y 2 veces mayor que la de los mesófilos. Las enzimas que sintetizan son resistentes al calor, los ácidos y los disolventes orgánicos.

Métodos biotecnológicos

En biotecnología existen 2 métodos: 1) Selección; 2) Ingeniería genética. Se utilizan métodos de selección para obtener productos altamente activos. Mediante selección se han obtenido cepas industriales de microorganismos cuya actividad sintética supera en decenas y cientos de veces la actividad de las cepas originales.

Selección

Selección - selección dirigida de mutantes (organismos cuya herencia ha sufrido cambios bruscos). El camino general de la selección es la transición de la simple selección de productores al diseño consciente de sus genomas. En cada etapa, se seleccionan los clones más eficaces de la población de microorganismos. De esta manera, durante un largo período de tiempo, se seleccionaron cepas de bacterias de cerveza, vino, panadería, levadura de ácido acético, ácido propiónico, etc. Se realiza una selección gradual: en cada etapa se seleccionan los clones más eficaces. población de microorganismos. Las limitaciones del método de selección basado en mutaciones espontáneas están asociadas a su baja frecuencia, lo que complica significativamente la intensificación del proceso. Los cambios en la estructura del ADN son raros. Un gen debe duplicarse en promedio 10 6 -10 8 veces para que ocurra una mutación. Un ejemplo de selección de los mutantes más productivos durante el cultivo en modo continuo es la selección de levadura basada en la resistencia al etanol, un producto de desecho de la levadura. La mutagénesis inducida conduce a una aceleración significativa de la selección: un fuerte aumento en la frecuencia de mutaciones de un objeto biológico debido a daños artificiales al genoma. La radiación ultravioleta, los rayos X o la radiación Y y algunos compuestos químicos que provocan cambios en la estructura primaria del ADN tienen un efecto mutagénico. Algunos de los mutágenos más conocidos y utilizados incluyen ácido nitroso, agentes alquilantes, etc.

Realizar un control total (poner en pantalla) los clones resultantes. Habiendo seleccionado los clones más productivos, repiten el tratamiento con el mismo mutágeno u otro, seleccionan nuevamente la opción más productiva, etc., es decir. Estamos hablando de una selección gradual basada en la característica de interés.

La intensidad del trabajo es la principal desventaja del método de mutagénesis inducida y la posterior selección gradual. La desventaja del método es también la falta de información sobre la naturaleza de las mutaciones; el investigador selecciona según el resultado final.

Ingeniería genética

La ingeniería genética es la modificación selectiva de objetos biológicos como resultado de la introducción de programas genéticos creados artificialmente. Niveles de ingeniería genética:

1)genético– manipulación directa de ADN recombinante, incluidos genes individuales;

2)cromosómico– manipulación de grupos de genes o cromosomas individuales;

3)genómico(celular): transferencia de todo o la mayor parte del material genético de una célula a otra (ingeniería celular). En el sentido moderno, la ingeniería genética incluye la tecnología del ADN recombinante.

El trabajo en el campo de la ingeniería genética incluye 4 etapas: 1) obtener el gen deseado; 2) insertarlo en un vector capaz de replicarse; 3) introducir un gen en el cuerpo mediante un vector; 4) nutrición y selección de células que han adquirido el gen deseado.

La ingeniería genética de plantas superiores se lleva a cabo a nivel celular, tisular y orgánico.

La base de la ingeniería celular es la hibridación de células somáticas, la fusión de células no reproductivas para formar un todo único. La fusión de las células puede ser completa o con la introducción de sus partes individuales (mitocondrias, cloroplastos, etc.).

La hibridación somática permite el cruce de organismos genéticamente distantes. Antes de la fusión, se liberan de la pared celular células vegetales, fúngicas y bacterianas y se obtienen protoplastos. Luego, las membranas citoplasmáticas externas se despolarizan con un campo eléctrico o magnético alterno, utilizando cationes Ca+. La pared celular está sometida a hidrólisis enzimática.

Preguntas de autoevaluación

1. ¿Cuál es el objeto de la biotecnología?

2. ¿Qué tipos de estructura celular existen?

3. ¿Cuáles son las etapas del crecimiento cultural?

4. ¿Qué es la selección y la ingeniería genética?

La biotecnología como ciencia y ámbito de producción. Materia, metas y objetivos de la biotecnología, conexión con disciplinas fundamentales.

