Примеры заданий по биотехнологии. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 131 01 0102 Биология (научнопедагогическая деятельность)
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
4 Перспективы развития биотехнологии, использование биотехнологических процессов в различных отраслях народного хозяйства. Благодаря расширению сферы применения биотехнология вносит весомый вклад в повышение уровня жизни человека. Сфера применения методов биотехнологии широка и разнообразна: 1. Процессы биосинтеза и биодеградации. 2. Получение углеродсодержащего сырья для химической промышленности. 3. Химическая переработка (очистка продукта). 4. Получение химических продуктов, использующихся в быту: клеи, красители, волокна, вкусовые добавки, загустители, душистые вещества, пигменты, пластики, смазки и т.д. 5. Получение источников энергии. 6. Контроль за состоянием окружающей среды (воздух, вода, почва). 7. Получение пищевых продуктов и напитков. 8. Получение современных лекарственных препаратов, совершенствование методов диагностики заболеваний, борьба с болезнями растений и животных. 9. Совершенствование методов добычи минерального сырья. По анализу специалистов быстрее всего применение биотехнологии дает хорошие результаты в медицине, химической промышленности и сельском хозяйстве. В дальнейшем мы подробнее остановимся на отдельных биотехнологических процессах в выше перечисленных отраслях народного хозяйства. Пищевые продукты и напитки. Традиционные способы использования микроорганизмов при производстве различных сортов 166 пива, вина и сброженных продуктов совершенствовались тысячелетиями, и все же до недавнего времени в них было больше искусства, чем технологии. Только с развитием микробиологии стало возможным контролировать качество продуктов, процессы ферментации стали более надежными и воспроизводимыми, появились новые типы продукции (например, БОО и вкусовые добавки). Наиболее успешными представляются два взаимосвязанных направления развития этой отрасли биотехнологии: Во-первых, в дополнение к традиционным способам производства пищи могут придти биореакторы, в которых будут расти клетки животных и растений или же микроорганизмы. Дело в том, что выход продукции при использовании ферментеров или биореакторов может быть существенно выше, чем в сельском хозяйстве: идущие в них процессы гораздо более интенсивны. Развитию этого направления способствует и все возрастающая конкуренция за имеющиеся земельные ресурсы. Во-вторых, эта альтернативная традиционному сельскому хозяйству технология будет становиться все более производительной благодаря использованию методов генетической инженерии, которые позволяют получить улучшенные линии клеток и штаммы микроорганизмов. Медицина. Многообразны связи биотехнологии с медициной в производстве антибиотиков. Антибиотики – это специфические продукты жизнедеятельности определенных групп микроорганизмов, обладающие высокой физиологической активностью и подавляющие развитие патогенных микроорганизмов. Они избирательно задерживают их рост или полностью подавляют развитие. Важнейшими из них являются пенициллин (продуценты гриба рода Penicillium); стрептомицин (продуценты актиномицеты рода Streptomyces); тетрациклин (продуценты актиномицеты рода Streptomyces) и др. Постоянно осуществляется поиск новых антибиотиков, что в значительной степени связано с тем, что они могут вызывать аллергические реакции, и выработкой у патогенных микроорганизмов устойчивости к применяемым препаратам. Благодаря применению технологии рекомбинантных ДНК были достигнуты крупные успехи в медицине. Разработаны эффективные методы промышленного производства интерферона человека (гены человека клонированы в микроорганизмах). Помимо гена интерферона были клонированы гены инсулина и гормона роста человека. В целях крупномасштабного производства были 167 клонированы гены многих других белков человека и животных, необратимые для диагностики и лечения. Большое значение имеет и разработка методов производства моноклональных антител. Моноклональные антитела используются в наборах для проведения радиоиммунологического анализа (РИА), диагностики, иммунодиагностики и терапии. Биотехнология открывает медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие достижения произошли в направлении синтеза пептидных гормонов. Раньше гормоны получали из тканей и органов животных и человека (кровь доноров, органы и ткани). Требовалось много материала для получения небольшого количества гормонального продукта: так, человеческий гормон роста (соматотропин) получали из гипофиза человека, а каждый гипофиз содержит не более 4 мл гормона. В тоже время для лечения одного ребенка, страдающего карликовостью, требуется 7 мл гормона в неделю, а курс лечения