биотехнология ответы на экзамен. биотехнология экзамен. 1. Предмет и задачи биотехнологии. Объектами биотехнологии
 Скачать 264.41 Kb.
|
|
Охрана окружающей среды В последнее время человечество столкнулось с двумя фундаментальными проблемами: переработкой отходов, постоянно образующихся в большом количестве, и разрушением токсичных соединений, десятилетиями накапливающихся на свалках, в почве и воде. Правительства разных стран пытались решить эти проблемы законодательным путем, однако к успеху это не привело. В настоящее время проходит проверку целый ряд технологических, в том числе и биотехнологических подходов, с помощью которых, возможно, удастся решить эти проблемы. В середине 1960-х годов были обнаружены почвенные микроорганизмы (как правило, бактерии), способные разрушать (деградировать) некоторые синтетические химические вещества: гербициды, пестициды, нефть. Такие микроорганизмы стали использоваться в биотехнологической очистке окружающей среды от загрязнений. Так как деградация органических загрязнений с помощью природных микроорганизмов происходит, довольно медленно, в настоящее время с помощью методов генной инженерии создаются микроорганизмы, у которых в геноме совмещены свойства нескольких бактерий. Такие генетически модифицированные микроорганизмы обладают более широкими возможностями по деградации органических загрязнений. Например, созданы бактерии, эффективно расщепляющие бензол, камфару, нафталин, нефтяные загрязнения. В биотехнологии используются микроорганизмы, перерабатывающие растительные отходы, остающиеся после сбора урожая (солома, лигнин), и бытовые отходы (использованная бумага, картон). С помощью генной инженерии созданы микроорганизмы, которые более эффективно разлагают целлюлозу. В последнее время достигнуты большие успехи в получении генетически модифицированных клеток растений и животных. Также разработаны методы получения полноценных растительных и животных организмов – трансгенных растений и трансгенных животных. Учёные разработали методы выращивания в искусственных условиях клеток растений, животных и даже человека. Особенно успешно развивается клеточная инженериярастений. Используя методы генетики и генной инженерии, получают клетки растений, которые накапливают в несколько раз больше ценных продуктов, чем само растение в естественных условиях. Выращивание массы клеток растений уже используется в промышленных масштабах для получения биологически-активных соединений. Например, производство биомассы женьшеня, родиолы розовой для нужд парфюмерной и медицинской промышленности Важное направление клеточной инженерии – клональное размножение растений (клонирование растений). Метод основан на свойстве растений: из отдельной клетки или кусочка ткани в определённых условиях может вырасти целое растение, способное к нормальному росту и размножению. Этим методом из небольшой части растения можно получить до 1 миллиона растений в год. Клональное размножение используется для оздоровления и быстрого размножения редких, хозяйственно ценных или вновь созданных сортов сельскохозяйственных культур. Таким путём получают здоровые растениякартофеля, винограда, сахарной свёклы, садовой земляники, малины и многих других культур. В настоящее время разработаны методы размножения древесных растений (яблони, ели, сосны). Важное направление клеточной инженерии – клональное размножение растений (клонирование растений). Метод основан на свойстве растений: из отдельной клетки или кусочка ткани в определённых условиях может вырасти целое растение, способное к нормальному росту и размножению. Этим методом из небольшой части растения можно получить до 1 миллиона растений в год. Клональное размножение используется для оздоровления и быстрого размножения редких, хозяйственно ценных или вновь созданных сортов сельскохозяйственных культур. Таким путём получают здоровые растениякартофеля, винограда, сахарной свёклы, садовой земляники, малины и многих других культур. В настоящее время разработаны методы размножения древесных растений (яблони, ели, сосны). Методы клонального размножения успешно сочетаются с методами генетической инженерии. В настоящее время искусственно созданы растения, устойчивые к насекомым-вредителям, болезням и гербицидам.