La biotecnología son procesos tecnológicos que utilizan sistemas biotecnológicos: organismos vivos y componentes de una célula viva. Los sistemas pueden ser diferentes: desde microbios y bacterias hasta enzimas y genes. La biotecnología es una producción basada en los logros de la ciencia moderna: ingeniería genética, fisicoquímica de enzimas, diagnóstico molecular y biología molecular, genética selectiva, microbiología, bioquímica, química de antibióticos.

En la producción de medicamentos, la biotecnología está reemplazando a las tecnologías tradicionales y abriendo oportunidades fundamentalmente nuevas. Los métodos biotecnológicos producen proteínas genéticamente modificadas (interferones, interleucinas, insulina, vacunas contra la hepatitis, etc.), enzimas, herramientas de diagnóstico (sistemas de pruebas para fármacos, sustancias medicinales, hormonas, etc.), vitaminas, antibióticos, plásticos biodegradables y materiales biocompatibles.

La biotecnología inmune, con la ayuda de la cual se reconocen y aíslan células individuales a partir de mezclas, se puede utilizar no sólo directamente en medicina para el diagnóstico y tratamiento, sino también en la investigación científica, en las industrias farmacológica, alimentaria y de otro tipo, y también se puede utilizar para obtener fármacos sintetizados por las células del sistema de defensa del organismo.

Actualmente, los logros de la biotecnología son prometedores en las siguientes industrias:

en la industria (alimentaria, farmacéutica, química, petrolera y gasística): el uso de biosíntesis y biotransformación de nuevas sustancias basadas en cepas de bacterias y levaduras construidas mediante métodos de ingeniería genética con propiedades específicas basadas en síntesis microbiológica;

en ecología: aumentar la eficiencia de la protección vegetal respetuosa con el medio ambiente, desarrollar tecnologías de tratamiento de aguas residuales respetuosas con el medio ambiente, reciclar residuos del complejo agroindustrial, diseñar ecosistemas;

en el sector energético: el uso de nuevas fuentes de bioenergía obtenidas mediante síntesis microbiológica y procesos fotosintéticos simulados, bioconversión de biomasa en biogás;

en agricultura: desarrollo en el campo de la producción de cultivos transgénicos, productos fitosanitarios biológicos, fertilizantes bacterianos, métodos microbiológicos, recuperación de suelos; en el campo de la ganadería: creación de preparados alimentarios eficaces a partir de biomasa vegetal, microbiana y residuos agrícolas, reproducción animal basada en métodos embriogenéticos;

En medicina: el desarrollo de productos biológicos médicos, anticuerpos monoclonales, diagnósticos, vacunas, el desarrollo de la inmunobiotecnología para aumentar la sensibilidad y especificidad de los inmunoensayos para enfermedades de naturaleza infecciosa y no infecciosa.

En comparación con la tecnología química, la biotecnología tiene las siguientes ventajas principales:

La posibilidad de obtener sustancias naturales específicas y únicas, algunas de las cuales (por ejemplo, proteínas, ADN) aún no pueden obtenerse mediante síntesis química;

Realizar procesos biotecnológicos a temperaturas y presiones relativamente bajas;

Los microorganismos tienen tasas de crecimiento y acumulación de masa celular significativamente más altas que otros organismos. Por ejemplo, con la ayuda de microorganismos en un fermentador con un volumen de 300 m 3 se puede producir 1 t de proteína por día (365 t/año). Para producir la misma cantidad de proteína al año utilizando ganado vacuno, es necesario tener un rebaño de 30.000 cabezas. Si utiliza legumbres, como guisantes, para obtener tal tasa de producción de proteínas, necesitará tener un campo de guisantes con una superficie de 5400 hectáreas;

Los residuos agrícolas e industriales baratos pueden utilizarse como materia prima en procesos biotecnológicos;

Los procesos biotecnológicos, en comparación con los químicos, suelen ser más respetuosos con el medio ambiente, tienen menos residuos nocivos y se acercan a los procesos naturales que ocurren en la naturaleza;

Por regla general, la tecnología y el equipamiento de la producción biotecnológica son más sencillos y económicos.

