шпора по биотехнологии. шпора. Вопросы для подготовки к экзамену по предмету Основы биотехнологии
 Скачать 176 Kb.
|
|
Вопросы для подготовки к экзамену по предмету «Основы биотехнологии» Предмет и задачи биотехнологии. Биотехнологические направления имеют своей целью создание и практическое внедрение (т. е. практическое использование): новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, используемых в здравоохранении для диагностики, профилактики и лечения различных заболеваний; биологических средств защиты с/х растений от возбудителей заболеваний и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений и животных; новых сортов растений, устойчивых к разного рода неблагоприятным воздействиям (факторам внешней среды); новых пород животных с полезными свойствами (трансгенные животные); ценных кормовых добавок для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных (кормового белка, аминокислот, витаминов, ферментов, способствующих повышению усвояемости кормов, и т. п.); новых биоинженерных методов для получения высокоэффективных препаратов различного назначения, используемых в с/х и ветеринарии; новых технологий создания и получения хозяйственно ценных продуктов для пищевой, химической и микробиологической промышленности; эффективных технологий переработки с/х, промышленных и бытовых отходов для получения продуктов, которые могут использоваться в других отраслях хозяйственной деятельности человека (например, биогаза, удобрений, топлива для автомобилей и т. п.). Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером К. Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, биотехнология – это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Исторические этапы развития биотехнологии. Исторические этапы развития биотехнологии 1. Эмпирический(сер 19 вв): хлебопечение, пивоварение, изготовление сыра и вина. Знания передавались из поколения в поколение, использоание микроорг-в. 2. Технологический (19вв-1972) работы французского ученого Луи Пастера. Он заполнил научную основу в биотех. Этот период начинается в 19 веке. Характерна развитие биотех. в промышленных масштабах. Создавались стерильные производства, исследовались процессы брожения и микровозбудителей этих процессов. 1917- Карл Эреки ввел термин «биотех.» 1928- Александр Флеминг открыл пенициллин. Интенсивно изучались основные группы микроорганизмов – возбудителей процессов брожения. После войны быстрыми темпами развивались процессы ферментации для производства антибиотиков, стероидных гормонов, а в 1961 г. возник журнал «Биотехнология и биоинженерия». 3. Молекулярная биотехнология (1972-наши дни) 1972- введение генома в плазмидий 1973 - Бойер и Коэн получили рекомбинантные плазмиды и произвели трансформацию Е. Коли с их помощью. 1978 - появились штаммы бактерий, продуцирующие инсулин и чел. гормон роста. 1996- объем продаж первого рекомбинантного белка- эритропоитина превысил 1 млрд. долларов 1997- клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки В зависимости от решаемых задач биотехнологии бывают: голубые - очистка воды, зеленые- растения, красные- мед. препараты, белые - биосинтез хим. Веществ 2003- осуществлено клонирование мулов, лошадей, оленей из соматических клеток. 2003- секвенирован геном шимпанзе. 2012- расшифрован геном гориллы и картохи. Связь биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими науками. Биотехнология применяет методы, заимствованные из химии, микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, химической технологии и компьютерной техники с целью создания новых разработок, развития и оптимального использования процессов, в которых каталитические реакции играют фундаментальную и незаменимую роль. Главная причина успехов биотехнологии кроется в разительных успехах и быстром прогрессе молекулярной биологии, в частности в разработке технологии рекомбинантных молекул ДНК. С помощью этой технологии оказалось возможным непосредственно манипулировать с наследственным материалом клеток, получая новые сочетания полезных признаков и способностей Ни для кого уже не является секретом, что ископаемое топливо (хотя и добываемое в настоящее время с большим избытком), а также другие не восполняемые ресурсы, в один прекрасный день станут крайне ограниченными. И совершенно естественно, что данное обстоятельство уже сейчас