биотехнология ответы на экзамен. биотехнология экзамен. 1. Предмет и задачи биотехнологии. Объектами биотехнологии
 Скачать 264.41 Kb.
|
|
Молекулярная медицина Область науки, которая занимается диагностикой, лечением и профилактикой наследственных болезней на генном уровне. Использует различные фармацевтические технологии и методы генной терапии, направленные на устранение определенных поражений организмов на молекулярном уровне, а также устранение молекулярных дефектов в биологических системах. Проводит исследование новых молекул, с позиций их эффективности при лечении различных заболеваний и безопасности для организма. Геном человека имеет огромное значение в области биомедицинских исследований и клинической медицины. Каждое заболевание имеет генетический компонент. Изучение генома человека имеет огромное значение в области биомедицинских исследований и клинической медицины. Каждое заболевание имеет генетический компонент. Оно может быть наследственным (имеется около 3000-4000 наследственных заболеваний) или результатом воздействия окружающей среды на организм человека, приводящим к изменениям в геноме (рак, сердечно-сосудистые заболевания, диабет и т.д.). Определение генома человека означает, что теперь мы можем искать гены, которые непосредственно связаны с различными болезнями и яснее понимать их основу. Знание молекулярного механизма болезни позволит лучше и эффективнее лечить и даже предупреждать возникновение болезни. 61.Получение антибиотиков в промышленных условиях. Процесс получения антибиотика включает в себя след-щиеосн. стадии: 1. получение соответствующего штамма — продуцента антибиотика, пригодного для промышленного производства; 2. биосинтез антибиотика; 3. выделение и очистка антибиотика; 4. концентрирование, стабилизация антибиотика и получение готового продукта. Первая задача при поиске продуцентов антибиотиков — выделение их из природных источников. Биосинтез антибиотиков — наследственная особенность организмов, проявляющаяся в том, что каждый вид (штамм) способен образовывать один или несколько вполне определенных, строго специфичных для него антибиотических веществ. Выявление потенциальной возможности образовывать в процессе жизнедеятельности антибиотики связано с условиями культивирования организмов. В одних условиях организм образует антибиотик, в других условиях тот же организм при хорошем росте не будет обладать способностью синтезировать антибиотическое вещество. Образование антибиотиков будет происходить только при развитии организма в специфической среде и при наличии особых внешних условий. Путем изменения условий культивирования можно получить больший или меньший выход антибиотика, или создать условия, при которых антибиотик вообще не будет образовываться. К числу наиболее существенных факторов, оказывающих влияние на проявление антибиотических свойств микроорганизмов, относятся состав среды, ее активная кислотность, окислительно-восстановительные условия, температура культивирования, методы совместного выращивания двух или большего числа микроорганизмов и другие факторы. Среды для культивирования микроорганизмов. Натуральные (комплексные) среды, состоящие из природных соединений и имеющие неопределенный химический состав (части зеленых растений, животные ткани, солод, дрожжи, фрукты, овощи, навоз, почва и т. д.), содержат все компоненты, необходимые для роста и развития микроорганизмов большинства видов. Используются следующие среды: - мясопептонная среда, в состав которой одновременно с мясным экстрактом и пептоном входят хлорид натрия, фосфат калия, иногда глюкоза или сахароза; используется обычно в лабораторной практике. - картофельные среды с глюкозой и пептоном, часто используемые в лаборатории для культивирования многих видов актиномицетов и бактерий; - среды с кукурузным экстрактом, соевой мукой, бардой и другими веществами, в состав которых входят сульфат аммония, карбонат кальция, фосфаты, глюкоза, сахароза, лактоза или иные углеводы и ряд других соединений; среды успешно применяются в промышленности, т. к. являются дешевыми и обеспечивают хорошее развитие микроорганизмов с высоким выходом антибиотиков. 62.Лекарственные препараты, получаемые в промышленных условиях (вакцины, пробиотики и т.д.) Количество биообъектов, используемых в биотехнологическом производстве при изготовлении и получении лекарственных препаратов очень много. Например, в роли биообъекта может выступать человек-донор. С его помощью производят гомологичную иммунную плазму (антистафилококковую, противокоревую, эритроцитарную и лейкоцитарную массу для трансфузий и так далее) В роли биообъекта может выступать животное (лошадь, олень, корова, свинья, курица, кролик и так далее). С их помощью обеспечивается промышленное производство инсулина, панкреатина, лизоцима, пантокрина, антитоксических сывороток, вирусных вакцин и так далее. В качестве биообъекта можно использовать различные растения. Например, почки и однолетние побеги тополя представляют сырье при изготовлении простагландинов, смола сосны – это полупродукт получения скипидара, смола пихты – это сырье для бальзамов, камфорное дерево – сырье для получения камфоры и так далее. В качестве биообъектов широко используются и микрообъекты – это прокариоты (сине-зеленые водоросли, бактерии, вирусы, бактериофаги, актиномицеты) и – эукариоты (простейшие, водоросли, грибы, плесени, дрожжи) Например, использование клеток плесени при производстве антибиотиков, а клеток дрожжей – при производстве эргостерина (предшественника витамина Д), бетакаротина )предшественника витамина А) и так далее. Прокариоты - бактерии как биообъекты используются в производстве, например, витамина цианокобаламина (витамина В12 ). 