La tarea principal que enfrenta la biotecnología es la creación y desarrollo de la producción de medicamentos: interferones, insulinas, hormonas, antibióticos, vacunas, anticuerpos monoclonales y otros, que permitan el diagnóstico precoz y el tratamiento de enfermedades cardiovasculares, malignas, hereditarias, infecciosas, incluidas las virales. enfermedades.

El concepto de "biotecnología" es colectivo y abarca áreas como la tecnología de fermentación, el uso de biofactores que utilizan microorganismos o enzimas inmovilizados, la ingeniería genética, las tecnologías inmunes y proteicas, la tecnología que utiliza cultivos celulares de origen animal y vegetal.

La biotecnología es un conjunto de métodos tecnológicos, incluida la ingeniería genética, que utiliza organismos vivos y procesos biológicos para la producción de medicamentos, o la ciencia del desarrollo y aplicación de sistemas vivos, así como de sistemas no vivos de origen biológico en el marco de la procesos tecnológicos y producción industrial.

La biotecnología moderna es la química, donde el cambio y transformación de sustancias se produce a través de procesos biológicos. En intensa competencia, se están desarrollando con éxito dos químicas: la sintética y la biológica.

Bioobjetos como medio de producción de agentes terapéuticos, rehabilitadores, preventivos y diagnósticos. Clasificación y características generales de los objetos biológicos.

Los objetos de la biotecnología son virus, bacterias, hongos: micromicetos y macromicetos, organismos protozoarios, células (tejidos) de plantas, animales y humanos, algunas sustancias biogénicas y funcionalmente similares (por ejemplo, enzimas, prostaglandinas, pectinas, ácidos nucleicos, etc.) . En consecuencia, los objetos biotecnológicos pueden estar representados por partículas organizadas (virus), células (tejidos) o sus metabolitos (primarios, secundarios). Incluso cuando una biomolécula se utiliza como objeto de biotecnología, su biosíntesis inicial la llevan a cabo en la mayoría de los casos las células correspondientes. En este sentido, podemos decir que los objetos biotecnológicos se relacionan con microbios o con organismos vegetales y animales. A su vez, el cuerpo puede caracterizarse figurativamente como un sistema de producción bioquímica económica, compleja, compacta, autorregulada y, por tanto, dirigida, que avanza de manera constante y activa con el mantenimiento óptimo de todos los parámetros necesarios. De esta definición se deduce que los virus no son organismos, pero en términos del contenido de moléculas de herencia, adaptabilidad, variabilidad y algunas otras propiedades pertenecen a representantes de la naturaleza viva.

Como puede verse en el diagrama siguiente, los objetos de la biotecnología son extremadamente diversos, su espectro se extiende desde partículas organizadas (virus) hasta humanos.

Actualmente, la mayoría de los objetos biotecnológicos son microbios que pertenecen a tres superreinos (no nuclear, prenuclear, nuclear) y cinco reinos (virus, bacterias, hongos, plantas y animales). Además, los dos primeros superreinos están formados exclusivamente por microbios.

Los microbios entre las plantas son algas microscópicas (Algas), y entre los animales, protozoos microscópicos (Protozoos). Entre los eucariotas, los microbios incluyen hongos y, con ciertas reservas, líquenes, que son asociaciones simbióticas naturales de hongos microscópicos y microalgas u hongos y cianobacterias.

Acaryota - no nuclear, Procaruota - prenuclear y Eucaruota - nuclear (del griego a - no, pro - to, eu - bueno, completamente, caryota - núcleo). El primero incluye partículas organizadas: virus y viroides, el segundo, bacterias, el tercero, todos los demás organismos (hongos, algas, plantas, animales).

Los microorganismos forman una gran cantidad de metabolitos secundarios, muchos de los cuales también se utilizan, por ejemplo, antibióticos y otros correctores de la homeostasis en las células de los mamíferos.

Probióticos: las preparaciones basadas en la biomasa de ciertos tipos de microorganismos se utilizan en la disbacteriosis para normalizar la microflora del tracto gastrointestinal. También se necesitan microorganismos en la producción de vacunas. Finalmente, las células microbianas pueden convertirse mediante métodos de ingeniería genética en productoras de hormonas proteicas específicas para humanos, factores proteicos de inmunidad inespecífica, etc.

