Лекции по "Биотехнология"

1 билет

1.Клеткаларды  өсіру.

Биотехнологиядағы ғылыми-зерттеулер мен технологиялық жұмыстарда нысаналар  ретінде микроорганизмдер, жануарлар  мен өсімдіктердің жасушалары мен  ұлпалары пайдаланады. In vitro жағдайында өсетін жасушалар – жаңа жасанды  жүйе және оның бірнеше ерекшеліктері бар. Жасушаларды залалсызданған жағдайында, қоректік ортамен қамтамасыз етіп, белгілі физико-химиялық жағдайында, арнайы аспаптарда (биореакторларда, колбаларда, пробиркаларда, мадженттерде, планшеттерде, флакондарда) өсіреді. Өндірістік микроорганизмдердің штамдарын, өсімдік жасушаларын әртүрлі тәртібінде өсіріп олардың өсу қарқындылығын бақылайды. Бұл турбидостатта өсіру (лат. turbo – құйын, шыр айналу) – фотоэлементті қолданып биомасса концентрациясын тікелей бақылау арқылы, жасушаларды сыртқы жағдайдан ешқандай шектеусіз, үздіксіз өсіру және жасушаларды хемостатта өсіру (гр. chemia – химия), яғни құрамында өсуді тежейтін концентрациясы белгілі құраушылары бар жаңа қоректік орта тұрақты жылдамдықпен биореакторға құйылып түсіп тұрады да, сондай жылдамдықпен өскен жасушалар суспензиясы алынып отырады. Биотехнологияда жиі пайдаланатын биологиялық нысаналарының бірі – микроорганизмдер болып табылады. Өнеркәсіптік масштабында қолданылатын микроорганизмдер бірнеше талаптарға сай болуы керек. Өндірістік микроорганизм топтарын 1987 жылы А. Воробьев төмендегідей көрсеткіштермен сипаттады:

- арзан және оңай  жететін субстратта өсу; - биомассаның  өсімі және субстрат қорына  өнімнің жоғары болуы, өнімділігі  жағынан тұрақты, генетикалық  біртекті болуы; - бактериофагтарға, зиян тудыратын бөгде микрофлораларға тұрақты болу; - адамға, қоршаған ортаға зиянсыз болу; - мүмкіндігінше продуценттер термофилді және ацидофилді болуы керек, сонда бөгде микрофлора инвазиясынан сақталады; - пайдаланған субстраттан оңай бөлінуі керек.

2.Өсімдікті  залалсыздандыратын заттар.

Өсімдіктер жасушалар  микроорганизмдерге қарағанда анатома-морфологиялық  құрылысы жағынан ерекшеленеді. Өсімдік  мүшесінің кесіндісін, яғни эксплантты залалсызданған қатты немесе сұйық  ортаға отырғызады. Әр түрлі тәсілмен залалсыздандырылған нысаналардан керекті ұлпалар бөлініп алынады.Жиі қолданылатын стерильдейтін заттар, атап айтқанда:

-активті хлоры бар  натрий және калий гипохлориттері, хлорамин, хлор әгі.

-құрамында сынап бар  алмас (сулема), диоцид; сутегі диоксиді. –этанол.-суда  еритін бром, күкірт қышқылы, фенол. – кейбір антибиотиктер, фунгицидтер қолданылады. Стерильдейтін заттардың түрі, концентрациясы және залалсыздандыру мерзімі зерттелген өсімдікке байланысты. Ол заттар барлық микроорганизмдерді құрту, жою мен қатар өсімдік жасушаларына зиян тигізбеу керек, және де өсірілетін объектіден суға шайқағанда оңай кетуі керек.

3.Гендер активтілігінің  реттелуі.

Гендер активтілігі  жасушалардың нақты тіршілік жағдайларына байланысты болып, тұқым қуалау ақпаратының жүзеге асырылуының барлық кезеңдерінде түрлі механизмдермен бақыланады. Геннің әсері немесе активтілігі ағзаның нақты белгісі дамуының соңында көрінеді. Көпшілік гендер барлық жасушаларда тұрақты, үздіксіз қызмет атқарып тіршілікке қажетті, маңызды белоктардың биосинтезін қамтамасыз етеді. Прокариоттардағы гендер экспрессиясын реттелу – Белоктың құрлымы және информация құрылымдық гендерде жазылған. Бір хромосоманың бойында қатар орналасқан гендер тіркес гендер деп аталады. Бұл гендердің активтілігі басқа бір реттеуші геннің бақылауында болады. Реттеуші белоктың бақылауына сай белок ферменттері қажет кезде ғана синтезделіп қажетсіз уақытта синтезделмейді. Реттеуші ген құрылымдық геннен қашықтықта орналасқан. Реттеуші генде құрылымдық геннің жұмысына кедергі болатын репрессор белогі туралы информация сақталады. Репрессор белогі құрлымдық генге оператор гені арқылы әсер етеді.       

