Объекты биотехнологии: микроорганизмы, культуры клеток и тканей растений и животных

Хлеб поднимается благодаря дрожжам, кефир получается благодаря бактериям, инсулин для больных диабетом производят кишечная палочка и дрожжи, а большинство современных лекарств-антител — клетки яичника китайского хомячка, живущие в стальных баках. Картофель, свободный от вирусов, выращивают из крошечных кусочков верхушки побега в пробирках. Всё это — биотехнология, и в каждом случае работу выполняют живые объекты: микроорганизмы или клетки многоклеточных организмов, выращенные вне тела.

В этой статье разобрано, какие объекты использует биотехнология и чем каждый из них хорош: почему микроорганизмы удобны для промышленности, как растут бактерии в ферментёре, что такое каллус и почему из одной клетки растения можно вырастить целое растение, чем культура клеток животных отличается от культуры клеток растений, что такое клеточная линия, предел Хейфлика и гибридома, как выбирают объект для производства конкретного вещества. В кодификаторе ЕГЭ по биологии 2027 года эта тема открывает элемент 3.7: «Объекты, используемые в биотехнологии, – клеточные и тканевые культуры, микроорганизмы, их характеристика». В конце — что писать на ЕГЭ, раздел для олимпиад и 13 заданий с разбором.

• Что такое биотехнология
• Слова, которые понадобятся
• Какие объекты использует биотехнология
• Микроорганизмы
• Как растут микроорганизмы
• Что производят микроорганизмы
• Культуры клеток и тканей
• Культуры клеток и тканей растений
• Культуры клеток животных и человека
• Стволовые клетки и гибридомы
• Сравнение объектов
• Как выбирают объект
• История изучения
• Удивительные факты
• Что писать на ЕГЭ
• Для олимпиад
• Задания с разбором

Что такое биотехнология

Человек пользуется биотехнологией тысячи лет: пекари, сыровары и виноделы работали с дрожжами и бактериями задолго до того, как узнали об их существовании. Такую биотехнологию называют традиционной. Современная биотехнология опирается на знание того, как устроены клетки и гены: микроорганизмы выращивают в огромных стерильных ферментёрах, клетки растений и животных — в культуре, а гены переносят из одного организма в другой.

Во всех случаях в центре процесса стоит объект биотехнологии — живая система, которая выполняет нужную работу: синтезирует вещество, превращает одно вещество в другое, даёт начало новому растению или ткани. Объекты делят на две большие группы: микроорганизмы и культуры клеток и тканей многоклеточных организмов.

Слова, которые понадобятся

• Культура — популяция клеток или микроорганизмов, выращиваемая в искусственных условиях. Чистая культура содержит организмы одного вида (одного штамма).
• Штамм — популяция микроорганизмов одного вида, происходящая от одной клетки и обладающая определёнными свойствами (например, высокой продуктивностью).
• Питательная среда — раствор или гель с веществами, нужными для роста: источником углерода и энергии, азота, минеральными солями, витаминами.
• Ферментёр (биореактор) — герметичный сосуд, в котором выращивают микроорганизмы или клетки при заданной температуре, кислотности, перемешивании и подаче воздуха.
• Асептика — работа без попадания посторонних микроорганизмов: стерилизация сред и посуды, работа в ламинарном боксе.
• Тотипотентность — способность клетки дать начало целому организму.
• Каллус — масса недифференцированных делящихся клеток растения, растущая на питательной среде.
• Клеточная линия — культура клеток животного или человека, которую можно поддерживать много пересевов.
• Первичные метаболиты — вещества, нужные клетке для роста (аминокислоты, нуклеотиды, витамины, спирты); вторичные метаболиты — вещества, без которых клетка может расти, но которые выгодны организму (антибиотики, алкалоиды, пигменты).