Получены растения томатов и дынь с замедленным созреванием плодов, что важно при их длительной транспортировке. Также получены трансгенные растения сои с повышенным содержанием аминокислоты лизин в семенах. Перспективных способом выведения новых сортов ценных сельскохозяйственных культур является также разработанный учёными принципиально новый метод соматической гибридизации (метод слияния клеток), позволяющий получать гибриды, которые не могут быть созданы обычным путём скрещивания. Методом слияния клеток получены, например, гибриды различных видов картофеля, томатов, табака; табака и картофеля, рапса и турнепса, табака и белладонны. На основе гибрида культурного и дикого картофеля, который устойчив к вирусам и другим заболеваниям, создаются новые сорта. Метод соматической гибридизации используется и для клеток животных. Сливаться могут разные виды клеток одного организма и клетки разных, иногда очень далеких видов, например, мыши и крысы, кошки и собаки, человека и мыши. Примером практического применения метода соматической гибридизации является создание гибридом – клеток, способных производить высокоспецифичные антитела. Гибридому получают путем слияния клетки В-лимфоцита и опухолевой клетки. В результате гибридомы сочетают в себе свойство лимфоцита производить определенные антитела и свойство опухолевой клетки активно делиться. В последние годы появились технологии получения трансгенных животных. Для этого нужный ген вводят в ядро оплодотворенной яйцеклетки, которую имплантируют (внедряют) в женскую особь (суррогатную мать) и добиваются успешного развития эмбриона. Трансгенные животные широко используются как для решения большого числа теоретических задач, так и в практических целях для медицины и сельского хозяйства. Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение). На этих моделях ученые успешно изучают эти заболевания и отрабатывают способы лечения. Перенос новых генов позволяет получать трансгенных животных, отличающихся повышенными продуктивными свойствами (например, усиление роста шерсти у овец, понижение содержания жировой ткани у свиней, изменение свойств молока). Получены животные с высокой устойчивостью к различным заболеваниям, вызываемым вирусами.Получены также некоторые трансгенные рыбы. Например, в яйцеклетки лосося был введен ген, отвечающий за синтез гормона роста. Полученный таким образом годовалый трансгенный лосось весил в 11 раз больше, чем нетрансгенный. Разработаны способы клонирования животных – создания генетически идентичных животных. Для этого из яйцеклетки одного животного удаляют ядро и заменяют его на ядро, полученное из соматической клетки другого животного. Такую яйцеклетку внедряют в суррогатную мать и добиваются успешного развития эмбриона. Поскольку генетическая информация содержится в ядре, вырастающее животное генетически идентично животному, из клеток которого получено ядро. Перспективные направления сельскохозяйственной биотехнологии. Повышение производительности в отрасли. Повышение устойчивости растений к вирусным, грибным и бактериальным болезням, улучшение качества продукции. Уменьшение использования пестицидов и гербицидов. Сохранение и увеличение биоразнообразия. Микроклональное размножение, позволяющее получать здоровые растения, высаживать генетически идентичные экземпляры деревьев в промышленных масштабах. Использование молекулярного маркирования для интенсификации селекционных работ, паспортизация селекционных достижений. 8.Общая характеристика объектов биотехнологии. они включают представителей как прокариот, так и эукариот), чрезвычайно разнообразны по своей структурной организации и биологическим характеристикам. К объектам биотехнологии относятся: — вирусы- препараты соответствующих бактериофагов применяют для лечения бактериальных заболеваний — дизентерии и холеры; — бактерии и цианобактерии- их применяют при производстве различных веществ: уксуса (Gluconobactersuboxidans),молочнокислых напитков и продуктов (Lactobacillus, Leuconostoc), а также микробных инсектицидов (Bacillusthuringiensis) и гербицидов, белков (Methylomonas),витаминов (Clostridium— рибофлавин); при переработке отходов, получении бактериальных удобрений, растворителей и органических кислот, биогаза и фотоводорода. Широко используется