Контент-платформа Pandia.ru:     2 872 000 материалов , 128 197 пользователей.     Регистрация


Лекции по курсу: биотехнология для студентов факультетов: ветеринарной медицины, биотехнологии (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9
 просмотров


Кафедра микробиологии, вирусологии, эпизоотологии и ветеринарно санитарной экспертизы с основами технологии и стандартизации продуктов животноводства

УЛЬЯНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ: БИОТЕХНОЛОГИЯ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ФАКУЛЬТЕТОВ: ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ, БИОТЕХНОЛОГИИ

Подготовлен для печати:

д. б.н. Васильевым Д. А.

к. в.н. Золотухиным С. Н.

д. б.н. Щербаковым А. А.

к. б.н. Молофеевой Н. И.

УЛЬЯНОВСК 2005

УДК 619 : 616

Д. А. ВАСИЛЬЕВ, С. Н.ЗОЛОТУХИН, А. А.ЩЕРБАКОВ, Н. И. МОЛОФЕЕВА

УЧЕБНО – МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ПОДГОТОВКЕ К ЛАБОРАТОРНЫМ И СЕМИНАРСКИМ ЗАНЯТИЯМ ПО КУРСУ БИОТЕХНОЛОГИИ

Данное учебное пособие подготовлено: д. б.н. Васильевым Д. А.,

к. б.н. Золотухиным С. Н., д. б.н. Щербаковым А. А., к. б.н. Молофеевой Н. И.

Цель издания – восполнить существующий пробел в учебном процессе при изучении материала по лабораторному практикуму курса биотехнология. Некоторые разделы изложены более детально, а по некоторым дан описательный материал, что обусловлено лабораторными возможностями кафедры.

Рекомендовано к изданию кафедрой микробиологии, вирусологии, эпизоотологии ветеринарно – санитарной экспертизы для студентов факультета ветеринарной медицины. Рецензент - ст преподаватель, кбн, Афонин Э. А.

«Биотехнология знаменует собой еще одну рево­люцию в науке, которая может изменить жизнь и будущее... людей так же радикально, как это сдела­ла Промышленная революция два века назад и компьютерная революция в наши дни».

из отчета отдела по оцен­кам новых технологий США за 1987 г.

Лекция 1.

Введение. Знакомство с данным курсом. Природа и многообразие биотехнологических процессов.

В середине 1960-х гг. многие пророчили возникновение «новой биологии», развитие прикладных областей которой существенно изменило бы процедуры получения целого ряда химических и фармацевтических средств. Эта «революция» стала реальностью благодаря многочислен­ным открытиям последующего десятилетия в биохимии, в биологии клетки микробиологии, вирусологии и молекулярной биологии. Столь смелые надежды основывались в первую очередь на установлении структуры и функции определенных фер­ментов, их использовании в иммобилизованной форме — прежде всего микробиологами и энзимологами — в разно­образных производственных процессах, а также на том, что специалисты в области молекулярной генетики откры­ли способ модификации ДНК и перенесения ее из одних организмов в другие. Благодаря стреми­тельному прогрессу вирусологии (в исследованиях бакте­риофагов), микробиологии (в углубленном изучении физи­ологии, генетики и молекулярной биологии кишечной палочки (Escherichia coli), а также в изучении плазмид), молекулярной генетики (в установлении генетического кода) и энзимологии (в открытии ферментов рестрикции) были накоплены знания и разработаны методы генной инженерии. Одно­временно были по достоинству оценены и потенциальные возможности этих методов.

Термин «биотехнология» был придуман в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки для опи­сания 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». Однако это совершенно точное определение не получило широкого распространения. Долгое время термин «биотехнология» относился к двум очень разным дисциплинам. С одной стороны, его употребляли, говоря о промышленной фер­ментации, с другой — применительно к той обла­сти, которая сейчас называется эргономикой. Та­кой двойственности пришел конец в 1961 г., когда шведский микробиолог Карл Гёрен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" («Жур­нал микробиологической и биохимической 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» и встала на прочный фундамент микробиологии, биохимии и химической инженерии.

