Дәріс №3

Тақ ырыбы: Биотехнологиялық ү дерістердің негізгі элементтері

Жоспары:

1.Биотехнологияның нысандары жә не ә дістері

2.Биотехнологиялық ү дерістерді қ ұ райтын негізгі элементтер

3. Биотехнологияда қ олданылатын ә дістер

Дә ріс мақ саты: Биотехнологиялық ү дерістердің негізгі элементтерін қ арастыру

1.Биотехнологиялық ү дерістерді қ ұ райтын негізгі элементтер болып: биологиялық агент, субстрат, аппаратура жә не ө нім табылады.

Биотехнологиядағ ы терминдердің бірі «биожү йе» тү сінігі болып табылады. Биологиялық (жанды) жү йенің жалпылама сипаттамалары оларғ а тэн ү ш негізгі белгілерге келіп тү йістірілуі мү мкін:

1.Жанды жү йелер қ оршағ ан ортамен заттар жә не қ уат алмасып отыратын гетерогенді ашық жү йелер болып табылады.

2.Бұ л жү йелер ө здігінен басқ арылатын, ө зін-ө зі реттеп отыра­тын, идактивті, яғ ни ө зінің қ ұ рылымын жә не метаболизм ү дерістерін басқ аруды ұ стап тү ру ү шін қ оршағ ан ортамен ақ парат алмасуғ а қ абілетті болып табылады.

3.Жанды жү йелер ө з ө здерін ұ дайы кө бейтетін (жасушалар, организмдер) болып табылады.

Қ ұ рылымы бойынша биожү йелер ө зара байланысқ ан жә не кү рделі ұ йымдастырылуымен сипатталатын (атомдар, молекулалар, органеллалар, жасушалар, организмдер, популяциялар, қ ауымдастық тар) элементтерге (шағ ын жү йелерге) бө лінеді.

Жасушадағ ы басқ ару қ андай да болсын функцияны жү зеге асыру ү шін қ ажетті ақ уыз-ферменттердің молекулаларын синтездеу ү дерістерінің жә не ядродағ ы ДНҚ триплеттік кодтарының жә не рибосомалардағ ы макромолекулалардың ө зара ә рекеттесуі барысында белсенділіктің ө згеруінің ү здіксіз ү дерістерінің ү йлесімі болып келеді. Ферменттеу белсенділігінің артуы жә не тежелуі тиісті биохимиялық реакциялардың бастапқ ы жә не ақ ыргы ө німдерінің мө лшеріне байланысты жү ріп отырады. Осылайша кү рделі ұ йымдастырылуының арқ асында биожү йелер барлық жансыз нысандардан ерекшеленіп отырады.

Биожү йенің жү ріс-тұ рысы оның сыртқ ы ә сер етулерге жауап ретіндегі реакцияларының жиынтығ ы болып табылады, яғ ни жанды организмдердің басқ арушы жү йелерінің ең ортақ міндеті сыртқ ы ортаның ө згеріп отырғ ан жағ дайлары кезінде оның энергетикалық негізін сақ тау болып табылады.

Барлық биожү йелер кү рделіліктің бес иерархиялық дең гейіне: бір жасушалы организмдер, кө п жасушалы организмдер, популяциялар, биогеоценоз жә не биосфера болып бө лінеді.

Бір жасушалы организмдер - бұ л вирустар, бактериялар жә не қ арапайымдар. Бір жасушалы организмдердің функциялары - ортамен зат жә не қ уат алмасу, ө су жэне бө ліну, сыртқ ы тітіркендіргіштерге алмасудың жә не қ озғ алу тү рінің ө згеруі тү ріндегі реакциялар. Бір жасушалылардың барлық функциялары ферментативтік табиғ аттың биохимиялық ү дерістері есебінен жә не энергетикалық алмасудың есебінен - қ уат алудан бастап жаң а қ ұ рылымдардың синтезделуіне немесе қ азірде барларының ыдырауына дейінгі энергетикалық алмасудың есебінен ұ сталынып отырады. Бір жасушалылардың олардың қ оршағ ан ортағ а бейімделуін қ амтамасыз ететін жалғ ыз ғ ана меха­низмі. ДНҚ -ң жекелеген гендердегі ө згеру механизмі жә не, осының нә тижесі ретінде, ақ уыз-ферменттердің озгеруі жә не биохимиялық реакциялардың ө згеруі болып табылады.

