Учебнометодическое пособие по дисциплинам Основы биотехнологии, Введение в биотехнологию
 Скачать 0.73 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Ю.А. Кошелев, Е.А. Скиба, Е.В. Аверьянова ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ Допущено научно-методическим советом БТИ АлтГТУ для внутривузовского использования в качестве учебно-методического пособия по дисциплинам «Основы биотехнологии», «Введение в биотехнологию», «Промышленная биотехнология», «Экологическая биотехнология», «Биотехнологические основы переработки растительного сырья», «Утилизация отходов пищевых производств», «Организация безотходных производств» для студентов направлений подготовки 19.03.01 Биотехнология и 19.03.02 Продукты питания из растительного сырья Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова 2018 УДК 631.147(075.8) К76 Рецензент: В.В. Елесина, к.б.н., доцент кафедры обще химии и экспертизы товаров БТИ АлтГТУ, Е.С. Баташов, к.б.н., руководитель центра по разви- тию ЗАО «Алтайвитамины» К76 Кошелев, Ю.А. Введение в биотехнологию: учебно-методическое пособие по дисциплинам «Основы биотехнологии», «Введение в биотехнологию», «Промышленная биотехнология», «Экологическая биотехнология», «Биотехнологические основы переработки расти- тельного сырья», «Утилизация отходов пищевых производств», «Ор- ганизация безотходных производств» для студентов направлений подготовки 19.03.01 Биотехнология и 19.03.02 Продукты питания из растительного сырья / Ю.А. Кошелев, Е.А. Скиба, Е.В. Аверьянова / Изд. 2-е, перераб. и доп.; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2018. – 78 с. Учебно-методическое пособие «Введение в биотехнологию» содержит краткие сведения об основных направлениях биотехноло- гии, таких как технология производства первичных и вторичных ме- таболитов, методы генетического конструирования in vitro и in vivo, биоиндустрия ферментов, производство белков с помощью однокле- точных микроорганизмов, основы клеточной инженерии растений, экологическая биотехнология. Предназначено для самостоятельной работы студентов всех форм обучения по направлениям подготовки 19.03.01 Биотехнология и 19.03.02 Продукты питания из растительного сырья (уровень бака- лавриата). УДК 631.147(075.8) Учебно-методическое пособие издается в авторской редакции. Рассмотрено и одобрено на заседании научно-методического совета Бийского технологического института Протокол № 4 от 08.05.2018 г. © Кошелев Ю.А., Скиба Е.А., Аверьянова Е.В., 2018 © БТИ АлтГТУ, 2018 3 СОДЕРЖАНИЕ 1 ПРИРОДА И МНОГООБРАЗИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ............................................................................................... 5 1.1 Введение ............................................................................................ 5 1.2 История развития биотехнологических процессов ........................ 7 1.3 Микроорганизмы, используемые в биотехнологических процессах ................................................................................................. 8 2 ПРОИЗВОДСТВО БЕЛКОВ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ .......................................................................................... 11 2.1 Целесообразность использования микроорганизмов для производства белка ............................................................................... 11 2.2 Использование дрожжей ................................................................ 13 2.3 Использование бактерий ................................................................ 15 2.4 Использование водорослей ............................................................ 15 2.5 Использование микроскопических грибов ................................... 16 3 МЕТОДЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ IN VIVO ..... 17 3.1 Регуляция метаболизма в микробной клетке ............................... 17 3.2 Мутагенез и методы выделения мутантов .................................... 18 3.3 Плазмиды и конъюгация у бактерий ............................................. 19 3.4 Фаги и трансдукция ........................................................................ 20 3.5 Гибридизация эукариотических организмов ................................ 20 3.6 Слияние протопластов или фузия клеток ..................................... 21 4 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАБОЛИТОВ ........................ 23 4.1 Классификация продуктов биотехнологических производств ... 