Файл: 696.pdf

Издание учебное

Пшеничникова Анна Борисовна

Основы биотехнологии

Учебное пособие

Подписано в печать_______ Формат 60х84/16. Бумага писчая. Отпечатано на ризографе. Уч. изд. листов 1.

Тираж 200 экз. Заказ № ____________

Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова.

Издательско-полиграфический центр.

119571 Москва, пр. Вернадского 86.

92

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московская государственная академия тонкой химической технологии

им. М.В. Ломоносова

Кафедра Биотехнологии и бионанотехнологии

А.Б. Пшеничникова

ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

Москва 2010

Для того чтобы извлечь из потенциала микроорганизмов все наиболее ценное, используют методы воздействия на геном, существенно расширяющие их производственные возможности – селекцию и мутагенез, а также генетическую инженерию.

4.1. ПОЛУЧЕНИЕ ПРОДУЦЕНТОВ МЕТОДАМИ СЕЛЕКЦИИ

Традиционно для получения более активных биологических агентов – продуцентов - применяли селекцию и мутагенез. Селекция – это направленный отбор мутантов – организмов, наследственность которых приобрела скачкообразное изменение в результате структурной модификации в нуклеотидной последовательности ДНК. Генеральный путь селекции – это путь от слепого отбора нужных продуцентов к сознательному конструированию их генома. Традиционные методы отбора в свое время сыграли важную роль в развитии различных технологий с использованием микроорганизмов. Были отобраны штаммы пивных, винных, пекарских, уксуснокислых и др. микроорганизмов.

Для изменения природных способностей микроорганизмов используют изменения генотипа - мутации, приводящие к усилению природных способностей микроорганизмов синтезировать и продуцировать нужные вещества, а также синтезировать вещество в избытке – сверх своих потребностей и продуцировать его. Мутации, способствующие сверхсинтезу продукта, могут затрагивать большое число структурных генов, кодирующих ферменты всех этапов синтеза, транспорта и катаболизма данного продукта, а также регуляторные гены. Результат таких мутаций может проявиться в следующих основных изменениях метаболизма клеток:

1)повышение скорости поглощения и утилизации субстрата;

49

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

1.ВВЕДЕНИЕ………………………………………………5

2.ПРЕДМЕТ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСА…………………6

3.БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ………………………...9

3.1.КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ....9

3.2.ВИРУСЫ…………………………………………...12

3.3.БАКТЕРИИ………………………………………...16

3.3.1.Таксономия бактерий……………………..17

3.3.2.Генетическая изменчивость бактерий...…22

3.3.3.Рост бактерий……………………………...26

3.3.4.Бактерии как продуценты в

биотехнологии…………………………………....31

3.4.ЭУКАРИОТЫ…...…………………………………34

3.4.1.Грибы………………………………………37

3.4.1.1.Строение и классификация грибов….38

3.4.1.2.Дрожжи………………………………..40

3.4.1.3.Мицелиальные грибы…………...……42

3.4.2.Простейшие………………………………...42

3.4.3.Растения …………………………………....43

3.4.4.Животные…………………………………..45

4.ПОЛУЧЕНИЕ ПРОДУЦЕНТОВ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ………………48

4.1.ПОЛУЧЕНИЕ ПРОДУЦЕНТОВ МЕТОДАМИ СЕЛЕКЦИИ……………………...………………………….49

4.2.ПОЛУЧЕНИЕ ПРОДУЦЕНТОВ МЕТОДАМИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ…………………...……52

4.2.1.Теоретические предпосылки генетической инженерии…………………………………………………...53

4.2.1.1.Термины и определения………………53

4.2.1.2.Важнейшие достижения молекулярной биологии……………………………………………………..54

4.2.2.Технология рекомбинантных ДНК ……….65

4.2.2.1.Получение генов, кодирующих целевые белки…………………………………………………………66

4.2.2.2.Встраивание полученного гена в вектор

3

11.Какие организмы относят к микроорганизмам? Их преимущества при использовании в качестве продуцентов в биотехнологическом процессе?

12.Чем занимается наука систематика (таксономия)?

13.Перечислите основные различия между прокариотами и эукариотами. Подробно объясните различия, касающиеся а) формы клеток, б) локализации генетического материала.

