Дәріс № 7. Биологиялық объектілердің популяциялық тұрақтылығы

Бионысананы жұмыс жағдайында ұстап тұру, оның құнды қасиеттерін сақтау маңызды биотехнологиялық мәселе болып табылады.

Биореактор, культивирленген микроорганизмдер немесе өсімдіктер мен жануарлар клеткаларының үлкен популяциясымен қамтылған. Бұл популяцияда 10¹⁰ және одан аса жасушалар бар, олар өз кезегінде жер бетіндегілерден миллион есе асады. Бұл жағдайларда екіталай генетикалық мәселеге негізделген процестер үлкен рөл атқарады. Сонымен төменгі жиілікті спонтанды мутациялар (1 мутация 10⁶-10⁸жасушаға) биореакторда мутантты түрлердің тез жиналып қалуына әкеледі. Әсіресе мынадай жағдайда егер де осындай түрлер тез өсу жылдамдығымен сипатталса. Жасушалық популяцияда бейімделген жасушалар азырақ бейімделгендерді шығарып тастауы автоселекция деп аталады, яғни бұл көбінесе селекционердің қатысуынсыз және оның жоспарынан тыс болатын процесс. Бактерияларда 3 форманың (K,S,M) жиі өзара өтуімен сипатталатын фазалық диссоциация көрсеткіштік үлгі болып қызмет етеді. Бұл формалар жасушалық қабырға мен капсуланың құрылысымен өзгешеленеді. Сонымен қатар көптеген физиолого-биохимиялық қасиеттерімен, оның ішінде биологиялық активті заттар синтезіне қабілеттілік те бар.

Жануарлар және өсімдіктер жасушаларын ағзадан тыс культивирлегенде ұқсас мәселелер пайда болады. Жасуша белгілерінің культивирлеу процесі кезінде өзгеруі оның көпклеткалы организмнен қоректік ортасы бар ыдысқа ауыстырған кезде пайда болған қауырт өзгеріспен байланысты.

Үлкен жасушалық популяцияда өтетін мутанттау мен селекцияның спонтанды процестерінің жақсы жақтары болуы мүмкін:

1) Мақсаты биомасса алу болып табылатын өндірістік процестерде автоселекция продуктивті және көп бейімделгіш формалар басымдығына әкеледі.

2) Егер зерттеуші келесі селекционды жұмысқа бастапқы формадан өзгешеленетін формалар алуға тырысса, бұл процестерде биотехнологиялық маңызды қасиеттер жоғалса, онда бұл жаман жағы болады. Әдетте генетикалық және жасушалық инженерия негізінде алынатын штаммдар тұрақсыз болып келеді.

Маңызды штамм-продуценттерді сақтау мәселесі мынадай екі жағдайда біріншілік маңыздылық алады: олардың ұзақ сақталуы кезінде және ол штаммдардың зертханалық культиваторлардан өндірістік биореакторға көшірілуі кезінде (масштабты өту және масштабтану).

Микроорганиздер культураларының халықтық әдістері олардың жиі ауыстырылатын бай қоректік ортада өсірілуіне әкелді. Осы кезде пайда болатын мутанттар мен автоселекцияға жағымды жағдайлар көбінесе штамм-продуценттердің жоғалуына әкеп соқтырады. Басқа әдістер пайда болмағанша бұл әдіс қана қол жетімді. Популяцияда қажет емес мутанттардың жиналуының алдын-алуға болады, егер де әр қайта отырғызудан соң жасушалар клондарының функционалды активтілігін тексеретін скрининг өткізсе.

Гибридпен клондау кезінде жасушаның маңызды қасиеттерін сақтау үшін қандай жолдар қарастырылған?

Жасушаларды ұзақ уақыт бойы маңызды қасиеттерін жоғалтпай сақтауға болады, егер де онда болып жатқан барлық өмірлік процестерді тоқтатса,оның ішінде генетикалық қайта құрылуды да. Бұл кезде культура – анабиоз сияқты жағдайға түседі және сақтау әдістері анабиозға жақындау сатысы бойынша жіктеледі:

1. Жасушаның лиофильді кептірілуі (вакуумда мұздатылғаннан кейін 60ºС және одан төмен температурада обезвоживание). Бұл әдіс –жақсы, мысалы, белсенділігін бірнеше жылға сақтайтын антибиотиктер үшін. Дегенмен бионысаналардың барлығы лиофилизациядан өте алмайды. Лиофилизация жағдайында өміршеңдігі төмен жасушалар өледі де, популяция өмір сүруге қабілеті мол жасушамен толықтанады.

Бұл байланыста осы немесе өзге штамм-продуценттің белсенділігін сақтау үшін селективті жағдайлар қажет.

2. Стерильді топырақ ауасында, құмда, белсендендірілген көмірде, кейбір өсімдіктердің ұрықтарында, агар-агар дисктерінде, қағазда, жүнді жіпшелерде және өзге тасымалдаушыларда кептіру. Бұл әдіс салыстырмалы түрде қарапайым. Бірақ ол популяцияда болып жататын гентикалық өзгерістерді жеткіліксіз деңгейде тоқтатады. Соңғы жылдары сұйық жағдайдағы вакуум астында кептіру қолданылады. Микроорганизмнің кей түрлері, әсіресе, лиофилизацияны өте алмайтындар осындай өңдеуден кейін өмірге қабілетті жағдайда сақталады. Ал бионысананың көпшілігі кептіруді көтере алмай, өледі.

3. Споралар сақталуы (спора түзетін бактерияларға жарамды).

4. Криоконсервация –жасушалардың терең мұздатылуы және сонан соң сұйық азотта (-19º) немесе оның буында (-150º) кептірілуі. Басқа сақтау әдістерінде сақтала алмайтын - цианобактериялар, пурпурлы және жасыл бактериялар, мицелиальді саңырауқұлақтар, актиномицеттер, қарапайымдылар, балдырдар, өсімдік және жануар жасушаларының культуралары, гибридомдар, гендік-инженерлік мутанттарды осы жолмен ұзақ уақыт бойы сақтауға болады. Терең мұздатылған жағдайдағы организмдер жинақтамасы – крио-банкалар жасалынды. Криоконсервация толықтай жасуша популяциясының гендік фондының бұзылуына кедергі болады.

5. Комбинирленген сақтау әдістері. Кейбір жағдайларда маңызды қасиеттердің жақсы сақталуы бірнеше сақтау әдістерінің комбинациясы арқылы жүзеге асады. Яғни, жасушалардың біртіндеп кептірілуі, келесі лиофилизацияда немесе төменгі температурада сақталуында, олардың өміршеңдігі мен биохимиялық белсенділігін сақтауға септігін тигізеді.