По классическому определению - биотехнология, это в сущности, не что иное, как использо­вание культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических ве­ществ. Согласно определению Европейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 г., биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, молекулярной биологии, микробио­логии, генетики и химической техники позволяет извле­кать выгоду в технологических процессах из свойств микроорганизмов, макроорганизмов и клеточных культур. Она создает воз­можность получения с помощью легко доступных и возобновляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для жизни и благосостояния людей. Новейшее определение биотехнологии, предлагаемое академиком ВАСХНИЛ В. С. Шевелухи, это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

В промышленном масштабе биотехнология представляет собой уже биоиндустрию. Послед­няя включает в себя, с одной стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успехом заменить широко используемые в настоящее время тради­ционные методы, а с другой — отрасли, в которых биотех­нология играет ведущую роль. Среди первых в области химической промышленности синтез искусствен­ных приправ, полимеров, сырья для текстильной про­мышленности, в области энергетики — получение метано­ла, этанола, биогаза и водорода, в области биометаллур­гии— извлечение некоторых металлов. Во второй группе отраслей биотехнология охватывает: производство продо­вольствия (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокис­лот, витаминов, фермен­тов, продукты гибридомной технологии); увеличение продуктивности сельского хозяйства (клонирование и селекция сортов растений, исходя из тканевых и клеточных культур, производство биоинсекти­цидов); микробиологическую промышленность (разработка и производство вакцин, диагностических препаратов, синтез гормонов, интерферонов и антибиотиков); защиту окружающей среды и уменьшение ее загрязнения (очистка сточных вод, переработка хозяйственных отхо­дов, изготовление компоста, а также производство соеди­нений, поддающихся расщеплению микроорганизмами).

Эта эволюция биотехнологии неотделима от развития знаний об основополагающих механизмах жизнедеятельности. В 1953 г. Сэнгер установил полную структуру белка инсулина, а Уотсон и Крик доказали, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) построена из двух нитей. В 1963 г. Ниренберг расшифровал генетический код, кото­рый оказался универсальным как для бактерий, так и для высших организмов вплоть до человека. Тем самым генетическая информация и ее смысл, т. е. взаимосвязь между генетическим кодом и структурой белков, стали доступны для изучения. Важнейший этап был пройден в 60-х гг., когда появилась возможность автоматиче­ски определять структуру белков. Стали производиться приборы, установлены последовательности (первичные структуры) белков, которые составили «атлас белков», хранящийся в компьютерных системах. Вслед за изучением белков были достигнуты и в исследованиях нуклеиновых кислот. В 1976 г. Гилберт и Максам в Гарвардском университете разработали быстрый метод химического анализа ДНК; появилась реальная возможность опреде­лять последовательность нуклеотидов. В 1982—1985гг. стало возможно создать прибор для автоматического анализа нуклеиновых кислот. Анализ ДНК позволяет дедуцировать, основываясь на генетическом коде, аминокислотные последовательности белков, синтез которых находится под контролем соответствующих ге­нов. Следующий важнейший этап — это синтез биополимеров по установленной структуре. Первые коммерческие приборы, производящие автоматизированный синтез полипептидов, были разработаны на основе исследований Меррифилда в 1963 г. После определения структуры фенилаланиновой тран­спортной РНК (тРНК) Корана (первоначально в Висконсинском университете, а затем в Массачусетском техноло­гическом институте в 1970—1972 гг.) произвел синтез ДНК (иначе говоря, гена), соответствующей этой тРНК. Впоследствии Корана и его сотр. синтезировали ген предшественника тирозиновой тРНК Escherichia coli. Итакура с сотр. в Национальном медицинском центре «Хоуп» (Дуарте, Калифорния) в 1977 г. с успехом синтези­ровали ген соматостатина, а в 1979 г.— ген инсулина человека. Эти гены были введены в клетки бактерии Е. coli с использованием методов генной инженерии. Так впервые была продемонстрирована экспрессия гена человека в бактериальных клетках. Созданы автоматические «синтезаторы», позво­ляющие проводить более или менее автоматическое нара­щивание нуклеотидной цепи, связанной с носителем, а вся процедура в целом может контролироваться компьютером (т. е. программой, предус­матривающей хранение, дозировку, перекачивание, впры­скивание в реакционную камеру, отмывку растворителей и реагентов, а также контроль запрограммированной после­довательности операций). В 1980 г. Итакура создал первый синтезатор генов. Синтез фрагментов нуклеиновых кислот, который в 1981 г. проводили наращиванием нуклеотидов один к одному, был быстро усовершенствован за счет соединения заранее полученных более длинных последова­тельностей согласно заданной программе. Полный синтез ДНК, содержащей специфическую последовательность нуклеотидов, отличается от реплика­ции ДНК in vivo или in vitro, катализируемой ДНК-полимеразой. Последняя нуждается в матрице, которая представляет собой двунитевую молекулу ДНК и содер­жит точно воспроизводящуюся информацию, но не слу­жит источником новой информации. При химическом синтезе имеется возможность вносить изменения в после­довательность нуклеотидов и изучать их влияние на биологическую функцию синтезированной таким способом молекулы ДНК (или РНК). Химический синтез дает возможность изучения регуляции синтеза нуклеино­вых кислот, а также регуляции транскрипции РНК на матрице ДНК. В процессе транскрипции решающая роль принадлежит определенным нуклеотидным последователь­ностям, которые называются промоторами. Вводя различные нуклеотиды в после­довательность при химическом ее синтезе, т е, фактически получая точковые мутации, можно прос­ледить за изменениями функции такой последовательности в клетке. Именно таким способом в лаборатории Университет Луи Пастера в Страсбурге, в промоторном участке гена, кодирующего один из полипептидов белка куриного яйца, был заменен единичный нуклеотид. Эта мутация позволила установить роль специфической нуклеотидной последова­тельности в регуляции синтеза информационной РНК. Полученные в результате химического синтеза полинуклеотиды могут быть использованы для выделения с помощью гибридизации соответствующей информацион­ной РНК, кодирующей структуру белка.

