Примеры заданий по биотехнологии. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 131 01 0102 Биология (научнопедагогическая деятельность)
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
Учебно-методический комплекс включает материалы по основным положениям биотехнологии: модельным и базовым объектам биотехнологии, области их применения, принципам конструирования промышленных продуцентов, клеточной инженерии, сырьевой базе биотехнологии, типам и режимам ферментационных процессов. Излагаются положения об устройстве и принципах действия биореакторов, освещаются основы технологической биоэнергетики. В учебный комплекс включены также разделы, посвященные молекулярной генетике, генетической инженерии, технологиям рекомбинантных ДНК, методам конструирования трансгенных высокопродуктивных животных и растений. Рассматриваются юридические и этические аспекты генетической инженерии и биобезопасности. Адресован студентам биологических специальностей. 139 Г.Г. Гончаренко, А.В. Крук, Е.М. Степанова, А.А. Сурков, С.А. Зятьков ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ Гомель 2008 140 141 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины» Кафедра зоологии и охраны природы ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС для студентов специальности 1-31 01 01-02 «Биология (научно-педагогическая деятельность)» Издание второе, переработанное и дополненное. 142 Гомель 2008 143 144 ГОНЧАРЕНКО Григорий Григорьевич КРУК Андрей Викторович СТЕПАНОВА Екатерина Михайловна СУРКОВ Александр Александрович ЗЯТЬКОВ Сергей Александрович ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС В авторской редакции Подписано в печать 27.08.08 Бумага офсетая. Формат 60х84 1/16. Гарнитура "Таймс". Ризография. Усл. п.л.17,5. Уч.-изд. л. 18,2. Тираж 100 экз. Заказ № 319 к. Учреждение образования "Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины" 246019, г. Гомель, ул. Советская, 104 Лицензия № 357 от 12.12.2006 г. Отпечатано с оригинал-макета заказчика в УО «Белорусский торгово-экономический университет потребительской кооперации» 246029, г. Гомель, просп. Октября, 50 145 УДК 60 (075.8) ББК 30. 16 Я 73 Г 657 Рецензенты: Митрофанов В.Г., доктор биологических наук, профессор Валетов В.В., доктор биологических наук, профессор Рекомендовано к изданию научно-методическим советом учреждения образования "Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины" Гончаренко Г.Г. Г 657 Основы биотехнологии: Учебно-метод. комплекс для студ. биолог. спец. / Г.Г. Гончаренко, А.В. Крук, Е.М. Степанова, А.А. Сурков, С.А. Зятьков; Мин. обр. РБ. – Гомель: УО «ГГУ им. Ф. Скорины», 2008. – 282 с. Учебно-методический комплекс включает введение, требования образовательного стандарта, учебную программу, тексты лекций, планы практических занятий. Приводятся материалы по основным положениям биотехнологии: модельным и базовым объектам биотехнологии, области их применения, принципам конструирования промышленных продуцентов, клеточной инженерии, сырьевой базе биотехнологии, типам и режимам ферментационных процессов. Излагаются положения об устройстве и принципах действия биореакторов, освещаются основы технологической биоэнергетики. В учебный комплекс также включены разделы, посвященные молекулярной генетике, генетической инженерии, технологиям рекомбинантных ДНК, методам конструирования трансгенных высокопродуктивных животных и растений. Рассматриваются вопросы, посвященные этическим и юридическим аспектам генетической инженерии и биобезопасности. Адресован студентам биологических специальностей. © Коллектив авторов, 2008 © Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины», 2008 146 СОДЕРЖАНИЕ Введение ………………………………………………………….. 5 1Требования образовательного стандарта………………………...... 6 2 Учебная программа ………………………………………………… 10 3 Тексты лекций………………………………………………………. 14 Лекция 1. Предмет биотехнологии, задачи, методы и перспективы развития……...………………………….. 14 Лекция 2. Подбор биотехнологических объектов………………. 27 Лекция 3. Культивирование биотехнологических объектов ....... 32 Лекция 4. Технология ферментационных процессов………........ 36 Лекция 5. Отделение, очистка и модификация продуктов……… 47 Лекция 6. Использование биотехнологии в пищевой промышленности………………………………………. 52 Лекция 7. Медицина и биотехнология………………………....... 