Какие объекты использует биотехнология

Микроорганизмы — это целые организмы, обычно одноклеточные: бактерии, дрожжи, микроводоросли, а также мицелиальные грибы, которые в культуре растут как сеть нитей. Культуры клеток и тканей — клетки многоклеточных организмов (растений, животных, человека), выращенные вне организма. Кроме того, биотехнология использует целые растения и животных, в том числе генетически изменённых, и выделенные из клеток ферменты, но главными объектами остаются именно микроорганизмы и культуры клеток.

От хорошего объекта биотехнологии требуется:

1. давать нужный продукт в большом количестве;
2. быстро расти на дешёвой питательной среде;
3. сохранять свои свойства при длительном выращивании (генетическая стабильность);
4. быть безопасным для людей и окружающей среды;
5. поддаваться генетическим изменениям, если нужно улучшить продуктивность или придать новые свойства.

Микроорганизмы

Микроорганизмы — главные «работники» биотехнологии. Их преимущества вытекают из размеров и простоты устройства.

• Высокая скорость размножения. Кишечная палочка в хороших условиях делится примерно каждые 20 минут, дрожжи — примерно каждые 1,5–2 часа. За сутки из нескольких клеток получаются тонны биомассы.
• Интенсивный обмен веществ. Чем меньше клетка, тем больше её поверхность по отношению к объёму, а значит, тем быстрее она поглощает вещества из среды и выделяет продукты. Быстро растущая бактерия за час перерабатывает больше вещества, чем весит сама.
• Разнообразие обмена веществ. Среди микроорганизмов есть аэробы и анаэробы, фотосинтетики и хемосинтетики, организмы, питающиеся сахарами, метанолом, нефтью, целлюлозой. Поэтому для почти любого превращения веществ можно найти подходящий микроорганизм.
• Простые и дешёвые питательные среды: сахар, кукурузный экстракт, патока, соли аммония, отходы пищевой промышленности.
• Удобство генетической работы. Многие бактерии и дрожжи гаплоидны или имеют одну кольцевую хромосому, их гены легко изменять, а в клетку легко ввести плазмиду с чужим геном.
• Масштабирование. Микроорганизмы растут во взвеси в жидкости, поэтому процесс, отработанный в колбе, можно перенести в ферментёр объёмом в сотни кубических метров.

Бактерии

Кишечная палочка (Escherichia coli) — главный объект генной инженерии: её генетика изучена лучше всех, она быстро растёт на простых средах. В ней впервые заработал ген инсулина человека (Goeddel и соавторы, 1979). Молочнокислые бактерии (лактобациллы, лактококки, стрептококки) сбраживают сахара до молочной кислоты — на этом основано получение кефира, йогурта, сыра, квашеной капусты. Коринебактерии (Corynebacterium glutamicum) производят аминокислоты глутамат и лизин миллионами тонн в год. Стрептомицеты — почвенные бактерии с ветвящимися нитями — дают около двух третей известных природных антибиотиков: стрептомицин, тетрациклины, эритромицин. Бациллы производят ферменты для моющих средств, а Bacillus thuringiensis — белки-токсины, убивающие личинок насекомых-вредителей. Агробактерия (Agrobacterium tumefaciens) умеет встраивать часть своей ДНК в хромосомы растения, поэтому её используют для получения трансгенных растений.

Дрожжи и мицелиальные грибы

Пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) — одноклеточные грибы, эукариоты. Они сбраживают сахар до этилового спирта и углекислого газа: углекислый газ поднимает тесто, спирт накапливается в вине и пиве. Как эукариоты дрожжи умеют правильно сворачивать и частично модифицировать белки эукариот, поэтому в них производят, например, белок вакцины против гепатита B (Valenzuela и соавторы, 1982) и инсулин. Для производства белков используют и дрожжи пихию (Komagataella phaffii), растущие на метаноле.

Из мицелиальных грибов пеницилл (Penicillium chrysogenum) даёт пенициллин, аспергилл чёрный (Aspergillus niger) — лимонную кислоту и ферменты, фузарий (Fusarium venenatum) — грибной белок микопротеин, который продаётся как мясозаменитель.