Las plantas superiores son la fuente de medicina tradicional y hasta la fecha la más extensa. Cuando se utilizan plantas como objetos biológicos, la atención principal se centra en los problemas del cultivo de tejidos vegetales en medios artificiales (cultivos de callos y suspensiones) y las nuevas perspectivas que esto abre.

Objetos macrobiológicos de origen animal. El hombre como donante y objeto de inmunización. Mamíferos, aves, reptiles, etc.

En los últimos años, gracias al desarrollo de la tecnología del ADN recombinante, la importancia de un objeto biológico como el hombre está aumentando rápidamente, aunque a primera vista esto parezca paradójico.

Sin embargo, desde el punto de vista de la biotecnología (utilizando biorreactores), una persona se convirtió en un objeto biológico sólo después de darse cuenta de la posibilidad de clonar su ADN (más precisamente, sus exones) en células microbianas. Gracias a este enfoque, se eliminó la escasez de materias primas para la obtención de proteínas humanas específicas de cada especie.

Importantes en biotecnología son objetos macro, que incluyen varios animales y aves. En el caso de la producción de plasma inmunológico, una persona también actúa como objeto de inmunización.

Para la obtención de diversas vacunas se utilizan órganos y tejidos, incluidos los embrionarios, de diversos animales y aves como objetos para la propagación de virus: Cabe señalar que el término "donante" en este caso, se designa un objeto biológico que suministra material para el proceso de producción de un medicamento sin perjudicar su propia actividad vital, y el término "donante"- un objeto biológico del que la recogida de material para la producción de un medicamento resulta incompatible con la continuación de la actividad vital.

De los tejidos embrionarios, el tejido embrionario de pollo es el más utilizado. De particular beneficio son los embriones de pollo (según disponibilidad) de diez a doce días de edad, utilizados principalmente para la reproducción de virus y la posterior producción de vacunas virales. Los embriones de pollo fueron introducidos en la práctica virológica en 1931 por G. M. Woodruff y E. W. Goodpasture. Estos embriones también se recomiendan para la detección, identificación y determinación de la dosis infecciosa de virus, para la producción de preparados antigénicos utilizados en reacciones serológicas.

Los huevos de gallina incubados a 38°C se ovoscopion (observan con luz), los especímenes “transparentes” no fertilizados se rechazan y los fecundados se conservan, en los que se ven claramente los vasos sanguíneos llenos de la membrana corioalantoidea y los movimientos de los embriones.

La infección de embriones se puede realizar de forma manual o automática. Este último método se utiliza en la producción a gran escala, por ejemplo, de vacunas contra la gripe. Se inyecta material que contiene virus utilizando una jeringa (batería de jeringas) en varias partes del embrión.

Todas las etapas del trabajo con embriones de pollo después de la ovoscopia se llevan a cabo en condiciones asépticas. El material para la infección puede ser una suspensión de tejido cerebral molido (en relación con el virus de la rabia), hígado, bazo, riñones (en relación con la psitacosis, clamidia), etc. Para descontaminar el material viral de las bacterias o prevenir su proliferación bacteriana. contaminación, se pueden usar antibióticos apropiados, por ejemplo, penicilina con cualquier aminoglucósido, aproximadamente 150 UI de cada uno por 1 ml de suspensión de material que contiene virus. Para combatir la infección por hongos de los embriones, es recomendable utilizar algunos antibióticos poliénicos (nistatina, anfotericina B) o ciertos derivados de bencimidazol (por ejemplo, daktarina, etc.).

Muy a menudo, se inyecta una suspensión de material viral en la cavidad alantoidea o, con menos frecuencia, en la membrana corioalantoidea en una cantidad de 0,05 a 0,1 ml, perforando la cubierta desinfectada (por ejemplo, con etanol yodado) hasta la profundidad calculada. Después de esto, el orificio se cierra con parafina fundida y los embriones se colocan en un termostato, que mantiene la temperatura óptima para la reproducción del virus, por ejemplo 36-37,5 ° C. La duración de la incubación depende del tipo y actividad del virus. Por lo general, después de 2 a 4 días, se puede observar un cambio en las membranas, seguido de la muerte de los embriones. Los embriones infectados se controlan 1 o 2 veces al día (ovoscopios, volteados hacia el otro lado). Luego, los embriones muertos se transfieren al departamento de recolección de material viral. Allí se desinfectan, se aspira el líquido alantoideo con el virus y se transfiere a recipientes esterilizados. La inactivación de virus a una determinada temperatura se suele realizar con formalina, fenol u otras sustancias. Mediante centrifugación de alta velocidad o cromatografía de afinidad (ver), es posible obtener partículas virales altamente purificadas.