может быть до нескольких лет. С помощью генной инженерии, используя штамм Escherichia coli в настоящее время получают до 100 мл гормона роста на 1 л среды культивирования. Кроме того, гормон соматотропин способствует заживлению ран и ожогов, а наряду с кальцитонином (гормон щитовидной железы) - регулирует обмен Са 2+ в костной ткани. Для лечения сахарного диабета применяется инсулин – пептидный гормон островков Лангерганса поджелудочной железы. Его дефицит проявляется повышением уровня глюкозы в крови. Ранее инсулин получали из поджелудочных желез домашних животных (крупный рогатый скот, свиньи). Однако препарат отличается от человеческого инсулина 1 – 3 аминокислотными заменами и мог вызывать у человека аллергические реакции. С помощью генной инженерии стало возможным получать инсулин для человека с невысокой себестоимостью и высокой эффективностью терапевтического действия. На повестке дня вопрос о промышленном синтезе гормонов нервной системы - энкефалинов. Эти гормоны снимают болевые ощущения, создают хорошее настроение, повышают работоспособность, улучшают память, концентрируют внимание, регулируют режим сна. Значительный вклад биотехнология вносит в промышленное производство пептидных гормонов и стероидов. Методы микробиологической трансформации позволили резко сократить число этапов химического синтеза кортизона – гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артрита. 168 Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тироксина из микроводорослей. Важное значение имеют технологические процессы по производству интерферонов. Интерфероны обладают антивирусной активностью. В настоящее время интерферон успешно получают с применением генноинженерных штаммов микроорганизмов, культивируемых клеток насекомых и млекопитающих. Интерфероны используются для лечения болезней, вызываемых вирусами герпеса, бешенства, гепатита, а также профилактики вирусных инфекций, особенно респираторных. Большой интерес вызывает биотехнологическое производство инерлейкинов. Это сравнительно короткие (около 150 аминокислотных остатков) полипептиды, участвующие в организации иммунного ответа. Важное значение в медицине играет вакцинация против гриппа, гепатитов, кори, острых респираторных болезней. Актуальным является вопрос изготовления вакцин. Вакцинация – один из основных способов борьбы с инфекционными заболеваниями. Путем поголовной вакцинации ликвидирована натуральная оспа, резко ограничено распространение бешенства, сибирской язвы, полиомиелита, желтой лихорадки и др. Современные биотехнологические процессы предусматривают выпуск рекомбинантных вакцин и вакцин антигенов. Вакцины обоих типов основаны на генноинженерном подходе. Для получения рекомбинантных вакцин обычно используют хорошо известный геном вируса коровьей оспы (осповакцины). В его ДНК встраивают чужеродные гены, кодирующие иммунногенные белки различных возбудителей (гриппа, гепатита, молярийного плазмодия и др.). Для получения рекомбинантных ДНК используют специальные векторы на основе плазмид с хорошо изученной последовательностью и рестрикционной картой. Появилась возможность создания поливалентных вакцинных препаратов на основе объединения участков ДНК различных патогенов под эгидой ДНК вируса осповакцины. Современная биотехнология применяется в получении ферментов медицинского назначения. Их используют для растворения тромбов, лечения наследственных заболеваний. Яркий пример спасения жизни больных с тромбозом конечностей, легких, сосудов сердца при помощи тромболитических ферментов (стрептокиназы и урокиназы). Энергетика. В связи с тем, что запасы ископаемого топлива 169 ограничены, а его потребление растет из года в год, возможен энергетический кризис во многих странах мира. Поэтому обсуждаются перспективы использования ядерной энергии. Около 99,4 % в год доступной неядерной энергии человечество получает от Солнца. Часть ее аккумулируется в биомассе, хотя и с малой эффективностью (порядка 1-2 %). По этой причине биомасса представляет собой постоянно возобновляемый источник энергии. Ее можно сжигать или довольно простыми способами превращать при помощи микроорганизмов в жидкое или газообразное топливо (метан, этиловый спирт, водород). Со временем биомасса будет все больше использоваться при производстве сырья для химической промышленности. В последнее время пробудился интерес к разработке биотопливных элементов, с помощью которых можно с высокой эффективностью получать из ряда видов топлива и биомассы электрическую энергию. Поскольку солнечный свет является мощным источником энергии, а количество имеющейся биомассы ограничено, некоторые биотехнологи, работающие над проблемами энергии, заняты разработкой двух проблем, решение которых позволило бы повысить