Биотехнология

Федеральное агентство по образованию
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
«УТВЕРЖДАЮ»
Ректор РХТУ им. Д.И. Менделеева
_____________В.А. Колесников
«____»_____________2008 г
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
Теоретические основы биотехнологии
специальность 240901 «Биотехнология»
Программа одобрена
Методической секцией Ученого
совета РХТУ им. Д.И. Менделеева
«____» _________________ 2008 г.
Председатель__________ Ю.И. Капустин
Москва 2008 г
2
Программа составлена кафедрой биотехнологии,
доцент кафедры, к.т.н. Марквичев Н.С.
Зав. кафедрой, д.т.н., профессор__________________________Панфилов В.И.
3
Пояснительная записка
Цель преподавания дисциплины – формирование у студентов базовых
знаний, лежащих в основе современных методов направленного биосинтеза и
управления ферментационнми процессами, используемыми для получения
продуктов биотехнологии, развитие в студентах способностей к анализу и
обобщению экспериментальных и литературных данных в области управляемого культивирования микроорганизмов и других биологических продуцентов.
Курс состоит из двух разделов: первый раздел посвящен изучению кинетики роста микроорганизмов и возможностей управления процессами их
развития при использовании различных методов и способов культивирования; вторая часть курса посвящена изучению биохимических процессов, протекающих в клетках продуцентов, и способов управления процессами за счет
внешних воздействий. Под управляющими воздействиями рассматриваются
как способы и методы культивирования, так и изменение физиологии развития продуцентов на основе методов селекции и генной инженерии.
Курс рассчитан на 190 часов (36 часов лекций, 18 часов практических
занятий, 36 часов лабораторных работ, 100 часов самостоятельной работы).
Курс должен быть прочитан после усвоения студентами всех дисциплин специальности 240901 "Биотехнология", изложенных в предыдущих девяти семестрах.
По мере изложения лекционного материала курса студентам выдаются
домашние задания для самостоятельного изучения отдельных глав, изложенных на доступном уровне в имеющейся учебной литературе. Усвоение программы по данной дисциплине оценивается по результатам выполнения
письменных работ, задаваемых студенту на дом.
Контроль знаний осуществляется в соответствии с рейтинговой системой. Форма контроля – экзамен.
Семестр IX 3-2-5.
4
Распределение часов по разделам курса и видам занятий
Тема
Лекции
Пр.
занятия
Лаборат. работа
Самост. Всего
часов
раб.
1. Введение.
2
1
-
4
7
2. Кинетика роста микроорганизмов.
8
6
8
24
46
3. Основные метаболические процессы в клетках.
12
6
12
32
62
4. Направленный
синтез
первичных и вторичных
метаболитов
14
5
16
40
75
Итого:
36
18
36
100
190
Содержание курса
1. Введение.
Введение, цели и задачи курса. Кривая роста микроорганизмов в простых периодических условиях, экспоненциальная модель роста микроорганизмов, понятие удельной скорости роста, экономического коэффициента и
других параметров, характеризующих процессы культивирования. Параметры процесса ферментации, позволяющие управлять процессом культивирования (температура, рН, концентрации компонентов питательной среды,
включая кислород). Классификация методов управляемого культивирования
– простое периодическое культивирование, периодическое культивирование,
периодическое культивирование с подпитками, периодическое культивирование с отводом продуктов метаболизма, их комбинации.
2. Кинетика роста микроорганизмов.
Кинетические модели роста микроорганизмов, влияние концентрации
субстрата, продуктов. Обработка экспериментальных данных по культивированию микроорганизмов в периодических условиях (три задачи).
Влияние концентрации субстрата на рост клеток, понятие лимитирующей концентрации субстрата, уравнение Моно. Ингибирующее действие субстрата, продуктов, модификации уравнения Моно, уравнение МоноИерусалимского, нахождение констант. Оптимизация производительности
5
периодического реактора. Обработка экспериментальных данных по периодическому культивированию по уравнению Моно.
Способы непрерывного культивирования. Хемостатное культивирование, основные понятия, уравнения хемостатного культивирования. Энергия
поддержания. Обработка экспериментальных данных хемостатного культивирования. Нахождение констант в уравнении Моно.
Хемостатное культивирование с переменой лимитирующего фактора.
Хемостатное культивирование двух микроорганизмов. Процессы автоселекции в хемостате. Оптимизация производительности одного хемостата. Расчет
производительности хемостата. Хемостатное культивирование с рециклом по
биомассе, с рециклом по культуральной жидкости. Каскад хемостатов. Тубулярная культура. Турбидостатное культивирование.
Особенности культивирования генно-инженерных штаммов.
Иммобилизация клеток микроорганизмов, методы иммобилизации, изменение концентрации клеток в иммобилизованном состоянии во времени
3. Основные метаболические процессы в клетках.
Анаболические и катаболические процессы, их взаимосвязь в клетках.
Регулирование ферментативных процессов в клетках микроорганизмов на
уровне ферментов, на уровне генома. Аллостерические ферменты, модель
Жакобо-Моно. Роль энергетических эквивалентов (АТФ/цАМФ и др.) в регулировании процессов, протекающих в клетках.
Транспортные процессы в клетках, пассивный и активный транспорт,
транслокация групп. Экспериментальное определение типа транспорта.
