Объекты биотехнологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД 042-18-9.1.19/03УМКД
2013г
Учебно-методические
Редакция №1 от 19.09.2013г
материалы по дисциплине
«Объекты
биотехнологии»
УЧЕБНО - МЕТОДИЧЕСКИЙ
КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Объекты биотехнологии»
«5В070100» – «Биотехнология»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2013
Содержание
1
Глоссарий
2
Лекции
3
Практические занятия
4
Самостоятельная работа студента
1. Введение
Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии,
которая стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.
Эта наука использует живые организмы и биологические процессы в практических
интересах человека. Термин «биотехнология» появился в начале 70-х годов ХХ века,
однако до сих пор среди ученых нет единого определения.
В традиционном, классическом, понимании биотехнология (от греч. bios – жизнь,
teken – искусство, мастерство, logos – наука) - это наука о методах и технологиях
производства, транспортировки, хранении и переработки различных веществ и продуктов
с использованием природных биологических объектов и процессов.
Люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво,
делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы,
даже не подозревая об их существовании. Однако разработка методов генетической и
клеточной инженерии поставили биотехнологию на новый уровень, качественно
отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными
процессами. Эти методы открывают возможность не только улучшения продуктов и уже
освоенных процессов, но дают оригинальные способы получения новых, ранее
недоступных веществ.
Новейшая биотехнология – это наука о генно- и клеточно-инженерных методах и
технологиях создания и использования генетически модифицированных растений,
животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых,
а также традиционных видов продуктов различного назначения.
В биотехнологии, как в никакой другой области знаний, интегрируются наука и
производство. Охарактеризовать науку «биотехнология» лучше всего следующими
словами: «Нет и еще тысячу раз нет: я не знаю такой науки, которую можно было бы
назвать прикладной. Есть наука и есть области ее применения, и они связаны друг с
другом, как плод с взрастившим его деревом» (Пастер, 1871; цитата взята из Revue
Scientifique).
Биотехнология как наука возникла на стыке биологических, химических и
технических наук. Биотехнологические методы включают микробиологический синтез,
генную инженерию, клеточную и белковую инженерию, инженерную энзимологию,
культивирование клеток микроорганизмов, растений и животных, методы слияния клеток.
Значительные успехи, достигнутые во второй половине ХХ века в фундаментальных
исследованиях в области биохимии, молекулярной биологии, генетики, явились мощным
импульсом для развития биотехнологии.
Биотехнологический процесс включает ряд этапов:
- подготовка объекта;
- культивирование;
- выделение целевого продукта;
- очистка его;
- модификация;
- использование продуктов.
Многоэтапность процесса обуславливает необходимость привлечения к его
осуществлению самых различных специалистов.
Биотехнология находится в тесной взаимосвязи с рядом научных дисциплин, в
большинстве случаев реализуя их практическое применение (рис. 1).
Рис. 1. Связь биотехнологии с другими науками
Использование методов молекулярной биологии дает возможность определить
структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные
мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами
генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и
жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с
новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.
Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов
различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем
индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести
широкомасштабный синтез различных веществ. Некоторые белки и вторичные
метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот.
Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин,
алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд
биологически активных соединений, в частности, клетки гипофиза - липотропин,
стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост. Созданы
перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела,
широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии,
цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и
целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко
используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей,
овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что
биотехнология стала источником не только новых продуктов питания и медицинских
препаратов, но и получения биоэнергии и новых химических веществ, а также организмов
с заданными свойствами.
Голландский ученый Е. Хаувинк (1984 г.) предложил разделить историю развития
биотехнологии на пять периодов.
1. Допастеровская эра (до 1865 г.).
Биотехнология возникла в древности (примерно 6000-5000 лет до н.э.), когда люди
научились, используя процесс брожения, выпекать хлеб, варить пиво, готовить сыр и
вино. При этом наши предки действовали скорее интуитивно, ничего не зная о причинах
брожения и о том, как оно осуществляется. Однако опыт получения ферментированных
продуктов передавался человеком из поколения в поколение на протяжении тысячелетий.
Только в XIX веке французский ученый Луи Пастер установил, что микроорганизмы
играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных
продуктов участвуют разные их виды, которые отличаются не только морфологически, но
и особенностями обмена веществ. Таким образом, Луи Пастер заложил основы
сознательного управления технологическими процессами, в которых микроорганизмы
играют ведущую роль. Он по праву считается одним из отцов современной
биотехнологии.
2. Послепастеровская эра (1866 – 1940 гг.).
Исследования Л. Пастера послужили основой развития в к. XIX – н. XX вв.
бродильного производства органических растворителей (этанола, бутанола, ацетона и др.)
и других химических веществ, при синтезе которых использовались разные виды
микроорганизмов. Во всех этих процессах микробы в анаэробной (бескислородной) среде
осуществляют превращение углеводов растений в ценные продукты. В этот период было
освоено производство кормовых дрожжей с участием микроорганизмов, где в качестве
субстрата использовали углеводороды. Также была разработана аэробная очистка
канализационных
вод.
Были
изучены
теоретические
основы
специфики
микробиологических процессов при выработке, хранении и созревании молочных
продуктов. Создано промышленное производство лимонной кислоты (после того, как
советские ученые доказали, что в процессе жизнедеятельности грибов происходит
образование органических кислот). В 1919 г. в печати впервые появилось слово
«биотехнология», введенное венгерским инженером Карлом Эреки при описании
процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма
сахарной свеклы. В 1928 г. А. Флеминг открыл пенициллин как антибиотик. Большой
вклад в биотехнологические разработки внесли советские исследователи: В.Н.
Шапошников, В.С. Буткевич, С.П. Костычев и др.
3. Эра антибиотиков (1941-1960 гг.).
Открытие А. Флемингом, Х. Флори и Э. Чейном химиотерапевтической активности
пенициллина стало важным этапом в развитии биотехнологии хозяйственно ценных
веществ. Началась интенсивная работа по поиску активных продуцентов антибиотиков,
получению мутантов с измененным наследственным материалом, обладающих
способностью к сверхсинтезу, а также разработка методов культивирования грибов,
создания технологических схем крупномасштабного производства.
Кроме того, существенную роль в эти годы сыграло использование клеток
животных и растений. Например, культуры клеток человека при выращивании ряда
вирусов для производства вакцин; при производстве высокоспецифических белков
(антител и интерферонов); в исследованиях рака и в противовирусной химиотерапии. В
1943 г. С.Э. Лурия и М. Дельбрук определили наличие мутаций среди бактерий. Этот год
является годом становления генетики бактерий, а впоследствии – развития генной
инженерии. В этот период в СССР активно работают научные школы академиков Н.П.
Дубинина, С.И. Алиханяна, И.А. Раппопорта, и др., исследующие вопросы генетики
популяций, эволюционной, радиационной генетики, генетические основы селекции,
различные аспекты химического мутагенеза. В 1953 г. Сенгер установил полную
структуру белка инсулина, а Дж.Уотсон и Ф.Крик установили модель двойной спирали
молекулы ДНК, был расшифрован механизм действия генетического аппарата. В 1957 г.
А.Айсакс и И.Линдеман открыли интерферон. Широко используется культура
растительной ткани: получение культуры из отдельных растительных клеток, обработка
каллюса растительными гормонами. В 1958 г. молекула ДНК была впервые синтезирована
в лаборатории. Эти открытия заложили фундамент молекулярной биологии и генной
инженерии.
4. Эра управляемого биосинтеза (1961 – 1975 гг.).
Производство аминокислот посредством микробных мутантов является наиболее
перспективным среди других способов их получения. Аминокислоты - это не только
питательные вещества, но также ароматические и вкусовые агенты, и потому они широко
используются в пищевой промышленности. Например, как питательную добавку в пищу
чаще всего вносят лизин и метионин. Глутамат натрия и глицин употребляют как
ароматические вещества для усиления и улучшения вкуса пищи. У глицина освежающий,
сладкий вкус. Его вводят в сладкие напитки, и, кроме того, он проявляет там
бактериостатическое действие. Цистеин предотвращает подгорание пищи, улучшает
пекарские процессы и качество хлеба.
Производство
микробного
белка
позволяет
выпускать
полноценные
сбалансированные корма для выращивания птицы и скота. При этом микроорганизмы
можно выращивать на различных питательных средах: на газах, нефти, отходах угольной,
химической, пищевой, винно-водочной, деревообрабатывающей промышленности.
Не менее важным достижением биотехнологии в этот период было получение
чистых ферментов, промышленное использование иммобилизованных ферментов и
клеток. Впервые был получен биогаз, налажено производство полисахаридов, открыты
ферменты рестриктазы и лигазы, позволяющие разрезать и сшивать молекулу ДНК в
нужных местах.
5. Эра новой биотехнологии (после 1975 г.).
Этот этап стал возможным после эпохального открытия Д. Уотсона и Ф. Крика
строения молекулы ДНК. Главными объектами исследований становятся живая клетка и
молекула ДНК. Важнейшим достижением биотехнологии является генетическая
трансформация, перенос чужеродных донорских генов в клетки-реципиенты
микроорганизмов, растений и животных, получение трансгенных организмов с новыми
или усиленными свойствами и признаками. В 1983 г. было получено первое генномодифицированное растение – табак. В 1988 г. был разработан метод полимеразной
цепной реакции (ПЦР). Работы с рекомбинантными молекулами ДНК позволили создать
бактериальные штаммы-продуценты всех типов интерферонов, продуценты гормона роста
человека и ряда животных, проинсулина человека и т.д. Не менее важное направление,
сформировавшееся в эти годы, - получение гибридов, моноклональных антител, гибридов
из протопластов и меристемных культур, трансплантация эмбрионов. Интенсивно
развивается направление иммобилизации ферментов и клеток на специальных носителях,
что обеспечивает их многократное использование.
В настоящее время в биотехнологии выделяют медико-фармацевтическое,
продовольственное, сельскохозяйственное и экологическое направления. В соответствии с
этим биотехнологию можно разделить на медицинскую, сельскохозяйственную,
промышленную и экологическую.
Перспективы развития биотехнологии в различных отраслях:
- в промышленности (пищевая, фармацевтическая, химическая, нефтегазовая):
использование биосинтеза и биотрансформации новых веществ на основе
сконструированных методами генной инженерии штаммов бактерий и дрожжей с
заданными свойствами;
- в сельском хозяйстве: разработка в области растениеводства трансгенных
агрокультур, биологических средств защиты растений, бакудобрений и регуляторов роста,
микробиологических методов рекультивирования почв; в области животноводства –
получение вакцин и сывороток, создание эффективных кормовых препаратов из
растительной, микробной биомассы и отходов сельского хозяйства, репродукция
животных на основе эмбриогенетических методов;
- в медицине: разработка медицинских биопрепаратов, моноклональных антител,
диагностикумов, вакцин, развитие иммунобиотехнологии;
- в экологии: разработка экологически безопасных технологий очистки сточных
вод, утилизация отходов АПК, конструирование экосистем;
- в энергетике: применение новых источников биоэнергии, биоконверсия биомассы
в биогаз и биотопливо.