биотехнология ответы на экзамен. биотехнология экзамен. 1. Предмет и задачи биотехнологии. Объектами биотехнологии
 Скачать 264.41 Kb.
|
|
1.Предмет и задачи биотехнологии. Объектами биотехнологии служат вирусы, бактерии, протисты, дрожжи, а также растения, животные или изолированные клетки и субклеточные структуры (органеллы). Основными направлениями (задачами) биотехнологии являются: 1. производство биологически-активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (антибиотиков, гормонов, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител); 2. получение ценных кормовых добавок и биологически-активных веществ для повышения продуктивности животноводства (кормового белка, аминокислот, витаминов, ветеринарных препаратов), средств профилактики, диагностики и терапии основных болезней сельскохозяйственных животных; 3. получение хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологическойи других отраслях промышленности; 4. разработка технологий борьбы с загрязнениями окружающей среды (очистка сточных вод и загрязненных почв), технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов; 5. разработка микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений; 6. создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растенийипород животных. 2.Исторические этапы развития биотехнологии. Биотехнология -дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии. Впервые термин "биотехнология" применил венг. инженер Карл Эреки в 1917 году. Отдельные элементы БТ появились давно. Это были попытки использовать в промышленном производстве отдельные кл. (м/о) и нек-рые ферменты, способствующие протеканию ряда хим. процессов. В 1814 г. петербург. академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологич. катализа и пытался биокаталитич. путём получить сахар из доступного отеч. сырья (до сер. 19 в. сахар получали только из сах. тростника). В 1891 году в США япон. биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышл. целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растит. отходов. В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиол. пром-сть. В эти же годы были предприняты первые попытки использовать ферменты в текстильной пром-ти. В 1916-1917 гг. рус. биохимик А. М. Коленев пытался разработать способ, кот. позволил бы управлять действием ферментов в природном сырье при производстве табака. А. Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого разл. биохим. сырья, совершенствованию технологий хлебопеч, пивовар, виноделия, производства чая и табака и т. п., а также рекомендации по повышению урожая культурных раст. путём управления протекающими в них биохим. процессами. Все эти исследования, а также прогресс хим. и микробиол. пром-ти и создание новых промышленных биохим. производств (чая, табака и т. п.) были важнейшими предпосылками возникновения современной БТ. В производственном отношении основой БТ в процессе её формирования стала микробиол. пром-ть. За послевоенные годы она приобрела новые черты: м/о стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохим. процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток ценнейшие и сложнейшие хим. соедин. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков. Первый АБ - пенициллин - удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 г, что дало новые задачи: поиск и налаживание промышл. производства лек. в-в, продуцируемых м/о, работа над удешевлением и повышением уровня биобезопасности новых лек. препаратов. 3.Связь биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими науками. Фундаментальные науки: - физиол. растений; (регенерация, гормоны, культуры клеток и тканей) - биохимия; - генетика и селекция; (андрогенез и мутагенез) - кибернетика; - информатика; - микробиология; (синтез АК, азотфиксаторы, векторы) - инженерная энзимология. Прикладные науки: - иммобилизованные кл и ферменты; - молекулярная биология; (структура генома, экспрессия генома) – БАВ Трехкомпонентность современной биотехнологии. Многие биотехнологические процессы могут рассматриваться как имеющие три главных компонента: 1) получение наиболее оптимальных катализаторов специфических процессов, 2) обеспечение по возможности оптимальных условийдля осуществления требуемого каталитического процесса, 3) отделение и очистка целевого продуктаили продуктов из ферментационной смеси. В большинстве случаев наиболее эффективной, стабильной и удобной формой для катализа биотехнологических процессов являются цельные организмы, поэтому в биотехнологии широко используются микробиологические процессы. Также используют высшие организмы (культуры растительных и животных клеток) 4.Практические задачи биотехнологии в области энергетики, медицины, сельского хозяйства, пищевой промышленности.