заставляет искать новые, более дешевые и лучше сохраняемые источники энергии и питания, которые могли бы восполняться биотехнологическим путем. В этой ситуации страны с климатом, позволяющим ежегодно производить большие количества биомассы, будут находиться в более выгодных условиях по сравнению со странами с менее благоприятными климатическими условиями. Следующим фактором, способствующим росту интереса к биотехнологии, является современный мировой спад в химических и инженерных направлениях, обусловленный частичным истощением источников энергии. Практические задачи биотехнологии в области энергетики, медицины, сельского хозяйства, пищевой промышленности. Принципиальная схема биотехнологических производственных процессов.  Классификации биотехнологий по цветам. Современные направления развития и использования биотехнологии. Биотехнология применяет методы, заимствованные из химии, микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, химической технологии и компьютерной техники с целью создания новых разработок, развития и оптимального использования процессов, в которых каталитические реакции играют фундаментальную и незаменимую роль. Любой биотехнолог должен стремиться к достижению тесного кооперирования со специалистами других смежных (близких) дисциплин, таких, как медицина, пищевая промышленность, фармацевтика и химическая индустрия, защита окружающей среды и процессы переработки продуктов, представляющих собой отходы различных производств. Главная причина успехов биотехнологии кроется в разительных успехах и быстром прогрессе молекулярной биологии, в частности в разработке технологии рекомбинантных молекул ДНК. С помощью этой технологии оказалось возможным непосредственно манипулировать с наследственным материалом клеток, получая новые сочетания полезных признаков и способностей Ни для кого уже не является секретом, что ископаемое топливо (хотя и добываемое в настоящее время с большим избытком), а также другие не восполняемые ресурсы, в один прекрасный день станут крайне ограниченными. И совершенно естественно, что данное обстоятельство уже сейчас заставляет искать новые, более дешевые и лучше сохраняемые источники энергии и питания, которые могли бы восполняться биотехнологическим путем. В этой ситуации страны с климатом, позволяющим ежегодно производить большие количества биомассы, будут находиться в более выгодных условиях по сравнению со странами с менее благоприятными климатическими условиями. В частности, тропические области земного шара в этом отношении имеют существенное преимущество над другими регионами. Следующим фактором, способствующим росту интереса к биотехнологии, является современный мировой спад в химических и инженерных направлениях, обусловленный частичным истощением источников энергии. В силу этого биотехнология рассматривается в качестве одного из важнейших средств рестимуляции (обновления) экономики на основе новых методов, новой технологии и новых сырьевых материалов. Фактически, индустриальный бум 1950-х и 1960-х годов был обусловлен дешевой нефтью, так же как успехи в информационной технологии обусловили в 1970-х и 1980-х годах развитие микроэлектроники. И есть основания полагать, что 2000-е годы станут эрой биотехнологии. Во всяком случае, в мире отмечается существенный подъем исследований в области молекулярной биологии, возникновение новых биотехнологических компаний, увеличение инвестиций в биотехнологические отрасли промышленности (как национальными компаниями, так и отдельными лицами), а также рост фундаментальных знаний, увеличение количества источников информации и средств информатики. Общая характеристика объектов биотехнологии. Объекты биотехнологии: клетки микроорганизмов, животных и растений, трансгенные животные и растения, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и отдельные ферменты. Принципы подбора: 1) способность обеспечить получение продукта; 2) изученность мко; 3)высокая скорость роста 4) дешевый субстрат 5) конкурируемость Модельные организмы — организмы, используемые в качестве моделей для изучения тех или иных свойств, процессов или явлений живой природы. Модельные организмы интенсивно изучаются, причем одна из причин этого — надежда на то, что открытые при их изучении закономерности окажутся свойственны и другим более или менее похожим организмам, в