Файл: Биотехнология 1 мод.docx

Метою лекції є ознайомлення студенті в з основами будь якого біотехнологічного процесу. Засвоєння матеріалу лекції дозволить розуміти процеси, які є основою отримання готового імунологічного продукту.

План лекції:

1. Біологічні системи біотехнології

2. Принципи біотехнології

3. Компоненти біотехнологічної системи

4. Об’єкти біотехнології

5. Методи, що застосовуються у біотехнології

6. Сировинна база біотехнології

7. Продукти біотехнологічного процесу

ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ

1. БІОЛОГІЧНІ СИСТЕМИ БІОТЕХНОЛОГІЇ

Знання та технічні можливості дозволяють синтезувати практично усі відомі нам речовини, проте штучно синтезовані речовини та сполуки мають ряд недоліків:

· Великі капіталовкладення для їх отримання

· Велика вартість продукту

· Погана засвоюваність організмом людини чи тварини .

Жива клітина характеризується унікальною організаційною структурою, скорегованістю процесів, точністю результатів, економічністю та раціональністю, чим перевершує будь-який завод. Тому біотехнологія використовує мікроорганізми, які у процесі життєдіяльності виробляють природнім шляхом необхідні нам речовини – вітаміни, ферменти, амінокислоти, органічні кислоти, спирти, антибіотики.

Мікроорганізми використовують речовини навколишнього середовища, ростуть, розмножуються, виділяють рідкі та газоподібні продукти метаболізму, заради яких проводять процес культивування. Тому мікроорганізми можна розглядати як центральний елемент біотехнологічної системи, якій визначає ефективність її функціонування .

Система (від грец. « systema ” - ціле, складене з частин) - багато елементів, які пов’язані між собою і утворюють ціле.

Біологічна система характеризується :

• Наявністю гетерогенних відкритих систем.

• Поділом біосистеми на підсистеми (структурні елементи), які пов’язані між собою і мають складну організацію.

• Самоуправлінням,саморегулюванням.

• Самовідтворенням.

Будь яка біологічна система складається з трьох взаємопов’язаних елементів:

1. Система генетичного та фізіологічного управління

2. Метаболічна система

3. Система передачі сигналів управління на ефектори.

повернутися до змісту

2. ПРИНЦИПИ БІОТЕХНОЛОГІЇ 

Біотехнологічний процес складається з трьох етапів:

1. Отримання сировини та її обробка для використання поживних речовин мікроорганізмами-мішенями.

2. Ферментація та біотрансформація: ріст мікроорганізмів з утворенням необхідного метаболіту

3. Кінцева обробка: очищення необхідної речовини від культурального середовища.

Біотехнологічний процес отримання продукту має відповідати основним принципам:

Принцип економічної обгрунтованності.

Принцип доцільності рівня технологічних розробок .

Принцип наукової обгрунтованності біотехнологічного процесу .

Принцип здешевлення виробництва .

повернутися до змісту

---

3. КОМПОНЕНТИ БІОТЕХНОЛОГІЧНОЇ СИСТЕМИ

Біотехнологічна система це єдина система, яка складається з послідовних стадій та операцій, кількість та особливості яких залежать від виду продукту та його товарної форми.

Біотехнологічна система включає основні компоненти:

• Біологічний об’єкт (Біотехнологічний агент)

• Субстрат та його фізико-хімічні характеристики

• Обладнання та прилади контролю та управління

• Технологічний режим

• Кінцевий продукт

4. ОБ’ЄКТИ БІОТЕХНОЛОГІЇ :

• віруси

• мікроорганізми

• клітини та тканини рослин, тварин та людини

• речовини біологічного походження (ферменти, нуклеїнові кислоти)

• молекули

• генетично модифіковані організми

Джерело біологічних об’єктів для біотехнології .

• Племінні заводи тварин донорів

• Сертифіковані віварії лабораторних тварин

• Спеціалізовані банки колекцій мікроорганізмів

• Кріобанки клітин тварин та рослин

• Конструювання штучних клітин, трансгенних тварин та рослин (отримання штучної клітинної мембрани з певною проникністю та поверхневими властивостями; клітини-продуценти інтерферонів, моноклональних антитіл).