62 Лекция 8. Использование биотехнологических процессов в производстве энергии…………………………………. 70 Лекция 9. Сельское хозяйство и биотехнология……………....... 79 Лекция 10. Окружающая среда и биотехнология……………........ 87 Лекция 11. Химия и биотехнология……………………………….. 100 Лекция 12. Материаловедение и биотехнология…………………. 108 Лекция 13. Основы клеточной инженерии растений……….......... 115 Лекция 14. Использование методакультуры клеток и тканей в создании современных технологий ….………………. 121 Лекция 15. Клональное микроразмножение и оздоровление растений………………………………………………… 129 Лекция 16. Молекулярно-генетические основы генетической инженерии…………………………………………........ 139 Лекция 17. Ферменты рестрикции и получение гибридной ДНК……………………………………………………. 144 Лекция 18. Анализ и использование фрагментов ДНК (ДНК- последовательностей)…………………………………. 147 Лекция 19. Плазмидные векторы – специальные устройства для доставки и клонирования чужеродных генов.............. 150 Лекция 20. Фаговые и космидные векторы и создание геномных библиотек………………………………………………. 155 Лекция 21. Генная дактилоскопия и определение полных нуклеотидных последовательностей ДНК…………….… 161 Лекция 22. Амплификация фрагментов ДНК с помощью метода полимеразной цепной реакции (ПЦР)………………... 168 147 Лекция 23. Гены и геномы…………………………………………. 177 Лекция 24. Генетическая инженерия и перспективы использование трансгенных животных……………… 186 Лекция 25. Генетическая инженерия в производстве фармакологических и лекарственных препаратов.... 196 Лекция 26. Применение генетической инженерии в растениеводстве…………………………………........ 204 Лекция 27. Генетическая инженерия и биобезопасность………... 215 4 Тематика практических занятий…………………………………... 219 5 Глоссарий ………….……………………..……………………........ 254 Литература …………………………………………………….......... 280 148 ВВЕДЕНИЕ Биотехнология – стремительно развивающаяся и интегрирующая наука, пронизывающая все биологические науки и направления исследований. Современная биотехнология – это междисциплинарная наука и отрасль производства, которая базируется на использовании биологических объектов и систем при получении пищевых продуктов, энергии, медицинских препаратов; при очистке сточных вод, переработке отходов и др. Междисциплинарная природа биотехнологии выражается в ее связи с такими науками, как генетика, микробиология, биохимическая и химическая технология и механика систем и аппаратов катализа. На развитие биотехнологии существенное влияние оказывают открытия в области генетической инженерии, иммунологии, технологии ферментации, биоэлектрохимии. Первое место в современной биотехнологии принадлежит генетической инженерии. Она предоставила исследователям новую, исключительно ценную возможность – изменять генетическую программу бактериальных, растительных и животных клеток, и тем самым как бы завершила формирование биотехнологии. Особенность развития многих перспективных направлений биотехнологии в значительной степени определяется необходимостью тесного международного сотрудничества. Использование биотехнологических принципов и биологических процессов в производстве может существенно изменить многие направления развития промышленности и сельского хозяйства. Интерес к этой науке и отрасли человеческой деятельности в последние годы растет очень быстро. Цель преподавания состоит в ознакомлении студентов с биологическими объектами и их применением в народном хозяйстве, здравоохранении и науке, возможностями генетической и клеточной инженерии (получение высокоэффективных штаммов микроорганизмов, новых сортов растений и пород животных), устройством и принципами действия биореакторов, с основами технологической биоэнергетики. Знания и навыки, приобретаемые студентами, могут использоваться для решения задач сельского хозяйства, медицины и различных отраслей народного хозяйства. Учебно-методический комплекс по курсу "Основы биотехнологии" адресован студентам биологических специальностей. Авторы выражают искреннюю благодарность И.Д. Волотовскому, Л.В. Хотылевой, Н.А. Картелю, А.В. Кильчевскому и О.Г. Давыденко за всестороннюю поддержку данной работы, а также рецензентам В.В. Валетову, В.Г. Митрофанову и сотрудникам кафедр 149 биологического факультета БГУ за ряд полезных советов и предложений, направленных на улучшение данного учебного пособия. 