63.Сельскохозяйственная биотехнология, задачи и применение. 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. 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 Методы клеточной инженерии позволят значительно ускорить селекционный процесс при выведении новых сортовхлебных злаков и других важных сельскохозяйственных культур: срок их получения сокращается до 3-4 лет 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 В последние годы появились технологии получения трансгенных животных 64.Биотехнологические способы получения энергоносителей. Энергоносители — общее название всех видов топлива: нефти, газа, угля, торфа, дров, ядерного топлива (урановых руд) и др. Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество. Добывать водород из воды очень дорого, поэтому в США 95% водорода производятся из Природного газа (метана). Это, в свою очередь, делает водородное топливо дороже, чем наиболее дешевый сегодня энергоноситель – Природный газ. Джозеф Ромм прогнозирует, что если США перейдут на водородные автомобили, то вместо зависимости от поставщиков черного золота Соединенные Штаты попадут в зависимость от поставщиков газа. Впрочем, технологические и экологические препятствия использования водорода в качестве топлива не являются чем-то уникальным. Некогда похожие проблемы были у Природного газа, бензина ипоставщиковэнергии. К примеру, прошло более двух десятилетий поставщиковачала производства солнечных батарей до вывода их на уровень коммерческой окупаемости. Альтернативные энергоносители Биотопливо — это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, солома) и газообразное (биогаз, водород). Твердое биотопливо. Дрова - древнейшее топливо, используемое человечеством. В настоящее время для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрооборачиваемых растений. Дрова́ — куски дерева, предназначенные для сжигания в печи, камине, топке или костре для получения тепла и света. Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество, используемое в бытовых и производственных нуждах. В последнее время разработаны методы непосредственного получения электроэнергии с помощью специальных бактерий при сбраживании биологических отходов. Газ на дне океана.В массовом сознании альтернативными энергоносителями являются исключительно возобновляемые источники энергии – Солнце, ветер, биомасса, морской прибой и тому подобные. Есть, однако, и ещё один весьма перспективный, хоть и не возобновляемый энергоноситель: метан с морского дна. Многие о его существовании и не догадываются, что, в общем-то, простительно: ведь ещё совсем недавно об этом не знали и учёные. Между тем, на морском дне хранятся огромные запасы метана! Правда, он находится там в связанном виде – в форме твёрдых гидратов. 65.Экологическая биотехнология. В истекшем XX-ом столетии быстрые темпы урбанизации, индустриализации и стремительный рост мирового населения подняли уровень загрязнения окружающей среды до угрожающих размеров. Основными причинами загрязнения окружающей среды являются беспощадная эксплуатация природы человеком, неэффективное, до жадности чрезмерное использование природных ресурсов, в результате чего выброс в окружающую среду большого количества и разновидностей отходов затрудняет процесс самоочищения природы. В настоящее время среди главных проблем окружающей среды можно назвать парниковый эффект, кислотные дожди, истончение озонового слоя, загрязнение наземных и подземных вод горы химическими веществами, скопления твердых отходов в городах и промышленных отходов.Существующие в самой природе естественные «очистительные системы» вплоть до XIX века были в состоянии очищать отходы человечества, не оставляя следов в природе. Отходы, выброшенные в окружающую среду прямым или косвенным путем, уничтожались в ходе анаболической (конструктивной) и катаболической (деструктивной) деятельности живых организмов, где они использовались в качестве углерода и источника энергии. Сегодня чрезмерный рост отходов не только нарушает существующее экологическое равновесие, но и оказывает влияние на качественный уровень жизни, ставя под угрозу само её существование на земле. Отношения, наблюдаемые между растительным, животным миром и микроорганизмами с Вселенной, изначально идеально запрограммированы. Человечество, обнаружившее эти взаимоотношения, решило воспользоваться ими для сохранения экологического равновесия. В настоящее время разработка решений, касающихся проблем окружающей среды с использованием живых организмов, в особенности микроорганизмов, входит в область биотехнологий. 66.Биотехнология очистки промышленных отходов. Жидкие органические отходы – это сточные воды бытовых, сельскохозяйственных и промышленных предприятий, к полужидким относятся полужидкий навоз и осадки сточных вод, а твердые формируются из бытового мусора и подстилочного навоза. В настоящее время активно разрабатываются и используются аэробные процессы, позволяющие с высокой скоростью удалять даже низкие концентрации органических веществ. Существенным недостатком аэробных технологий, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию. При анаэробной обработке преимуществами являются незначительное образование биомассы, возможность удалять высококонцентрированные вещества и попутное образование возобновляемого источника энергии (метана). Оказалось, что в анаэробных условиях микроорганизмы способны разрушать органические соединения, содержащие ароматические и конденсированные циклические структуры. В современных процессах очистки, в основном, применяют естественно складывающиеся микробные сообщества. Видовой состав таких сообществ и взаимодействие микроорганизмов в них изучены недостаточно, что тормозит массовое применение биоремедиации. Изучение метаболических путей в микробных сообществах в перспективе позволит создать ассоциации микроорганизмов, способные разрушать весь набор загрязнителей. К твердым загрязнителям относятся бытовые отходы, твердые включения сточных вод и сельскохозяйственные остатки. Твердые бытовые отходы (ТБО) представлены пищевыми и туалетными остатками, бумагой и инертными материалами (стеклом, металлом, пластиком и т.