Стремительный прогресс биологии, особенно ярко про­явившийся в бурном развитии биотехнологии, тесно связан с усовершенствованием аналитиче­ских методов (необходимисть в которых возникла в связи с развитием микробиологии и вирусологии), таких, как ультрацентрифугирование, введе­ние в молекулы радиоактивных изотопов, электрофорез, аффинная хроматография (например, разделение сложных молекул с помощью соответствующих моноклональных антител), двумерное электрофокусирование (позволяющее анализировать добелков в одной клетке) и методы микроанализа (например, определение первичной структу­ры белка, исходя всего из 10 нг, а также определение структуры других биологических макромолекул, таких, как полисахариды, связанные с белками в составе гликопротеинов).

Таким образом, если развитие биологических знаний и в самом деле можно считать детищем технического прогресса, то в настоящее время биологическая наука, обогащенная достижениями энзимологии, микробиологии, вирусологии, молекулярной биологии в силах создать систему взаимосвязанных отраслей биотех­нологии, обладающих уникальным достоинством: они бу­дут основаны на функционировании природных (а не искусственных) систем, метаболические механизмы кото­рых будут подчинены интересам человечества.

В историческом смысле биотехнология возникла как прикладная микробиология тогда, когда дрожжи впервые были использованы для производства пива, а бактерии для производства кисломолочных продуктов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготов­ления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавило­на на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысяче­летием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Совершенствование процессов сбраживания, увеличе­ние их эффективности, а также изучение многочисленных биохимических реакций, присущих микроорганизмам, шли параллельно с выделением из клеток бактерий и грибов веществ, которые все в большей степени вытесняли синтетические продукты, и противовоспалительные препараты и противопаразитарные средства. Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных фер­ментов, клеток или клеточных органелл. При их рассмотрении предпочтительнее пользоваться терминами «генетическая рекомбинация in vitro» или «ис­пользование рекомбинантных ДНК», а не «манипулирова­ние генами» или «генная инженерия». Согласно определе­нию Национальных институтов здоровья США, рекомбинантными ДНК называются молекулы ДНК, полученные вне живой клетки, в пробирке, путем соединения природ­ных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться в клетке. Основу экспери­мента составляет встраивание природной или чужеродной ДНК в вектор, который представляет собой бактериаль­ную плазмиду или геном вируса; затем рекомбинантную молекулу ДНК вводят в клетку, где она реплицируется. Клетка, содержащая такую ДНК, размножается, образуя клон трансформированных клеток. Одна из целей биотех­нологии заключается в том, чтобы получить клоны трансформированных клеток, способных к экспрессии чужеродной генетической информации и образованию специфических белков в больших количествах. Предпосылкой прогресса в этой области послужило открытие в 1972 г. Арбером (Базель) и Смитом и Натансом (Университет Джона Гопкинса) — лауреатами Нобе­левской премии 1978 г.— ферментов рестрикции, которые расщепляют ДНК в специфических участках. Не менее важным оказалось открытие лигаз — ферментов, способ­ных «сшивать» фрагменты ДНК,— и обратной транскриптазы, синтезирующей ДНК на матрице РНК. Для встра­ивания одного или нескольких генов в ДНК с последу­ющим введением в клетки микроорганизма необходимы как рестрикционные эндонуклеазы, так и лигазы. Следует подчеркнуть, что генная инженерия чрезвы­чайно важна не только для биотехнологических разрабо­ток, но в не меньшей степени и для фундаментальных исследований, связанных с изучением структуры генов высших организмов, регуляции экспрессии генов, структу­ры белков, которую определяют по структуре кодиру­ющей их ДНК, а также перетасовки генов в эволюции. Технология иммобилизованных ферментов получила свое развитие в конце 60-х гг и с успехом применялась не только в промышленном производстве полусинтетических пенициллинов, получении концентрата фруктозы из крахмала зерновых культур, но и при проведении биохимических анализов. Еще эффективнее оказываются иммобилизованные клетки или клеточные органеллы, пос­кольку они содержат все необходимые гены для синтеза сложных соединений.

