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.
|
|
54. Получение трансгенных животных для продукции белков медицинского назначения Трансгенные животные - это экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами чужеродную ДНК (трансген), которая передается по наследству. Основа стратегии использования трансгенных животных как биореакторов состоит во включении в клетки организма генов, которые вызывают у них синтез новых белков. Так, созданы трансгенные клеточные линии млекопитающих, которые выращиваются в системах биореакторов и способны производить белки, закодированные экзогенными (чужеродными) генами. Эти системы были успешно использованы в получении ценных продуктов фармакологического и медицинского назначения (инсулин, некоторые кровесвертывающие факторы, человеческий гормон роста). Преимущества трансгенных животных: 1. Животные лишь в начале могут быть трудно создаваемыми и дорогими, но однажды созданная линия таких особей воспроизведёт себе подобных. 2. Они могут продуцировать чрезвычайно большое количество белков с низкой стоимостью. 3. Выделение рекомбинантного белка с молоком, с одной стороны, удобный приём его получения от животного с применением естественного приёма традиционного доения, а с другой стороны, безопасен для животного. Одним из основных этапов в получении трансгенных животных, продуцирующих гетерогенный белок с молоком, является идентификация промотора, который будет направлять экспрессию в секреторный эпителий молочной железы. 55. Возможные риски использования генетически модифицированных организмов (ГМО) для здоровья человека и окружающей среды Встраивание в геном организма-хозяина новых конструкций имеет цель получить новый признак, недостижимый для данного организма путем селекции или требующий годы работы селекционеров. Но вместе с приобретением такого признака организм приобретает целый набор новых качеств. Все нежелательные явления и события, происходящие при возделывании и потреблении ГМО, можно объединить в три группы: пищевые, экологические и агротехнические риски. Пищевые риски: · Непосредственное действие токсичных и аллергенных трансгенных белков ГМО. · Риски, опосредованные плейотропным действием (зависимость нескольких признаков от одного гена, т.е. множественное действие одного гена) трансгенных белков на метаболизм растений. · Риски, опосредованные накоплением гербицидов и их метаболитов в устойчивых сортах и видах сельскохозяйственных растений. Экологические риски: · Снижение сортового разнообразия сельскохозяйственных культур в следствии массового применения ГМО. · Неконтролируемый перенос конструкций, особенно определяющих различные типы устойчивости к пестицидам, вредителям и болезням растений, в следствии переопыления с дикорастущими родственными и предковыми видами. В связи с этим снижение биоразнообразия дикорастущих предковых форм культурных растений и формирование сорняков. · Негативное влияние на биоразнообразие через поражение токсичными трансгенными белками нецелевых насекомых и почвенной микрофлоры и нарушении трофических цепей. · Риски быстрого появления устойчивости к используемым трансгенным токсинам у насекомых, бактерий, грибов и других вредителей. · Риски появления новых, более патогенных штаммов фитовирусов. Агротехнические риски: · Риски непредсказуемых изменений нецелевых свойств и признаков модифицированных сортов, связанные с плейотропным действием введенного гена. Например, снижение устойчивости к патогенам при хранении и устойчивости к критическим температурам при вегетации у сортов, устойчивых к насекомым-вредителям. · Неэффективность трансгенной устойчивости к вредителям через несколько лет массового использования данного сорта и др. 56. Достижения молекулярной биотехнологии в генотерапии С развитием секвенирования (определение генетических повреждений, мутаций) генома человека связаны надежды на возможность лечения генетических заболеваний. Ранее начало профилактического лечения ребенка позволит предотвратить начало заболевания или отодвинуть начало его проявления. В процессе прочтения генома человека был выявлен механизм генетического разнообразия, так называемый однонуклеотидный полиморфизм – изменение «буквы» генетического кода без «последствий для здоровья». Генной терапией называется генетическая инженерия соматических клеток человека, направленная на исключение дефекта. Подходы генной инженерии соматических клеток: · in vivo (введение материала в ткань или орган организма для синтеза в нем отсутствующих или в недостаточном количестве продуктов(белков) или их подавления); · ex vivo (генетическое направление дефектных клеток вне организма с последующим возвращением нормально функционирующих клеток в организм). Средством переноса генов являются вирусы. Используют аденовирусы и ретровирусы. Наиболее пригодными для проведения генной терапии являются клетки костного мозга. Это связано с наличием в нем тотипотентных эмбриональных стволовых клеток, которые могут дифференцироваться в различные типы клеток. Помимо стволовых клеток костного мозга используют стволовые клетки из пуповинной крови. 57. Биотехнология очистки промышленных отходов Развитие промышленности ведет к образованию большого количества отходов, в том числе отходов, содержащих новые антропогенные компоненты. Методами биотехнологии эти отходы могут быть переработаны в полезные или безвредные продукты. Бытовые отходы делятся на 2 группы: твердые отходы и сточные воды. Твердые бытовые отходы состоят из целлюлозосодержащих материалов (до 40 % бумаги, 2,5% дерева, 8% текстиля) и пищевых отходов (40%). Наиболее экономична и радикальна переработка их метановым брожением, в результате образуется легко транспортируемое топливо - метан. Сточные воды обычно содержат сложную смесь нерастворимых и растворимых компонентов различной природы и концентрации. Бытовые отходы содержат почвенную и кишечную микрофлору, включая патогенные микроорганизмы. Серьезное загрязнение возникает при попадании в окружающую среду соединений тяжелых металлов, таких как железо, медь, олово и др. Цель очистки сточных вод - удаление растворимых и нерастворимых компонентов, элиминирование патогенных микроорганизмов и проведение детоксикации таким образом, чтобы компоненты стоков не вредили человеку, не загрязняли водоемы. Бактерии рода Pseudomonas практически всеядны. Например, P. putida могут утилизировать нафталин, толуол, алканы, камфару и др. соединения. Выделены чистые культуры микроорганизмов, способные разлагать специфические фенольные соединения, компоненты нефти в загрязненных водах и т.