Перспективні біологічні об’єкти :

· Трансгенні організми, отримані методами генетичної інженерії

· Культури клітин тварин і рослин

· Термофільні мікроорганізми та ферменти

Анаеробні мікроорганізми

· Асоціації для перетворення складних субстратів

· Імобілізовані біологічні об’єкти

повернутися до змісту

5. МЕТОДИ, ЩО ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ У БІОТЕХНОЛОГІЇ

Визначаються біооб’єктами та поділяються на клітинні та молекулярні.

Клітинні – робота з бактеріями (отримання вакцинних препаратів), актиноміцетами (отримання антибіотиків), міксоміцетами (отримання лімонної кислоти), тваринними клітинами (противірусні вакцини), клітини людини (отримання інтерферону) та інші.

Молекулярні - маніпуляції з нуклеїновими кислотами. Проте молекулярний рівень все одно трансформується у клітинний.

6. СИРОВИННА БАЗА БІОТЕХНОЛОГІЇ

Елементи живлення, необхідні для росту клітин поділяють:

· основні елементи (Н+,О₂,С,N₂)

· елементи, які потребуються у менших кількостях (Р, К, S)

· амінокислоти (глутамінова к-та, L -та D -амінокислоти)

· вітаміни та гормони

· мікроелементи ( Cu,Ca,Fe,Zn,Co,Mo )

Основні види субстратів, які використовуються у біотехнології:

Глюкоза- джерело вуглецю та енергії, швидко асимілюється, додають до культур-продуцентів складних органічних сполук (Крохмаль, целюлоза (хімічний та ферментативний гідроліз)).

Цукроза - джерело вуглецю та енергії,основний субстрат при біосинтезі антибіотиків, амінокислот, органічних кислот(Цукровий тросник, цукровий буряк).

Лактоза - джерело вуглецю та енергії, засвоюється деякими мікроорганізмами (Молочна сироватка при виготовленні масла, сиру).

Ксилоза - джерело вуглецю та енергії, засвоюється багатьма бактеріями та дріжджами роду Candida (Крилан, основний компонент рослинних геміцеллюлоз).

---

Крохмаль - д жерело вуглецю та енергії, засвоюється після гідролізу різної глибини (Картопля, кукурудза, пшениця, рож, ячмінь, рис, банани)

Целюлоза - джерело вуглецю та енергії(Різноманітне рослинна сировина. Використання деревини (ялина, смерека, бамбук, евкаліпт) та відходів сільського господарства (солома, кукурудзяний качан, стеблі бавовняника, відходи бобів))

етанол - джерело вуглецю та енергії, як поверхнево-активна речовина посилює спінювання культуральної рідини (Від субстратів цукру до продуктів гідролізу деревини та компонентів нафти та газу)

С10-С20 алкани - джерело вуглецю та енергії, використовується бактеріями, дріжджами, міцеліальними грибами (Нафта та газовий конденсант).

( NH ₄ )₂ SO _4 - джерело азоту(Мінеральні джерела).

Патока - джерело вуглецю та енергії, найбільш вживаний субстрат для біотехнологічних процесів, високій рівень цукрі (Побічний продукт виробництва цукру-сирцю та цукру-рафінату).

Ячмінь та продукти його переробки - джерело вуглецю та енергії, частіше використовується солодовий екстракт (ячмінь).

Гідролізати деревини, соломи - джерело вуглецю та енергії, мінеральний солей, містить пептози, що позитивно впливає на ріст дріжджів (Деревина, трав’яна маса).

Рослинні олії та тваринні жири - джерело вуглецю та є високоефективним джерелом енергії (Рослинна та тваринна сировина)

Екстракт дріжджів - джерело вуглецю, енергії, азоту, мінеральних солей, суміш амінокислот, ліпідів, вітамінів,цукрі (Отримують від пивних та пекарських дріжджів шляхом автолізу).

Соєве борошно - джерело вуглецю та енергії, багато білка, фосфору та жирів (Від соєвих бобів після видалення олії).