Таким образом, развитие биотехнологии в огромной степени определяется исследованиями в области микробио­логии, биохимии, энзимологии и генетики микроорганиз­мов, а также наличием коллекций культур микроорганизмов, надлежащим образом учтенных и постоянно изучаемых. Необходи­мо уделять внимание и таксономии микроорганизмов, так как биотехнологические разработки базируются на глубо­ком знании характеристик штаммов микробов. Более того, поскольку эти штаммы могут быть защищены патентами, они будут играть ключевую роль в развитии многих отраслей фундаментальных исследований, а также в прик­ладных исследованиях, в биотехнологии и промышленной микробиологии. История промышленной микробиологии, и ее современ­ное состояние позволяют проследить тесную связь фунда­ментальных и прикладных исследований. Столетие назад исследования Пастера, направленные на решение сугубо практических задач, привели к становлению микробиоло­гии, иммунологии и биохимии, а открытие в 1940-х гг. микробиологами-практиками антибиотиков обусловило создание методических приемов, сыгравших решающую роль в развитии молекулярной биологии, и одновременно дало толчок важнейшим изменениям в фармацевтической промышленности. Наконец, за последние 30 лет фунда­ментальные исследования в области генетики микроорга­низмов позволили разработать целый ряд новых методов для промышленного применения. Такая взаимосвязь науки и технологии является решающим условием дальнейшего прогресса промышленной микробиологии. Вместе с тем, хотя биотехнологические процессы прежде всего связаны с микробиологией и энзимологией, не менее существенную роль играет и использование клеток животных, например для культивирования вирусов, при производстве вакцин, для получения интерферона, а также при синтезе моноклональных антител клетками гибридом. С начала 1950-х гг. вирус полиомиелита для производ­ства вакцины выращивается в культурах клеток млекопи­тающих. С тех пор линии культур клеток человека стали незаменимыми для выделения и выращивания ряда других вирусов, при производстве высокоспецифичных белков (таких, как антитела и интерфероны), в исследованиях рака и в противовирусной химиотерапии. Суспензию отдельных клеток получают обработкой размельченной ткани эмбриона пищеварительным фермен­том, трипсином. Если клеткам в такой суспензии дать осесть на плоскую поверхность в сосуде с культуральной средой, то клетки становятся плоскими и делятся, образуя монослой. Рост клеток и выход биомассы можно увеличить, добавив к суспензии носи­тель— микроскопические гранулы из инертного синтети­ческого полимера, на которых клетки закрепляются и пролиферируют. Суспензионные культуры клеток получают объемом дол. Деление клеток млекопитающих происходит при­мерно раз в сутки, тогда как клетки дрожжей делятся каждые 1,5—2 ч, а бактериальные клетки — каждые 20— 60 мин. Большинство культур клеток млекопитающих, в том числе и клеток человека, удается сохранять неопределенно долгое время замороженными в специальной среде при -180° С.