Биожү йелердің қ ұ рылымдарын талдауғ а жү йелі келудің негізі оны екі қ ү рамдас бө ліктің - энергетикалық жә не басқ арушы қ ұ рамдас бө ліктердің тү рінде кө рсету болып табылады.

Биожү йелердің қ ұ рылымын генетикалық басқ ару механизмдері ұ стап тұ рады. Қ алғ ан жү йелерден қ уат пен ақ паратты зат алмасу ө німдері (метаболиттер) тү рінде, ал қ алыптасу кезең інде - гормондар тү рінде ала отырып, генетикалық жү йе қ ажетті заттарды синтездеу ү дерісін басқ арып отырады жә не организмнің қ алғ ан жү йелерінің тіршілік ә рекетін ұ стап тұ рады, бұ л ретте бұ л жү йеде ү дерістер айтарлық тай баяу ө рбиді.

Биожү йелердің ә р алуандығ ына қ арамастан, олардың биологиялық қ асиеттері арасындағ ы қ атынастар барлық организмдер ү шін инвариантты болып қ алады. Қ арапайым жү йеде бұ л функциялары механизмдердің аз саны қ амтамасыз етіп отырады, бұ л ретте олар сыртқ ы ортадағ ы ө згерістерге кө бірек сезімтал.

Осыларды биотехнология пайдаланатын биологиялық нысандар немесе жү йелер ретінде ең алдымен бір жасушалы микроорганизмдерді, сондай-ақ хайуандарды жә не ө сімдік жасушаларын атауымыз керек. Осы нысандарды таң дап алу келесі сә ттермен тү сіндіріледі:

1)Жасушалар тіршілік ә рекетінің барысында ә р алуан қ ұ нды ө німдерді: ақ уыздарды, майларды, кө мірсутегін, витаминдерді, нуклеин қ ышқ ылдарын, амин қ ышқ ылдарын, антибиотиктерді, гормондарды, антиденелерді, антигендерді, ферментгерді, спирттерді жә не т.с. жасап шығ аратын ө зіндік «биофабрикалар» болып табылады. Адам ө мірінде асақ ажетті осы ө німдердің кө пшілігі ә зірге шикізаттың тапшылығ ына немесе бағ асының қ ымбаттығ ына ә лде технологиялық ү дерістердің кү рделілігіне орай «биотехнологиялық емес» тә сілдермен алу ү шін қ ол жеткізерлік болмай отыр.

2)Жасушалар ө те жылдам ұ дайы кө бейеді. Мә селен, бактерия жасушасы ә р 20-60 мин сайын, ашытқ ы жасушасы - ә р 1, 5-2 сағ ат сайын, хайуан жасушасы ә р 24 сағ ат сайын бө лінеді, бұ л салыстыр- малы қ ысқ а уақ ыт ішінде микроб, хайуандар немесе ө сімдіктер жасушаларының биомассасының орасан зор сандарын, мө лшерлерін салыстырмалы тү рде арзан жә не тапшы емес қ оректік орталарда жасанды тү рде арттыруғ а мү мкіндік береді. Мысалы, сыйымдылығ ы 100 м³ болатын биореакторда 2-3 тә улік ішінде 10¹⁶-10¹⁷микроб жасу- шасын ө сіруге болады. Жасушалардың тіршілік ә рекеті барысында оларды ө сірген кезде ортағ а қ ү нды ө німдердің кө п мө лшері келіп тү седі, ал жасушалардың ө здері бо^са осы ө німдердің қ оймалары болып келеді.