Микроводоросли и цианобактерии

Хлорелла (зелёная водоросль) и спирулина (цианобактерия Arthrospira) растут на свету, используя углекислый газ. Их биомасса богата белком и витаминами и используется как пищевая добавка и корм. Микроводоросли — перспективный источник жиров для биотоплива и омега-3 жирных кислот.

Как растут микроорганизмы

Если поместить немного бактерий в колбу со свежей средой и ничего не добавлять, число клеток меняется по характерной кривой из четырёх фаз.

В экспоненциальной фазе число клеток удваивается за постоянное время — время генерации. Если за время g клетки удваиваются, то через время t из N₀ клеток получится N = N₀ · 2^t/g. Первичные метаболиты (спирты, аминокислоты) клетки образуют в основном во время роста, а вторичные (антибиотики) — когда рост замедляется, в стационарной фазе.

В промышленности используют три способа выращивания:

• периодический: среду засевают, выращивают до конца и сливают целиком;
• с подпиткой: по ходу роста понемногу добавляют питательные вещества, чтобы клетки дольше оставались активными (так производят большинство белков и антибиотиков);
• непрерывный: свежая среда поступает в ферментёр с постоянной скоростью, и столько же культуры вытекает; клетки всё время растут с постоянной скоростью (хемостат, J. Monod, 1950; A. Novick и L. Szilard, 1950).

Что производят микроорганизмы

Производство веществ с помощью микроорганизмов называют микробиологическим синтезом (подробно — в статье «Микробиологический синтез»). Часть продуктов — вещества, которые микроорганизм производит сам по себе (спирт, молочная кислота, антибиотики), часть — продукты чужих генов, введённых в клетку (инсулин, гормон роста, вакцинные белки).

Промышленные штаммы получают отбором и мутагенезом, а теперь и методами генной инженерии. Современные штаммы пеницилла дают пенициллина во много раз больше, чем исходный штамм Флеминга, а штаммы коринебактерий накапливают аминокислоту в концентрации, недостижимой для дикой бактерии.

Культуры клеток и тканей

Клетки многоклеточного организма можно отделить от тела и выращивать на питательной среде. В сравнении с микроорганизмами они растут медленнее, требуют сложных и дорогих сред и строгой стерильности: любые бактерии и грибы, попавшие в среду, растут быстрее и вытесняют клетки. Но культуры клеток умеют то, чего не умеют микроорганизмы: клетки растения могут дать целое растение, а клетки животных и человека правильно собирают и модифицируют сложные белки человека, позволяют размножать вирусы для вакцин и выращивать ткани для пересадки.

Различают культуры клеток (отдельные клетки или их небольшие группы) и культуры тканей и органов (кусочки, сохраняющие строение ткани), но граница между ними условна.

Культуры клеток и тканей растений

Основа культуры клеток растений — тотипотентность: многие живые клетки растения сохраняют все гены и способны снова стать клетками любого типа. Эту идею высказал Готлиб Хаберландт в 1902 году, а доказал Фредерик Стюард в 1958 году, вырастив растения моркови из отдельных клеток корня (Steward и соавторы, 1958).

Что вырастет из каллуса, определяет соотношение двух групп фитогормонов. Фолке Скуг и Карлос Миллер в 1957 году показали на культуре табака: при большом количестве ауксина и малом цитокинина образуются корни, при обратном соотношении — побеги, при промежуточном — продолжает расти неорганизованный каллус (Skoog, Miller, 1957). В 1962 году Тосио Мурасиге и Скуг подобрали питательную среду, до сих пор самую распространённую, — среду MS (Murashige, Skoog, 1962).

Культуры растений бывают разных типов: каллусная (на плотной среде с агаром), суспензионная (отдельные клетки и мелкие группы во взвеси в жидкой среде, при перемешивании; её можно выращивать в биореакторах), культура протопластов (клетки без клеточной стенки, которую растворяют ферментами), культура меристем, пыльников, зародышей.