эффективность использования солнечной энергии. Во-первых, пытаются найти фактические способы повышения эффективности конверсии солнечного света в биомассу, например, путем выращивания водорослей при высокой концентрации СО 2 и ограниченной освещенности в биореакторах со строго контролируемыми условиями роста. Во-вторых – изучается возможность получения водорода путем расщепления воды при участии фотосистемы фотосинтезирующих организмов, то есть путем биофотолиза. Технически проще всего получать водород, используя сине-зеленные водоросли или процессы ферментации (брожения). Биотехнология стала играть все возрастающую роль при добыче нефти. Предполагается, например, вводить подходящие микроорганизмы непосредственно в нефтяной пласт, чтобы ускорить отток нефти из пористых пород и для добычи остаточной нефти. Окружающая среда. По мере того, как увеличивается население Земли и развивается промышленность, все более серьезной становится проблема охраны окружающей среды. В решении такого рода задач биотехнология играет все возрастающую роль, в частности, в том, что касается разработки новых или усовершенствования существующих способов переработки отходов. Новейшие процессы переработки отходов основываются на 170 использовании микроорганизмов, обладающих новыми, неизвестными ранее или искусственно созданными катаболическими способностями. Окружающая среда является как бы общим знаменателем для всех видов деятельности. Например, расширение использования биотехнологии в химической промышленности должно привести к созданию новых ее отраслей, лучше совместимых с окружающей средой. Такие же надежды возлагаются и на биоинженерию. Сельское хозяйство. Применение биотехнологии в сельском хозяйстве весьма многообразно. Продукция сельского хозяйства может использоваться в промышленности, например для производства этилового спирта из излишков сахарной свеклы или тростника. Такой подход получил дальнейшее развитие: для выработки спирта сельскохозяйственные культуры начали выращивать специально. Большая часть продукции современного сельского хозяйства служит сырьем для развития пищевой промышленности. В качестве сырья могут быть использованы и отходы сельского хозяйства. С помощью биотехнологии разрабатываются новые способы улучшения сельскохозяйственных культур как по урожайности, так и по качеству. Можно будет использовать полученные с ее помощью заменители дорогостоящих химических удобрений или пестицидов, или же добавки к ним. Так, потребности в азоте, возможно, удастся удовлетворить путем внедрения биологической фиксации азота, основанной на симбиозе, а в фосфоре – путем вмешательства в процессы, происходящие в микоризах. Задачей отдаленного будущего является передача способности к фиксации азота непосредственно отдельным сельскохозяйственным культурам путем введения в них гена нитрогеназы; в результате такие растения приобретут способность к синтезу фермента, катализирующего реакцию фиксации азота. Это позволит сэкономить энергию, затрачиваемую сегодня при химическом синтезе аммиака. По общему мнению, наибольший вклад биотехнологии в сельское хозяйство следует ожидать за счет улучшения свойств самих растений путем использования методов рекомбинативных ДНК и протопластов растений. Химические соединения. Применение биологических систем для производства химических соединений в принципе дает ряд преимуществ, однако сегодня лишь малое их число получают с помощью биотехнологических процессов. К ним относится сравнительно дешевые, но широко используемые в больших 171 количествах как топливо этиловый спирт и метан, а также ряд ценных и довольно дорогих веществ, применяющихся в медицине и для пищевых целей (лимонная кислота, аминокислоты, стероиды и антибиотики). Производство химических веществ на основе биокатализа имеет следующие преимущества: специфичность, легкость контроля, работа при низких температурах, совместимость с окружающей средой и простота. Так, химическое производство органических соединений базируется, в основном, на нефти, а большинство продуктов переработки нефти получают путем частичного окисления сырья. Достичь специфического контролируемого и частичного окисления при помощи существующих катализаторов довольно сложно, а микроорганизмы осуществляют эти типы реакций без труда. Существуют три главных способа синтеза химических соединений на основе биокатализа: 1. Путем использования культур клеток растений или животных, образующих дорогостоящие вещества. 