2.Биотехнологияда қ олданылатын ә дістер екі: жасушалық жә не молекулалық дең гейлермен анық талады. Екі дең гей де бионысандармен анық талады.

Бірінші жағ дайда бактерия жасушаларымен (вакцина пррепараттарын алу ү шін), екінші жағ дайда молекулалармен, мысалы, нуклеин қ ышқ ылдарымен істес болады.

Хайандар мен ө сімдіктердің жасушалары, микроб жасушалары тіршілік ә рекеті (ассимиляция жә не диссимиляция) барысында жаң а ө німдер тү зеді жә не ә ртү рлі физикалық -химиялық қ ұ рамдағ ы жә не биологиялық ә рекеттегі метаболиттерді бө ліп шығ арады.

Жасуша ө скен кезде онда ферменттер катализдейтін реакцияларың орасан зор саны жү зеге асырылады, осылардың нә тижесінде аралық қ осылыстар тү зіліп, олар ө з кезегінде жасуша қ ұ рылымдарына айналады.

Ә детте бір жасушалылардың ө німдерін 4 категорияғ а бө леді:

а)жасушалардың ө здері мақ сатты ө німнің кө зі ретінде (мысалы, ө сірілген бактерияларды немесе вирустарды жанды немесе ө лтірілген корпускулярлық вакцина алу ү шін пайдаланады; ашытқ ыны мал азық тық ақ уыз немесе қ оректік орталардың гидролизаттарын алуғ а арналғ ан негіз ретінде пайдаланады жә не т.с.);

б)осыларды жасушалар ө сіру барысында синтездейтін ірі молекулалар: ферменттер, токсиндер, антигендер, антиденелер, пептидогликандар жә не т.б.;

в)бастапқ ы метаболиттер - амин қ ышқ ылдары, витаминдер, нуклеотидтер, органикалық қ ышқ ылдар секілді, жасушалардың ө суі ү шін қ ажетті тө мен молекулалы (1500 далтоннан азырақ) заттар;

г)екінші реттік метаболиттер - жасушалардың ө суі ү шін қ ажет емес тө мен молекулалы қ осылыстар: антибиотиктер, алкалоидтар, токсиндер, гормондар.

Биотехнология жасушалардың осы ө німін технологиялық ө ң деудің нэтижесінде ақ ырғ ы, пайдалану ү шін жарамды ө німге айналатын шикізат ретінде пайдаланады.

Биотехнологияда пайдаланылатын барлық микронысандарды акариоттарғ а, про- немесе эукариоттарғ а жатқ ызады. Эукариоттар тобынан, мысалы, бионысандар ретінде қ арапайымдардың, балдырлардың жә не саң ырауқ ұ лақ тардың жасушалары; прокариоттар тобынан - кө к-жасыл балдырлар мен бактериялардың жасушалары; акариоттар тобынан - вирустар пайдаланылады.

Бионысандардың орасан зор жиынтығ ы осыны биотехнология пайдаланатын бү кіл элементтік базаны тауыспайды. Биологияның жә не гендік инженерияның соң ғ ы табыстары мү лдем жаң а бионысандардың - трансгенді (генетикалық модификацияланғ ан) бактерия- лардың, вирустардың, саң ырауқ ұ лақ тардың, ө сімдіктердің, хайуандардың жасушаларының пайда болуына алып келді.

Барлық дү ниелердің ө кілдерінде генетикалық материалдың бар екендігіне қ арамастан, ә ртү рлі аукариоттар нуклеин қ ышқ ылының қ андай да бір типінен (РНҚ немесе ДНҚ) айырылғ ан. Олар жанды жасушадан тысқ ары функция атқ аруғ а қ абілетсіз жә не, демек, оларды ядросыздар деп атауғ а ә бден болады. Вирустардың паразитизмі генетикалық дең гейде дамиды.

