Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации: субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК); бактерии и цианобактерии; грибы; водоросли; простейшие; культуры клеток растений и животных; растения — низшие и высшие.
Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько сотен видов. Биотехнологические функции бактерий разнообразны. Бактерии используются при производстве пищевых продуктов, например, уксуса (Gluconobacter suboxidans), молочнокислых напитков (Lactobacillus, Leuconostoc) и др.; микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis)\ белка (Methylomonas); витаминов (Clostridium — рибофлавин); растворителей и органических кислот; биогаза и фотоводорода.
Полезные бактерии относятся к эубактериям, Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, — это грамотрицательные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту — в углекислый газ и воду. Род Bacillus относится к грамположительным бактериям, которые способны образовывать эндоспоры и имеют перитрихиальное жгутикование. В. subtilis - - строгий аэроб, а В. thuringiensis может жить и в анаэробных условиях. Анаэробные, образующие споры, бактерии представлены родом Clostridium. CI. acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и и-бутанол (ацетобутаноловое брожение), другие виды могут также сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения.
К молочнокислым бактериям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и не чувствительны к кислороду. Гетерофермен- тативные молочнокислые бактерии рода Leuconostoc превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ. Гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Streptococcus продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода Lactobacillus, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов.
К бактериям рода Corynebacterium, неподвижные грамположительные клетки которых не образуют эндоспор, относятся патогенные (С. diphtheriae, С. tuberculosis) и непатогенные почвенные виды, имеющие промышленное значение. С. glutamicum служит источником лизина и улучшающих вкус нуклеотидов. Коринебактерии хотя и считаются факультативными анаэробами, лучше растут аэробно. Бактерии используются для микробного выщелачивания руд и утилизации горнорудных отходов.
Широко используется такое свойство некоторых бактерий, как диазотрофность, т. е. способность к фиксации атмосферного азота. Выделяют 2 большие группы диазотрофов:
- симбионты: без корневых клубеньков (азотобактер — лишайники, азоспириллум — лишайники, анабена — лишайники, азолла), с корневым клубеньками (бобовые — ризобии, ольха, лох, облепиха — актиномицеты);
- свободноживущие: гетеротрофы (азотобактер, клостридиум, метилобактер), автотрофы (хлоробиум, родоспириллум и амебобактер).
Микробные клетки используют для трансформации веществ.
Бактерии также широко используются в генноинженерных манипуляциях при создании геномных клонотек, агробактерии — при введении генов в растительные клетки.
Производственные штаммы микроорганизмов должны соответствовать определенным требованиям: способность к росту на дешевых питательных средах, высокая скорость роста и образования целевого продукта, минимальное образование побочных продуктов, стабильность продуцента в отношении производственных свойств, безвредность продуцента и целевого продукта для человека и окружающей среды. В связи с этим все микроорганизмы, используемые в промышленности, проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окружающей среды. Важными свойствами продуцента являются устойчивость к инфекции, что важно для поддержания стерильности, и фагоустойчивость.
Все цианобактерии обладают способностью к азотфиксации, что делает их весьма перспективными продуцентами белка. Анабена (Anabaena) — нитчатая сине-зеленая водоросль. Нити из более или менее округлых клеток содержат гетероцисты и иногда крупные споры, по всей длине нить одинаковой толщины. В цитоплазме клеток откладывается близкий к гликогену запасной продукт — анабенин. Такие представители цианобактерий, как носток, спирулина, триходесмиум съедобны и непосредственно употребляются в пищу. Носток образует на бесплодных землях корочки, которые разбухают при увлажнении. В Японии местное население использует в пищу пласты ностока, образующиеся на склонах вулкана, и называет их ячменным хлебом Тенту — добрый горный дух.
Свое шествие спирулина (Spirulina platensis) начала из Африки — население района озера Чад давно употребляет ее в пищу, называя этот продукт «дихе». Другое место, откуда начала распространяться спирулина, но иного вида («Spirulina maxima) — воды озера Тескоко в Мексике. Характерно, что в таких озерах спирулина полностью доминирует и растет почти как монокультура — составляет в отдельных озерах до 99% общего количества водорослей. Еще ацтеки собирали с поверхности озер и употребляли в пищу слизистую массу сине-зеленой водоросли спирулины. Впервые галеты «текуитлатл» упомянуты испанцем Кастильо в 1521 г. Эти галеты продавались на базаре в Мехико и состояли из высушенных слоев S. maxima. В 1964 г. бельгийский ботаник Ж. Леонар обратил внимание на галеты сине-зеленого цвета, которые местное население изготовливало из водорослей, растущих в щелочных прудах вокруг озера Чад. Эти галеты представляли собой высушенную массу спирулины.
Анализ образцов Spirulina показал, что в ней содержится 65% белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков этой водоросли характерно сбалансированное содержание аминокислот. Клеточная стенка хорошо переваривается. Растет спирулина в щелочной среде при рН вплоть до 11. Установлено, что в клетках спирулины, помимо ценного белка, углеводов, липидов, витаминов, в значительных количествах запасается, например, такое ценное вещество, как поли- β-оксибутират.
Спирулину культивируют обычно в искусственных водоемах или специальных емкостях. Ее можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20 г сухой массы водоросли с 1 м2 в день, а расчеты на год показали, что она превысит выход пшеницы примерно в 10 раз. Преимущества спирулины по сравнению с другими съедобными водорослями не только в простоте культивирования, но и в несложности сбора биомассы, высушивания ее, например, под солнцем.
Отечественная фармацевтическая промышленность выпускает препарат «Сплат» на основе цианобактерии Spirulina