такое свойство некоторых бактерий, как диазотрофность, т. е. способность к фиксации атмосферного азота, очистка с использованием бактерий почв и водоемов, загрязненных нефтепродуктами или ксенобиотиками, а также обогащение руд с помощью сероокисляющих бактерий; — водоросли- использовании их в качестве пищевых продуктов или как сырья для получения различных веществ, ценных для человека, съедобные водоросли богаты минеральными веществами, особенно йодом, их используют как витаминную добавку к кормам для сельскохозяйственных животных,Красные водоросли служат источником получения агар-агара; — лишайники-выделяемые из них лишайниковые кислоты используют в качестве компонента лекарственных средств от ряда заболеваний, например кожных,получают душистые вещества, применяемые в парфюмерии; — грибы-их используют для получения таких продуктов, как:лимонная кислота (аспергиллус); гиббереллины и цитокинины (физариум и ботритис); каротиноиды (пстаксантин, придающий мякоти лосо-севых рыб красно-оранжевый оттенок, вырабатывают грибы Rhaffiarhodozima); белок (Candida, Saccharomyceslipolitica); Trichonporoncutaneum, окисляющий многочисленные органические соединения, включая некоторые токсичные (например, фенол), играет важную роль в системах аэробной переработки стоков.; — водные растения-водный папоротник азолла ценится как органическое азотное удобрение, поскольку растет в тесном симбиозе с синезеленой водорослью анабена, рясковыевысокопродуктивны, неприхотливы в культуре, хорошо очищают воду и обогащают ее кислородом; — клетки растений и животных 9.Преимущества использования микроорганизмов в качестве объектов биотехнологии. Бактерии, грибы, водоросли, лишайники, вирусы, простейшие в жизни людей играют значительную роль. С давних времен люди использовали их в процессах хлебопечения, приготовления вина и пива, в различных производствах. В настоящее время в связи с проблемами получения ценных белковых веществ, увеличения плодородия почв, очищения окружающей среды от загрязнителей, получения биопрепаратов и другими целями и задачами диапазон изучения и использования микроорганизмов значительно расширился. Микроорганизмы помогают людям в производстве эффективных питательных белковых веществ и биологического газа. Их используют при применении биотехнических методов очистки воздуха и сточных вод, при использовании биологических методов уничтожения сельскохозяйственных вредителей, при получении лечебных препаратов, при уничтожении утильсырья. Некоторые виды бактерий используются для регенерации ценных метаболитов и лекарств, их используют с целью решения проблем биологического саморегулирования и биосинтеза, очищения водоемов. Создана биотехнологическая промышленность для получения антибиотиков, ферментов, интерферона, органических кислот и других метаболитов, продуцентами которых являются многие микроорганизмы. Простейшие являются продуцентами не только ферментов, но и гистонов, серотонина, липополисахаридов, липополипептидоглюканов, аминокислот, метаболитов, применяемых в медицине и ветеринарии, пищевой и текстильной промышленностях. Они являются одним из объектов, применяемых в биотехнологии. Возбудитель южноамериканского трипаносомоза Trypanosomacruzi является продуцентом противоопухолевого препарата круцина и его аналога – трипанозы. Эти препараты оказывают цитотоксическое действие на клетки злокачественных образований. Поскольку биомасса простейших содержит до 50% белка, свободноживущие простейшие используются в качестве источника кормового белка для животных. Бактериальные ферменты (Bac.subtilis) используются для сохранения свежести кондитерских изделий и там, где нежелателен глубокий распад белковых веществ. Использование ферментных препаратов из Bac.subtilis в кондитерском и хлебобулочном производстве способствует улучшению качества и замедлению процесса червстления изделий. Ферменты Bac. mesentericus активизируют депелирование кожевенного сырья. Микроорганизмы широко используются в пищевой и бродильной промышленности, микроорганизмы широко используются при очистке биологическим методом вод морей от нефтепродуктовизготавливают микробиологические препараты, уничтожающие многих вредных насекомых 10.