Бактериялар ленталық ү йымдасуғ а ие жә не оларда екі типтегі нуклеин қ ышқ ылдары - РНҚ жә не ДНҚ да бар, осылардың ішінде ДНҚ жеке (сақ ина тә різдес) хромосома тү рінде кө рсетілген. Олардың кө пшілігі қ оректік орталарда (организмнен тысқ ары) кө бейеді, ал егер

бактериялардың арасында аталғ ан белгі бойынша вирустарғ а жақ ындайтын сө зсіз (облигатты) паразиттер (хламидиялар, микоплазмалар, риккетсийлер) бар болса да, олардың паразитизмі ө зінің механизмі бойынша ерекшеленеді - оны жасушалы деп атауғ а болады.

Биологиялық агент биотехнологиялық ү дерістердегі белсенді бастау жә не олардың аса маң ызды элементтерінің бірі болып табылады.

Биотехнологиядағ ы дә стү рлі нысан - микроб жасушасы. Ә ртү рлі химиялық -технологиялық қ асиеттері бар микроб жасушалары табиғ и кө здерден бө лініп алына алады жә не ә рі қ арай дә стү рлі (селекция, іріктеу) жә не ең жаң а (жасуша инженериясы жә не генетикалық инженерия) ә дістердің кө мегімен айтарлық тай модификациялана жә не жақ сартыла алады. Биологиялық агентті таң дап алғ ан жә не оны ө ндіріске қ ойғ ан кезде ең алдымен штамдардың технологиялылығ ы қ ағ идасын сақ тау қ ажет. Бұ л дегеніміз микроб жасушасы, особьтардың популяциясы немесе қ ауымдастығ ы ферменттеуді ү зақ жү ргізу барысында ө зінің негізгі физиологиялық -биологиялық қ асиеттерін сақ тап қ алуғ а тиіс дегенді білдіреді. Ө неркә сіп продуценттері де мутациялық ә сер етулерге, фагтарғ а, бө тен микрофлора жұ қ тыруғ а (контаминацияғ а) тұ рақ тылық қ а, тө зімділікке ие болуғ а, адамдар мен қ оршағ ан орта ү шін зиянсыздығ ымен сипатталуғ а; ө сірген кезде алмасудың жанама улы ө німдеріне жә не қ алдық тарғ а ие болмауы керек; ө німнің жоғ ары шығ ымдарына жә не қ олайлы техникалық - экономикалық кө рсеткіштерге ие болуғ а тиіс. Қ азіргі таң да кө птеген ө неркә сіптік микробтық технологиялар гетеротрофты организмдерді пайдалануғ а негізделіп отыр, ал болашақ та продуценттердің арасында шешуші орынды ө здерінің ө сулері ү шін тапшы болып отырғ ан органикалық орталарды қ ажет етпейтін автотрофты микроор- ганизмдер, сонымен қ атар экстремофилдер - ортаның экстремалды жағ дайларында дамитын организмдер (термофилді, алкало- жә не ацидофилді) алатын болады.

Соң ғ ы жылдары аралас микроб култураларын жә не олардың табиғ и қ ауымдастық тарын пайдалану кең ейе тү суде. Монокултуралармен салыстырғ анда, микроб қ ауымдастық тары кү рделі, қ ұ рамы бойынша ә ртекті субстраттарды ассимиляциялауғ а қ абілетті, биотрансформацияғ а аса жоғ ары қ абілетке ие бола отырып, кү рделі органикалық қ осылыстарды минералдайды, ортаның қ олайсыз факторларының жә не улы заттардың ә сер етуіне аса жоғ ары тө зімділікке ие, сонымен қ атар аса жоғ ары ө німділікке жә не қ ауымдастық тың жекелеген тү рлері арасында генетикалық ақ паратты алмасу мү мкіндігіне ие. Аралас култураларды пайдаланудың негізгі салалары - қ оршағ ан ортаны қ орғ ау, биодеградация жә не кү рделі субстраттарды сің іру.