23 4.2 Общая схема биотехнологического производствапродуктов микробного синтеза .............................................................................. 24 4.3 Биотехнология получения первичных метаболитов .................... 26 4.4 Биотехнология получения вторичных метаболитов .................... 32 5 БИОИНДУСТРИЯ ФЕРМЕНТОВ ........................................................ 37 5.1 Область применения и источники ферментов .............................. 37 5.2 Выбор штамма и условий культивирования ................................. 38 5.3 Технология культивирования микроорганизмов – продуцентов ферментов и выделение ферментов .................................................... 39 5.4 Инженерная энзимология и её задачи ........................................... 40 6 МЕТОДЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ IN VITRO .... 44 6.1 Биотехнология рекомбинантных ДНК .......................................... 44 6.2 Конструирование рекомбинантных ДНК ..................................... 47 6.3 Идентификация клеток-реципиентов, содержащих рекомбинантные гены........................................................................... 49 6.4 Экспрессия чужеродных генов ...................................................... 50 4 6.5 Использование генетической инженерии в животноводстве ...... 53 6.6 Генная инженерия растений........................................................... 55 7 ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ИНЖЕНЕРИИ РАСТЕНИЙ ....................... 56 7.1 История предмета ........................................................................... 56 7.2 Методы и условия культивирования изолированных тканей и клеток растений ................................................................................. 57 7.3 Дедифференцировка на основе каллусогенеза ............................. 58 7.4 Типы культур клеток и тканей ....................................................... 59 7.5 Общая характеристика каллусных клеток .................................... 59 7.6 Морфогенез в каллусных тканях как проявление тотипотентности растительной клетки ............................................... 61 7.7 Изолированные протопласты, их получение, культивирование, применение ............................................................. 62 7.8 Клональное микроразмножение и оздоровление растений ......... 63 8 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ ............................................ 65 8.1 Получение биогаза .......................................................................... 65 8.2 Производство биоэтанола .............................................................. 68 8.3 Очистка сточных вод ...................................................................... 69 9 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ................................................................ 74 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................... 78 5 1 ПРИРОДА И МНОГООБРАЗИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 1.1 Введение Биотехнология – это использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных и растений, метаболизм и биосинтетические воз- можности которых обеспечивают выработку специфических веществ. Или более краткое определение, биотехнология – это производство с помощью объектов живой природы, или технология живого. Биотехнология возникла на стыке нескольких биотехнологиче- ских наук, таких как генетика, бактериология, вирусология, молеку- лярная биология, микробиология, биохимия, растениеводство. Важную роль сыграло открытие способов модификации ДНК и ее переноса из одних организмов в другие. биохимическая технология БИОТЕХНОЛОГИЯ генетика электроника химическая технология механическая технология технология пищевой промышленности микробиология биохимия Рисунок 1 – Связь биотехнологии с другими науками Исторически биотехнология возникла на основе традиционных микробиологических производств, таких как производство хлеба, сыра, вина, пива, молочных продуктов. Эти технологии до сих пор имеют большую значимость и постоянно развиваются. Биотехнологические процессы осуществляются за счет исполь- зования бактерий, дрожжей, плесневых грибов, водорослей, культур клеток и тканей растений и животных. В этих процессах используются особенности метаболизма и биосинтетические возможности клеток. Целью процесса может быть наработка клеточной биомассы или про- дуктов жизнедеятельности клеток – метаболитов. В настоящее время биотехнология включает в себя: промышлен- ную микробиологию, прикладную микробиологию, генетическую ин- женерию, клеточную инженерию. Основные направления промышлен- ной микробиологии представлены в таблице 1. 