Эукариоттардағы гендер экспрессиясын реттелуі –  Эукариоттар организмде гендердің  реттелу механизмі прокариоттармен салыстырғанда күрделі процесс. Өйткені, эукариоттарда ядро қабығының болуы хромосома санының көп болуы, гендердің өзара әрекеттесуі, оператор гені санының артуы, сондай-ақ құрылымдық гендердің транскрипциясында индуктор ретінде гормондардың және жүйке жүйесінің қатысуы геннің жұмысының реттелуін күрделендіреді.

2 билет

1.Клеткалық  суспензия.

Жасушалардың  өсуіне аэрацияның әсері зор (бұл  тұрғыда арнайы суспензияға қажет). Аэрация болмаса, жалпы алғанда, суспензияның өсуі мүмкін емес. Клеткалар  суспензиясы (лат. suspension – асып қою) – жеке жасушаларды немесе кішігірім жасушалар топтарын аппаратура арқылы ауамен қамтамасыз етіп және араластыра отырып сұйық қоректік ортада өсіру. Жасушаларды өсіргенде қоректік ортаның осмос қысымын да ескеру керек. Жоғары осмос қысымы қоректік заттарды жасушалардың сіңіруін қиындатады. Экспланттан пайда болған морфогенді каллус ұлпаларды әрбір 3-4 апта сайын жаңа қоректік ортаға көшіріліп отырса, олар шексіз ұзақ өсе береді. Осындай морфогенді каллусты жарықта, 27°С температурада өсіргенде регенерант-өсімдік дами бастайды.

2.Сұйық  ортада клеткалар суспензиясын  өсіру. 

Клеткалар суспензиясы (лат. suspension – асып қою) – жеке жасушаларды  немесе кішігірім жасушалар топтарын аппаратура арқылы ауамен қамтамасыз етіп және араластыра отырып сұйық қоректік ортада өсіру. Жасушаларды жасанды жағдайда өсіргенде, олардың бір өсу кезеңнен екіншісіне өтуін ішкі және сыртқы факторлар бақылайды. Ішкі факторларға пролиферативтік қор, созылып өсу ұзақтығы және жасушаның күйі жатады. Сыртқы факторлар ретінде қоректік ортаның құрамы, рН көрсеткіші, оттегінің мөлшері, температура, жасушалар тығыздығын қарастырамыз. Жасушалар өскен сайын оларды жаңа ортаға көшіру керек, яғни пассаждау (фр.passage - егу) – жасушаларды жаңадан дайындаған қоректік ортасы бар шыны ыдысқа ауыстырып отырғызу керек. Трансплантты немесе сұйық қоректік ортада өскен жасушалардың бөлігін (инокулюмды) жаңа қоректік ортаға отырғызғаннан бастап келесі жаңа қоректік ортаға ауыстырғанға дейінгі өсу кезеңін – өсіру циклі (гр. kyklos – дөңгелек, шеңбер) деп атайды. 

3.Каллустың  пайда болуы.

Дедифференциялану үрдісі арқылы маманданған жасуша бөліну күйіне қайта оралады да меристема  тәрізді каллус жасушаларына айналады. Бұл жасушалар көбінесе жұқа қабықты  болып, паренхималық жасушаларға ұқсайды. Каллус – бұл ұлпаның ерекше түрі, өсімдік жасушаларының ретсіз бөлінуі нәтижесінде пайда болған ұлпа, басқаша айтқанда, ол – бүтін өсімдіктің зақымданған жері (жарасы) біте бастаған кезде түзілетін білеуленген бұлтық. Каллус ұлпалар борпылдақ, морфогенді (яғни морфогенезге қабілетті) және тығыз морфогенді емес болуы мүмкін. Олар түсі бойынша да (сары, жасыл, қоңыр, т.с.с.) ерекшеленеді. Барлық физиологиялық үдерістерді реттейтін фитогормондар болғандықтан, олар қоректік ортаның маңызды құраушылары деп есептелінеді. Жасушаларға бөліну және дифференциялану үшін әсіресе ауксин мен цитокинин қажет. Тек қана ісік жасушалары мен «қалыптасқан» ұлпалар гормондары жоқ ортада өсе алады. «Қалыптасқан» каллус жасушалары гормондарды қажет етпейді, олар гормондарға прототрофты келеді, себебі өздерін-өздері қамтамасыз ете алады. Каллус пен эмбриондтарды (сомалық ұрық) регенерацияны ынталандыратын қоректік ортада өсіргенде регенерант-өсімдік пайда болады.   

3 билет

1.Клеткаларды  өсіру жағдайлар.

