Учебное пособие министерство Российской Федерации по связи и информатизации Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им проф. М. А. Бонч-Бруевича
| Вид материала | Учебное пособие |
- Федеральное агентство связи санкт-петербургский государственный университет телекоммуникаций, 30.2kb.
- Федеральное агентство связи санкт-петербургский государственный университет телекоммуникаций, 39.82kb.
- М. А. Бонч-Бруевича Кафедра опдс бочелюк Т. В., Доронин Е. М. «Назначение и примеры, 612.04kb.
- Петербургский Государственный Университет телекоммуникаций им проф. М. А. Бонч-Бруевича, 55.39kb.
- «мобильная связь», 49.1kb.
- Название доклада: универсальный, 63.37kb.
- Проблемы формирования учебно-методического комплекса, 151.02kb.
- Название учреждения, 806kb.
- Дорогие друзья и коллеги!, 15.57kb.
- Федеральное агентство связи государственное образовательное учреждение, 361.18kb.
2. Подготовка биохимических преобразователей для биосенсорных систем
2.1. Биологические объекты для биохимических преобразователей
Типы БО для БХП. Биохимические преобразователи (БХП) воспринимают вещества, поля, излучения из внешней среды и изменяют свои физико-химические свойства или поведение за счет биохимических процессов. БХП создаются на основе биологических объектов (БО). Понятие БО включает в себя как живые организмы растительного или животного мира, так и их ткани, клетки и клеточные структуры: ферменты, ДНК, РНК и т. п. (табл. 2).
В биологии эксперименты с живыми организмами называются in vivo (“в живом”), а эксперименты с выделенными из организма веществами (ферментами и др.) – in vitro (“в стекле”). В БСС может применяться техника, созданная на базе этих двух видов экспериментов.
Понятие о тест-реакциях. Современные БСС в медицине и экологии основаны на методе измерения тест-реакций БО – наиболее чувствительных, воспроизводимых и количественно-измеряемых реакций на стимул [18].
В экологии подобный подход используется в биотестировании, при котором реакция измеряется у лабораторно выращенного БО (тест-объекта), или в биоиндикации, когда БО забирают из естественной среды (индикаторный объект) [27]. Медицинские БХП создаются также на основе контроля тест-реакции к веществу, определяемому в организме человека или в пробе биологического вещества. Поэтому БХП – это искусственно организованный преобразователь с БО, проявляющий тест-реакцию к стимулу.
В данном пособии сосредоточено внимание на БХП, получаемых лабораторным способом. Вопросы биоиндикации подробно рассмотрены в [2, 27], биоиндикационным методам также посвящены статьи журнала “Экология”.
Учет биологической изменчивости. Живое обладает свойством биологической изменчивости. Она зависит от типа размножения и от условий внешней среды (п. 1.2.3). Слабее изменчивость проявляется при бесполом размножении (митозе) клеток, сильнее – при половом (мейозе). При искусственном культивировании биообъектов их можно стандартизировать по какому-то одному параметру, например чувствительности к антибиотикам. Влияние биологической изменчивости проявляется в разбросе чувствительности отдельных клеток или популяций, различий активностей ферментов, скоростей реакций и др.
Необходимость биологического контроля. Учет влияния на живое различных факторов обусловливает необходимость сравнения результатов эксперимента после воздействия какого-либо стимула на биообъекты (опыта) с результатом при отсутствии воздействия стимула (контролем). Эта схема проведения эксперимента предполагает, например, измерение реакции биообъекта на вредное и безвредное вещество, измерение активности фермента, катализирующего разложение крови с превышением содержания глюкозы и без превышения. С методической точки зрения контрольных проб должно быть столько, сколько факторов изменяется в эксперименте.
Например, если необходимо измерять токсичность ионов ртути для инфузорий в соленой воде с содержанием ионов кальция, то требуется поставить следующие виды контролей: К1 в соленой, К2 в кальцинированной, К3 в чистой воде.
Особенно важна организация подобных контролей, если на ферментативную реакцию влияют несколько кофакторов и ингибиторов (пп. 1.1.3, 2.5.1) вместе или по отдельности. Задача осложняется еще и тем, что многие вещества, запускающие ферментативную реакцию или подавляющие ее, действуют в микроколичествах, в том числе попадая из воздуха. Поэтому некоторые реакции, на которые оказывают действие кислород или азот, проводят в среде инертных газов.
Требование стандартизации БО. Разработка БХП должна проводиться с учетом основных принципов создания аналитической техники:
- постоянства условий проведения анализа;
- многократной повторяемости;
- воспроизводимости результатов в разных клиниках и лабораториях.
В то же время реакция организмов на внешние воздействия характеризуется изначально присущей им изменчивостью, наиболее проявляющейся у различных видов организмов при разных режимах их содержания.
Для улучшения воспроизводимости результатов экспериментов необходимо соблюдать правила организации биологических испытаний:
- использовать организмы одного вида и потомство с одним исходным набором хромосом (“чистую линию”);
- применять при их выращивании стандартные оборудование, корма и режим содержания организмов.
При этом в качестве корма следует использовать или органические вещества строго определенного состава или организмы, выращенные по определенным методикам.
Таблица 2
Биологические объекты для БХП
| Биологические объекты для БСС | Назначение |
| Микроскопические водоросли | Источники (in vivo, in vitro) фотосинтезирующих пигментов, ферментов, макромолекул, корм (in vivo, in vitro), сенсоры токсичности (in vivo) |
| Бактерии, Микрокопические грибы | Источники (in vivo, in vitro) ферментов, пигментов, антибиотиков, макромолекул, корм (in vivo, in vitro), сенсоры токсичности (in vivo) |
| Простейшие (одноклеточные животные) | То же |
| Ткани | То же |
| Клетки | То же |
| Органеллы (митохондрии, ядра клеток и др.) | Источники (in vivo, vitro) фотосинтезирующих пигментов, ферментов (п. 1.2.1) |
| Ферменты | Детекторы (обнаружители) in vitro макромолекул субстратов, игибиторов, кофакторов (п. 1.1.3) |
| Субстраты-метаболиты | Детекторы ферментов (п. 1.1.3) |
| Цитохромы (биологические переносчики электронов) | Биоэлектрические преобразователи (in vitro) энергии (п. 1.2.1) |
| Фотопигменты | Преобразователи воды (in vitro) путем биофотолиза, биотопливные элементы, оптические элементы компьютерной памяти (п. 1.2.1) |
| G – белки (связанные с рецепторами) | Искусственные рецепторные структуры in vitro (п. 1.3.2) |
| Ионные каналы (белки, регулирующие проводимость) | Биорегуляторы ионной проводимости in vitro (п. 1.3.2) |
| Месседжеры (переносчики информации в клетку) | Искусственные рецепторы и биорегуляторы ионной проводимости in vitro (п. 1.3.2) |
| Нуклеиновые кислоты | ДНК-зонды, ослабленные вирусы, матрицы для синтеза белков in vitro (п. 1.2.3) |
| Антитела | Детекторы антигенов различной природы in vitro, in vivo (1.2.4) |
| Антигены | Детекторы антител различной природы in vitro, in vivo (1.2.4) |
Понятие о биотехнологии [5]. Биотехнология – это промышленное использование биологических процессов на основе получения высокоэффективных форм с заданными свойствами микроорганизмов, культур клеток растительных или животных тканей.
Методами биотехнологии искусственно получают стандартизированные виды организмов, в том числе предназначенные для БХП. Поскольку организмы полностью стандартными вырастить невозможно, выделяют одну или несколько их стабильных характеристик: активность переработки субстрата, активность выделяемых антибиотиков и т. п.
При получении БО следует четко различать, будет ли в качестве БХП использован живой организм или его составная часть, продолжительность активности которой значительно ниже, чем организма. В зависимости от этого изменяется и сложность подготовки БО. Некоторые из технологий получения БО уже отработаны, другие еще находятся на стадии эксперимента. Приведенный в табл. 2 перечень показывает, что биотехнологии разрабатывают для решения как прямой, так и обратной задач: выявления как ферментов, так и субстратов, как антигенов, так и антител.