Развитие биотехнологии коснулось и растений, хотя и позднее: для широкомасштабного производства клонов растений используются меристемы, а культу­ры растительных клеток применяют для синтеза различ­ных веществ, как самых обычных (алкалоиды и другие вторичные метаболиты), так и экзотических (идиолиты). В 1937 г. Готере с успехом культивировал недифферен­цированную ткань моркови. Полученный при этом каллус, отделенный от родительского растения, удавалось фрагментировать и культивировать в новой культуральной среде, содержащей растительный гормон, ауксин. Такие культуры можно было поддерживать неопределенно долго. Некоторые линии, полученные Готере, поддержи­ваются в культуре до сих пор. В 1954 г. Мюир, Хильдебрандт и Рикер получили культуру из отдельных растительных клеток; этот метод затем усовершенствовал во Франции Лутс, а Бергманн для выращивания суспензионных культур растительных кле­ток воспользовался методами, разработанными для бакте­риальных культур. Еще в 1892 г. Клеркер выделил протопла­сты, однако лишь в 1960 г. Кокинг создал достаточно простой метод ферментативного получения протопластов в больших количествах. Слияние протопластов позволяет увеличивать число и разнообразие гибридов без примене­ния полового размножения В 1957 г. Скоог и Миллер, обработав каллус расти­тельными гормонами (ауксином и кинетином), добились образования корней и стеблей. Затем Морель показал, что другой растительный гормон — гиббереллин — индуцирует пролиферацию меристем и их дифференцировку с образованием в конечном счете целого растения. Этот процесс регенерации нашел важное применение в сельскохозяй­ственной практике— на нем основано получение безвирус­ных растений, а также размножение новых культурных разновидностей или видов, которые обычно не размножа­ются вегетативно. Биологическое многообразие культур растительных клеток и тканей открывает интересные перспективы изу­чения новых полезных соединений. Освоение методов массового культивирования позволит синтезировать такие молекулы. Начиная с 1970 г. исследователи нередко на­блюдали, что клетки, растущие в культуре, синтезируют вещества, которые не обнаруживаются в целом растении.

Так, клеточные культуры Catharanthus roscus синтезируют несколько десятков различных алкалоидов; из них иденти­фицированы лишь восемь, четыре не найдены в целом растении, а два оказались неизвестными дотоле веществами.

Решение таких проблем, как нехватка продуктов пита­ния и дефицит белка, будет найдено с помощью биотехнологии за счет снижения стоимости производства аминокислот — необходимого компонента корма домашних животных, благодаря разработке методов получения бел­ка одноклеточных (кормового белка), переработкой пара­финов или другого доступного сырья (целлюлозы, агро­промышленных или сельскохозяйственных отходов, сточ­ных вод), а также путем клонирования растений и отбора высокоэффективных разновидностей. В перспективе на основе методов рекомбинантных ДНК биотехнология поз­волит освоить синтез растительных белков и добиться искусственного фотосинтеза и фиксации азота.

Резюмируя выше изложенное обобщим понятия о сути биотехнологии и её задачах.

История становления биотехнологии может быть подразделена на пять основных этапов (периодов), которые вследствие их важ­ности для развития биотехнологии иногда не совсем строго назы­вают «эрами».

1. Допастеровская эра (до 1865 г.). В этот период биотехноло­гическими методами получали пиво, вино, сыр, хлеб, йогурт, ке­фир, разного рода ферментированную пищу.

2. Пастеровская эра (1865—1940 гг.). Стали известны микроор­ганизмы-продуценты, и это позволило создать производства этанола, бутанола, ацетона, глицерина, лимонной кислоты, многих вакцин, организовать процессы биологической очистки стоков аэробными микроорганизмами.

3. Эра антибиотиков (1940—1960 гг.). Были открыты пени­циллин, стрептомицин и многие другие антибиотики, разработа­на технология культивирования клеток животных и получение вирусных вакцин, технология биотрансформации стероидных гормонов.

4. Постантибиотическая эра (1960—1975 гг.). Созданы техно­логии аминокислот, микробиологического белка на парафинах нефти, ферментов, используемых в стиральных порошках. Разра­ботана технология иммобилизации ферментов (закрепления их на носителях) для получения глюкозо-фруктозных сиропов. К аэроб­ной обработке стоков добавилась анаэробная обработка твердых отходов с получением биогаза. Открыт микробиологический спо­соб получения полисахаридов (начиная от ксантана для увеличе­ния вязкости раствора нефтяных скважин до жевательной резин­ки). В этот период стали серьезно говорить о газохоле и вообще о техническом спирте как топливе для автомобилей.

Созданы микробиологические технологии витаминов В3 и B12, а также микопротеина — мицелиального микроскопического гри­ба, используемого как заменитель мяса. Ученые научились куль­тивировать изолированные растительные клетки, что положило начало биотехнологическому производству многих ценных лекар­ственных веществ с использованием огромного потенциала лекар­ственных растений. К этому же периоду относится зарождение биометаллургии — бактериального выщелачивания меди и цинка из руд.