Что дают культуры клеток растений

• Микроклональное размножение. Из маленького кусочка растения на среде получают тысячи генетически одинаковых растений за несколько месяцев. Так размножают картофель, землянику, орхидеи, плодовые подвои, редкие растения.
• Оздоровление от вирусов. В верхушечной меристеме вирусов мало или нет совсем, потому что клетки делятся быстрее, чем распространяется вирус, а сосудов, по которым он передвигается, там ещё нет. Растения, выращенные из меристемы, свободны от вирусов. Впервые так получили здоровые георгины (Morel, Martin, 1952).
• Гаплоиды. Из пыльцевых зёрен в культуре пыльников вырастают гаплоидные растения (Guha, Maheshwari, 1964). Удвоив у них число хромосом, за одно поколение получают полностью гомозиготные линии для селекции.
• Соматическая гибридизация. Протопласты клеток двух разных видов можно слить, и из гибридной клетки вырастить растение, которое невозможно получить скрещиванием (Carlson и соавторы, 1972).
• Спасение зародышей. Зародыш от отдалённого скрещивания, который погиб бы в семени, доращивают на питательной среде.
• Производство веществ. Клетки в суспензии синтезируют вторичные метаболиты растений. Первым промышленным продуктом стал красный пигмент шиконин из воробейника (1983, Япония); культурой клеток тиса получают противоопухолевое вещество паклитаксел, а в клетках моркови производят фермент для лечения болезни Гоше — первый лекарственный белок из культуры клеток растений, одобренный в 2012 году (Wilson, Roberts, 2012).
• Сохранение генофонда. Культуры и меристемы редких растений хранят при низких температурах, в жидком азоте.

Культуры клеток животных и человека

Первым клетки животного вне организма вырастил Росс Харрисон в 1907 году: в капле лимфы росли нервные отростки зародыша лягушки. Сегодня клетки животных выращивают в пластиковых флаконах или биореакторах при 37 °C, в атмосфере с 5 % углекислого газа (он поддерживает кислотность среды), на сложных средах с аминокислотами, глюкозой, витаминами, солями и, как правило, с сывороткой крови, содержащей факторы роста.

Многие клетки животных растут, только прикрепившись ко дну сосуда, и перестают делиться, когда покрывают его сплошным слоем, — это контактное торможение. Опухолевые клетки его теряют и растут слоями друг на друге. Другие клетки, например клетки крови и клетки яичника китайского хомячка (CHO), приспособлены к росту во взвеси, что удобно для больших биореакторов.

В 1961 году Леонард Хейфлик и Пол Мурхед показали, что нормальные клетки человека — фибробласты — делятся в культуре ограниченное число раз, около 40–60 удвоений, а затем перестают делиться и стареют (Hayflick, Moorhead, 1961). Это явление называют пределом Хейфлика; его причина — укорочение концевых участков хромосом, теломер, при каждом делении. Опухолевые клетки и клетки, в которых работает фермент теломераза или изменены гены, контролирующие деление, становятся «бессмертными» и образуют непрерывные клеточные линии.

Что дают культуры клеток животных

• Вакцины. Вирусы размножаются только в живых клетках. Когда в 1949 году Джон Эндерс, Томас Уэллер и Фредерик Роббинс вырастили вирус полиомиелита в культуре клеток (Enders и соавторы, 1949), стало возможно сделать вакцину против полиомиелита.
• Лекарственные белки. Антитела, факторы свёртывания крови, эритропоэтин производят в клетках CHO: в них белки правильно сворачиваются и получают нужные углеводные цепи.
• Проверка лекарств и веществ на токсичность без опытов на животных или до них.
• Медицина. Культуры клеток кожи используют для лечения тяжёлых ожогов (Rheinwald, Green, 1975), культуры хряща — для восстановления суставов.
• Изучение клетки: деления, старения, превращения нормальной клетки в опухолевую, действия вирусов.