Өсімдік жасушаларын өсіру үшін 25°С шамасында температура қажет. Жасушалардың өсуіне әсер ететін сыртқы факторлардың бірі – жарық. Жалпы in vitro  жағдайында өсірілетін өсімдік жасушаларында жасыл пигмент яғни хлорофилл түзілмейді, сондықтан олар әдеттегідей фототрофтық (автотрофтық) жолмен емес, гетеротрофты қоректенеді. Жасушаларда қосымша заттар түзілуіне жарықтың сапасы (яғни жарық спектрдің құрамы), қарқындылығы және фотопериодтың әсер ететіндігі дәлелденген, сондықтан жасушалық технологияны жасаудағы басты мақсаттың бірі – жасушаларды өсіру үшін қажетті жарықтың сапасы мен қарқындылығын анықтау. Жасушаларды жасанды жағдайда өсіргенде, олардың бір өсу кезеңнен екіншісіне өтуін ішкі және сыртқы факторлар бақылайды. Ішкі факторларға пролиферативтік қор, созылып өсу ұзақтығы және жасушаның күйі жатады.

2In vitro жағдайында клеткалардың өсу  заңдылығы. 

Жануар жасушаларын in vitro өсірудің екі бағыты бар: 1) жасуша түрінде, 2) мүшелер және ұлпалар түрінде. Іn vitro жағдайында дифференцияланан жануар жасушаларды өсіру күрделі жұмыс, себебі олардың өсу мерзімі қысқа болады. Жасушаларды өсіру кезінде олар құрылымдық ұлпа ретінде ұйымдаспайды, гистологиялық архитектурасынан айырылады. Сонымен қатар, кейбір биохимиялық белгілерінен де айырылады. Сондықтан арнайы жағдайды жасамаса, олар өмір сүре алмайды. Жануар жасушасын өсіруге қолданылатын өсіру ерітіндісі өсімдіктер ұлпаны өсіруге қолданылатын қоректік ортасына құрамы жақтан ұқсамайды. Жануарлар жасушасын өсіретін ерітіндінің құрамында үнемі глюкоза, аминоқышқылдар, минералды тұздар, витаминдер, холин мен инозит (көмірсутек көзі) және жануарлардың 5-20% қан сарысуы болады. Қоректік ортадағы минералды тұздар буферлік қызметін орындайды, яғни қышқыл-сілті балансты сақтайды. Ортаның рН-тұрақтылығы – басты талап болып табылады.

3.Эмбриондтардың  пайда болуы.

Америкалық зерттеушілер С.Стик пен Дж. Робл 1988 жылы 6 тірі үй қояныны алды. Зерттеуде бір түрге  жататын 8 жасушалы эмбрионды алып жұмыртқа жасушасында ядросы жоқ екінші бір  түрге енгізді. Пайда болған ұрпақ  фенотипі донор фенотипіне сәйкес болып шықты. Бұл тәжірибеде 164 реконструктивті жұмыртқа жасушасының 6 ғана қалыпты жануарларда дамыды. Генетикалық тұрғыдан клонданған жануарлар саны төменгі нәтижені көрсетті. Алайда, зерттеу жұмысының нәтижесінде үй қоянының ұрығын клондау мүмкіндігінің бары анықталды, оны үлкен жетістік деседе болады. Ауыл шаруашылық жануарларын клондауда алғашқы жемісті нәтижелі зерттеу жұмысын 1986 жылы С. Уилладсин жүгізді. Ол қойдың 8-16 жасушалы эмбрионынан алынған ядросыз жұмыртқа жасушасын бластомермен қосты. Эмбрионалдық жасушалардың ядроларын энуклеирленген (ядросыз) аналық жасушаларға көшіргеннен кейін ядро қайта бағдарланады да жаңа эмбрион дами бастайды. Теориялық түрде донордың эмбрионынан барлық бластомерлері бір генетикалық негізде және бірдей тұқымдардың дамуын қамтамасыз етуде қабілетті болады. Ядроларды көшіргеннен кейін дамыған эмбриондар өз кезегінде ядролардың донорлары ретінде пайдаланылуы мүмкін. Бірнеше генерациялардан кейін жүздеген және мыңдаған бірдей эмбриондарды алу мүмкіндігі туады.   

4 билет

1.Морфогенез бен регенерация процестеріне әсер ететін факторлар.

Құрылымның регенерацияда  қалпына келуі түрлі деңгейде — молекулалык,, ультрақүрылымдық (субклет-калық) клеткалық, тканьдік және органдық деңгейлер-де жүзеге асырылуы мүмкін, бірақ та қалпына келу деп әр уақытта арнайы қызмет атқара алатын құрылымдар-дың қалпына келуі аталады. Регенерация дегеніміз — құрылымның да, ол атқаратын қызметтің де қалпына келуі. Регенерацияның маңызы — гомеостаздың құрылымдық негізін қамтамасыз ету.