Биотехнологиядағ ы биологиялық агенттердің ерекше тобы - биологиялық шығ у тегі бар катализаторлар, ферменттер. Ферменттер медицинада, тамақ ө неркә сібінде, органикалық синтезде жә не шаруашылық жү ргізудің басқ а салаларында кө бірек қ олданысын табу ү стінде, бірақ 60-шы жылдарғ а дейін бұ л бағ ыт оларды алудың қ иындық тарымен, орнық сыздығ ымен, бағ асының қ ымбат болуымен тежеліп келді. Жаң а биологиялық агенттерді жасау мен пайдаланудағ ы жеке сала ретінде иммобилизацияланғ ан ферменттерді - осының ә рекеті ферментті, иммобилизация тә сілін жә не таратушыны дұ рыс таң даумен анық талатын, ү йлесімді міндет атқ аратын жү йені бө ліп кө рсеткен жө н. Иммобилизацияланғ ан ферменттердің еритін ферменттермен салыстырғ андағ ы артық шылығ ы келесіден тұ рады: тұ рақ тылығ ы жә не аса жоғ ары белсенділігі, реакторды кө лемінде ұ стап тұ руы, ө німдерді толық жә не жылдам бө ліп алу жә не биологиялық агентті кө п мэрте пайдалана отырып, ферменттеудің ү здіксіз ү дерістерін ұ йымдастыру мү мкіндігі. Иммобилизацияланғ ан ферменттер аналитикалық химияда пайдалану, қ уатты тү рлендіру жә не био­электрокатализ ү шін биологиялық микроқ ондырғ ыларды жасауда жаң а мү мкіндіктер ашып отыр.

Қ азіргі таң да заманауи биологиялық агенттерді - микро- организмдердің, ө сімдіктердің, хайуандардың трансгенді жасушаларын гендік-инженериялық ә дістермен алуғ а кө п кө ң іл бө лінуде. Сонымен қ атар ә ртү рлі синтетикалық жэне биологиялық мате- риалдарды (белгіленген қ асиеттері бар мембраналарды, изотоптарды, магнитті материалдарды, антиденелерді) пайдалана отырып жасанды жасушалар алуга мү мкіндік беретін жаң а ә дістер де дамығ ан. Аса жоғ ары реакциялық белсенділігі жә не тұ рақ тылығ ы бар, белгіленген қ асиеттері бар ферменттерді қ ұ растыруғ а деген амал-тә сілдер жасалуда.

Осылайша, биотехнологиялық ү дерістерде ұ йымдасуының ә ртү рлі - жасушалық дең гейден молекулалық дең гейге дейінгі дең гейі бар ә ртү рлі биологиялық агенттерді пайдалану мү мкін болып отыр.

Бақ ылау сұ рақ тары:

1.Ферментациялау алдындагы сатыда қ андай ү дерістерді жү зеге асырады?

2.Ферменттеу қ айда іске асырылады жә не ферменттеу сатысында қ андай ү дерістер жү реді?

3.Ферментациялаудан кейінгі сатыда не іске асырылады?

4.Қ андай организмдердің жасушалары негізгі биотехнологиялық агент болып табылады?

5. Биотехнологияда қ олданылатын ә дістер қ анша

6. Бір жасушалылардың ө німдері қ анша категорияғ а бө лінеді?

Пайдаланылғ ан ә дебиеттер:

1.Джусупова Д.Б Экологиялық биотехнология. – Алматы 2013

2.Аубакиров Х.Ә. Биотехнология. – Алматы, 2011

3.Жұ банова А.А. Биотехнология негіздері. – Алматы: «Қ азақ Университеті», 2006

4.Тұ рашева С.Қ. Клеткалық биотехнология негіздері. Оқ у қ ұ ралы., Алматы., «Қ азақ Университеті», 2009

5.Уалиханова Г.Ж.Ө сімдік биотехнологиясы. Оқ улық., ЖОО қ ауымдастығ ы., Алматы., 2009