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.
|
|
15.Трансгенные животные и растения как новые объекты биотехнологии Новейшая биотехнология – наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов. Генетически модифицированный организм (ГМО) – организм, ген. материал которого может быть изменен способом, который не может быть достигнут естественным путём. Трансгенез – это процесс переноса и интеграции чужеродной генетической информации в геном живого. Трансгенные растения - растения, в которых успешно функционирует ген (или гены) пересаженные из других видов растений или животных. Получено более 50 видов трансгенных растений, которые приобрели устойчивость к насекомым-вредителям, бактериям, вирусам и т.д. Чаще всего растения наделены устойчивостью к насекомым или вирусам, гербицидам. Устойчивость к гербицидам – невосприимчивость к смертельным дозам химиатов. Устойчивость к вирусам – вводят ген вируса в растение. Пищевые продукты, полученные из таких генноизмененных культур, могут иметь улучшенные вкусовые качества, лучше выглядеть и дольше храниться. Также часто такие растения дают более богатый и стабильный урожай, чем их природные аналоги. Создание трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям: 1. Получение с/х культур, дающих несколько урожаев в год (например, ремонтантные сорта клубники) 2. Создание сортов с/х культур, токсичных для некоторых видов вредителей Одна из форм гена протоксина уже введена и экспрессируется в таких растениях, как томаты, табак, картофель, рис, кукуруза, яблоня, баклажан и др. Полученные растения (трансгенный картофель) оказались высокоустойчивыми к колорадскому жуку, основному вредителю картофеля. Введение гена ингибитора протеиназы из картофеля в растение риса защищает их от розового стеблевого точильщика – основного вредителя этой культуры. Холестеролоксидазы (окисление 3-гидроксистероидов с образованием перекиси водорода) – в небольших количествах проявляют высокую инсектицидную активность против личинок хлопкового долгоносика. 3. Другая возможность использования методов генетической инженерии для создания трансгенных растений состоит в получении растений, способных к фиксации молекулярного азота. Повышение урожайности сельскохозяйственных растений зависит от обеспечения их азотом. Растения получают его двумя путями: 1. Потребление внесенных в почву химических азотных удобрений (используют от 30 до 50% внесенного в-ва) 2. Биологическая фиксация молекулярного азота, которую осуществляют многие группы микроорганизмов.  Трансгенные животные – это животные, которые получены в результате переноса в их геном чужеродных генов от других видов животных или человека. 1988 г – первые трансгенные овцы. Гены, которые используются для переноса, выделяют из определенного генома или синтезируют искусственно. В мировой практике уже получены трансгенные животные, продуцирующие с молоком целый ряд лекарственных веществ: - факторы свёртываемости крови против гемофилии; - человеческий белок С для предотвращения образования тромбов; - моноклональные антитела для лечения различных форм рака Получение трансгенных животных включает следующие стадии: 1. Создание генной конструкции (выбор, получение и клонирование чужеродного гена). 2. Внедрение ее в геном организма путем микроинъекции гена в мужской пронуклеус, трансплантация зиготы реципиенту. 3. Селекция модифицированных организмов. Трансгенные мыши получены методом микроинъекции яйцеклетки самок-доноров. В мужской пронуклеус вводят трансген. Имплантируют самке – суррогатной матери, которая рождает трансгенное потомство – основателей трансгенных линий. Создание трансгенных коров: 1. Сбор ооцитов коров, забитых на скотобойне. 2. Созревание ооцитов in vitro. 3. Оплодотворение бычьей спермой in vitro. 4. Центрифугирование оплодотворенных яйцеклеток для концентрирования желтка 5. Микроинъекция ДНК в мужской пронуклеус. 6. Развитие эмбрионов in vitro. 7. Нехирургическая имплантация одного эмбриона реципиентной самке во время течки. 8. Скрининг ДНК потомков на наличие трансгена. Трансгенные животные важны для различных биомедицинских исследований. Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.). В практических целях трансгенные животные используются различными зарубежными фирмами как коммерческие биореакторы, обеспечивающие производство разнообразных медицинских препаратов (антибиотиков, факторов свертываемости крови и др.). 16. Требования, предъявляемые к питательным субстратам, использующимся в биотехнологических процессах Питательные среды должны обеспечивать рост, развитие продуцента и эффективный синтез целевого продукта. Для производства питательных сред необходима сырьевая база. Компонентный состав сред зависит от потребностей продуцента. 1. Постоянным компонентом ПС является вода, в которой нуждаются все живые клетки. 