Стволовые клетки и гибридомы

Стволовые клетки делятся неограниченно и могут превращаться в клетки разных типов. Эмбриональные стволовые клетки получают из внутренней клеточной массы бластоцисты; линии эмбриональных стволовых клеток человека получены в 1998 году (Thomson и соавторы, 1998). В 2006 году Синъя Яманака показал, что обычные клетки кожи мыши можно «вернуть» в состояние, подобное эмбриональным стволовым клеткам, включив в них четыре гена (Takahashi, Yamanaka, 2006). Такие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки можно получить из клеток самого пациента. Из стволовых клеток выращивают органоиды — трёхмерные «мини-органы» (кишки, мозга, почки) для изучения болезней и проверки лекарств (Sato и соавторы, 2009).

Гибридома — клетка, полученная слиянием B-лимфоцита, вырабатывающего одно определённое антитело, с опухолевой клеткой миеломы, которая делится неограниченно. Гибридома делится как опухолевая клетка и при этом выделяет антитела одного типа — моноклональные антитела. Метод придумали Георг Кёлер и Цезарь Мильштейн в 1975 году (Köhler, Milstein, 1975; Нобелевская премия 1984 года). Моноклональные антитела используют в диагностических тестах (в том числе в экспресс-тестах на беременность и инфекции) и как лекарства.

Сравнение объектов

Как выбирают объект

Если продукт можно получить в микроорганизме, выбирают микроорганизм: это дешевле и быстрее. Инсулин — небольшой белок без углеводных цепей, поэтому его производят в кишечной палочке и дрожжах. Но многие белки человека нужно не только синтезировать, но и правильно свернуть, связать дисульфидными мостиками и снабдить углеводными цепями — этого бактерии не умеют, а дрожжи делают иначе, чем клетки человека. Такие белки, прежде всего антитела, производят в клетках млекопитающих, чаще всего в клетках CHO (Walsh, 2018). Сложные вещества растений, синтез которых проходит в десятки этапов, получают в культурах клеток растений. А если нужен не продукт, а само растение — здоровое, однородное, ценного сорта, — используют микроклональное размножение.

История изучения

Луи Пастер в 1857 году доказал, что брожение вызывают живые микроорганизмы, и тем самым положил начало научной биотехнологии. В первой половине XX века появились промышленное производство лимонной кислоты грибом аспергиллом (Currie, 1917), антибиотиков и культуры клеток. Во второй половине века возникли культуры клеток растений и бессмертные линии клеток человека, моноклональные антитела и генная инженерия, позволившая заставить бактерии производить белки человека. В XXI веке к ним добавились стволовые клетки, органоиды и производство лекарств в культурах клеток растений.

Удивительные факты

• Бактерия тяжелее Земли — на бумаге. Если бы кишечная палочка массой около 10⁻¹⁵ кг делилась каждые 20 минут без ограничений, за двое суток её потомки весили бы около 2 · 10²⁸ кг — в тысячи раз больше Земли. На деле рост останавливает нехватка пищи.
• Клетки, пережившие хозяйку на 75 лет. Клетки HeLa живут в лабораториях всего мира с 1951 года и стали одной из самых изученных культур в истории.
• Мясо из пробирки. В 2013 году в Лондоне впервые попробовали котлету из мышечных клеток коровы, выращенных в культуре; сейчас культивированное мясо разрешено к продаже в нескольких странах.
• Грибная котлета. Микопротеин из гриба фузария продаётся как мясозаменитель с 1985 года.
• Сыр без телят. Фермент химозин, свёртывающий молоко, раньше получали из желудков телят; сейчас бо́льшую часть производят микроорганизмы с геном химозина.
• Нобелевская пара. Нобелевскую премию 2012 года разделили Джон Гердон, пересаживавший ядра в яйцеклетки лягушки, и Синъя Яманака, получивший индуцированные стволовые клетки.

Что пока не решено

• Можно ли полностью заменить сыворотку в средах для клеток животных, чтобы удешевить производство и избежать использования сыворотки телят.
• Когда культивированное мясо станет дешевле обычного.
• Насколько безопасны лечения на основе стволовых клеток: клетки, способные бесконечно делиться, могут дать опухоль.