Штаммы микроорганизмов, использующиеся в биотехнологии, их преимущества и недостатки. Преимущества использования микроорганизмов: 1) обладают огромным генетическим разнообразием, позволяющим им осуществлять: а) практически неограниченную биосинтетическую деятельность; б) разложение (деградацию) большого количества природных и неприродных соединений. 2) отличаются быстрым ростом, скорость которого намного превышает скорость роста высших организмов (растений и животных). Это позволяет за короткий промежуток времени осуществить синтез больших количеств требуемого продукта в строго контролируемых условиях. Микроорганизмы можно выращивать на различных питательных средах: на газах, нефти, отходах угольной, химической, пищевой, винно-водочной, деревообрабатывающей промышленности. • В настоящее время относительно хорошо охарактеризовано (или известно) более 100 тысяч различных видов микроорганизмов. • Это в первую очередь прокариоты (бактерии, актиномицеты, риккетсии, цианобактерии) и часть эукариот (дрожжи, нитчатые грибы, некоторые простейшие и водоросли). • Важной проблемой является правильный выбор организма, который способен обеспечить получение требуемого биотехнологического продукта. Бактерии используются при производстве: 1) Пищевых продуктов: молочнокислых напитков (Lactobacillus, Leuconostoc, Streptococcus) уксуса (Gluconobacter, Acetobacter), 2) Кормового белка(Methylomonas); 3) Витаминов (Nocardia, Micromonospora, Pseudomonas, Clostridium); 4) Аминокислот (Corynebacterium glutamicum ). 5) Антибиотиков (Streptomyces, Micromonospora) 6)Растворителей.Сlostridium acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n-бутанол (ацетобутаноловое брожение). 7) Биогаза и фотоводорода(Halobacterium halobium). 8) Микробных инсектицидов(Bacillus thuringiensis). Цианобактерии обладают способностью к азотфиксации, что делает их весьма перспективными продуцентами белка. Такие представители цианобактерий, как носток, спирулина, триходесмиум съедобны и непосредственно употребляются в пищу. 1) В биотехнологии используют грибы: 2) Дрожжи, 3) Мицелиальные грибы (плесени), 4) Некоторые сапротрофные и 5) дереворазрушающие грибы. Грибыиспользуют для получения продуктов: 1)Антибиотики (Penicillium spp.); 2)Ферменты (Aspergillus spp., Trichoderma spp.) 3)Спирты (дрожжи Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces fragilis); 4)Пищевыепродукты: сыры типа рокфор и камамбер (Penicillium spp.); соевый соус (Aspergillus); 5) Пищевой белок(шампиньон, вешенка, опенок и др.); 6)Кормовой белок(дрожжи Candida spp., Saccharomycopsis lipolytica); 7) Фитогормоны гиббереллины и цитокинины (Fusarium spp., Botrytis spp.); 8)Витамины (Eremothecium ashbyi – рибофлавин, дрожжи Blakeslea trispora, Rhaffia rhodozima - каротиноиды). Некоторые грибы продуцируют токсины – 1) афлатоксины (Aspergillus spp.), трихотеценовые микотоксины дезоксиниваленол и зеараленон (Fusarium spp.), охратоксины, цитринин, цитреовиридин (Aspergillus spp. и Penicillium spp.), 2) алкалоиды спорыньи, в т.ч. лизергиновая кислота и агроклавин. Водоросли - кормовой и пищевой белок(Chlorella spp., Scenedesmus spp); - пищевые и витаминные добавки(Dunaliella spp., Chlorella spp., Scenedesmus spp., Ulva spp., Porfira spp., Undaria spp., Rhodimenia spp., Alaria spp.); - глицерол (Dunaliella bardawil) Водоросли – богатейший источник микроэлементов, витаминов (тиамина, пиридоксина, рибофлавина, кобаламина, фолиевой, никотиновой, аминобензойной, пантотеновой и аскорбиновой кислот, каротина) и других физиологически активных веществ. Гетеротрофные протисты противоопухолевые препараты круцин и трепаноза (Trypanosoma cruzi (Schizotrypanum cruzi)), астазилид (Astasia longa), парамилон (Astasia spp., Euglena spp.); Продуценты биологически активных веществ. Продуценты кормового белка. Биомасса протистов содержит до 50% белка, который содержит все незаменимые аминокислоты, в более высоком количестве, чем в биомассе микроводорослей, бактерий и в мясе. 11.Промышленные, модельные и базовые микроорганизмы. Промышленные микроорганизмыиспользуются в промышленном производстве. Модельные микроорганизмыслужат модельными объектами при изучении фундаментальных жизненных процессов. К их числу относятся кишечная палочка (E. coli), сенная палочка (Bac. subtilis) и пекарские дрожжи (S. cerevisiae). |