El material viral recogido, que ha pasado el control adecuado, se liofiliza. Están sujetos a control los siguientes indicadores: esterilidad, inocuidad y actividad específica. Con respecto a la esterilidad, se refieren a la ausencia de: un virus homólogo vivo en una vacuna muerta, bacterias y hongos. La seguridad y la actividad específica se evalúan en animales y solo después de esto se permite probar la vacuna en voluntarios o voluntarios; Después de pruebas clínicas exitosas, se permite que la vacuna se utilice en la práctica médica generalizada.

En embriones de pollo, por ejemplo, vivir vacuna contra la influenza. Está destinado a administración intranasal (personas mayores de 16 años y niños de 3 a 15 años). La vacuna es un líquido alantoideo seco extraído de embriones de pollo infectados con el virus. El tipo de virus se selecciona en función de la situación epidemiológica y las previsiones. Por lo tanto, los medicamentos se pueden producir en forma de monovacuna o divacuna (por ejemplo, incluidos los virus A2 y B) en ampollas con 20 y 8 dosis de vacunación para los grupos de población pertinentes. La masa seca en ampollas suele tener un color amarillo claro, que permanece incluso después de disolver el contenido de la ampolla en agua hervida y enfriada.

También se preparan vacunas vivas contra la influenza para adultos y niños para administración oral. Estas vacunas son cepas vacunales especiales, cuya reproducción se produjo en 5 a 15 pases (ni menos ni más) en un cultivo de tejido renal de embriones de pollo. Se producen secos en botellas. Cuando se disuelve en agua, el color cambia de amarillo claro a rojizo.

Otras vacunas virales producidas con embriones de pollo incluyen la vacuna contra las paperas y la fiebre amarilla.

Otros tejidos embrionarios incluyen embriones de ratones u otros mamíferos, así como fetos humanos abortados.

Los tejidos embrionarios trasplantables están disponibles después del tratamiento con tripsina, ya que en dichos tejidos aún no se ha formado una gran cantidad de sustancias intercelulares (incluidas las de naturaleza no proteica). Las células se separan y, tras los tratamientos necesarios, se cultivan en medios especiales en monocapa o en estado suspendido.

Los tejidos aislados de animales después del nacimiento se clasifican como maduro. Cuanto mayores son, más difícil es cultivarlos. Sin embargo, una vez que han crecido con éxito, se "nivelan" y no son muy diferentes de las células embrionarias.

Además de la polio, se realiza profilaxis específica con vacunas vivas contra el sarampión. Vacuna viva seca contra el sarampión están elaborados a partir de una cepa vacunal cuya reproducción se realizó en cultivos celulares de riñones de cobaya o fibroblastos de codorniz japonesa.

Bioobjetos de origen vegetal. Plantas silvestres y cultivos de células vegetales.

Las plantas se caracterizan por: la capacidad de realizar la fotosíntesis, la presencia de celulosa y la biosíntesis de almidón.

Las algas son una fuente importante de diversos polisacáridos y otras sustancias biológicamente activas. Se reproducen vegetativamente, asexual y sexualmente. Como objetos biológicos, no se utilizan lo suficiente, aunque, por ejemplo, las algas marinas se producen industrialmente en varios países. Son bien conocidos el agar-agar y los alginatos obtenidos a partir de algas.

Células de plantas superiores. Las plantas superiores (alrededor de 300.000 especies) son organismos multicelulares diferenciados, principalmente terrestres. De todos los tejidos, sólo los meristemáticos son capaces de dividirse y a su costa se forman todos los demás tejidos. Esto es importante para la obtención de células que luego deben incluirse en el proceso biotecnológico.

Las células meristemáticas que permanecen en la etapa embrionaria de desarrollo durante toda la vida de la planta se denominan iniciales; otras se diferencian gradualmente y se convierten en células de varios tejidos permanentes: células terminales.

Dependiendo de la topología de la planta, los meristemas se dividen en apicales o apicales (lat. arex - ápice), laterales o laterales (de lat. lateralis - lateral) e intermedios o intercalares (de lat. Intercalaris - intermedio, insertado .

totipotencia- esta es la propiedad de las células somáticas vegetales de realizar plenamente su potencial de desarrollo hasta la formación de una planta completa.