6 Таблица 1 – Основные направления биотехнологии в различных отраслях Отрасль Область применения Сельское хозяй- ство Производство белково-витаминных концентратов. Селекция, клонирование и генетическая инженерия животных и растений. Использование антибиотиков для лечения живот- ных и птиц. Производство вакцин. Производство биоинсектицидов. Применение гормонов и других стимуляторов рос- та Производство химических ве- ществ и соеди- нений Производство органических кислот. Получение витаминов, антибиотиков и др. Использование ферментов в составе СМС Контроль за со- стоянием окру- жающей среды Улучшение методов тестирования и мониторинга загрязнений окружающей среды. Использование микроорганизмов для переработки сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов Медицина Использование ферментов в диагностике. Использование микроорганизмов при создании и модификации сложных лекарственных средств. Синтез новых антибиотиков, гормонов и интерфе- ронов. Применение в медицинской практике ферментов и штаммов микроорганизмов Энергетика Производство биогаза. Производство этанола Материало- ведение Выщелачивание руд. Изучение и контроль биоразложения Пищевая про- мышленность Создание новых методов переработки и хранения пищевых продуктов. Применение пищевых добавок, полученных с по- мощью микроорганизмов. Использование белка одноклеточных. Применение ферментов. Совершенствование спиртового и молочнокислого брожения 7 Потребность в биотехнологии обусловлена дефицитом продо- вольствия, энергии, минеральных ресурсов и необходимостью улуч- шения состояния здравоохранения и охраны окружающей среды. Биоиндустрия включает отрасли, в которых биотехнология мо- жет заменить широко используемые традиционные методы, и отрасли, в которых она всегда играла ведущую роль (Таблица 1). Транснациональные корпорации инвестируют следующие био- технологические отрасли: горнодобывающую, нефтехимическую, фар- мацевтическую. Быстрая отдача происходит в следующих биотехноло- гических отраслях: 1) совершенствование сбраживания; 2) производство биогаза; 3) производство безопасных и недорогих вакцин; 4) биоэнергетика; 5) улучшение техники компостирования; 6) гидролиз целлюлозы; 7) повышение уровня фиксации азота с помощью симбионтов. 1.2 История развития биотехнологических процессов III тыс. до Р.Х. – использование дрожжей для получения хлеба, пива, вина; 1857 г. – Луи Пастер установил, что микроорганизмы играют клю- чевую роль в процессах брожения, и показал, что в образо- вании разных продуктов участвуют разные микроорганизмы; 1865 г. – Грегор Мендель открыл законы наследственности; 1875 г. – Роберт Кох разработал метод чистых культур, гаранти- рующий, что в посевном материале будут содержаться толь- ко клетки определенного вида; 1925 г. – Надсон Г.А., Филиппович Г.С. установили возможность искусственного мутагенеза микроорганизмов (грибов) под влиянием рентгеновского облучения; 1940 г. – Флеминг, Флори, Чейни организовали промышленное про- изводство антибиотиков; 1953 г. – Джеймс Уотсон и Фредерик Крик открыли структуру ДНК в виде двойной спирали; 1963 г. – Ниренберг расшифровал генетический код, который ока- зался одинаковым и для бактерий, и для человека; 1972 г. – Берг разработал технологию рекомбинантных ДНК; 1977 г. – Гилберт У., Максам А. опубликовали метод быстрого оп- ределения последовательности ДНК; 8 1980 г. – Гордон Дж. получил первую трансгенную мышь (был вве- ден ген тимидинкиназы вируса герпеса); 1997 г. – Вильмут Я. клонировал первое млекопитающее – овцу Долли. Исследования генома человека: 1977 г. – секвенирован первый ген человека (ген, кодирующий бе- лок хорионный соматотропин); 1988 г. – создание международного проекта «Геном человека», по- ставившего своей целью полное секвенирование ДНК чело- века, в СССР научный совет по геномной программе возгла- вил академик А.А. Баев; 1990 г. – международную организацию «Геном человека» возглавил российский академик А.