5. Эра новой биотехнологии (после 1975г.). Характеризуется разработкой генной инженерии, которая позволяет целенаправ­ленно изменять геном микроорганизмов, переносить в него свойства, заимствованные из геномов растений и животных. Это позволило создать микробиологическую технологию человечес­кого инсулина, интерферона, соматотропного и ростовых гормо­нов и многого другого. Создана гибридомная технология, позволяющая получать мо-ноклональные антитела, являющиеся основой для огромного раз­нообразия диагностических препаратов. Появились так называе­мые «трансгенные» растения и животные, в которых осуществля­лось целенаправленное конструирование генома.

Как же понять термин биотехнология? Биотехнология — это целенаправленное получение ценных продуктов, в процессе которого используется биохимичес­кая деятельность микроорганизмов, изолированных клеток или их компонентов.

В этом определении скрыты некоторые «подводные камни», поэтому рассмотрим его более подробно на примерах. Наиболее часто биотехнологию путают с растениеводством или животноводством. Например, получение пшеницы из воды и удобрений на пер­вый взгляд — биотехнология. Однако здесь используется биохи­мическая деятельность не изолированных клеток, а целого расте­ния, макроорганизма, относящегося к высшим, многоклеточным организмам. Это — не биотехнология, а растениеводство. Точно так же получение лекарства из корня женьшеня — не биотехнология. А вот когда из этого корня берут отдельные клет­ки, отделяя их с помощью ферментов от многоклеточной расти­тельной ткани, и разводят эти отдельные, изолированные клетки на специальном питательном растворе, как дрожжи, получая биомас­су изолированных клеток женьшеня, из которой путем настаива­ния можно получить столь же ценное лекарство, как из целого корня, — это уже биотехнология.

Другой пример — производство молока. Молоко получают от коровы, овцы или другого млекопитающего животного, т. е. это — работа макроорганизма. Значит, это не биотехнология. А вот полу­чение из молока кефира, йогурта или другого кисло-молочного продукта основано на биохимической деятельности молочно-кислых бактерий это вполне легитимная биотехнология. В производстве глюкозы из крахмала есть процесс гидролиза: раствор крахмала подкисляют, нагревают до определенной тем­пературы и выдерживают некоторое время. В результате крах­мал распадается на глюкозу, получается гидролизат — грязнова­тый раствор глюкозы с примесями. Это — химичес­кий, а не биотехнологический процесс. Есть другой процесс — процесс ферментативного гидролиза крахмала. В этом случае к суспензии крахмала добав­ляют фермент, и под его действием также происходит расщеп­ление крахмала до глюкозы, но в гораздо более мягких условиях и без образования нежелательных примесей, с меньшими поте­рями. Ферменты — это выделенные из клетки белковые веще­ства, компоненты клетки. Следовательно, по определению, этот процесс — биотехнология.

Во всех приведенных примерах в качестве основания для отне­сения процесса к биотехнологии или к химической технологии мы рассматривали то, посредством каких воздействий осуществляется обработка продукта.

Иногда обращают внимание на другое: какое сырье обрабатыва­ется — химическое или биологическое. Например, очень часто производство мясных продуктов отно­сят к биотехнологии, обосновывая это тем, что исходное сырье — туши забитых животных, сырое мясо и так далее — являются про­дуктами биологического происхождения. С этой точки зрения, например, приготовление котлет — это биотехнология, хотя рабочий процесс заключается в измельче­нии мяса и затем в его тепловой обработке, т. е. нет биохимичес­кой деятельности микроорганизмов или клеток, а значит, это не биотехнология. А вот обработка мясного фарша определенными заквасками и последующий режим созревания, используемый при приготовлении дорогих сортов колбас, — это, конечно, био­технология.

На практике часто не делают столь строгих различий, и многие процессы переработки сырья биологического происхождения на­зывают процессами биотехнологическими.

В дальнейшем мы увидим, что и строго биотехнологические производства, например микробиологическое получение спирта или антибиотиков, имеют в своем составе кроме биотехнологичес­ких также химико-технологические и физико-механические про­цессы.

Поскольку сырьем для каждого из этих процессов служит по­лупродукт биотехнологического происхождения, эти процессы вполне законно также называют биотехнологическими — как часть многостадийной технологии производства.