Что писать на ЕГЭ

Опорные формулировки:

• Объекты биотехнологии — микроорганизмы (бактерии, грибы, в том числе дрожжи, микроводоросли), культуры клеток и тканей растений, животных и человека.
• Микроорганизмы удобны, так как быстро размножаются, имеют высокую интенсивность обмена веществ, растут на простых и дешёвых средах, разнообразны по обмену веществ, их генотип легко изменять методами селекции и генной инженерии.
• Культура клеток и тканей — выращивание клеток или тканей вне организма на питательных средах в стерильных условиях.
• Культура клеток растений основана на тотипотентности: из одной клетки или каллуса можно вырастить целое растение; соотношение ауксина и цитокинина определяет, образуются корни или побеги.
• Применение культур клеток растений: микроклональное размножение, получение безвирусных растений из верхушечной меристемы, гаплоидов, соматических гибридов, ценных веществ.
• Культуры клеток животных и человека используют для получения вакцин, белков (антител, гормонов), изучения клеток и проверки лекарств; нормальные клетки делятся ограниченное число раз (предел Хейфлика), опухолевые образуют бессмертные линии.
• Гибридома — слияние B-лимфоцита с опухолевой клеткой; производит моноклональные антитела.

Для тренировки — тема 3.7 в тренажёре ЕГЭ по биологии. О хлебе, кисломолочных продуктах и вине — статья «Традиционная биотехнология», о брожении — «Энергетический обмен», о ПЦР и термостабильной полимеразе — «Taq-полимераза».

Для олимпиад

Кинетика роста

Удельная скорость роста μ связана со временем генерации g соотношением μ = ln 2 / g; число клеток в экспоненциальной фазе растёт как N = N₀e^μt. Скорость роста зависит от концентрации лимитирующего субстрата S по уравнению Моно: μ = μ_max · S / (K_S + S), где K_S — концентрация, при которой скорость вдвое меньше максимальной.

Хемостат

В хемостат объёмом V свежая среда поступает со скоростью F, и столько же культуры вытекает. Отношение D = F / V называют скоростью разбавления. В устойчивом состоянии клетки растут ровно с той скоростью, с какой вымываются: μ = D. Это позволяет экспериментатору задавать скорость роста, меняя скорость подачи среды. Если D превысит μ_max, клетки вымоются из ферментёра.

Почему мелкие клетки быстрее

Для шара отношение поверхности к объёму равно 3/r. У бактерии радиусом 0,5 мкм оно в 20 раз больше, чем у клетки животного радиусом 10 мкм. Поэтому каждая единица объёма бактерии получает через мембрану во много раз больше вещества в единицу времени.

Гликозилирование

Углеводные цепи, присоединяемые к белкам в эндоплазматической сети и аппарате Гольджи, влияют на сворачивание, устойчивость, время жизни белка в крови и его узнавание иммунной системой. У бактерий такой системы нет; дрожжи присоединяют длинные цепи из маннозы, непривычные для организма человека. Поэтому для антител выбирают клетки млекопитающих, а в последние годы — и генетически изменённые дрожжи и растения с «очеловеченным» гликозилированием.

Задания с разбором

Задания 1–9 — в формате ЕГЭ (с элементами ответа для заданий с развёрнутым ответом), 10–13 — олимпиадные.

Задание 1

Выберите три признака, благодаря которым микроорганизмы широко используются в биотехнологии.

1. высокая скорость размножения
2. тотипотентность клеток
3. высокая интенсивность обмена веществ
4. способность расти на простых и дешёвых средах
5. ограниченное число делений (предел Хейфлика)
6. наличие клеточной стенки из целлюлозы

Задание 2

Установите соответствие между продуктами и объектами биотехнологии, которые их производят.

ПРОДУКТЫ: А) пенициллин; Б) кефир; В) этиловый спирт при брожении; Г) стрептомицин; Д) лимонная кислота; Е) глутамат натрия.

ОБЪЕКТЫ: 1) дрожжи; 2) молочнокислые бактерии; 3) мицелиальные грибы; 4) стрептомицеты; 5) коринебактерии.

Задание 3

Установите соответствие между признаками и объектами биотехнологии.

