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.
|
|
8. Преимущества микроорганизмов перед другими объектами в решении современных биотехнологических задач Мир микроорганизмов крайне разнообразен. В н. время известно более 100 тысяч различных их видов. 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. Преимущество: · Небольшие размер · Вездесущны · Разнообразные типы метаболизма · Фототрофы · Занимают небольшой объём (в 1 мл до 1 млрд. особей) · Высокая скорость деления, быстрый рост · Способны жить в различных условиях. Фотосинтезирующие организмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка. Термофильные микроорганизмы, растущие при 60-80 град., это является надёжной защитой при загрязнении. Ферменты, синтезируемые термофилами, характериз. повышенной устойчивостью к нагреванию, но при этом они малоактивны при обычных температурах. 9. Принципы подбора биотехнологических объектов: модельные и базовые микроорганизмы, штаммы микроорганизмов, использующиеся в биотехнологии Микроорганизмы должны обладать высокой скоростью роста, утилизировать необходимые для их жизнедеятельности дешевые субстраты, быть резидентными к посторонней микрофлоре, т.е. обладать высокой конкурентоспособностью Модельные объекты – это объекты, которые, как правило, генетиками, молекулярными биологами и генными инженерами не изучались совсем или изучались в очень ограниченной степени. К числу таких объектов относятся кишечная палочка (E. coli), сенная палочка (Bac. subtilis) и пекарские дрожжи (S. cerevisiae) Во многих биотехнологических процессах используется ограниченное число микроорганизмов, которые классифицируются как GRAS («generally recognized as safe» обычно считаются безопасными). К таким микроорганизмам относят бактерии Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, другие виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces. Сюда также относят виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus и дрожжей Saccharomyces и др. GRAS-микроорганизмы непатогенные, нетоксичные и в основном не образуют антибиотики, поэтому при разработке нового биотехнологического процесса следует ориентироваться на данные микроорганизмы, как базовые объекты биотехнологии Микробиологическая промышленность сегодня использует тысячи штаммов из сотен видов микроорганизмов, которые первично были выделены из природных источников на основании их полезных свойств, а затем (в большинстве своем) улучшены с помощью различных методов. В связи с расширением производства и ассортимента выпускаемой продукции в микробиологическую промышленность вовлекаются все новые и новые представители мира микробов. Следует отдавать себе отчет, что в обозримом будущем ни один из них не будет изучен в той же степени, как E.coli и Bac.subtilis. И причина этого очень простая – колоссальная трудоемкость и высокая стоимость подобного рода исследований. 10. Выделения и селекция микроорганизмов, продуцентов биологически активных веществ Селекция микроорганизмов: Для биотехнологии нужны высокопродуктивные штаммы микроорганизмов. Их создают методами селекции - направленного отбора спонтанных или индуцированных (химическими мутагенами или радиацией) мутантов. В результате селекции производительность продуцентов удается увеличить в сотни или тысячи раз Еще один подход в генетико-селекционной работе - получение генетических рекомбинантов путем слияния разных штаммов бактерий, лишенных стенок (протопластов). Слияние протопластов позволяет объединять генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются. Выделение: Для выделения чистых культур микробов из материалов, содержащих обильную смешанную микрофлору, предложено много различных методов. Наибольшее распространение получил метод механического разъединения микроорганизмов, находящихся в исследуемом материале, с целью получения изолированных колоний на поверхности или в глубине питательной среды. Очень широко применяются элективные питательные среды, стимулирующие развитие тех микроорганизмов, чистую культуру которых предполагается выделить. Некоторые виды микробов обладают высокой чувствительностью к воздействию определенных факторов внешней среды. Индивидуальная устойчивость микробов к тому или иному фактору - была использована для разработки методов выделения чистых культур путем умерщвления сопутствующей микрофлоры. Этим способом производится выделение споровых форм микробов, устойчивых к действию высокой температуры, микобактерий туберкулеза, безразличных к действию» концентрированных растворов минеральных кислот, в отличие от остальных микробов, содержащихся в мокроте. Метод рассева по поверхности, предложенный Дригальским, является наиболее употребительным для получения чистой культуры микробов. Вместо шпателя можно пользоваться петлей. Материал на питательной среде распределяют параллельными штрихами по всей чашке в одном направлении.. Затем, повернув чашку на 180°, проводят штрихи в направлении, перпендикулярном первым штрихам. При таком способе* посева материал, находящийся на петле, расходуется постепенно, и по линиям сетки, нанесенным в конце посева, вырастают изолированные колонии микробов. 