Примеры заданий по биотехнологии. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 131 01 0102 Биология (научнопедагогическая деятельность)
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
Тема 7 Применение ферментов в биотехнологических процессах. Область применения ферментов в биотехнологических производствах. Преимущества и недостатки ферментных технологий. Иммобилизованные ферменты и преимущества их применения в биотехнологии. Природные и синтетические органические носители, используемые для иммобилизации ферментов. Типы неорганических носителей. Способы иммобилизации ферментов: адсорбция, включение в гели и полупроницаемые мембраны, ковалентное связывание. Иммобилизованные клетки в биотехнологии. Раздел 6 БИОТЕХНОЛОГИЯ В МЕДИЦИНЕ, ПРОМЫШЛЕННОСТИ И СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ Тема 8 Биотехнология в пищевой промышленности и медицине. Технология производства молочных продуктов. Производство хлебопродуктов. Бродильные производства (пиво, вино), получение 156 белковых продуктов, пищевых добавок и ингредиентов. Биотех- нология производства "одноклеточного" белка и его продуценты. Особые требования к производству белковых продуктов меди- цинского назначения. Производство белковых компонентов крови. Производство гормонов, регуляторных факторов и феpмeнтoв. Микроорганизмы, используемые для синтеза лекарственных веществ. Применения иммобилизованных ферментов в медицине. Тема 9 Использование биотехнологических процессов в сельском хозяйстве, энергетике и химической промышленности. Перспективы использования биотехнологии в сельском хозяйстве. Улучшение сортов растений. Биологическая фиксация азота бобовыми культурами при симбиозе. Биологический контроль. Применение методов биотехнологии в производстве энергии. Производство этанола. Биотехнологические способы получение метана. Бродильное производство растворителей. Технология производства органических аминокислот. Органические кислоты, продуцируемые микроорганизмами. Биоэкстрактивная металлургия. Биополимеры. Биоповреждение материалов. Раздел 7 КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Тема 10 Использование культуры клеток организмов в биотехнологии. Методы культивирования клеток высших растений. Каллусные и суспензионные культуры; методы получения и область использования. Протопласты растительных клеток; способы получения, методы культивирования и регенерации. Слияние протопластов растительных клеток. Гибридизация соматических клеток растений. Культивирование клеток и тканей животных. Необходимые условия для культивирования клеток животных. Клональное микроразмножение и оздоровление клеток растений. Моноклональные антитела и технология гибридом. Криосохранение. Раздел 8 МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ И ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ Тема 11 Молекулярно-генетические основы реализации генетической информации в клетке. Генетическая инженерия и технология рекомбинантных молекул. Основные открытия, теоретически обосновавшие технологический подход к наследственной информации. Общие понятия о матричных процессах: репликация, транскрипция, трансляция. Тема 12 Инструменты генетической инженерии. Инструменты генетической инженерии. Рестрицирующие 157 эндонуклеазы; их основные характеристики и область применения. Способы «нарезания» и идентификации фрагментов ДНК. Соединение фрагментов ДНК. Обратная транскриптаза и ее использование в генной инженерии. ДНК-полимераза и ДНК-лигаза. Тема 13 Векторные системы, применяемые для клонирования в клетках прокариот и эукариот. Понятие вектора. Общие свойства векторов. Векторные системы, применяемые при молекулярном клонировании в клетках прокариот. Типы векторов: плазмидные и фаговые векторы природного и искусственного происхождения. Принципы конструирования векторов. Фаг λ, и векторы, сконструированные на основе его генома. Фазмиды, космиды и их применение. Упаковочная система фага λ. Банки генов и клонотеки. Векторные системы для клонирования в клетках дрожжей. Использование вирусных геномов в качестве векторов для введения генетической информации в клетки животных. Природные векторы для растений. Организация и «поведение» Ti-плазмиды. Тема 14 Клонирование генов. Стратегия клонирования. Экспрессия чужеродной генетической информации в клетках бактерий, дрожжей, растений и животных. Особенности организации векторных систем для экспрессии генов. Получение продуцента человеческого гормона роста. Способы введения клонируемой ДНК в клетки бактерий, растений и животных. Методы отбора клеток, наследующих рекомбинантные молекулы с необходимым геном. Тема 15 Анализ фрагментов ДНК и определение полных нуклеотидных последовательностей. Электрофоретический метод анализа. Построение рестрикционных карт ДНК. Метод Саузерн-блот гибридизации. Минисателлитная ДНК. Генная дактилоскопия. Методы секвенирования фрагментов ДНК. Амплификация фрагментов ДНК с помощью метода полимеразной цепной реакции (ПЦР). Характеристика метода ПЦР и его основные стадии. Использование ПЦР в диагностике наследственных заболеваний. ПЦР и направленный сайт-специфический мутагенез. Раздел 9 ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ И ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ Тема 16 Гены и геномы (геномика). Определение нуклеотидных последовательностей в геномах. Аннотация расшифрованной последовательности. Характеристика 158 геномов прокариот. Характеристика геномов эукариот. Минимальный геном, необходимый для жизни. Тема 17 Успехи биотехнологии и генетической инженерии в сельском хозяйстве и медицине. Использование биотехнологических подходов в животноводстве и растениеводстве. Основные этапы получения трансгенных живот- ных. Получение трансгенных животных с необходимыми признаками. Генная терапия. Получение трансгенных растений. Применение методов генетической инженерии для улучшения хозяйственных свойств растений. Повышение устойчивости растений к болезням и вредителям. Перспективы использования трансгенных растений. Биотехнология и медицина. Производство гормонов человека генно-инженерными методами. Получение антибиотиков на основе генно-инженерных технологий. Получение новых вакцин. Тема 18 Биотехнология и окружающая среда. Биотехнология и окружающая среда. Социальные аспекты биотехнологии и биоинженерии. Генетическая инженерия и биобезопасность. 159 3 ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ БИОТЕХНОЛОГИИ, ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ 1 Предмет биотехнологии. 2 Развитие биотехнологии в СНГ. 3 Развитие биотехнологии в Белоруссии. 4 Перспективы развития биотехнологии, использование биотехнологических процессов в различных отраслях народного хозяйства. 1 Предмет биотехнологии. Биотехнология – наука о способах создания продуцентов биологически активных веществ на основе живых организмов и использовании биологических объектов и биологических процессов в технике, промышленном производстве, охране окружающей среды. Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: пивоварение, выпечка хлеба, хранение и переработка продуктов путем ферментации (сыр, уксус, соус, мыло, простейшие лекарства, переработка отходов). Разработка методов генной инженерии, основанных на создании рекомбинантных ДНК, привела к "биотехнологическому буму" и значительно ускорила развитие основных отраслей биотехнологии. В 50-60-х годах ХХ века стали интенсивно развиваться многие направления биотехнологической промышленности: сельское хозяйство, производство химических веществ, энергетика, контроль за состоянием окружающей среды, пищевая промышленность, материаловедение, медицина. Использование достижений науки в биотехнологии связано с фундаментальными исследованиями, которые осуществляются на самом высоком современном уровне. Можно перечислить важнейшие отрасли науки, которые внесли и вносят большой вклад в осуществление того или иного биотехнологического процесса: микробиология, генетика, биохимия, химическая технология, технология пищевой промышленности, электроника и др. Развитие отдельных перспективных разделов биотехнологии осуществляется при тесном международном сотрудничестве специалистов, ученых и технологов. Например: в области генной инженерии лишь немногие научные коллективы в мире обладают достаточным опытом работы, 160 но их разработки быстро становятся достоянием мировой научной общественности. Возникновение современной биотехнологии было бы невозможно и без успехов в разработке инструментальных методов исследований, основанных на использовании современнейших приборов как отечественного, так и зарубежного производства. В любом биотехнологическом процессе необходимо обязательное участие и взаимодействие между собой организмов (бактерии, грибы, дрожжи и т.д.) с субстратом (питательная среда или вещество, разлагаемое тем или иным микроорганизмом). Современная промышленная биотехнология включает четыре основные стадии: 1 - выбор штамма микроорганизма или культуры клеток, обладающих повышенной продуктивностью; 2 - подбор питательной среды, обеспечивающей оптимальный биосинтез целевого продукта; 3 - культивирование клеток-продуцентов; 4 - выделение целевого продукта, его обработка, очистка, получение товарной формы этого продукта. Сам термин "биотехнология" не сразу стал общепринятым. Слово "bio"- в переводе с греческого "жизнь". "technos"- способ, метод индустриального производства. Для использования наиболее тесно связанных с биологией разнообразных способов получения биологически активных веществ применяли такие термины, как прикладная микробиология, прикладная биохимия, технология ферментов, биоинженерия, прикладная генетика и т.д. Ранее не имелось научных представлений о процессах, лежащих в основе различных технологий, однако на протяжении тысячелетий успешно использовался метод микробиологической ферментации для сохранения пищи: получение сыра, уксуса, улучшение вкуса, выпечка хлеба и приготовление соевого соуса, производство спиртных напитков. Наиболее древняя и, в настоящее время, важная в денежном исчислении отрасль пищевой промышленности - пивоварение. Первый рецепт пива был обнаружен 6000 лет до нашей эры в древнем Вавилоне, а около 3000 лет до н.э. было известно 20 сортов пива. В настоящее время во всем мире ежегодно производится около 10 11 -10 12 литров пива различных сортов и наименований. Благодаря трудам Л. Пастера в конце Х1Х века были созданы реальные предпосылки для дальнейшего развития прикладной микробиологии. Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют различные их виды. Его исследования послужили основой развития в начале ХХ века бродильного производства органических растворителей (ацетона, 161 этанола, бутанола и изопропанола). Во всех этих процессах микроорганизмы в бескислородной среде осуществляют превращение углеводов растений в ценные продукты. В качестве источника энергии для роста микробы в этих условиях используют изменения энтропии при превращении веществ. Значительным этапом в развитии биотехнологии была организация промышленного производства антибиотиков. Основанием для этого послужило открытие в 1940 г. Флемингом, Флори и Чейном химиотерапевтической активности пенициллина. Как известно, данный антибиотик и его производство занимали одно из ведущих мест в медицинской биотехнологии до настоящего времени. Использование микроорганизмов при переработке отходов не требует создания стерильных условий, напротив, чем больше разных микроорганизмов участвует в данном процессе, тем лучше. Процесс минерализации органических отходов в аэробных условиях, основанный на использовании микроорганизмов активного ила, был разработан в 1914 году. С тех пор он существенно модернизирован, стал более сложным и производительным, и используется во всем мире для переработки сточных вод. Утилизация стоков в анаэробных условиях смешанной микрофлорой вызывает образование биогаза (СН 4 и СО 2 ), который используется как дешевая энергия. Одно из первых мест по производству биогаза занимает Китай (около 20 миллионов генераторов биогаза). В последние годы применяются небольшие установки, предназначенные для переработки отходов сельского хозяйства. Наиболее интенсивно биотехнологическая промышленность стала развиваться после второй мировой войны. Толчком к ее развитию послужили следующие открытия: - Уотсон и Крик в 1953 г. установили пространственную структуру ДНК. - Благодаря работам Сэнгера по структуре белков (структура инсулина), а также Эдмана и Бэгга (1967 г.) по деградации белков, появились приборы автоматического определения структуры белков (последовательности аминокислот, 1978 г.). - В 1980 году в Калифорнийском университете был сконструирован секвенатор белков, который мог определять последовательность более 200 аминокислот в день. - По установленной структуре ДНК начались исследования по синтезу биополимеров. В 1977 г. в медицинском национальном центре "Хоуп " (Калифорния) синтезирован ген соматостатина 162 (Итакура); в 1979 г. – ген инсулина человека; в 1980 г. – Итакура создал синтезатор генов. 2 Развитие биотехнологии в СНГ. В 1986 г. было создано Министерство медицинской и микробиологической промышленности. В то время в СССР было налажено промышленное производство белка одноклеточных организмов (БОО), представлявшего собой сухую биомассу дрожжей Saсcharomyces cerevisiae. Объем производства этого белка в год составлял 1 млн. тонн, причем 40% на основе использования в качестве субстрата гидролизатов древесины и 60% – нормальных парафинов нефти. Появились новые направления, развивающиеся на основе биотехнологии, и продукты, получаемые с ее помощью. Широкое распространение получило производство аминокислот в аэробных микробиологических процессах. В наибольшем количестве вырабатывался глутамат натрия (ежегодное производство в мире составляло более 150 тыс. тонн), используемый как усилитель вкуса. На втором месте по производству был лизин, который использовался как пищевая добавка. В 1985 году в СССР производилось примерно 20 тыс. тонн лизина. Использование 1 тонны лизина в составе комбикорма экономит 40 – 50 тонн фуражного зерна. В СССР успешно развивалась биотехнология антибиотиков, и в 1988 году СССР занимал 2-е место в мире по их производству после США. В настоящее время во многих странах мира, в том числе и странах СНГ, создана и быстро развивается микробиологическая промышленность. Продуктами этой промышленности являются антибиотики, аминокислоты и нуклеозиды, ферменты, биологические средства для борьбы с насекомыми (инсектициды), кормовой белок, витамины, этиловый и бутиловый спирты, ацетон, полисахариды, бактерии-азотфиксаторы, бактерии-биодеграданты вредных веществ и т. д. Большое распространение микробиологические процессы нашли при добыче металлов из бедных руд, для увеличения выхода нефти из пластов. Разработка методов генной инженерии позволила наладить микробиологическое производство ценных белков человека и сельскохозяйственных животных (интерферон, гормон роста и т.д.). В СССР первые работы с рекомбинантными ДНК были начаты в 70-х годах прошлого столетия. Центром отечественной генной инженерии являлась Москва (Институт молекулярной биологии, Институт биоорганической химии, Институт вирусологии). Под руководством академика Баева А.