д.). Рациональному использованию ТБО способствует их раздельный сбор.Самым простым методом утилизации твердых бытовых и промышленных отходов является их захоронение в естественных понижениях рельефа местности (оврагах, карьерах) и сваливание с последующей засыпкой слоем грунта. Захоронение может быть произведено на специальных полигонах ТБО с уплотненным глинистым дном. Слои мусора на полигонах периодически уплотняют и пересыпают слоем грунта. Высота мусорных куч может достигать 20-40 м. Микроорганизмы попадают в кучу вместе с отходами и из почвы и грунта. Разложение отходов происходит медленно (30-50 лет), при этом разрушается только 30% захороненной органики. В сельской местности органические отходы традиционно компостируются для получения удобрений. Компостирование является аэробным микробным процессом переработки органических веществ с выделением тепла. В настоящее время в развитых странах все большую популярность приобретает компостирование ТБО как альтернатива промышленным и бытовым свалкам больших городов. В ряде стран практикуют твердофазную анаэробную переработку, когда ТБО загружают в специальные реакторы для получения метана. 67.Нанобиотехнологии и основные направления их развития. Под нанотехнологиями понимают фундаментальные технологии, основанные на манипуляциях с наноструктурами (наночастицами). Наноструктуры – это объекты, размеры которых лежат в диапазоне от 1 до 100 нанометров (1 нанометр равен 10-9 метра). Нанотехнология возникла благодаря созданию микроскопических приборов, обеспечивающих возможность визуализации отдельных молекул, манипулирования ими и измерения возникающих между ними электромагнитных взаимодействий Использование достижений нанотехнологий в биологии привело к появлению нового направления – нанобиотехнологии. Нанобиотехнологии – раздел в нанотехнологиях, посвященный изучению воздействия наночастиц на живые системы, а также разработке способов моделирования и практического применения биологических наноструктур, наноявлений и нанопроцессов в экспериментальной биологии, медицине, экологии, сельском хозяйстве и других отраслях экономики. В настоящее время оформились три основных направленияв создании и развитии нанобиотехнологий. 1) моделирование и воспроизведение наноявлений и наномеханизмов живых систем в лабораторных и производственных условиях; 2)получение наночастиц и наноматериалов с участием живых организмов; 3) разработка методов и способов использования наноструктур и нанопроцессов для вторжения в живой организм с целью его исследования, диагностики состояния и лечения. К биологическим наноструктурам можно отнести, например, молекулы белков, размеры которых варьируют в пределах от 4 до 50 нм, молекула ДНК, имеющая толщину 1-2 нм, Самый главный нанопроцесс в живом организме – биосинтез белка. Задачами нанобиотехнологийв настоящее время считаются: решение фундаментальных биологических проблем, нерешенных с помощью традиционных цитологических и цитохимических методик (моделирование биологических процессов, анализ поведения биомолекул, мониторинг жизнедеятельности отдельных клеток); изучение взаимодействия наночастиц с молекулами ДНК с целью разработки новых методов генетической инженерии; изучение механизмов транспорта веществ через биологические мембраны с применением наночастиц и создание нанотехнологий направленной доставки лекарств; разработка на основе нанобиотехнологий лекарственных препаратов нового поколения разработка биосенсорных систем для биологии и медицины с целью выявления определенного вещества в окружающей среде или организме человека, а также для обнаружения мутаций; изучение возможностей применения наночастиц в качестве новых наноматериалов медицинского назначения: сорбенты для выведения из организма нежелательных и токсичных соединений (продукты метаболизма, тяжелые металлы, радионуклиды, ксенобиотики); создание новых высокочувствительных систем для диагностики и лечения заболеваний на самых ранних стадиях развития разработка и создание на основе нанобиочастиц технологий для выделения белков, их модификации и производства белковых препаратов; разработка самовоспроизводящихся систем на основе биоаналогов – бактерий, вирусов, простейших животных; изучение влияния наночастиц на сложноорганизованные биологические системы, включая организмы животных и человека; создание биологически совместимых (неотторгаемых организмом) медицинских материалов для пересадки в живой организм; разработка нанороботов, способных устранять возникающие в органах очаги поражения, и не провоцирующих иммунные реакции. К практическим применениям нанобиотехнологии относятся: – увеличение скорости и точности диагностики заболеваний; – создание наноструктур для доставки функциональных молекул в клетки-мишени; – повышение специфичности и скорости доставки лекарств; – миниатюризация биосенсоров путем объединения биологического и электронного компонентов в один мельчайший прибор; – способствование развитию экологически чистых производственных процессов. |