том числе и человеку. Использование модельных организмов основано на том, что все живые организмы имеют общее происхождение и сохраняют много общего в механизмах хранения и реализации наследственной информации, метаболизме и др. Модельными становятся организмы, по которым уже накоплено много научных данных E. coli, Bac. subtilis)и S. Cerevisiae. Базовые микроорганизмы – GRAS (Generally Regardes As Safe – Общеприняты как безопасные). К таким микроорганизмам относят бактерии Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, другие виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces. Сюда также относят виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus и дрожжей Saccharomyces и др. GRAS-микроорганизмы непатогенные, нетоксичные и в основном не образуют антибиотики. Преимущества использования микроорганизмов в качестве объектов биотехнологии. микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы (в 500–5000 раз выше, чем у растений и животных) микробные клетки способны накапливать очень большие количества белка (дрожжи – до 60%, бактерии – до 75% по массе) ввиду высокой специфичности процесса отсутствует многостадийность мягкие условия (30-45 оС, рН 3–6, давление ок. 0,1 МПа.) микробиологический путь получения менее трудоёмкий, чем сельскохозяйственный или химический одноклеточный белок имеет слабый запах, мягкий вкус, легко хранится может расти почти на всём - от нефти и метана до говна и грязной воды легко подвергаются генной инженерии Однако! Нужно следить за токсичностью и чистотой белка от вредных примесей Штаммы микроорганизмов, использующиеся в биотехнологии, их преимущества и недостатки. Штамм – чистая культура микроорганизмов отдельного вида, выделенных из конкретного источника либо полученных с помощью генетических мутаций. Главным критерием при выборе биотехнологического объекта является способность синтезировать целевой продукт. Промышленные, модельные и базовые микроорганизмы. ПРИМЕРЫ М/О: Модельные микроорганизмы: 1) E. coli – кишечная палочка 2) Bac. Subtilis – сенная палочка 3) Saccharomyces cerevisiae – пекарские дрожжи Базовыми мко являются организмы, относящиеся к GRAS Бактерии: 1) Bacillus subtilis – сенная палочка 3) Lactococcus lactis – молочнокислая бактерия 4) Leuconostoc oenos – выделяется из вина Дрожжи: 1) Condida utilis – использовалась как корм из отходов крахмалопроизводства 2) Saccharomyces cerevisiae – пекарские дрожжи Нитчатые грибы: 1) Aspergillus niger – производство лимонной кислоты и витамина В2 из сахар в-в 3) Mucor javanicus – различные ферменты, плесень Требования к продуцентам, используемым в биотехнологическом производстве. Требования к продуцентам: 1) наличие высокой ферментативной активности; 2)преимущественный синтез фермента или группы ферментов, превращающих определенный субстрат; 4)генетическая стабильность по признаку синтеза фермента или ферментов; 5)достаточно высокая скорость роста; 6)способность расти на средах с доступными и недорогими источниками питания. Выделение и селекция микроорганизмов – продуцентов биологически активных веществ. Выделение. Из естественных мест обитания предполагаемого продуцента отбирают образцы материала (берут пробы материала) и производят посев в элективную среду, обеспечивающую преимущественное развитие интересующего микроорганизма. Следующим этапом является выделение чистой культуры с дальнейшим дифференциально-диагностическим изучением изолированного микроорганизма и, в случае необходимости, ориентировочным определением его продукционной способности. Другой путь подбора микроорганизмов-продуцентов – выбор нужного вида из имеющихся коллекций изученных микроорганизмов. При этом, устраняется необходимость выполнения ряда трудоемких операций. Главным критерием при выборе биотехнологического объекта - способность синтезировать целевой продукт. Селекция – направленный отбор мутантов с заданными признаками. Ряд особенностей: 1)у селекционера имеется неограниченное количество материала для работы: за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить миллиарды клеток; 2)более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении; 3)простота генетической организации бактерий. В развитии микробных технологий сыграли очень важную роль методы, базирующиеся на селекции спонтанно возникающих измененных вариантов. При