2. Среды должны содержать все необходимые питательные вещества. 3. Изотоничность – содержание набора солей для поддержания осмотического давления, определенной концентрации NaCl. 4. Оптимальная pH (кислотность) среды – 7,2-7,6 5. Оптимальное содержание растворенного кислорода 6. Прозрачность (чтобы был виден рост бактерий, особенно для жидких сред). 7. Стерильность (чтобы не было других бактерий). При получении энзимных препаратов сырьём может быть лишь тот материал, который легко доступен, может быть получен в большом количестве, имеет высокую концентрацию целевого энзима. Только применение сред строго определенного состава позволяет точно регистрировать и регулировать протекающие в культуральной среде процессы, добиваясь их оптимизации. 17.Природные сырьевые материалы растительного происхождения Источником природного сырья являются сельское хозяйство и отрасли лесоводства. Получаемые в этих отраслях материалы представляют собой соединения различной химической сложности и включают сахара, крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Из первичных сырьевых материалов в процессе производства тех или иных продуктов традиционными методами получается огромное число разнообразных побочных продуктов, которые в силу достаточно высокой питательной ценности могут использоваться в биотехнологических процессах. Наиболее подходящим субстратом является сырье, используемое в производстве сахара - сахарная свекла и сахарный тростник. Уже сейчас сахарный тростник используется в качестве субстрата для бразильской "топливной" программы (производство этанола как горючего для двигателей внутреннего сгорания). Крахмалосодержащие сельскохозяйственные продукты, включающие различные злаки, такие как кукуруза, рис, пшеница, картофель, различные корнеплоды, сладкий картофель. Некоторым недостатком крахмала является то, что до использования в качестве питательного субстрата он обычно должен быть разрушен до моносахаридов или олигосахаридов путем ферментативного переваривания или гидролиза. Целлюлоза, являющаяся ценным источником энергии и углерода. Необходимым условием подготовки данного материала к использованию в качестве биотехнологического сырья является ее гидролиз до простых водорастворимых сахаров (глюкозы, целлобиозы). Наибольшие сложности встречаются при попытках утилизации древесины, в которой целлюлоза находится в комплексе с гемицеллюлозой и лигнином. Лигноцеллюлозные комплексы характеризуются очень высокой степенью устойчивости к природным силам биодеградации. Именно это свойство и обусловливает долговечность деревьев и, естественно, построек из дерева, поскольку деревья состоят главным образом из лигноцеллюлозы. 18. Отходы различных производств, как сырьё для биотехнологических процессов Гл. задача биотехнологии - максимальное использование огромных объемов органических отходов, образующихся в мировом производстве. Каждый загрязняющий материал должен быть оценен относительно его пригодности для биотехнологических процессов, когда продукт отхода имеется в больших количествах и образуется в течение длительного периода (т. е. при масштабном производстве), он может рассматриваться в качестве подходящего сырья для утилизации. 1. Свекловичная меласса – 45-60% сахарозы. Является отходом производства сахара из свеклы. Используется для производства лимонной кислоты, этанола и др. 2. Зерно - картофельная барда – отход спиртового производства. Применяется для получения микробного белка. 3. Отходы пивоварения (пивная дробина и солодовые ростки) – применяются для производства кормовых дрожжей. 4. Пшеничные отруби – используются для приготовления питательных сред при твердофазном способе культивирования. Они очень дорогие, их смешивают с более дешевыми компонентами (древесные опилки) 5. Молочная сыворотка – отход производства сыров, творога и казеина. Имеет в составе значительное количество гормонов, витаминов, органических кислот. Используется в получении микробных продуктов. Могут использовать дрожжи родов Candida, Torulopsis, Trichosporon. Молочная сыворотка с выросшими в ней дрожжами по биологической ценности превосходит исходное сырьё. Можно использовать как заменитель молока. 