Рост микроорганизмов на сахарах. Доступность сахаров, гидролиз полисахаридов, транспорт сахаров в клетки, включение сахаров в анаболические и катаболические процессы, взаимное регулирование процессов метаболизма субстрата внутри клеток.
Гликолиз как этап трансформации углеводных субстратов и его энергетическая сущность, пентозофосфатный цикл, взаимосвязь гликолиза и ПФЦ.
КГДФ путь. Взаимосвязь основных метаболических процессов и регулирование метаболизма субстрата в зависимости от условий. Образование ацетилСоА, регуляторные ферменты и их взаимосвязь с общим метаболизмом субстрата. Цикл трикарбоновых кислот, образование восстановленных эквивалентов, взаимосвязь ферментативной активности цикла с другими метаболическими процессами, протекающими в клетках. Дыхательная цепь – образование АТФ. Аноплеротические реакции (образование оксалоацетата).
6
Общая взаимосвязанность процессов анаболизма и катаболизма сахаров, роль фосфофруктокиназы и других ферментов в регулировании метаболизма сахаров по тому или иному метаболическому пути. Сравнение энергетической эффективности различных путей ассимиляции сахаров.
Рост микроорганизмов на этиловом спирте и ацетате. Рост микроорганизмов на н-алканах. Процессы транспорта. Первичное окисление – окисление с образованием ацетил-СоА. Функционирование глиоксилатного шунта.
Рост на ароматических углеводородах. Рост микроорганизмов на С1соединениях, процессы транспорта в клетку, катаболические процессы,
включение формальдегида в анаболические процессы, сериновый путь, С5путь. Взаимосвязь анаболических и катаболических процессов.
4. Направленный синтез первичных и вторичных метаболитов.
Классификация продуктов микробиологического синтеза, первичные и
вторичные метаболиты. Направленный синтез продуктов первичного микробного метаболизма. Общие принципы создания процессов.
Спиртовое брожение, способы управления процессом (эффект Пастера,
способы брожения по Нейбергу, эффект Олли). Молочнокислое брожение,
другие виды брожения. Выбор оптимальных способов культивирования для
достижения поставленной задачи.
Неполное окисление, направленный биосинтез уксусной кислоты,
трансформация сорбита в сорбозу, направленный синтез кислот и кетонов.
Общие подходы направленного биосинтеза трикарбоновых кислот (лимонной кислоты), способы управления и реализации процесса.
Направленный синтез полисахаридов. Глюконеогенез, взаимосвязь с
процессами ассимиляции сахаров, роль фосфатазы.
Направленный синтез липидов через малонил-СоА и липоподобных соединений через изопентилпирофосфат.
Направленный синтез аминокислот: синтез глутамата и глутамина, ассимиляция аммиака, аминокислоты аспарагинового ряда, биосинтез лизина
на углеводном и уксуснокислом субстратах, общий метаболизм в клетках.
Направленный биосинтез ароматических аминокислот на примере
триптофана.
Применение генно-инженерных
направленного синтеза аминокислот.
штаммов
микроорганизмов
для
7
Способ синтеза аминокислот с использованием предшественника и
иммобилизованных клеток (синтез аспарагиновой кислоты из фумаровой),
влияние условий культивирования на направленный синтез – направленный
синтез яблочной кислоты или аспарагиновой в зависимости от солевого состава.
Общие положения направленного синтеза вторичных метаболитов, выбор условий культивирования для достижения целевых показателей процесса.
Биосинтез продуктов вторичного метаболизма: биосинтез антибиотиков. Роль антибиотиков в метаболизме клеток, антибиотики как факторы
дифференциации клеток, их влияние на общую ферментативную активность.
Направленный биосинтез пенициллинов. Полусинтетические антибиотики на
основе 6-АПК. Полипептидные антибиотики, отличие синтеза от синтеза
белков.
Направленный синтез витамина В12.
Лабораторный практикум
Занятие
1
Тема
Энергетический метаболизм
2
3
4
Выполняемые работы
Работа 1. Рост дрожжей Saccharomyces cerevisiae в аэробных и анаэробных условиях
Работа 2. Влияние ионов металлов
на синтез лимонной кислоты
Первичные метаболиты
5
6
Работа 3. Направленный синтез
аминокислот Сorynebacterium glutamicum
7
Биотрансформация
Работа 4. Биотрансформация фумаровой кислоты в аспарагиновую
(или яблочную) клетками Е.coli.
8
Вторичные метаболиты
Работа 5. Изучение аминолитической активности у гриба А. niger
8
Литература
Основная
1. Манаков М.Н., Победимский Д.Г. Теоретические основы промышленной
биотехнологии. – М.: Высшая школа, 1989 – 310 с.
2. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. – М.: КолосС, 2004.
– 296 с.2.
3. Безбородов А.М., Загустина Н.А., Попов В.О. Ферментативные процессы в
биотехнологии. – М.: Наука, 2008. – 335 с.
Дополнительная
1. Готтшалк Г. Метаболизм бактерий. – М.: Мир, 1984 – 312 с.
2. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках. – М.: Высшая школа, 1989 –
456 с.
3. Аткинсон Б. Биохимические реакторы. – М.: "Пищевая промышленность",
1974 – 280 с.
4. Безбородов А.М. Биохимические основы микробиологического синтеза. –
М.: "Легкая и пищевая промышленность", 1984 – 304 с.