А. были созданы бактериальные штаммы 163 продуценты интерферона, инсулина, гормона роста человека; проведены клинические испытания препаратов. Большие исследования в области генной инженерии в первой половине 80-х годов были проведены в Новосибирске и других регионах. Как уже отмечалось, микробная клетка – это "совершенный биоагрегат". Однако для большинства промышленных задач генетическая программа клетки должна быть перестроена таким образом, чтобы направить биосинтетический потенциал клетки на производство необходимого продукта, а не на непрерывное самовоспроизводство. Даже в тех случаях, когда ставится цель простого получения биомассы (кормовой белок), могут потребоваться изменения свойств, улучшающие технологические параметры процесса, повышающие конверсию субстрата в продукт и так далее. Вопросами совершенствования промышленных микроорганизмов традиционно занимаются микробиологи – селекционеры. Слово "селекция" (от лат. selectio) означает отбор. Действительно, на протяжении длительного времени и в наши дни, для малоизученных с точки зрения генетики микроорганизмов, единственным способом их улучшения является индуцированный мутагенез и ступенчатый отбор лучших вариантов (штаммов). Метод трудоемок, так как отбор, как правило, проводится без детального знания путей биосинтеза. Селекционные работы такого рода могут занимать длительное время (годы). Тем не менее, практика показывает, что многолетняя селекция штаммов – продуцентов пенициллина позволила поднять активность от 100 до 40 000 ед/мл и более. Задача создания высокопродуктивных штаммов намного упрощается, если селекционер имеет достаточно знаний о путях биосинтеза того или иного метаболита и имеются способы генетического обмена у исследуемого микроорганизма, позволяющие собрать в одном штамме все полезные мутации и элиминировать все вредные. Развитие метаболической инженерии, познание молекулярных механизмов репликации ДНК, транскрипции и трансляции, регуляции активности и экспрессии генов, дало возможность на современном этапе развития биотехнологии сознательно конструировать штаммы микроорганизмов с заданными свойствами. Применение названных подходов в сочетании с применением классической селекции и составляет суть современной селекции микроорганизмов, участвующих в том или ином биотехнологическом процессе. 3 Развитие биотехнологии в Беларуси. 164 Правительство Республики Беларусь утвердило Государственную программу "Развитие биологической науки, биологического образования и биологической промышленности на 2007-2011 годы и на период до 2015 года" ("Биотехнология"). Она разработана специалистами Национальной академии наук, Министерства образования, Министерства сельского хозяйства и продовольствия и концерна "Белбиофарм". Эта программа состоит из трех взаимосвязанных блоков заданий, направленных на решение проблем биологической отрасли на всех уровнях — от подготовки специалистов до использования научных разработок в микробиологическом производстве. Также предусматривается создание системы координации биологических исследований, которая должна усилить взаимодействие между научными организациями, вузами и предприятиями. В рамках программы проводятся исследования и опытно- конструкторские работы в сфере сельского хозяйства, медицины и промышленных биотехнологий, а также в области ДНК-технологий с использованием молекулярно-генетических и генно-инженерных подходов. Планируется создать несколько сортов растений, в том числе трансгенных, разработать методы ДНК-диагностики заболеваний человека, получить рекомбинатные формы микроорганизмов. Программой предусмотрено и техническое перевооружение биологической отрасли промышленности. Так, планируется модернизировать 15 микробиологических производств, осуществить полное переоснащение Новополоцкого завода белково- витаминных концентратов и Бобруйского гидролизного завода. Также намечено построить два новых завода и создать три биотехнологических селекционных животноводческих центра. В 2002 году наше государство приняло решение о присоединении к Картахенскому протоколу по биобезопасности – международному документу, который регулирует ввоз и вывоз генно-инженерных организмов. Тогда был разработан проект Закона Республики Беларусь о безопасности генно-инженерной деятельности. В первом чтении он уже принят в Палате представителей Национального собрания. В 2005 г. постановлением Совета Министров Республики Беларусь была принята программа по развитию генно-инженерной биотехнологии для нужд медицины и сельского хозяйства. В рамках ее должны осуществиться более трех десятков научных проектов по созданию генно-инженерных организмов. В настоящее время ученые работают в рамках проекта международной технической помощи, финансируемого программой ООН по окружающей среде и 165 Глобальным экологическим фондом. Он называется «Разработка системы биобезопасности для Республики Беларусь». Имеются и конкретные примеры развития биотехнологии в Беларуси. Так, ученые Института рыбного хозяйства Национальной академии наук разработали биотехнологические приемы искусственного воспроизводства европейского сома. Сформировано собственное маточное стадо из рыб, которые обитают в белорусских водоемах, отработаны процессы получения молоди и выращивания ее на разных этапах. Технология передана хозяйствам для промышленного использования. Рыбхоз «Белое» Житковичского района в нынешнем году уже получил первую товарную продукцию. Как считают белорусские ученые, европейский сом весьма перспективный объект для разведения в прудовых условиях. |