6. Крахмал (картофельный или кукурузный). Под действием ферментов микроорганизмов крахмал гидролизуется до глюкозы (идеальный субстрат практически для всех биотехнологических производств). Химический состав растительного сырья неодинаков. Главная часть, 40-75% – полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые в-ва) и лигнин (15-60%). Лигнин – нерастворимый при гидролизе остаток растительного сырья – находит ограниченное применение и является балластом. Целлюлоза составляет половину высушенной растительной биомассы – ценный источник углерода и энергии. Гидролизаты растительного сырья – это растворы сахаров в виде смеси пентоз и гексоз, образующиеся при кислотном гидролизе древесины, подсолнечной и хлопковой шелухи, кукурузной кочерыжки и др. Сульфитный щелок – раствор, получаемый при сульфитной варке целлюлозы. Из органических веществ щелока получают этанол, биоэтанол, дрожжи, антибиотики, растворители, ванилин, фенолы. Особого внимания заслужили способы прямой биоконверсии продуктов фотосинтеза и их производства в белок с помощью грибов. Грибы, благодаря мощным энзимным системам, способны утилизировать сложные растительные субстраты без обработки. Процесс основан на выращивании целлюлозоразрушающих грибов Chaetomium cellulolyticum. Можно осуществлять в глубинной культуре и поверхностным методом. В микробиологической промышленности сырьё идёт на производство этанола, хлебопекарных дрожжей, антибиотиков, органических и аминокислот. Воду после замачивания кукурузных зёрен упаривают, получая экстракт для микробиологической промышленности. Из 1 т сыворотки можно получить около 20 кг сухой биомассы дрожжей. Кроме того, у сепарируемой бражки можно выделить дополнительно около 4 кг протеина. Метанол и этанол – перспективные виды сырья. Многие дрожжи родов Candida, Hansenula и др. ассимилируют этанол. Pichia, Candida – метанол. Гидролизаты торфа – перспективное сырьё для получения кормовых дрожжей. Наибольшее значение имеет верховой торф (до 50% полисахаридов). Каменный уголь, природный газ и древесина могут служить сырьём для химического синтеза технических спиртов или уксусной кислоты. Источники углерода – н-алканы, некоторые фракции нефти. Компоненты нефти и природного газа: парафиновые, нафтеновые, ароматические УВ. Дизельная фракция содержит не менее 15% парафинов и является источником парафиновых УВ, которые по структуре и молекулярной массе оптимальны для потребления бактериями и дрожжами. Жидкие парафины: н-алканы (число С 10-20), ароматические УВ, сера. Нормальные парафины нефти: выход биомассы может достигать при их использовании до 100% от массы субстрата. Применяются в качестве дополнительного источника белка в рационах животных. 19.Химические и нефтехимические субстраты, применяемые в качестве сырья для биотехнологии С развитием биотехнологических процессов в коммерческих масштабах для производства одноклеточного белка, а также ряда других органических продуктов многие питательные вещества химического и нефтехимического происхождения приобретают важную роль в качестве питательных субстратов для ферментации. Преимущество таких субстратов состоит в том, что они имеются в больших количествах и практически одинакового качества в различных странах мира. Например, природный газ или нефтяной газ, метанол и этанол. Наилучшим субстратом из компонентов нефти являются н-алканы с числом углеродных атомов от 10 до 20. Их могут утилизировать большинство бактерий и дрожжи. Однако и нефть, и газ также истощаются. Поэтому биотехнологии ориентируются на возобновляемые источники сырья. Большое внимание уделяется различным видам растительной массы: плоды, соки, клубни, травяная масса и упоминавшаяся выше древесина. Используются также отходы сельского хозяйства, деревообрабатывающей и бумажной промышленности, а также многих отраслей пищевой промышленности. Возможность использования перечисленных сырьевых материалов является основой создания безотходных производств. Компоненты нефти и природного газа: парафиновые, нафтеновые, ароматические УВ. Дизельная фракция содержит не менее 15% парафинов и является источником парафиновых УВ, которые по структуре и молекулярной массе оптимальны для потребления бактериями и дрожжами. Жидкие парафины: н-алканы (число С 10-20), ароматические УВ, сера. Нормальные парафины нефти: выход биомассы может достигать при их использовании до 100% от массы субстрата. Применяются в качестве дополнительного источника белка в рационах животных. 20. Преимущества и недостатки биотехнологических производств по сравнению с химическими технологиями По сравнению с химической технологией, биотехнология имеет следующие основные преимущества: 1. Возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не удается получать путем химического синтеза. 2. Проведение биотехнологических процессов при относительно невысоких температурах и давлениях. 3. Микроорганизмы имеют значительно более высокие скорости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы. 4. В качестве сырья в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности. 5. Биотехнологические процессы по сравнению с химическими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам. 6. Как правило, технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дешевы. Но вместе с тем биологические способы в сравнении с химическими методами обладают рядом явных недостатков: 1. Биологические системы могут легко быть загрязнены посторонней нежелательной микрофлорой. 