150 1 ТРЕБОВАНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА (Руководящий документ Республики Беларусь РД РБ 02100. 5. 040-98) ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ Дисциплина «Основы биотехнологии» Практические задачи и важнейшие этапы развития биотехнологии. Связь биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими науками. Основные объекты биотехнологии: клетки про- и эукариот, их характеристика и область применения. Понятие о модельных и базовых объектах биотехнологии, принципы конструирования промышленных продуцентов. Сырьевая база биотехнологии. Типы и режимы ферментационных процессов. Основные направления биотехнологии. Генетическая инженерия и технология рекомбинантных ДНК. Производство продуктов для пищевой, медицинской, фармацевтической промышленности, сельского хозяйства и т.д. ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ И УМЕНИЯМ Специалист должен: иметь представление: - о роли биологического многообразия как ведущего фактора устойчивости живых систем и биосферы в целом; - о природе основных физиологических процессов в живых организмах, о механизмах регуляции и основных закономерностях взаимоотношений организмов с окружающей средой; - о структуре и функциях гена, принципах и методах генетического анализа, о теории и практике мутагенеза, мутагенных эффектах природных и антропогенных факторов; - о принципах генетической инженерии и ее использовании в биотехнологии; - о современных проблемах и перспективах развития биологии и биотехнологии в частности; - о роли объектов профессиональной деятельности в биосфере, их хозяйственном и медицинском значении; знать: - особенности морфологии, физиологии и 151 воспроизведения; географическое распространение и экологию представителей основных таксонов, уметь планировать мероприятия по их охране и рациональному использованию в хозяйственных и медицинских целях; - основные группы вирусов бактерий, растений и животных, особенности их организации как неклеточных форм жизни, репликацию разных типов вирусов и их распространение в природе, а также меры профилактики наиболее опасных вирусных инфекций; - особенности организации прокариотических клеток, разнообразие метаболических активностей прокариот и их роль в различных биологических системах; - особенности культивирования различных биологических объектов, типы и режимы ферментации и устройство ферментера; - основные черты физиологии растительной клетки, механизмы фотосинтеза, дыхания, водообмена, роста и развития растений, устойчивости растений к неблагоприятным факторам; - современное учение о клетке, уметь использовать экспериментальные модели на клеточном и субклеточном уровне; - основные черты строения, метаболизма, физиологии и закономерностей воспроизведения и специализации клеток; клеточный цикл и его регуляцию; основные черты строения, развития, функционирования и эволюции тканей животных и растений; типы тканей; - биохимические и структурные характеристики основных субклеточных компонентов, метаболические пути и их регуляцию; иметь представление о матричных макромолекулярных синтезах, термодинамических особенностях живых систем и биоэнергетике, о современных методологических подходах в области биологии клетки; - биофизические закономерности биологических процессов, основы фотобиологии и термодинамики биологических систем; - технологию производств при получении биологически активных веществ; - особенности биотехнологических продуктов на основе первичных и вторичных метаболитов клетки, а также закономерности их синтеза; 152 - способы очистки, концентрирования и получения товарной формы биопрепаратов; - основные закономерности биологии размножения животных и растений; - основные этапы онтогенеза, морфологические функциональные и биохимические изменения в ходе развития у представителей различных таксонов; - понимать механизмы роста, морфогенеза и дифференцировки, причины появления аномалий развития; - принципы формирования и функционирования надорганизменных систем различных уровней; - принципы и методы биотехнологии, этапы и становление, основные современных направления и достижения; - основы дидактики биологии, содержание и структуру школьных учебных планов, программ и учебников и уметь их анализировать; - требования к минимуму содержания и уровню подготовки учащихся по биологии, устанавливаемые государственным общеобразовательным стандартом; - проблемы