Cualquier tipo de planta puede, en las condiciones adecuadas, producir una masa desorganizada de células en división: callo (lat. callus - callus), especialmente bajo la influencia inductora de hormonas vegetales. La producción masiva de callos con una mayor regeneración de los brotes es adecuada para la producción de plantas a gran escala. En general, el callo es el principal tipo de célula vegetal cultivada en un medio nutritivo. El tejido calloso de cualquier planta se puede recultivar durante mucho tiempo. En este caso, las plantas iniciales (incluidas las meristemáticas) se diferencian y desespecializan, pero se las induce a dividirse formando un callo primario.

Además de cultivar callos, es posible cultivar células de algunas plantas en cultivos en suspensión. Los protoplastos de las células vegetales también parecen ser objetos biológicos importantes. Los métodos para obtenerlos son fundamentalmente similares a los métodos para obtener protoplastos bacterianos y fúngicos. Experimentos posteriores con células son tentadores debido a los posibles resultados valiosos.

Objetos biológicos: microorganismos. Principales grupos de sustancias biológicamente activas obtenidas.

Los objetos de la biotecnología son virus, bacterias, hongos: micromicetos y macromicetos, organismos protozoarios, células (tejidos) de plantas, animales y humanos, algunas sustancias biogénicas y funcionalmente similares (por ejemplo, enzimas, prostaglandinas, lectinas, ácidos nucleicos, etc.) . En consecuencia, los objetos biotecnológicos pueden estar representados por partículas organizadas (virus), células (tejidos) o sus metabolitos (primarios, secundarios). Incluso cuando una biomolécula se utiliza como objeto de biotecnología, su biosíntesis inicial la llevan a cabo en la mayoría de los casos las células correspondientes. En este sentido, podemos decir que los objetos biotecnológicos se relacionan con microbios o con organismos vegetales y animales. A su vez, el cuerpo puede caracterizarse figurativamente como un sistema de producción bioquímica económica, compleja, compacta, autorregulada y, por tanto, dirigida, que avanza de manera constante y activa con el mantenimiento óptimo de todos los parámetros necesarios. De esta definición se deduce que los virus no son organismos, pero en términos del contenido de moléculas de herencia, adaptabilidad, variabilidad y algunas otras propiedades pertenecen a representantes de la naturaleza viva.

Actualmente, la mayoría de los objetos biotecnológicos son microbios que pertenecen a tres superreinos (no nuclear, prenuclear, nuclear) y cinco reinos (virus, bacterias, hongos, plantas y animales). Además, los dos primeros superreinos están formados exclusivamente por microbios.

Las células de hongos, algas, plantas y animales tienen un núcleo real, delimitado del citoplasma, y ​​por ello se clasifican como eucariotas.

Los objetos biológicos son macromoléculas con actividad enzimática. Uso en procesos biotecnológicos.

Recientemente, un grupo de preparados enzimáticos ha recibido una nueva dirección de aplicación: la enzimología de ingeniería, que es una rama de la biotecnología donde el objeto biológico es una enzima.

Organoterapia, es decir El tratamiento con órganos y preparaciones a partir de órganos, tejidos y secreciones de animales, durante mucho tiempo se basó en un profundo empirismo e ideas contradictorias, ocupando un lugar destacado en la medicina de todos los tiempos y pueblos. Sólo en la segunda mitad del siglo XIX, como resultado de los éxitos alcanzados por la química biológica y orgánica y el desarrollo de la fisiología experimental, la organoterapia adquirió una base científica. Esto está asociado con el nombre del fisiólogo francés Brown-Séquard. Se prestó especial atención al trabajo de Brown-Séquard relacionado con la introducción en el cuerpo humano de extractos de testículos de toro, que tuvieron un efecto positivo en el rendimiento y el bienestar.

Los primeros fármacos oficiales (GF VII) fueron la adrenalina, la insulina, la pituitrina, la pepsina y la pancreatina. Posteriormente, como resultado de una extensa investigación realizada por endocrinólogos y farmacólogos soviéticos, fue posible ampliar constantemente la gama de preparaciones de órganos oficiales y no oficiales.