Құрылым мен қызметтің  қалпына келуі клеткалық немесе клеткаішілік гиперплазиялық процестер  арқы-лы жүзеге асырылады. Осыған сәйкес регенерация клет-калық және клеткаішілік формаларға бәлінеді (Д.С. Саркисов). Регенерацияның клеткалық формасына клет-калардың митоздықжәне амитоздықжолмен кебеюі тән болса, органоидтық және органоидішілік бола алатын, регенерацияның клеткаішілік формасында ультрақұ-рылымдардың (ядроньщ, митохондрийлардың, рибосо-малардың, Гольджи кешенінің және т.б.) және олардьщ компоненттерінің саны әсіп (гиперплазия), көлемі ұлғаяды (гипертрофия).

Клеткаішілік форма  барлық органдар мен тканьдерге тән, сондықтан ол регенерацияның универсал (әмбебап) формасы болып табылады. Бірақ органдар мен тканьдер-дің  арнайы құрылымдық және қызметтіқ спецнализа-циясының барысында олардың кейбіреуінде клеткалық форма, екіншілерінде тек қана немесе басымырақ түрде клеткаішілік форма, ал үшіншілерінде — регенерация-ның осы екі формасы да тепе-тең деңгейде фило- және онтогенезде «сұрыпталған».

2.Дифференциялану және дедифференциялану.

Қоректік  ортада in vitro жағдайында өсетін өсімдіктердің маманданған (дифференцияланған) жасушалар, бөліну қабілеті тежелген жасушалар қайтадан бөліне бастайды, яғни меристемалық күйіне оралады. Жалпы, өсімдік жасушаларының, микроорганизмдермен салыстырғанда, физиологиялық және метаболиттік белсенділігітөмен болады. Өсімдік жасушаның генерация уақыты (жасушаның кезекті екі бөлінуі арасындағы мерзім) микроб жасушаның генерация уақытынан 60-100 есе артып түседі. Өсімдік жасушаларының пролиферативтық пулы немесе қоры (бөлінетін жасушалар мен жалпы жасушалардың санының ара қатысы) 50 - 60%-дан аспайды, жасушалардың көбісі бөлінуін тез тоқтатып, G₀ тыныштық кезеңіне өтеді. Толық белгіленген дифференцияланған жасушаларда пролиферация (яғни бөліну арқылы көбею) қабілетінің қайта пайда болуы дедифференциялану үрдісі деп аталады. Ал дифференциялану – бұл әр түрлі маманданған жасушалардың түзілуі, яғни даму үдерісінде біртекті меристемалық жасушаларда морфологиялық құрылымы және атқаратын қызметі әртүрлі маманданған жасушалардың түзілуі. Мысалы, дифференциялану нәтижесінде меристемадан пайда болған маманданған жасушалар (мезофилл, эпидермис тағы сондай сияқты ұлпаның жасушалар) сол меристемаға да және де өзара бір-біріне мүлдем ұқсамай кетеді.  

3.Регенерант  өсімдіктер.

Өсімдіктер  жасушалары – өсімдіктер биотехнологиясының (немесе биотехнологияның салалары классификациясы  бойынша ауылшаруашылық биотехнологиясының) негізгі нысана болып келеді. Өсімдіктер жасушалардың ерекше қасиеттерінің  бірі – тотипотентік қасиеті – өсімдіктердің сомалық жасушаларының өсуге қабілеттілігін толық көрсете алуы, яғни ядродағы генетикалық информация негізінде организм түзу мүмкіндігін іске асырылуы. Өсімдіктердің тотипотенттік қасиеті болғандықтан, in vitro өсірілетін жасушалардан белгілі бір жағдайа регенерант – өсімдіктерді алады. Бұл регенерант – өсімдіктер сапалы, жоғары өнімділігімен сипатталатын, қолайсыз абиотикалық және биотикалық факторларға төзімді мәдени өсімдіктердің жаңа сұрыптаудың немесе өсімдіктердің жаңа формаларының (сомалық будандар, трансгенді өсімдіктер сияқты) көзі болып табылады. Бағалы өсімдіктерді немесе жоғалып бара жатқан өсімдіктерді, сауықтырылған вируссыз өсімдіктерді биотехнологиялық тәсілдермен клондап әрі қарай көбейтуге болады. Сонымен қатар, өсімдік жасушалары құнды биологиялық белсенді заттардың (фитогормондар, майлар, бояушылар, витаминдер, алкалоидтар, аминқышқылдар, ферменттер және т.б.) продуценттері болып табылады. 

5 билет

1.Өсімдіктер биотехнологиясының негізгі салалары.