повернутися до змісту

7. ПРОДУКТИ БІОТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ:

· Власне клітини як джерело цільового продукту (наприклад, бактерії і віруси використовують для отримання вакцин; дріжджі як кормовий білок або основа для отримання гідролізатів поживних середовищ)

· Великі молекули , які синтезуються клітинами у процесі вирощування : ферменти, токсини, антигени, антитіла, пептидоглікани та інші.

· Первинні метаболіти – низькомолекулярні речовини (менше 1500 Да), які необхідні для росту клітин – амінокислоти, вітаміни, нуклеотиди, органічні кислоти.

· Вторинні метаболіти (ідіоліти ) - низькомолекулярні сполуки, які не потрібні для росту клітин: антибіотики, алкалоїди, токсини, гормони.

Лекція №3. Частина 1. Селекція мікроорганізмів. Основи молекулярної біології. Генетична інженерія

Лекція №3

БІОТЕХНОЛОГІЯ У ВЕТЕРИНАРНІЙ МЕДИЦИНІ

Факультет ветеринарної медицини

Кафедра мікробіології, вірусології та біотехнології.

ТЕМА ЛЕКЦІЇ : СЕЛЕКЦІЯ ШТАМІВ МІКРООРГАНІЗМІВ. 

ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ. ОСНОВИ МОЛЕКУЛЯРНОЇ БІОЛОГІЇ.

АВТОР: НОВІЦЬКА О.В., кандидат ветеринарних наук

АНОТАЦІЯ

Викладено молекулярні основи генетичної інженерії - основного шляху направленої модифікації біооб’єктів в результаті введення штучно створених генетичних програм. Розглянуто будову молекули ДНК, структуру нуклеїнових кислот, охарактеризовано процес реплікації.

---

Метою викладення матеріалу є засвоєння фундаментальних основ створення рекомбінантних ДНК.

План лекції:

1. Основи селекції штамів мікроорганізмів

2. Будова молекули ДНК

a. Поняття «нуклеотид, нуклеозид»

b. Гетероциклічні основи

c. Цукровий компонент

3. Структура нуклеїнових кислот

a. Первинна структура

b. Вторинна структура

c. Третинна структура

4. Реплікація ДНК

5. Кодування синтезу білкових молекул

a. Типи РНК

6. Транскрипція

a. у прокаріотів

b. у еукаріотів

ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ 

1. ОСНОВИ СЕЛЕКЦІЇ ШТАМІВ МІКРООРГАНІЗМІВ

Відбір мікроорганізмів – продуцентів.

Основою сучасного біотехнологічного виробництва є мікробіологічний синтез, головною ланкою якого є клітина. Клітина (за Овчинниковим Ю.А.) це мініатюрний хімічний завод, який працює з колосальною віддачею узгоджено та за програмою. Що хвилини у ній синтезується сотні складних сполук, в першу чергу білків. Мікроорганізми – бактерії, дріжджі, міцеліальні гриби є складовою частиною таких біотехнологічних процесів як біосинтез антибіотиків, ферментів, амінокислот, інтерферонів, гормонів.

Незалежно від природи об’єкту, початковим етапом біотехнологічної розробки є отримання чистих культур клітин та тканин. На сьогодні відомо більше ніж 100 тис. різних видів мікроорганізмів.

Як же провести відбір форм, продукція яких нас цікавить? Як відібрати продуцентів вітаміну В12, треоніну, еритроміцину, холестериноксидази або метану?

Проводять відбір мікроорганізмів.

Перший шлях. Відбирають зразки з місцевини, де вірогідність продуцента найбільша. Наприклад, вуглевод окислюючи мікроорганізми –грунти біля бензоколонок, винні дріжджі на винограді,анаеробні целюлозорозлагаючи та метаноутворюючи в великих кількостях знаходяться у рубці травоїдних. Зразки вносять в рідкі поживні середовища спеціального складу – елективні. В цих середовищах створюються вибіркові умови для розвитку того чи іншого мікроорганізму. Наприклад, для накопичення продуцента холестериноксидази використовують середовища з єдиним джерелом вуглицю - холестерином, продуцентів протеолітичних або ліполітичних ферментів – середовища, які містять білки або ліпіди. Так отримують накопичувальні середовища мікроорганізмів.