11. Принципиальные подходы к улучшению штаммов промышленных микроорганизмов Сверхсинтез, то есть способность микроорганизма синтезировать определенный продукт в количествах, превосходящих физиологические потребности, часто встречается в природе. Микроорганизмы с такими свойствами первыми были использованы в хозяйственной деятельности человека, и таким образом был проведен стихийный отбор наиболее продуктивных форм. В промышленности применяют три вида штаммов: природные штаммы, нередко улучшенные естественным или искусственным отбором; штаммы, измененные в результате индуцированных мутаций; штаммы культуры, полученные методами генной или клеточной инженерии. Часто путем отбора не удается получить высокоактивные продуценты, поэтому возникает задача изменения природы организма в нужном направлении. Для этого используют методы селекции. Селекция – это направленный отбор мутантов, то есть микроорганизмов, наследственные признаки которых претерпели изменения в нужном для человека направлении. Селекция продуцентов (сознательное конструирование геномов на каждом этапе отбора нужного продуцента). 1)селекции спонтанно возникающих измененных вариантов, характеризующихся нужными полезными признаками. При таких методах обычно используется ступенчатая селекция: на каждом этапе отбора из популяции микроорганизмов отбираются наиболее активные варианты (спонтанные мутанты), из которых на следующем этапе отбирают новые, более эффективные штаммы и т. д. Недостатки: низкая частота возникновения мутантов (т.е. ограниченность данного метода) 2)селекции наиболее эффективных продуцентов при индуцированном мутагенезе. В качестве мутагенных воздействий применяются УФ, рентгеновское и гамма-излучения, определенные химические вещества и др. Недостатки: трудоемкость и отсутствие сведений о характере изменений, поскольку экспериментатор ведет отбор по конечному результату. Например, устойчивость организма к ионам тяжелых металлов может быть связана с подавлением системы поглощения данных катионов бактериальной клеткой, активацией процесса удаления катионов из клетки или перестройкой системы (систем), которая подвергается ингибирующему действию катиона в клетке. Естественно, знание механизмов повышения устойчивости позволит вести направленное воздействие с целью получения конечного результата за более короткое время, а также селектировать варианты, лучше подходящие к конкретным условиям производства. Используют так же генетические методы и методы молекулярной биологии. Таким образом, тенденцией сегодняшнего дня является сознательное конструирование штаммов микроорганизмов с заданными свойствами на основе фундаментальных знаний о генетической организации и молекулярно-биологических механизмах осуществления основных функций организма. 12. Промышленные энзимы, продуцируемые микроорганизмами Получение ферментов с помощью микроорганизмов более выгодно, чем из растительных и животных источников. Микробные клетки продуцируют более 2 тысяч ферментов, катализирующих биохимические реакции, связанные с ростом, дыханием и образованием продуктов. Многие из этих ферментов могут быть выделены и проявляют свою активность независимо от клетки. Для получения ферментных препаратов используют как микроскопические грибы, так и бактерии и дрожжи. Иногда получение технического ферментного препарата кончается проведением процесса ферментации, однако активность ферментов в культуральной жидкости быстро снижается. Поэтому широко практикуют получение сухих технических ферментных препаратов. В мире производится около 20 ферментов в объеме 65 тыс. тонн (а существует, как предполагают 25000 ферментов). Например, промышленным способом производят такие ферменты как амилаза, глюкоамилаза, протеаза, инвертаза, пектиназа, каталаза, стрептокиназа, целлюлаза и др. Амилазы и протеазы используют в текстильной, хлебопекарной и кожевенной промышленности. Пектолитические ферменты могут быть использованы для мацерации тканей при переработке растительного сырья, например при получении льноволокна. Щелочные протеазы, особенно иммобилизованные, очень эффективно используются в составе моющих средств. Кроме протеолитических ферментов в состав моющих средств вводят липазу, целлюлазу, оксидазу и амилазу для удаления загрязнений крахмального происхождения. Использование иммобилизованной глюкозоизомеразы для непрерывного получения глюкозы является наиболее крупным процессом такого рода в мире. Микробные ферменты активно используют в клинической диагностике при определении уровня холестерина в крови и мочевой кислоты. Ферменты предлагают использовать для очистки канализационных и водопроводных труб и т.д. и т.