На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить с помощью бактерий в промышленных количествах синтез таких лекарственных веществ как высокоспецифичные антитела, интерфероны, кальцитонин, адренокортикотропный гормон, тиреотропный гормон и ряд других. На сегодняшний день клонировано более 500 генов различных белков человека, с использованием которых возможно можно будет получать лекарственные препараты. В последнее время, с развитием технологий рекомбинантных ДНК, появилась возможность создать новое поколение вакцин. 1) Из патогенного микроорганизма искусственно убирают гены, ответственные за вирулентность. Способность вызывать иммунный ответ при этом сохраняется. Такой микроорганизм можно использовать в качестве живой вакцины. 2) Из патогенного организма выделяют гены, кодирующие белки, которые вызывают иммунный ответ. Эти гены вводят в клетки непатогенного организма (например, кишечной палочки). Такие бактерии вызывают иммунный ответ в организме человека или животного, но не вызывают заболевания. Наиболее широко уже используются такие вакцины для животных, но появляются и вакцины для человека. В настоящее время налажено производство генно-инженерных вакцин против ряда вирусных и бактериальных заболеваний: ящура, бешенства, дизентерии, желтой лихорадки, ветряной оспы, гепатитов А и В, гриппа, энцефалита, гонореи, проказы, менингита, столбняка, туберкулеза, брюшного тифа. С помощью генно-инженерных подходов пытаются разработать вакцины даже против СПИДа. Перспективные направления медицинской биотехнологии : Снижение затрат на секвенирование генома для коммерциализации и широкого распространения этой услуги. Ранняя диагностика заболеваний, в том числе выявление наследственной предрасположенности к болезням. Определение индивидуальных генетически обусловленных особенностей реакции организма на лекарственные вещества (фармакогеномика). Разработка методов лечения наследственных болезней. Методы диагностики инфекционных и неинфекционных заболеваний (с помощью биочипов). Сельское хозяйство С помощью одноклеточных организмов пытаются решить проблему пищевых добавок и корма для животных. В настоящее время в некоторых странах налажено производство белка одноклеточных организмов. Для этого используют многие одноклеточные организмы – бактерии, дрожжи, грибы, водоросли. Биомасса таких микроорганизмов может содержать биологически активные соединения: витамины группы В, β-каротин 5.Принципиальная схема биотехнологических производственных процессов. Продукты биотехнологии получают по индивидуальным технологиям со своими биологическими агентами, сырьем, числом стадий производства и их технологическими режимами. Тем не менее, можно представить себе обобщенную типовую схему биотехнологических производств.  Схема состоит из стадий, в каждой из которых сырье претерпевает определенные технологические воздействия и последовательно превращается во все более сложные полупродукты и, наконец, в конечный продукт. Общий вид такой типовой схемы представлен на рисунке. Типовая схема, основные стадии и технологические процессы в биотехнологических производствах Основная стадия биотехнологического производства. Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента (микроорганизмов, изолированных клеток, ферментов или клеточных органелл) происходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт. Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества. Однако биотехнологическая стадия, как правило, включает в себя не только синтез новых органических соединений, но и ряд других биотехнологических процессов, перечисленных далее. Ферментация — процесс, осуществляемый с помощью культивирования микроорганизмов. Биотрансформация — процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов или готовых ферментов. В этом процессе обычно не происходит накопления клеток микроорганизмов, а химическая структура вещества меняется незначительно. Вещество как бы уже в основном готово, биотрансформация осуществляет его химическую модификацию: добавляет или отнимает радикалы, гидроксильные ионы, дегидрирует и т.п. Биокатализ — химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов-ферментов. Биоокисление — потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях. Метановое брожение — переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях. Биокомпостирование — снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения. Биосорбция — сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях. Бактериальное выщелачивание — процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворенное состояние под действием специальных микроорганизмов. Биодеградация — деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов – биодеструкторов. Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один — жидкостной. В случае, если процесс протекает в твердой фазе (например, созревание сыра или биокомпостирование отходов) выходом является поток переработанного твердого продукта. 6.Классификации биотехнологий по цветам. Идея классификации биотехнологий по цветам зародилась в 2003 г. на американо-европейской встрече по биотехнологиям (US-EC Biotech meeting) и была предложена ученым Ритой Колвел (Dr. R. Colwell), директором Национального американского фонда (Director, US National Foundation). Было предложено обозначать биотехнологию цветами. Первая классификация состояла всего из трех цветов: 1) красная для медицины, 2) зеленая для сельского хозяйства, 3) белая для промышленности. Поэтому флаг Италии стал считаться также флагом биотехнологий. Постепенно количество цветов увеличилось. "красная" биотехнология – биотехнология, связанная с обеспечением здоровья человека и потенциальной коррекцией его генома, а также с производством биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител); "зеленая" биотехнология - направлена на разработку и создание генетически модифицированных (ГМ) растений, устойчивых к биотическим и абиотическим стрессам, определяет современные методы ведения сельского и лесного хозяйства; «желтая» биотехнология – пищевая биотехнология, наука о питании "белая" - промышленная биотехнология, объединяющая производство биотоплива, биотехнологии в пищевой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности; "серая"- связана с природоохранной деятельностью, биоремедиацией; "синяя" биотехнология – связана с использованием морских организмов и сырьевых ресурсов. Самая широкая типология биотехнологий, представленная в большом количестве англоязычных научных работ, содержит десять отраслей, где к традиционным отраслям добавляются следующие: черная (или темная, dark) биотехнология, связанная с военными целями и терроризмом; фиолетовая биотехнология, связанная с патентованием биотехнологических открытий и разработок, а именно со всеми вопросами интеллектуальной собственности; золотая биотехнология, посвященная вопросам биоинформатики и нанобиотехнологиям; коричневая биотехнология, связанная с биотехнологическим решением проблем пустынных и аридных территорий (пространственная и геомикробиология). 7.Современные направления развития и использования биотехнологии. В связи с бурным развитием биологических наук (особенно молекулярной биологиии генетики) в последние десятилетия появились и уже успешно используются на практике новые методы создания усовершенствованных форм растений, животных и микроорганизмов. К этим современных методам селекции и биотехнологии относятся в первую очередь генная инженерия и клеточная инженерия. В результате применения методов генной инженерии получены многие бактерии-сверхпродуценты. Они обеспечивают очень высокий уровень синтеза нужного человеку продукта. В бактериальной клетке содержится множество белков, каждый из которых составляет в среднем 0,04 % от их общей массы. У микроорганизмов-сверхпродуцентов доля нужного человеку белка может достигать 20 % от их общей массы. Бактерии-сверхпродуценты используются в настоящее время в промышленности при производстве многих биологически активных веществ (аминокислот, витаминов, антибиотиков), ферментов, биополимеров Развиваются такие направления как медицина, в том числе молекулярная медицина, сельское хозяйство, охраны окружающей среды, генная инженерия и т.д.
|