наступний етап – виділення чистих культур. Використовують щільні поживні середовища, на які засівають зразки з накопичувальних культур. Окремі клітини утворюють ізольовані колонії з яких отримують чисті культури.

Другий шлях. Мікроорганізми можна отримувати з колекцій мікроорганізмів. При цьому користуються знаннями фізіології та біохімії різних мікроорганізмів. Так, продуцентів антибіотиків частіше всього знаходять серед актиноміцетів, типові продуценти етанолу – дріжджі, для грампозитивних бактерій характерно виділення гідролітичних ферментів.

Усі процеси життєдіяльності мікроорганізму направлені на безупинний ріст та поділ до тих пір, поки середовище буде містити мінімальні умови для цього. Усі процеси у бактеріальній клітині підпорядковані жорстким правилам економії. Жоден з первинних метаболітів не утворюється більше необхідного. Для промислових завдань генетична програма клітини повинна бути перебудована таким чином, щоб спрямувати потенціал біосинтезу клітини не на самовідтворення, а на виробництво необхідного продукту.

---

Вимоги щодо продуцентів-мікроорганізмів

1. Здатність синтезувати цільовий продукт

2. Володіти високою швидкістю росту

3. Використовувати для життєдіяльності дешеві нехарчові субстратиСтійкість до зараження сторонньою мікрофлорою

Одноклітинні організми характеризуються більшою швидкістю синтетичних процесів, ніж вищі форми життя. Так, корова масою 500 кг за добу синтезує 0,5 кг білка. Таку ж кількість білка за добу можна отримати від 5 г дріжджів.

Фотосинтезуючи мікроорганізми використовують найдешевші джерела енергії, вуглеводу, відновних еквівалентів та азоту. Фототрофні мікроорганізми перспективні як продуценти аміаку, водню, білку та різних біопрепаратів. Окремо слід відмітити створення нових технологій мікробіологічного виробництва на базі біоконверсії сонячної енергії.

Термофільні мікроорганізми оптимально ростуть при високих температурах (60-80,110^оС, на океанічних глибинах знайдені мікроорганізми, здатні розвиватися під тиском при 300^оС), що затрудняє розвиток сторонньої мікрофлори. Серед термофілів виявлені продуценти спиртів, амінокислот, ферментів, молекулярного водню. Використання термофілів дозволить знизити затрати на стерилізацію обладнання. Швидкість росту у термофілів у 1,5-2,0 рази вища, ніж у мезофілів. Термофіли Thermus caldophilus та T. аquaticus синтезують протеази стійкі до нагріваня. Активність протеази при 20 ^оС у 100 разів нижча, ніж при 75^оС. (використання у харчовій промисловості).

Виділення та підбір об’єкта – важливий етап біотехнологічного процесу. Проте шляхом простого підбору отримати високоактивні продуценти не вдається, тому використовують методи селекції.

Питаннями вдосконалення промислових мікроорганізмів займаються мікробіологи селекціонери. Так, багаторічна селекція штамів продуцентів пеніциліну дозволила підвищити активність від 100 до 40000 од/мл.

Селекція –це направлений відбір мутантів, т.т відбір організмів, спадковість яких перетерпіла зміни у наслідку структурної модифікації у нуклеотидній послідовності ДНК

Стратегія селекційної роботи з мікроорганізмами:

• Пошук природних форм, які володіють корисними якостями для людини (синтез цінної сполуки, висока швидкість росту, здатність до засвоєння дешевих та доступних матеріалів)

• Створення на їх базі промислових штамів.

Це відбувається шляхом зміни регуляції метаболічної активності мікробної клітини.

Генеральний шлях селекції – шлях від сліпого відбору продуцентів до свідомого конструювання їх геномів.

Методи сучасної селекції – генетичне конструювання, т.т. сукупність маніпуляцій, за допомогою яких змінюють генетичну програму мікроорганізмів.

Генетичне конструювання in vivo – отримання та виділення мутантів з використанням різних способів обміну спадковою інформацією живих мікробних клітин

---