п. Ферменты для медицинских или аналитических целей должны быть высокоочищенными. В биологических объектах ферменты обычно находятся в фиксированном состоянии на поверхности различных клеточных структур - наиболее часто на мембранах. Благодаря этому ферменты сохраняют свою активность длительное время. В технологии долгое время применялись препараты свободных ферментов; в таком состоянии срок их использования был коротким - один производственный цикл. Для повышения стабильности выделенных ферментов используют технику иммобилизации, т.е. связывания ферментов на поверхности нерастворимого в воде носителя, например, органических полимеров, стекла, минеральных солей, силикатов и т.п. Иммобилизованные ферменты можно длительное время использовать в биохимических реакторах в условиях непрерывного процесса. Иммобилизация и получение связанных ферментных препаратов стала возможным благодаря детальному изучению строения многих ферментов. Раскрыт аминокислотный состав ряда ферментных белков, их пространственная конфигурация, выявлены активные центры, значение различных функциональных групп в проявлении каталитической активности фермента и т. д. Примеры использования иммобилизованных ферментов - изомеризация глюкозы во фруктозу, гидролиз белков, трансформация стероидов, гормонов и т.д. Новая область применения иммобилизованных ферментов - создание на их основе бессеребряных фотоматериалов. На основе действия ферментов построены биолюминесцентные и иммуноферментные методы анализа, отличительной чертой которых является высокая чувствительность и абсолютная специфичность. 13. Клетки животных и растений как объекты биотехнологии Высшие растения (порядка 300 000 видов) – это дифференцированные многоклеточные, преимущественно наземные организмы. В процессе дифференциации и специализации клетки растений группировались в ткани (простые – из однотипных клеток, и сложные – из разных типов клеток). Ткани, в зависимости от функции, подразделяют на образовательные, или меристемные (от греч. meristos – делимый), покровные, проводящие, механические, основные, секреторные (выделительные). Из всех тканей лишь меристематические способны к делению и за их счет образуются все другие ткани. Это важно для получения клеток, которые затем должны быть включены в биотехнологический процесс. Клетки меристемы, задерживающиеся на эмбриональной стадии развития в течение всей жизни растения, называются инициальными, другие постепенно дифференцируются и превращаются в клетки различных постоянных тканей – конечные клетки. Любой вид растения может дать в соответствующих условиях неорганизованную массу делящихся клеток – каллус (от лат. callus – мозоль), особенно при индуцирующем влиянии растительных гормонов. Массовое производство каллусов с дальнейшей регенерацией побегов пригодно для крупномасштабного производства растений. Вообще каллус представляет собой основной тип культивируемой на питательной среде растительной клетки. Каллусная ткань из любого растения может длительно рекультивироваться. При этом первоначальные растения (в том числе и меристематические), дедифференцируются и деспециализируются, но индуцируются к делению, формируя первичный каллус. Кроме выращивания каллусов удается культивировать клетки некоторых растений в суспензионных культурах. Важными биообъектами представляются также и протопласты растительных клеток. Методы их получения принципиально сходны с методами получения бактериальных и грибных протопластов. Кроме культуры растительных клеток, применяется водный папоротник азолла. Он ценится как органическое азотное удобрение, так как растет в тесном симбиозе с сине-зеленой водорослью анабена. Это позволяет симбиотическому организму анабена-азолла накапливать много азота в вегетативной массе. Анабену-азоллу выращивают на рисовых полях перед посевом риса, что позволяет снижать количество вносимых минеральных удобрений. Животные В качестве объектов биотехнологии могут использоваться сами животные и культуры клеток животных. При всех различиях между типами эукариот методические подходы к культивированию клеток насекомых, растений и млекопитающих имеют много общего. Сначала берут небольшой кусочек ткани данного организма и обрабатывают его протеолитическими ферментами, расщепляющими белки межклеточного материала (при работе с растительными клетками добавляют специальные ферменты, разрушающие клеточную стенку). Высвободившиеся клетки помещают в сложную питательную среду, содержащую аминокислоты, антибиотики, витамины, соли, глюкозу и факторы роста. В этих условиях клетки делятся до тех пор, пока на стенках емкости с культурой не образуется клеточный монослой. Если после этого не перенести клетки в емкости со свежей питательной средой, то рост прекратится. Обычно удается переносить (перевивать, субкультивировать) и поддерживать до 50-100 клеточных генераций исходной (первичной) клеточной культуры, затем клетки начинают терять способность к делению и гибнут. Культивируемые клетки сохраняют некоторые свойства исходного клеточного материала, поэтому их можно использовать для изучения биохимических свойств различных тканей. 