Sin embargo, algunos aminoácidos se obtienen mediante síntesis química, por ejemplo, glicina, así como D-, L-metionina, cuyo isómero D es poco tóxico, por lo que un preparado médico a base de metionina contiene D- y L- formas, aunque el medicamento se usa en medicina en el extranjero y contiene solo la forma L de metionina. Allí, la mezcla racémica de metionina se separa mediante bioconversión de la forma D en forma L bajo la influencia de enzimas especiales de células vivas de microorganismos.

Las preparaciones de enzimas inmovilizadas tienen una serie de ventajas significativas cuando se usan con fines aplicados en comparación con los precursores nativos. En primer lugar, el catalizador heterogéneo es fácil de separar del medio de reacción, lo que permite: a) detener la reacción en el momento adecuado; b) reutilizar el catalizador; c) obtener un producto no contaminado con la enzima. Esto último es especialmente importante en varias industrias alimentarias y farmacéuticas.

En segundo lugar, el uso de catalizadores heterogéneos permite llevar a cabo el proceso enzimático de forma continua, por ejemplo en columnas de flujo, y controlar la velocidad de la reacción catalizada, así como el rendimiento del producto, cambiando el caudal.

En tercer lugar, la inmovilización o modificación de la enzima contribuye a un cambio específico en las propiedades del catalizador, incluida su especificidad (especialmente en relación con sustratos macromoleculares), la dependencia de la actividad catalítica del pH, la composición iónica y otros parámetros ambientales y, muy importante. , su estabilidad frente a diversos tipos de influencias desnaturalizantes. Tenga en cuenta que los investigadores soviéticos hicieron una contribución importante al desarrollo de los principios generales de la estabilización enzimática.

En cuarto lugar, la inmovilización de enzimas permite regular su actividad catalítica cambiando las propiedades del portador bajo la influencia de ciertos factores físicos, como la luz o el sonido. Sobre esta base se crean sensores mecánicos y sensibles al sonido, amplificadores de señales débiles y procesos fotográficos sin plata.

Como resultado de la introducción de una nueva clase de catalizadores bioorgánicos: las enzimas inmovilizadas, se han abierto nuevos caminos de desarrollo para la enzimología aplicada, antes inaccesibles. Simplemente enumerar las áreas en las que se utilizan enzimas inmovilizadas podría ocupar mucho espacio.

Direcciones para mejorar objetos biológicos mediante métodos de selección y mutagénesis. Mutágenos. Clasificación. Característica. El mecanismo de su acción.

Que las mutaciones son la fuente principal de variabilidad en los organismos, creando la base para la evolución. Sin embargo, en la segunda mitad del siglo XIX. Para los microorganismos se descubrió otra fuente de variabilidad: la transferencia de genes extraños, una especie de "ingeniería genética de la naturaleza".

Durante mucho tiempo, el concepto de mutación se atribuyó únicamente a los cromosomas de los procariotas y a los cromosomas (núcleo) de los eucariotas. Actualmente, además de las mutaciones cromosómicas, también ha aparecido el concepto de mutaciones citoplasmáticas (plásmido - en procariotas, mitocondrial y plásmido - en eucariotas).

Las mutaciones pueden ser causadas tanto por una reordenación del replicón (cambio en el número y orden de los genes que contiene) como por cambios dentro de un gen individual.

En relación con cualquier objeto biológico, pero especialmente en el caso de microorganismos, se detectan las llamadas mutaciones espontáneas, que se encuentran en una población de células sin una influencia especial sobre ella.

Según la gravedad de casi cualquier característica, las células de una población microbiana forman una serie de variaciones. La mayoría de las células tienen una expresión promedio del rasgo. Las desviaciones “+” y “–” del valor medio son menos comunes en la población cuanto mayor es la desviación en cualquier dirección (Fig. I). El enfoque inicial y más simple para mejorar un objeto biológico fue seleccionar las desviaciones "+" (suponiendo que estas desviaciones correspondan a los intereses de la producción). En un nuevo clon (descendiente genéticamente homogéneo de una célula; en un medio sólido, una colonia), obtenido de una célula con una desviación "+", la selección se llevó a cabo nuevamente según el mismo principio. Sin embargo, este procedimiento, cuando se repite varias veces, pierde rápidamente su eficacia, es decir, las desviaciones "+" se vuelven cada vez menores en magnitud en los nuevos clones.