Д. Мирзабеков; 2004 г. – британские ученые заявили о клонировании человека; 2005 г. – полностью расшифрован геном человека. Перспективы биотехнологии на ближайшее будущее можно раз- делить на рекламные и научно обоснованные. К широко разрекламиро- ванным проектам относятся, например, «таблетки молодости» – их обещают выпустить на рынок в 2020 году. Однако скептики говорят, что таких сенсаций было много, начиная со времен алхимии… Более реалистично выглядит 3D принтер, наносящий клеточные культуры на матрицу с питательным раствором, и формирующий ис- кусственные органы. Еще один медицинский проект – лечение тяже- лых ожогов путем нанесения на пораженный участок стволовых кле- ток, которые в считанные дни образуют новую кожу. Генетический ремонт – направление, которое развивается и будет развиваться, и в него инвестируются большие деньги. 1.3 Микроорганизмы, используемые в биотехнологических процессах Из более чем 100 тыс. известных микроорганизмов в промыш- ленности применяются всего несколько сотен видов, так как промыш- ленный штамм должен отвечать ряду строгих требований: 1) расти на дешёвых субстратах; 2) обладать высокой скоростью роста или давать высокий вы- ход продукта за короткое время; 3) проявлять синтетическую активность в сторону желаемого продукта; образование побочных продуктов должно быть низким; 4) быть стабильным в отношении продуктивности и к требова- ниям условий культивирования; 9 5) быть устойчивым к фаговым и другим типам инфекций; 6) быть безвредным для людей и окружающей среды; 7) желательны термофильные, ацидофильные (или алкофиль- ные) штаммы, поскольку с ними легче поддерживать стерильность в производстве; 8) интерес представляют анаэробные штаммы, так как аэроб- ные создают трудности при культивировании – требуют аэрирования; 9) образуемый продукт должен иметь экономическую ценность и легко выделяться. На практике применяются штаммы четырёх групп микроорга- низмов: – дрожжи; – мицелиальные грибы (плесени); – бактерии; – аскомицеты. Термин «дрожжи» в строгом смысле не имеет таксономического значения. Это одноклеточные эукариоты, относящиеся к трём классам: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes. К аскомицетам относят, прежде всего, Saccharomyces cerevisiae, определенные штаммы которого используются в пивоварении, виноде- лии, производстве хлеба, этилового спирта. Аскомицеты Saccharomy- ces lipolytica деградируют углеводороды нефти и употребляются для получения белковой массы. Дейтеромицет Candida utilis используют как источник белка и витаминов и выращивают на непищевом сырье: сульфитных щелоках, гидролизатах древесины и жидких углеводоро- дах. Дейтеромицет Trichosporon cutaneum окисляет многие органиче- ские соединения, в том числе токсичные (например, фенол), и исполь- зуется при переработке стоков. Мицелиальные грибыиспользуют: – в получении органических кислот: лимонной (Aspergillus niger), глюконовой (Aspergillus niger), итаконовой (Aspergillus terreus), фурмаровой (Rhizopus chrysogenum); – в получении антибиотиков (пенициллина и цефаллоспорина); – в производстве специальных видов сыров: камамбера (Penicillium camamberti), рокфора (Penicillium roqueforti); – вызывают гидролиз в твёрдых средах: в рисовом крахмале при получении сакэ, в соевых бобах при получении темпеха, мисо. Полезные бактерии относятся к эубактериям. Промышленное применение с давних времен имеют молочнокислые бактерии родов Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus. Уксуснокисные бактерии родов Acetobater, Gluconobacter превращают этанол в уксусную кислоту. Бак- 10 терии рода Bacillus используются для производства вредных для насе- комых токсинов, а также для синтеза антибиотиков и аминокислот. Бактерии рода Corynebacterium используются для производства амино- кислот. Из актиномицетов наиболее представительными являются рода Streptomyces и Micromonospora, используемые в качестве продуцентов антибиотиков. При росте на твёрдых средах актиномицеты образуют тонкий мицелий с воздушными гифами, которые дифференцируются в цепочки конидиоспор. В настоящее время с помощью микроорганизмов синтезируют следующие соединения: – алкалоиды, – аминокислоты, – антибиотики, – антиметаболиты, – антиоксиданты, – белки, – витамины, – гербициды, – ингибиторы ферментов, – инсектициды, – ионофоры, – коферменты, – липиды, – нуклеиновые кислоты, – нуклеотиды и нуклеозиды, – окислители, – органические кислоты, – пигменты, – поверхностно-активные вещества, – полисахариды, – противоглистные агенты, – противоопухолевые агенты, – растворители, – ростовые гормоны растений, – сахара, – стерины и превращенные вещества, – факторы транспорта железа, – фармакологические вещества, – ферменты, – эмульгаторы. 11 |