2. Целевой продукт, синтезируемый биологическим способом, присутствует в довольно сложной смеси, что обусловливает необходимость разделения его от примеси ненужных веществ. 3. Биотехнологические производства требуют больших количеств воды, которую в итоге необходимо удалять, сбрасывая в окружающую среду. 4. Биопроцессы обычно идут медленнее в сравнении со стандартными химическими процессами. Для каждого биотехнологического процесса должна быть разработана подходящая схема, а сам процесс должен постоянно наблюдаться и тщательно контролироваться. 21. Принципиальные схемы биотехнологических процессов, определяющие конструкции биореакторов(ферментёров) Принципы: 1. Принципы масштабирования – поэтапно увеличивается объем аппарата. 2. Однородность физико-химических условий (температура, ph) 3. Принцип массопередачи. Должны происходить процессы обмена веществом между разными фазами (перенос О2). 4. Теплообмена. Перераспределение тепловой энергии м-у взаимодействующими фазами. 5. Пенообразование. Связано с наличием поверхностных активных веществ(ПАВ) и перемешиванием. 6. Принцип асептики. Должны быть стирильные условия , т.к. производиться работа с чистыми культурами. 7. Дифференцированных режимов. Должен быть возможен перевод из 1 режима культивирования в другой. Разные этапы 1 процесса – различные условия. Биореактор должен обладать системами: · Эффективного перемешивания (гомогенизация питательной среды) · Обеспечение доступа и диффузии газообразных компонентов · Теплообмена · Пеногашения · Стерилизации · Контроля и регулировки По размерам: · Лабораторные (1-10л) · Опытно-промышленные (10л-40м3) · Промышленные По отношению к свету: · фототрофы · хемотрофы По условиям культивирования (по основной фазе в которой протекает процесс ферментации): · Для поверхностного культивирования(на агаровых средах, на зерне) · Для глубинного культивирования(в жидкой питательной среде) · Для газофазного культивирования(на твёрдых носителях) По отношению к О2: Для: аэробов, анаэробов, факультативно-аэробных организмов. По способу перемешивания: · механическое · пневматическое · циркуляторное По способу организации: · Периодическое культивирование · Непрерывное культивирование · Многоциклическое · Объёмно-доливное · Периодическое с подпиткой субстрата · Полунепрерывное с подпиткой субстрата По числу видов микроорганизмов: · Монокультура(чистая) · Смешанная культура(ассоциация 2-ух или более культур) 22. Основные требования, предъявляемые к системам, используемым для процессов ферментации Для каждого биотехнологического процесса должна быть разработана подходящая схема, а сам процесс должен постоянно наблюдаться и тщательно контролироваться. Для большинства практических биотехнологических процессов такими системами являются ферменторы или биореакторы, которые обеспечивают необходимые физические условия, способствующие наилучшему взаимодействию катализатора со средой и поставляемым материалом. Биореакторы варьируют от простых сосудов до весьма сложных систем с различным уровнем компьютерного оснащения. Биореакторы изготавливаются в двух вариантах или типах. Первый тип для нестерильных систем, когда нет абсолютной необходимости оперировать с чистыми культурами микроорганизмов (например, ферментация при пивоварении, производство пекарских дрожжей и т. п.). Биореакторы второго типа предназначены для асептических процессов, обычно используемых в производстве таких соединений, как антибиотики, аминокислоты, полисахариды и одноклеточный бактериальный белок. В реакторах такого типа все посторонние микроорганизмы должны быть исключены, что, естественно, связано со значительными сложностями при их конструировании и разработке самого биотехнологического процесса. Основное требование к биореакторам любого типа сводится к обеспечению оптимальных условий роста продуцента или накоплению синтезируемого им продукта. Для достижения указанных целей необходимо разрабатывать технологию, призванную оптимизировать процесс, а именно: использовать подходящий источник энергии, набор питательных веществ должен соответствовать питательным потребностям организма продуцента, из ростовой среды должны быть удалены соединения, ингибирующие его жизнедеятельность, должна быть подобрана соответствующая посевная доза и, наконец, обеспечены все остальные требуемые физико-химические условия. Экономически рентабельные процессы в своей основе весьма сходны, независимо от избранного продуцента, используемой среды и образуемого продукта. Главная задача — получение максимального количества клеток с одинаковыми свойствами при их выращивании в определенных тщательно контролируемых условиях. 1. Конструктивное совершенство и относительная универсальность. 2. Инертность или коррозийная стойкость. 3. Эксплуатационная надёжность. 4. Доступность, эстетичность и лёгкость обслуживания. |