д. Микроорганизмы рода Pseudomonas могут утилизировать и необычные химические соединения - инсектициды, гербициды и другие ксенобиотики. Пестициды поступают в окружающую среду после обработки сельскохозяйственных культур. Большинство из них расщепляются бактериями и грибами. Пестициды из сточных вод можно удалять, используя иммобилизованные формы этих ферментов. Биологические методы также применимы для очистки сточных вод нефтяной промышленности. Для этого применяют аэрируемые системы биоочистки с активным илом, содержащим адаптированное к компонентам нефти микробное сообщество. Азотсодержащие соединения (белки, аминокислоты, мочевина) могут быть удалены в биологическом процессе денитрификации-нитрификации. Тяжелые металлы затрудняют биологические процессы очистки стоков и отрицательно влияют на флору и фауну. Природные штаммы микроорганизмов не могут быть использованы для накопления этих металлов в силу их высокой токсичности. Однако есть белок высших организмов - металлотионеин, который активно связывает различные тяжелые металлы. 58. Биотехнологические способы получения энергоносителей Биометаногенез, или метановое «брожение» – давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Биогаз, получаемый из органического сырья в ходе биометаногенеза в результате разложения сложных органических субстратов различной природы при участии смешанной из разных видов микробной ассоциации, представляет собой смесь из 65–75 % метана и 20–35 % углекислоты, а также незначительных количеств сероводорода, азота, водорода. Неочищенный биогаз используют в быту для обогрева жилищ и приготовления пищи, а также применяют в качестве топлива в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Компремированный газ можно транспортировать и использовать (после предварительной очистки) в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания. Очищенный биогаз аналогичен природному газу. «Венцом» метанового сообщества являются собственно метаногенные или метанообразующие бактерии (архебактерии), катализирующие восстановительные реакции, приводящие к синтезу метана. Субстратами для реализации этих реакций являются водород и углекислота, а также окись углерода и вода, муравьиная кислота, метанол и др. Сырьем для процессов спиртового брожения могут быть разнообразные биомассы, включая крахмалсодержащие (зерно, картофель), сахаросодержащие материалы (меласса, отходы деревоперерабатывающей промышленности), а также биомасса специально выращенных пресноводных и морских растений и водорослей. Процесс складывается из нескольких стадий, включающих подготовку сырья, процесс брожения, отгонку и очистку спирта, денатурацию, переработку кубовых остатков. Водород получают разложением воды с участием биокаталитических агентов. Новой областью технологической биоэнергетики и частью инженерной энзимологии является биоэлектрокатализ. Цель данного направления – создание высокоэффективных преобразователей энергии на основе иммобилизованных ферментов. 59. Исследования генома человека и его результаты Геном человека - совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Известно, что 30% генома человека кодируют белки, 10% генома составляют Alu-элементы, которые имеются у только у приматов. Анализ полученного варианта генома человека выявил около 25 тыс. генов. Ранее предполагалось, что это количество должно достигать 140 тыс. 60. Получение рекомбинантных белков с помощью эукариотических систем Рекомбинантными ДНК называют молекулы ДНК, полученные вне живой клетки путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться в клетке. Молекула рекомбинантной ДНК представляет собой соединенные вне клетки два компонента: - вектор, обеспечивающий механизм репликации и экспрессии; - фрагмент клонируемой (чужеродной) ДНК, содержащий интересующие исследователя генетические элементы. Прокариотические системы экспрессии успешно пользуются для синтеза многих белков. Однако некоторые белки для превращения в активную форму должны претерпеть специфические пострансляционные модификации - гликозилирование, фосфорилирование или ацетилирование, а бактерии к этому не способны. Поэтому было решено попытаться экспрессировать клонированные гены в эукариотических клетках с помощью специально созданных эукариотических экспрессирующих векторов. Для синтеза разнообразных белков использовались дрожжи S. cerevisiae. Их генетика хорошо изучена, а, кроме того, их можно выращивать в больших ферментерах и они считаются безопасными в обращении. Чтобы упростить очистку белков, были сконструированы векторы, обеспечивающие их секрецию. Однако многие рекомбинантные белки в этой системе не подвергались посттрансляционной модификации, к тому же выход зачастую был недостаточно высок. Также используют экспрессирующие векторы на основе бакуловирусов (вирусы насекомых). Клетки насекомого, инфицированные рекомбинантным бакуловирусом, синтезируют клонируемый белок. Системы на основе млекопитающих Преимущества: 1. высокий уровень экспрессии; 2. быстрый рост; 3. подходит, если белки секретируются внеклеточно; 4. разноплановые приемы; 5. полный набор модификаций; 6. нет эндотоксинов и др. Недостатки: 1. дорогая культурная среда; 2. сложные условия для культивирования; 3. сложная работа; 4. для расширенного исследования необходимы большие объемы вирусов; 5. вирусы приводят к вирусу клеток, а также к ухудшению свойств и др. |