14. Использование клеточных культур в биотехнологических процессах Хранение: - Бактерии (лиофилизация, жидкий азот, пересевы, под вазел. маслом, низкая температура, физ. р-ры, высушивание (замораживание ,а потом возгонка) -Дрожжи (лиофилизация, под вазел. маслом, 20% р-р сахарозы) -Грибы (лиофилизация, жидкий азот, температура (-20), дист.вода ,физ р-ры) -Водоросли (лиофилизация, жидкий азот, пересевы) -Простейшие (лиофилизация, субкультуры) Суспензионные культуры- отдельные типы клеток , выращ. во взвешенном сост. в жидкой среде. Культуры: 1. Первичные (не предназначенные для длительного хранения, сохр. генотипа и фенотипа (почки, легкие). 2. Перевиваемые ( размнож. вне организма долгое время ) пересевы стабильны. 3. Диплоидные ( линии, в которых 75 % клеток имеют кариотип )использ. для культивирования клеток. Гибридомная технология: Гибридомные клетки образ. при слиянии клеток с различными ген. программами ( дифференц. клетки + трансформир. клетки) Техника культивирования «в пробирке» Первичн. эксплант верхушечн. мерист. травян. растений (гвоздика. хризантема ) Жан Морель – получил первые раст. – регенеранты орхидей Первые работы по культуре тканей древесных растений . Микроклональное размножение- массовое бесполое размножение раст. В пробирке , при котором полученные особи раст. генетически идентичны исходному экземпляру. В основе метода – тотипотентность клеток ( способность клеток путем деления дать начало любому типу организма) Преимущество метода: 1.Получение генетически однородного материала 2. Освобождение раст. от вирусов 3. Размножение с высокой скоростью 4. Процесс селекции сокращ. 5. Размнож. Раст.,трудно разможающ. традицион. способами 6. Возможность провед. Работ в течении всего года , а не только в течении вегетационного периода. 7. Возможность автоматизации процессов выращивания Модели микроклонального размножения А) Образование адвентивных побегов тканями экспланта ( побеги ,которые образ. на любом участке стебля, корня или листа ). М-д очень эффективен ,все признаки размнож. Организма полностью сохраняются . Б) Развитие пазушных побегов основано на снятии апикального доминирования, это наиболее надежный способ, заключающийся в ведении полученной массы побегов на микрочеренки, которые используются в качестве вторичных эксплантов для повторения цикла размножения Криосохранение - замораживание при сверхнизких температурах. Обычно его проводят в жидком азоте, при температуре -196oC. Успех низкотемпературной консервации зависит от ряда факторов: - вид и тип клеток, - их концентрация в суспензии, - состав среды для консервирования, - вид и концентрация криопротектора, - режим охлаждения и отогрева, - способ реабилитации клеток после отогрева. Оптимальный результат по восст. кл. были получены при замораживании клеточных суспензий плотностью 1*105-5*106 клеток в 1 мл. Для растительных клеток часто требуется предварительное культивирование в особых условиях. В среду добавляют различные вещества: 1. Сорбит для уменьшения размера вакуолей. 2. Искусственное закаливание к холоду, когда снижают температуру культивирования. Охлаждение 1-й этап: от +20 до -28oC со скоростью 1 градус в минуту (для растительных клеток скорость замораживания 0,5 градуса в минуту до -35оС), выдерживают при этой температуре 15 минут. 2-ой этап: погружение в жидкий азот (мгновенное охлаждение до - 196oC). Замораживание производят в специальных аппаратах. При их отсутствии - на спиртовой бане. Методы создания клеточных культур растений Основным типом культивируемой растительной клетки является каллусная. Каллусная клетка, в результате деления которой возникает каллусная ткань или каллус, представляет один из типов клеточной дифференцировки, присущей высшему растению. Культивирование клеток растений в жидкой среде- легче влиять на метаболизм и рост клеточных популяций различного рода. М-ды выращивания изолированных клеток, которые получают выделением их из суспензий с помощью микроманипулятора . Протопласты растительных клеток Для удаления клеточной стенки используют ферменты трех типов: целлюлазы, гемицеллюлазы и пектиназы. Комбинация ферментов и их соотношение специфично для каждого типа клеток. Существуют два способа культивирования протопластов: метод жидких капель и метод платирования. В первом случае суспензию протопластов в виде капель помещают на пластиковые чашки Петри. Во втором - суспензию протопластов наливают в пластиковые чашки Петри, добавляют равный объем той же среды с 1% агаром при температуре не выше 45оС. После остывания чашки Петри переворачивают и культивируют при 28оС. В данном случае протопласты фиксированы в одном положении и физически отделены друг от друга. Это дает возможность наблюдать за развитием интактного протопласта: формированием клеточной стенки, делением, ростом и развитием растения. Вариантом этой техники является использование кормящих протопластов или клеток, подвергнутых воздействию рентгеновского или γ-излучения, что блокирует их способность к делению. Такие протопласты или клетки смешивают с жизнеспособными протопластами и они поддерживают и стимулируют их рост. |