ПРИЗНАКИ: А) клетки тотипотентны; Б) нормальные клетки делятся 40–60 раз; В) образуют каллус; Г) клетки перестают делиться, покрыв дно сосуда; Д) соотношение ауксина и цитокинина определяет органогенез; Е) в среду обычно добавляют сыворотку крови.

ОБЪЕКТЫ: 1) культура клеток растений; 2) культура клеток животных.

Задание 4

Установите последовательность этапов получения безвирусного картофеля методом культуры тканей.

1. укоренение побегов на среде с ауксином
2. обеззараживание поверхности клубня или побега
3. вычленение верхушечной меристемы под микроскопом
4. пересадка растений в почву и выращивание в теплице
5. размножение побегов на среде с цитокинином

Задание 5

Почему микроорганизмы растут и производят вещества намного быстрее, чем клетки растений и животных? Приведите не менее трёх причин.

Задание 6

Почему растения, выращенные из верхушечной меристемы, не заражены вирусами, хотя исходное растение было заражено?

Задание 7

Найдите три ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых сделаны ошибки, исправьте их.

(1) Объектами биотехнологии служат микроорганизмы, а также культуры клеток и тканей растений и животных. (2) Дрожжи, используемые в хлебопечении, — это бактерии. (3) Культура клеток растений основана на тотипотентности клеток. (4) Каллус — это специализированная образовательная ткань, из которой растут корни. (5) Нормальные клетки человека в культуре способны делиться неограниченно. (6) Моноклональные антитела получают с помощью гибридом.

Задание 8

Инсулин человека производят в бактериях и дрожжах, а большинство лекарственных антител — в культуре клеток яичника китайского хомячка. Объясните выбор объекта в каждом случае.

Задание 9

Что такое гибридома? Почему для получения моноклональных антител B-лимфоцит сливают именно с опухолевой клеткой?

Задание 10 (олимпиадное)

Кишечная палочка в оптимальных условиях делится каждые 20 минут, клетки CHO — каждые 24 часа. 1) Сколько клеток кишечной палочки получится из одной клетки за 10 часов экспоненциального роста? Какова их масса, если масса клетки около 10⁻¹² г? 2) Сколько суток нужно, чтобы из 10⁵ клеток CHO получить 10⁹? 3) Какова удельная скорость роста μ кишечной палочки (в ч⁻¹)?

Задание 11 (олимпиадное)

В хемостат объёмом 500 л подают свежую среду со скоростью 100 л/ч. Максимальная удельная скорость роста бактерии μ_max = 0,6 ч⁻¹. 1) С какой удельной скоростью растут бактерии в устойчивом состоянии и каково время их удвоения? 2) Что произойдёт, если увеличить подачу среды до 400 л/ч?

Задание 12 (олимпиадное)

Хейфлик рассуждал так: если нормальные фибробласты человека проходят 50 удвоений и все потомки выживают, то сколько клеток можно получить из 10⁶ исходных? Масса клетки около 2 нг. 1) Вычислите число клеток и их массу в тоннах. 2) Почему в опытах клетки после примерно 50 удвоений перестают делиться, а клетки HeLa — нет?

Задание 13 (олимпиадное)

Кусочки сердцевины стебля табака выращивали на средах с разным содержанием ауксина и цитокинина (мг/л): А) ауксин 2, цитокинин 0,02; Б) ауксин 2, цитокинин 0,2; В) ауксин 0,02, цитокинин 2. Значения условные. 1) Что вырастет на каждой среде? 2) Как использовать эту закономерность при микроклональном размножении?