14.Классификация микроорганизмов по способам питания (по трофике). Приведите примеры.

15.Способы питания животных и растений. Чем они отличаются?

16.Цели и принципы культивирования дифференцированных клеток человека и животных in vitro.

17.Систематика (таксономия) микроорганизмов. Систематические категории.

18.Что такое систематика (таксономия) микроорганизмов? С помощью каких признаков описываются таксономические категории?

19.Биотехнологическое производство, его преимущества перед традиционными технологическими процессами?

20.Общие структурные компоненты клетки.

21.Строение животной и растительной клеток. Общее и различия. Какие органеллы этих клеток имеют двойные мембраны?

22.Классификация бактерий по Берги.

23.Окраска по Граму и строение клеточной стенки бактерий.

24.Селекция и генетическая инженерия, определения.

25.Вирусы. Живые ли они? (если «да» или «нет», то почему?). Их место в классификации всех организмов по царствам и надцарствам.

88

1. ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Основы биотехнологии» является первым шагом на пути познания новой области науки – Биотехнологии. Эта новая современная междисциплинарная область связывает биологию и химическую технологию, биохимию и инженерные науки. Синтез биологических и химических наук расширяет возможности промышленной технологии для получения жизненно важных продуктов – препаратов для медицины, пищевых продуктов, биотоплива, экологических технологий. Знания биотехнологии необходимы также специалистам, работающим в области химии полимеров, основного органического и нефтехимического синтеза и других областях химической технологии, поскольку возможности живых систем могут усилить достижения отдельных химических технологий. Создавая новую технологию, современный специалист химик-технолог обязан учитывать возможности живых систем, заложенные природой, для усовершенствования технологий получения самых разных продуктов.

Базовыми знаниями, без которых невозможно освоение курса «Основы биотехнологии» являются знания органической химии, химии биологически активных веществ, биохимии, общей химической технологии, процессов и аппаратов химической технологии.

Настоящее учебное пособие «Основы биотехнологии» базируется на материале предшествующей дисциплины «Основы биохимии», восполняет отсутствующие у студентов 4 курса знания по микробиологии и дает всю необходимую терминологическую базу для освоения ключевого раздела биотехнологии – генетической инженерии.

5

2. ПРЕДМЕТ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Биотехнология (от греческих слов bios – жизнь, teken – искусство, logos – слово, учение, наука) – область науки и практики, основанная на направленном использовании биологических объектов для получения полезных продуктов. Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, простейшие организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека и их метаболиты, в частности биополимеры – ферменты, нуклеиновые кислоты и др.

Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером Карлом 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». Только в 1961 г. к термину «биотехнология» вновь вернулись после того как шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала

«Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology» (Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на «Biotechnology and Bioengineering» (Биотехнология и биоинженерия). С этого момента биотехнология оказалась четко и необратимо связана с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов».

Согласно определению Европейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 г., биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической технологии позволяет получать необходимые продукты с

6

сельского хозяйства и др.) используются схемы производства различной степени сложности, при этом учитывают и место накопления целевого продукта – внутриклеточно, в биомассе или внеклеточно – в культуральной жидкости.

При локализации продукта в биомассе для ее выделения применяют такие методы, как седиментацию и декантацию, фильтрование, центрифугирование, отстаивание, флотацию. Если целевым продуктом является внеклеточный метаболит, его выделяют из культуральной жидкости методами экстракции, сорбции, осаждения, хроматографии, с применением мембранных методов – ультрафильтрации, диализа, обратного осмоса.

6.ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАЧЕТУ

1.На какие науки опирается, и по каким направлениям развивается биотехнология?

2.Основные цели и задачи биотехнологии.

3.Какие методы используют биотехнологи для достижения целей и задач биотехнологии?

4.Отличие биотехнологии от традиционной химической технологии.

5.Объекты (продуценты) биотехнологических исследований.

6.Биотехнологический процесс и его компоненты.

7.Основные этапы биотехнологического производственного процесса.

8.Приведите примеры наиболее часто используемых в биотехнологических производствах микроорганизмов-продуцентов. Какие продукты с их помощью получают?

9.Классификация живых организмов по царствам и надцарствам.

10.Какие организмы-эукариоты относят к микроорганизмам?

87