2. Путем использования микроорганизмов, при необходимости измененных методами генетической инженерии, для биосинтеза или модификации химических веществ; 3. Путем использования измененных методами генетической инженерии микроорганизмов в качестве "устройств" для экспрессии генов растений и животных, что позволяет синтезировать в больших количествах особые, присущие только высшим организмам химические соединения. Материаловедение. Биотехнология может оказать влияние на получение и использование различных материалов, по меньшей мере тремя способами. Во-первых, она будет способствовать развитию добычи промышленного сырья, например нефти и других полезных ископаемых. Во-вторых, более широко могут использоваться продукты микробного происхождения, например, для производства разлагаемых с помощью микроорганизмов пластмасс, эмульгаторов и загущающих веществ. В-третьих, будут усовершенствованы способы защиты различных веществ от разрушения их микроорганизмами. Наиболее многообещающим сырьем для производства биопластмасс является одно из резервных веществ клеток, полигидроксибутират (ПГБ). В настоящее время в промышленности ведутся активные исследования, как самого этого вещества, так и способов его получения. Весьма актуальной и сложной с технической точки зрения является проблема биоповреждений. Биоповреждения являются 172 неизбежным следствием важнейшей роли микроорганизмов в круговороте элементов в биосфере. Проявления биоповреждений весьма многообразны: от порчи пищевых продуктов до загрязнения смазочных масел и топливных систем, разрушения бетона и развития электрохимических процессов коррозии под влиянием микроорганизмов. Биотехнология поможет создать новые методы борьбы с биоповреждениями благодаря более глубокому пониманию лежащих в их основе процессов. На этой базе могут быть созданы новые биотехнологические процессы. Примером такого рода служит использование ферментов в пищевой промышленности. Ключевые слова и понятия активный ил аминокислоты антибиотики белок одноклеточных организмов биогаз биоинженерия биомасса биотехнология биохимия брожение клонирование микробиология органические растворители ЛЕКЦИЯ 2. ПОДБОР БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 1 Микроорганизмы как основные объекты биотехнологии. 2 Селекция биотехнологических объектов. Главным звеном биотехнологического процесса является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии могут выступать клетки микроорганизмов, животных и растений, трансгенные животные и растения, грибы, а также многокомпонент- ные ферментные системы клеток и отдельные ферменты. Основой большинства современных биотехнологических произ- водств является микробный синтез, т. е. синтез разнообразных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. К сожалению, объекты растительного и животного происхождения в си- лу ряда причин еще не нашли столь широкого применения. Поэтому в дальнейшем целесообразно рассматривать микроорганизмы как основные объекты биотехнологии. 173 1 Микроорганизмы как основные объекты биотехнологии. В настоящее время известно более 100 тысяч различных видов микроорганизмов. Это в первую очередь бактерии, актиномицеты, цианобактерии. При столь большом разнообразии микроорганизмов весьма важной, а зачастую и сложной проблемой является правильный выбор именно того организма, который способен обеспечить получение требуемого продукта, т.е. служить про- мышленным целям. Во многих биотехнологических процессах используется ограниченное число микроорганизмов, которые классифицируются как GRAS ("generally recognized as safe" обычно считаются безопасными). К таким микроорганизмам относят бактерии Васillus subtilis, Васillus amyloliquefaciens, другие виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces. Сюда также относят виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, дрожжей Saccharomyces и др. GRAS- микроорганизмы непатогенные, нетоксичные и в основном не образуют антибиотики, поэтому при разработке нового биотехнологического процесса следует ориентироваться на данные микроорганизмы, как базовые объекты биотехнологии. Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов микроорганизмов, которые первично были выделены из природных источников на основании их полезных свойств, а затем улучшены с помощью различных методов. В связи с расширением производства и ассортимента выпускаемой продукции в микробиологическую промышленность вовлекаются все новые и новые представители мира микробов. Следует отметить, что в обозримом будущем ни один из них не будет изучен в той же степени, как Е. соli и Вас. subtilis. Причина этого - колоссальная трудоемкость и высокая стоимость подобного рода исследований. Следовательно, возникает проблема разработки стратегии и тактики исследований, которые обусловили бы с разумной затратой труда извлечь из потенциала новых микроорганизмов все наиболее ценное при создании промышленно важных штаммов-продуцентов, пригодных к использованию в биотехнологических процессах. Классический подход заключается в |