и тенденции развития биологического образования и пути их решения; - уметь использовать новые технологии обучения; - фундаментальные аспекты, современные методологические подходы и актуальные проблемы науки в избранном направлении специализации; - требования техники безопасности и приемы оказания первой помощи при несчастных случаях; владеть: - навыками и методами анатомических, морфологических и таксономических исследований биологических объектов; - физико-химическими методами изучения клеток и тканей, иметь представление о методах выделения и исследования субмикроскопических структур; - методами функциональной диагностики, исследования и анализа живых систем, математическими методами обработки результатов, понимать принципы построения и использования математических моделей биологических процессов; - основами психолого-педагогических знаний и методикой преподавания биологии; - методами наблюдения, описания, культивирования, классификации, экспериментального анализа 153 биотехнологических объектов; уметь использовать: - знания о развитии биотехнологии и биологии. - выбор форм и методов обучения; - планирование учебных занятий в соответствии с учебным планом и на основе его стратегии; организовывать и контролировать различные по форме обучения занятия; - методический анализ дидактического материала; - новые технологии обучения; иметь опыт: - наблюдения, описания, идентификации, классификации живых организмов; - работы с растительными и животными объектами с использованием методов физиологии растений и животных, гибридизации и молекулярной биологии; - работы с классическими объектами генетических исследований, проводить анализ результатов, решать задачи по генетике; - преподавания биологии; - проведения полевых и лабораторных работ. 154 2 УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ПО КУРСУ «ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ» Раздел 1 ВВЕДЕНИЕ Тема 1 Становление и основные направления развития биотехнологии. Биотехнология как межотраслевая область научно-технического прогресса и раздел практических знаний. Основные факторы, обусловившие развитие современной биотехнологии. Связи биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими науками. Практические задачи биотехнологии и важнейшие этапы ее развития. Области применения достижений биотехнологии. Перспективы развития биотехнологии. Раздел 2 ОБЪЕКТЫ БИОТЕХНОЛОГИИ Тема 2 Подбор биотехнологических объектов. Принципы подбора биотехнологических объектов: модельные и базовые микроорганизмы, штаммы микроорганизмов, используемые в биотехнологии. Растения как источник биологически активных веществ. Использование животных и культур животных клеток для продукции биологически активных веществ. Тема 3 Микроорганизмы - основные объекты биотехнологии. Преимущества микроорганизмов перед другими объектами в решении современных биотехнологических задач. Выделение и селекция микроорганизмов. Принципиальные подходы к улучшению штаммов промышленных микроорганизмов. Промышленные ферменты, продуцируемые микроорганизмами. Раздел 3 СЫРЬЕВАЯ БАЗА БИОТЕХНОЛОГИИ 155 Тема 4 Субстраты, используемые в биотехнологии. Требования, предъявляемые к питательным субстратам, используемым в биотехнологических процессах. Природные сырьевые материалы растительного происхождения. Отходы различных производств как сырье для биотехнологических процессов. Химические и нефтехимические субстраты, применяемые в качестве сырья для биотехнологии. Раздел 4 ТЕХНОЛОГИИ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ Тема 5 Ферментационные процессы. Преимущества и недостатки биотехнологических производств по сравнению с химическими технологиями. Питательные среды для ферментационных процессов. Принципиальные схемы биотехнологических процессов, определяющие конструкции биореакторов. Типы и режимы ферментации. Требования, предъ- являемые к биореакторам. Принципы масштабирования техно- логических процессов. Специализированные ферментационные технологии. Тема 6 Конечные стадии получения продуктов биотехнологических процессов. Технологии культивирования клеток животных и растений. Конечные стадии получения продуктов биотехнологических процессов. Отделение биомассы. Методы дезинтеграции клеток. Выделение целевого продукта. Раздел 5 ФЕРМЕНТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ |