ответы к экзамену биотехнология. 1. Биотехнология как межотраслевая область научнотехнического прогресса и раздел практических знаний 1917 г был введён термин биотехнология
 Скачать 340.74 Kb.
|
|
1. Биотехнология как межотраслевая область научно-технического прогресса и раздел практических знаний 1917 г – был введён термин «биотехнология» Карлом Эрики. Биотехнология – направление в процессе получения ценных продуктов, при использовании микроорганизмов, изолированных клеток. В те годы этот термин широкого распространения не получил. 1961 г – вернулись к термину «биотехнология» Биотехнология растений является самостоятельной дисциплиной, хотя может рассматриваться как часть общей биотехнологии. В историческом аспекте человечество всегда использовало растения для получения жизненно важных продуктов. В этом смысле к биотехнологии можно отнести и традиционное растениеводство, и другие агротехнологии. При этом существуют принципиальные различия между биотехнологией и агротехнологией. Как известно, агротехнология имеет дело с целыми растениями и их популяциями, тогда как биотехнология основана на использовании культуры клеток и их популяций. Следовательно, основным объектом биотехнологии растений являются отдельные клетки, органы, изолированные из целого растения и выращиваемые вне организма на искусственной питательной среде в асептических условиях. Такие выращиваемые in vitro клетки, ткани, органы называются культурой клеток, тканей, органов (в зависимости от того, что изолируется из растения и культивируется). Важную роль клеточные культуры играют в биотехнологии при производстве вакцин и биологически активных веществ. Они являются исходным материалом для создания клеток-продуцентов, используются в целях повышения продуктивности сельскохозяйственных животных и для выведения новых сортов растений. Культуры клеток применяются для диагностики и лечения наследственных заболеваний, в качестве тест-объектов при испытании новых фармакологических веществ, а также для сохранения генофонда исчезающих видов животных и растений. В настоящее время биотехнология подразделяется на несколько наиболее значимых сегментов: 1. Красная биотехнология (медицинская), 60% - направлена на здоровье человека (фармацевтика, биофармацевтика) 2. Белая биотехнология (промышленная),28% - топливо, пищевая, нефтеперерабатывающая, химическая отрасли. 3. Зелёная (с/хоз-во), 12% - создаются генетически модифицированные растения, препараты для борьбы с болезнями растений и вредителями (сельское и лесное хоз-во) 4. Серая – природоохранная деятельность (защита окружающей среды, утилизация промышленных отходов, очистка стоков) 5. Синяя – использование морских организмов и ресурсов (для получения пищевых, технических, лекарственных веществ). Основные разделы биотехнологии: 1. Микробная – основная часть биотехнологии (микробный синтез, генетика и селекция микроорганизмов, получение штаммов с повышенной продуктивностью). Производят пищевые продукты: хлеб, вино, молочные продукты. 2. Инженерная энзимология Цель: создание технологических процессов с использованием ферментов (создают новые продукты или улучшают их качество, разрабатывают безотходные технологии) Очень перспективно: исследование иммобилизованных ферментов и клеток на носителе. Применяется в медицине для лечения и диагностики различных заболеваний. 3. Генная и клеточная инженерия Цель генной инженерии: создать организм с данными свойствами на основе изменения их генотипа. Позволяет изменять или изолировать отдельные гены, модифицируя молекулу ДНК и перенося её из одного организма в другой. Объект клеточной инженерии: культуры клеток высших животных и растительных организмов. Получают культивированием на различных средах, отдельно выделенных из организмов клеток. Задача: конструирование новых клеток и клеточных систем. 2. Этапы развития биотехнологии Человек использовал биотехнологию на протяжении многих тысяч лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, придумали способы хранения и переработки продуктов, научились изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы. Биотехнология как самостоятельная прикладная наука сформировалась в середине 50-х годов XX века. Возникновение, становление и развитие биотехнологии условно можно подразделить на четыре периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический. 1. Эмпирический (доисторический) - самый длительный период, охватывающий примерно 8000 лет (более 6000 лет до н.э., около 2000 н.э.). Древние народы использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях; первая дистилляция вина осуществлена в XII в., водку из хлебных злаков получили в XVI в., шампанское известно с XVII в. + получение кисло-молочных продуктов, квашенной капусты, медовых алкогольных напитков. Таким образом, народы пользовались на практике микробиологическими процессами, ничего не зная о микробах. 2. Этиологический период (2-ая п. XIX в. и 1-ая треть ХХ в.: 1856 - 1933 г.г.). Он связан с исследованиями французского ученого Луи Пастера. Пастер вскрыл микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики, предложил метод стерилизации, называемый по его имени пастеризацией и т.д. 1859 г – первая жидкая питательная среда 1892 г – обнаружение вируса мозаичной болезни табака (Д.И.Ивановский) Итоги: удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (маслянокислые бактерии-маслянокислое брожение, лактобактерии – молочнокислое, дрожжи - спиртовое). В этот период было начато изготовление пищевых прессованных дрожжей, а также некоторых продуктов обмена (метаболизма) ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот. 3. Биотехнический (начался в 1933 году, тогда была опубликована работа Клюйвера и Перкина "Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов", в которой изложены основные технические приемы, а также подходы к оценке получаемых результатов при глубинном культивировании грибов). После этого началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (1939 - 1945). Работами многих ученых была показана возможность механизации процессов брожения, культивирования различных клеток и различных клеточных продуктов для нужд человека и, прежде всего, в качестве или в составе лечебных и профилактических средств: антибиотики (пенициллин, стрептомицин, тетрациклин), декстран, ряд аминокислот и другие. 4. Генотехнический (начался с 1972 года). В этом году П. Берг со своими сотрудниками (США) создали первую рекомбинантную молекулу ДНК. Однако, без фундаментальных работ Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было невозможно достичь современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом суть генотехнического периода. В течение последних 10 - 15 лет происходит бурное развитие биотехнологии, определились сферы приоритетного внедрения конкретных результатов биотехнологических разработок и, как следствие, были выделены основные направления и разделы биотехнологии. К ним относятся: медицинская биотехнология, иммунобиотехнология, биогеотехнология, инженерная энзимология, биоэнерготехнология, космическая биотехнология и др. 3. Основные факторы, обусловившие развитие современной биотехнологии Развитие биотехнологии в огромной степени определяется исследованиями в области микробиологии, биохимии, энзимологии и генетики организмов. Современная биотехнология как наука возникла в начале 40-х годов и получила ускоренное развитие с 1953 ᴦ., после открытия Уотсона и Крика о химической структуре и пространственной организации двойной спирали молекулы ДНК. Новое стратегическое ее направление – генетическая инженерия – родилось к 1972 ᴦ., когда в лаборатории Поля Берга впервые была синтезирована рекомбинантная молекула ДНК, что окончательно закрепило за биотехнологией и ее центральным звеном – биоинженерией (ядерной биологией) – важнейшее место в современной науке. В 50-е годы в биотехнологии возникает еще одно важное направление – клеточная инженерия. Основателями его являются П.Ф.Уайт (США) и Р. Готре (Франция). Генетическая и клеточная инженерия определили главные направления современной биотехнологии, методы которой получили широкое развитие в 80-е годы и используются во многих областях науки и производства в нашей стране и за рубежом. Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. Основой, обеспечивающей благоприятную ситуацию для развития биотехнологии, явились открытия и разработки: -Доказательства роли нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации в биологических системах (имеются в виду индивидуальные клетки и отдельные организмы, а не их популяции); -расшифровка универсального для всех живых организмов генетического кода; -совершенствование существовавших и разработка новых технологий культивирования микроорганизмов, клеток растений и животных; 4. Связи биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими науками Современная биотехнология тесно стыкуется с рядом научных дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их основным инструментом. В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе. Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ. Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активных соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост. Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии используются методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез (развитие женской половой клетки) in vitro, искусственное оплодотворение. 5. Практические задачи биотехнологии и важнейшие, исторические этапы ее развития (вторая часть – это вопрос 2) 1. Поддержание и активизация путей обмена клеток, ведущих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций обмена у культивируемого организма. 2. Получение клеток или их составных частей (преимущественно - ферментов) для направленного изменения сложных молекул (например, рестриктазы, изомеразы и т.д.). 3. Углубление и совершенствование генетической инженерии, включающей рДНК-биотехнологию и клеточную инженерию, с целью получения особо ценных результатов в фундаментальных и прикладных разработках. 4. Создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов. 5. Совершенствование и оптимизация аппаратурного оснащения биотехнологических процессов с целью достижения максимальных выходов конечных продуктов при культивировании лекарственных видов с измененной наследственностью методами клеточной и генной инженерии. 6. Повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими. 6. Области применения достижений биотехнологии Биотехнологические разработки могут внести немаловажный вклад в решение комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения и науки. Для удовлетворения пищевых потребностей необходимо увеличить эффективность растениеводства и животноводства. Именно на это, в первую очередь, нацелены усилия биотехнологов. Во-вторых, повышение цен на традиционные источники энергии (нефть, природный газ, уголь) и угроза исчерпания их запасов побудили человечество обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотехнология может дать ценные возобновляемые энергетические источники: спирты, биогенные углеводороды, водород. Эти экологически чистые виды топлива можно получить путем биоконверсии отходов промышленного и сельскохозяйственного производства. В-третьих, уже в наши дни биотехнология оказывает реальную помощь здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина, гормона роста, интерферонов, факторов свертывания крови и иммунной системы, тромболитических ферментов, изготовленных биотехнологическим путем. Помимо получения лечебных средств, биотехнология позволяет проводить раннюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, моноклональных антител, ДНК/РНК-проб. С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней. В-четвертых, биотехнология может резко ограничить масштабы загрязнения нашей планеты промышленными, сельскохозяйственными и бытовыми отходами, токсичными компонентами автомобильных выхлопов и т. д. Современные разработки нацелены на создание безотходных технологий, на получение легко разрушаемых полимеров и поиск новых активных микроорганизмов - разрушителей полимеров (полиэтилена, полипропилена, полихлорвинила). Усилия биотехнологов направлены также на борьбу с пестицидными загрязнениями - следствием неумеренного и нерационального применения ядохимикатов. Биотехнологические разработки играют важную роль в добыче и переработке полезных ископаемых, получении различных препаратов и создании новой аппаратуры для аналитических целей. (Простыми словами) Биотехнологические направления имеют своей целью создание и практическое внедрение (т.е. практическое использование): -новых биотех. активных в-в и лекарственных препаратов, кот. используются для диагностики, профилактики и лечения различных заболеваний; -биол. средств защиты с/х растений от возбудителей заболеваний и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений и животных; новых сортов растений, устойчивых к разного рода неблагоприятным воздействием; новых пород животных с полезными свойствами (трансгенные животные); -ценных кормовых добавок для повышения продуктивности с/х животных (кормового белка, аминокислот, витаминов, ферментов, способствующих повышению усвояемости кормов и т.п.); -новых биоинженерных методов для получения высокоэффективных препаратов различного назначения, используемых в с/х и ветеринарии; -новых технологий создания и получения хозяйственно-ценных продуктов для пищевой, химической и микробиологической промышленности); -эффективных технологий переработки с/х промышленных и бытовых для получения продуктов, которые могут использоваться в других отраслях хозяйственной деятельности человека (например, биогаза, удобрений, топлива для автомобилей и т.п.). 7. Микроорганизмы (бактерии и высшие протисты) – основные объекты биотехнологии В качестве объектов биотехнологии могут выступать: вирусы, бактерии, грибы (микро- и макромицеты), протозойные организмы, клетки и ткани растений, животных и человека. Основой большинства биотехнологических производств является микробный синтез, т. е. синтез разнообразных биологически активных веществ (БАВ) с помощью микроорганизмов. В настоящее время известно более 100 тысяч различных видов микроорганизмов. Это прокариоты (бактерии, актиномицеты, риккетсии, цианобактерии) и часть эукариот (дрожжи, нитчатые грибы, некоторые простейшие и водоросли). При большом разнообразии микроорганизмов важной проблемой является правильный выбор того организма, который способен обеспечить получение требуемого продукта, т. е. служить промышленным целям. Первичным этапом разработки любого биотехнологического процесса является получение чистых культур организмов, т.е. клонов (если это микробы), клеток или тканей (если это более сложные организмы - растения или животные). Клон - чистая культура, получаемая из одной клетки. Штамм – культуры бактерий одного вида, выделенные из различных источников либо из одного источника в разное время или в ходе генетических манипуляций. Микроорганизмы: 1)Модельные: кишечная палочка (Е. coli), сенная палочка (Вас. subtilis) и пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae.). 2)Базовые - используется в ограниченном числе: бактерии Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, бациллы и лактобациллы, виды Streptomyces, грибы Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, дрожжи Saccharomyces и др. Непатогенные, нетоксичные и в основном не образуют антибиотики. Классификация: -морфологические (форма сферическая (шаровидная; кокки), цилиндрическая (палочковидная; дипло- и стрептобактерии), извитая (вибрионы, спириллы, спирохеты) и нитевидная (временные нити-микобактерии, многие грамотрицательные и грамположительные бактерии; Постоянные нитевидные формы – серобактерии, железобактерии). -тинкториальные (отношение к красителю): используют анилиновые красители (основные, кислые и нейтральные). Наибольшее применение имеют основные краски: метиленовый синий, основной фуксин, генцианвиолет, везувин, хризоидин и др. (грамположительные – в синий, фиолетовый цвет (толстая кл.стенка: стафилококки, стрептококки, бациллы(сибирская язва, чума)), грамотрицательные – в красный, розовый (тонкая кл.стенка: возбудители холеры, сифилиса, гонореи, менингита)) -культуральные св-ва: размеры колонии; цвет; поверхность (гладкая, шероховатая, бугристая, складчатая); профиль колонии (кратерообразная, выпуклая, конусовидный или просто плоская); структура колонии (однородная, струйчатая, крупнозернистая или мелкозернистая); оптические свойства (прозрачная, полупрозрачная, непрозрачная, флуоресцирующая, матовая или блестящая); консистенция (вязкая или жидкая, тестообразная или пленчатая, маслянистая или хрупкая); край колонии (ровный, лопастной, ризоидный, волнистый, зубчатый и т. д.) -физиологические св-ва (жизнедеятельность: процессы питания, дыхания, роста, размножения, взаимодействия микробов с внешней средой) -биохимические (способность микроорганизмов под действием своих ферментов расщеплять органические соединения: сахаролитические, протеолитические и гемолитические свойства) Факторы, влияющие на развитие микробной культуры: -температура (психрофилы, психротрофы: не выше 10 градусов; мезофилы: 15-25; термофилы: около 50; экстремальные термофилы: более 50) -давление (пьезотолерантные: низкое давление; умеренные пьезофилы; экстремальные пьезофилы) -влажность -аэрация (кислород): аэробы( требуют кислород); микроарофилы (около 10% кислорода); анаэробы (без кислорода; облигатные и факультативные-нейтральные) -рН: слабокислая, нейтральная, слабощелочная Главным критерием при выборе биотехнологического объекта является способность синтезировать целевой продукт. микроорганизмы должны (требования): • обладать высокой скоростью роста; • утилизировать необходимые для их жизнедеятельности дешевые субстраты; • быть резистентными к посторонней микрофлоре, т. е. обладать высокой конкурентоспособностью. (требования): способность к росту на дешевых субстратах, высокий экономич.коэф-т, миним-е образов-е побочных прод-в(токсич-х метаболитов, аллергенов). |