Литература

• ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы среднего общего образования и элементов содержания для проведения единого государственного экзамена по биологии, 2027 г.
• Convention on Biological Diversity. United Nations, 1992. Article 2.
• Urry L. A., Cain M. L., Wasserman S. A., Minorsky P. V., Orr R. B. Campbell Biology. 12th ed. Pearson, 2020.
• Glick B. R., Patten C. L. Molecular Biotechnology: Principles and Applications of Recombinant DNA. 6th ed. ASM Press, 2022.
• Capes-Davis A., Freshney R. I. Freshney's Culture of Animal Cells: A Manual of Basic Technique and Specialized Applications. 8th ed. Wiley-Blackwell, 2021.
• Thorpe T. A. History of plant tissue culture // Molecular Biotechnology. 2007. Vol. 37. P. 169–180.
• Skoog F., Miller C. O. Chemical regulation of growth and organ formation in plant tissues cultured in vitro // Symposia of the Society for Experimental Biology. 1957. Vol. 11. P. 118–130.
• Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bio assays with tobacco tissue cultures // Physiologia Plantarum. 1962. Vol. 15. P. 473–497.
• Steward F. C., Mapes M. O., Mears K. Growth and organized development of cultured cells. II. Organization in cultures grown from freely suspended cells // American Journal of Botany. 1958. Vol. 45. P. 705–708.
• Morel G., Martin C. Guérison de dahlias atteints d'une maladie à virus // Comptes Rendus de l'Académie des Sciences. 1952. Vol. 235. P. 1324–1325.
• Guha S., Maheshwari S. C. In vitro production of embryos from anthers of Datura // Nature. 1964. Vol. 204. P. 497.
• Carlson P. S., Smith H. H., Dearing R. D. Parasexual interspecific plant hybridization // PNAS. 1972. Vol. 69. P. 2292–2294.
• Wilson S. A., Roberts S. C. Recent advances towards development and commercialization of plant cell culture processes for the synthesis of biomolecules // Plant Biotechnology Journal. 2012. Vol. 10. P. 249–268.
• Harrison R. G. Observations on the living developing nerve fiber // Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine. 1907. Vol. 4. P. 140–143.
• Hayflick L., Moorhead P. S. The serial cultivation of human diploid cell strains // Experimental Cell Research. 1961. Vol. 25. P. 585–621.
• Enders J. F., Weller T. H., Robbins F. C. Cultivation of the Lansing strain of poliomyelitis virus in cultures of various human embryonic tissues // Science. 1949. Vol. 109. P. 85–87.
• Rheinwald J. G., Green H. Serial cultivation of strains of human epidermal keratinocytes: the formation of keratinizing colonies from single cells // Cell. 1975. Vol. 6. P. 331–343.
• Capes-Davis A. et al. Check your cultures! A list of cross-contaminated or misidentified cell lines // International Journal of Cancer. 2010. Vol. 127. P. 1–8.
• Köhler G., Milstein C. Continuous cultures of fused cells secreting antibody of predefined specificity // Nature. 1975. Vol. 256. P. 495–497.
• Thomson J. A. et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts // Science. 1998. Vol. 282. P. 1145–1147.
• Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors // Cell. 2006. Vol. 126. P. 663–676.
• Sato T. et al. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche // Nature. 2009. Vol. 459. P. 262–265.
• Walsh G. Biopharmaceutical benchmarks 2018 // Nature Biotechnology. 2018. Vol. 36. P. 1136–1145.
• Goeddel D. V. et al. Expression in Escherichia coli of chemically synthesized genes for human insulin // PNAS. 1979. Vol. 76. P. 106–110.
• Valenzuela P., Medina A., Rutter W. J., Ammerer G., Hall B. D. Synthesis and assembly of hepatitis B virus surface antigen particles in yeast // Nature. 1982. Vol. 298. P. 347–350.
• Currie J. N. The citric acid fermentation of Aspergillus niger // Journal of Biological Chemistry. 1917. Vol. 31. P. 15–37.
• Hopwood D. A. Streptomyces in Nature and Medicine: The Antibiotic Makers. Oxford University Press, 2007.
• Eggeling L., Bott M. (eds.) Handbook of Corynebacterium glutamicum. Boca Raton: CRC Press, 2005.
• Monod J. La technique de culture continue: théorie et applications // Annales de l'Institut Pasteur. 1950. Vol. 79. P. 390–410.
• Novick A., Szilard L. Description of the chemostat // Science. 1950. Vol. 112. P. 715–716.