таких методах обычно используется ступенчатая селекция. Несмотря на явную ограниченность данного метода (приема) возможности его рано считать полностью исчерпанными. Использование мутагенеза для селекции штаммов. Процесс селекции наиболее эффективных продуцентов значительно ускоряется при использовании метода индуцированного мутагенеза. В качестве мутагенных воздействий применяются УФ, рентгеновское и гамма-излучения, определенные химические вещества и др. Главный недостаток: трудоемкость и отсутствие сведений о характере изменений. Применение подходов в сочетании с приемами классической селекции является сутью современной селекции микроорганизмов-продуцентов. Отбор ауксотрофных мутантов и мутантов, устойчивых к антибиотикам как способ получения продуцентов биологически активных веществ. Генетическая инженерия и технология рекомбинантных ДНК. Основные открытия, обосновавшие теоретически технологический подход к наследственной информации. Инструменты генетической инженерии. Метод полимеразной цепной реакции. Векторные системы, применяемые для клонирования в клетках прокариотических организмов. Характерные свойства векторов молекулярного клонирования. Векторы на основе плазмид. Векторы на основе бактериофагов. Векторы для клонирования в клетках грамположительных бактерий. Банки генов и клонотеки геномов. Векторные системы для клонирования в клетках эукариот: животных, растительных и дрожжевых. Способы введения рекомбинантных ДНК в клетки различных организмов. Поиск клонов с рекомбинантной ДНК. Требования, предъявляемые к питательным субстратам, использующимся в биотехнологических процессах. Роль факторов внешней среды в эффективности биотехнологических процессов. Питательные среды для ферментационных процессов. Требования к биореакторам, их классификация. Устройство и основные конструкторские детали ферментеров. Типы и режимы ферментаций: периодические и непрерывные. Твердофазная ферментация. Классификация продуктов биотехнологических производств. Стадии биотехнологического производства. Конечные стадии при биотехнологических процессах. Выделение и очистка продуктов культивирования. Основные параметры роста культур: время генерации, удельная скорость роста, выход биомассы, экономический коэффициент. Масштабирование ферментационных процессов. Кривая роста популяции клеток, характеристика отдельных фаз и получение целевых продуктов. Культивирование клеток высших растений, примеры получаемых продуктов. Культивирование клеток животных, получение моноклональных антител. Конечные стадии получения целевого продукта биотехнологического производства. Классификация продуктов биотехнологического производства. Микроорганизмы - продуценты ферментов. Требования к штаммам - продуцентам. Технология производства ферментов в промышленных условиях. Преимущества использования иммобилизованных ферментов в биотехнологии. Преимущества использования иммобилизованных клеток в биотехнологии. Характеристика используемых носителей, способы иммобилизации клеток и ферментов. Преимущество использование ферментов перед неорганическими катализаторами. Промышленные технологические процессы с использованием иммобилизованных ферментов. Применение иммобилизованных ферментов в медицине. Каллусные и суспензионные культуры клеток высших растений, методы их получения и область применения. Протопласты растительных клеток, их получение, методы регенерации и культивирования. Слияние протопластов растительных клеток. Гибридизация соматических клеток растений. Клональное микроразмножение растений. Культивирование клеток и тканей животных. Приемы культивирования в суспензионной культуре и в адгезированном состоянии. Получение трансгенных организмов. Производство белка одноклеточных организмов. Биотехнология и медицина. Получение антибиотиков в промышленных условиях. Лекарственные препараты, получаемые в промышленных условиях (вакцины, пробиотики и т.д.). Сельскохозяйственная биотехнология, задачи и применение. Биотехнологические способы получения энергоносителей. Экологическая биотехнология. Биотехнология очистки промышленных отходов. Нанобиотехнологии и основные направления их развития. Социальные аспекты биотехнологии и биоинженерии. Контроль применения биотехнологических методов. Понятие о биоэтике и биобезопасности. Крупномасштабная и малотоннажная биотехнология. |