1. ¿Qué es la biotecnología? ¿En qué áreas de la actividad humana se utilizan los procesos biotecnológicos?

La biotecnología es un campo de la ciencia y la actividad práctica asociada con la producción de diversos productos utilizando organismos vivos, células cultivadas y procesos biológicos. Los procesos biotecnológicos se utilizan en la panificación, la elaboración de vino, los productos lácteos fermentados, el procesamiento del cuero, etc.

2. ¿Cuáles son las principales direcciones de la biotecnología?

Las principales direcciones de la biotecnología: producción con la ayuda de microorganismos y células eucariotas cultivadas de compuestos y fármacos biológicamente activos (enzimas, vitaminas, hormonas, antibióticos, inmunoglobulinas, etc.); producción de alimentos y piensos para animales; creación de nuevas cepas útiles de microorganismos, variedades vegetales y razas animales; desarrollo y uso de métodos biológicos para proteger las plantas de plagas y enfermedades; creación y uso de métodos biotecnológicos de protección ambiental, etc.

3. ¿Qué es la ingeniería celular? ¿Qué métodos de ingeniería celular conoces? ¿Qué resultados se obtuvieron con su uso?

La ingeniería celular es el cultivo de células vegetales, animales y de microorganismos en condiciones especiales, incluidas diversas manipulaciones con ellas (fusión celular, extracción o trasplante de orgánulos, etc.). Los métodos de ingeniería celular incluyen: propagación de plantas basada en cultivo de tejidos, hibridación somática. La hibridación somática es la fusión de diferentes tipos de células somáticas de un organismo o de células de organismos pertenecientes a diferentes especies. Con este método, por ejemplo, se crearon híbridos que no se pueden obtener cruzando individuos: híbridos de tabaco y patatas, zanahorias y perejil, tomates y patatas, etc.

4. ¿Qué es la ingeniería genética? Nombra las principales herramientas de la ingeniería genética.

La ingeniería genética (genética) es una rama de la biología molecular asociada con el aislamiento de genes de las células de organismos vivos, realizando diversas manipulaciones con ellos (incluida la creación de moléculas híbridas de ADN) e introduciéndolos en otros organismos. Las principales herramientas de la ingeniería genética son las enzimas y los vectores. Usando un conjunto de enzimas especiales, puede cortar moléculas de ADN y ARN en ciertas áreas, aislar de ellas los fragmentos necesarios, copiarlos y unirlos.

5. ¿Qué organismos se llaman transgénicos? ¿Qué métodos de producción de animales transgénicos puedes nombrar?

Los organismos vivos cuyo genoma ha sido modificado mediante operaciones de ingeniería genética y contiene al menos un gen en funcionamiento activo de otro organismo se denominan transgénicos (modificados genéticamente). Uno de los principales métodos para producir animales transgénicos es la microinyección de ADN en óvulos fertilizados. Todo comienza con la introducción de un fragmento de ADN que contiene varias copias del gen deseado en el núcleo del espermatozoide que fecundó el óvulo. Después de que se produce la fusión nuclear, los cigotos modificados se transfieren al útero de la mujer receptora. Después de un tiempo, da a luz a bebés transgénicos. En los últimos años, las células madre embrionarias obtenidas de embriones en etapas tempranas de desarrollo también se han utilizado para crear animales transgénicos. Estas células pueden diferenciarse en cualquier otro tipo de célula de un organismo multicelular.

6. En 1962, el científico británico J. Gurdon realizó el siguiente experimento. Utilizando radiación ultravioleta, se destruyó el núcleo de un óvulo de rana fertilizado. Luego, se trasplantó un núcleo extraído de una célula intestinal de una rana adulta a un cigoto libre de armas nucleares. Este cigoto inusual comenzó a fragmentarse y finalmente se convirtió en una rana normal. J. Gurdon y sus seguidores continuaron investigando en esta área. En 2012, J. Gurdon recibió el Premio Nobel. ¿Qué conclusiones se pueden sacar del experimento descrito? ¿Cuál crees que fue el significado y la continuación de los experimentos de J. Gurdon?

De la descripción anterior se desprende claramente que J. Gurdon, como resultado de su experimento, fue el primero en obtener un clon de animal (rana) cultivado a partir de células diferenciadas de un animal adulto.