Обратим внимание еще на одно важное слово в определении биотехнологии — «целенаправленно». Действительно, с точки зре­ния человека микроорганизмы работают в природе не всегда целе­направленно. Например, многие болезни вызываются действием микроорганизмов, и наоборот, многие микроорганизмы, населяю­щие человеческое тело полезны. Вспомните, что после лечения антибиотиками, когда эти полезные микроорганизмы уничтожаются наряду с вредными, возникает та­кое заболевание, как дисбактериоз, которое приходится лечить вве­дением в организм бактерий (например, бифидобактерий или молочно-кислых бактерий). Это не биотехнология, а медицина.

Биотехнология это организованная человеком деятельность микроорганизмов, направленная на получение определенного продукта.

Существует биогеохимическая деятельность бактерий, в ре­зультате чего происходит переработка растительности и деревьев в торф, уголь, нефть, выщелачивание металлов и многие другие гло­бальные процессы. Эти процессы нельзя называть биотехнологическимм, потому что они нецеленаправленные. Или, например, можно заметить, как после загрязнения почвы нефтью происходит естественное (не организованное человеком, т. е. не целенаправ­ленное) биовосстановление — через 5—10 лет под воздействием микроорганизмов почва самоочищается. А вот когда мы специаль­но организовываем технологию очищения почвы, вводя в нее до­полнительные микроорганизмы или усиливая питание естествен­ных почвенных микроорганизмов, — это уже биотехнология, био­технология очистки почвы от загрязнений.

В настоящее время достижения биотехнологии перспективны в следующих 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 на основе микробиологического синтеза;

• в экологии — повышение эффективности экологизированной защиты растений, разработка экологически безопасных тех­нологий очистки сточных вод, утилизация отходов агропромыш­ленного комплекса, конструирование экосистем;

• в энергетике — применение новых источников биоэнергии, полученных на основе микробиологического синтеза и моделиро­ванных фотосинтетических процессов, биоконверсии биомассы в биогаз;

• в сельском хозяйстве — разработка в области растениевод­ства трансгенных агрокультур, биологических средств защиты ра­стений, бактериальных удобрений, микробиологических методов рекультивации почв; в области животноводства — создание эф­фективных кормовых препаратов из растительной, микробной биомассы и отходов сельского хозяйства, репродукция животных на основе эмбриогенетических методов;

• в медицине — разработка медицинских биопрепаратов, мо-ноклональных антител, диагностикумов, вакцин, развитие имму-нобиотехнологии в направлении повышения чувствительности и специфичности иммуноанализа заболеваний инфекционной и неинфекционной природы. Своеоб­разием и активностью ферментов определяются все жиз­ненные функции организмов.

ЛЕКЦИЯ 2.

СПОСОБЫ И ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫШЛЕННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Для осуществления любого биотехнологического процесса необхо­димы:

^ культура микроорганизмов;

^ питательная среда;

^ аппаратура для выращивания и проведения вспомогательных операций;

^ средства контроля и управления.

Культивирование является основной стадией технологического процесса и во многом определяет количественные и качественные ха­рактеристики производства биопрепаратов. На стадии культивирования осуществляется накопление как самой биомассы, так и продуктов метаболизма (жизнедеятельности) микро­организмов.

Иногда, например, при производстве бактериальных препаратов, целевым продуктом является сама биомасса, в других случаях продук­ты, синтезируемые клеткой - антибиотики, ферменты, аминокислоты и др. При этом синтезируемый продукт может накапливаться как внутри клеток, так и выделяться в культуральную жидкость.

В том случае, когда культура растет на поверхности жидкой или плотной питательной среды, потребляя содержащиеся в ней субстраты и выделяя в эту среду продукты метаболизма, такой способ культиви­рования называют поверхностным.

При твердофазном культивировании клетки растут на поверхности твердой (плотной) среды, содержащей достаточное количество влаги и питательных веществ (чаще всего основу такой среды составляют пшеничные отруби).

При жидкофазном (глубинном) культивировании, микроорганизмы распределяются по всему объекту жидкой питательной среды, а ки­слород поступает к клеткам в результате интенсивной операции пере­мешивания.

Последний способ наиболее широко применяется в настоящее вре­мя в производстве большинства препаратов по следующим причинам:

1. Позволяет получить большое количество бактериальной массы за короткое время. Так, при культивировании микроорганизмов группы кишечной палочки в условиях состояния покоя количество микробов не превышает 1-2 млрд см -3, а с применением принудительной аэра­ции урожайность, в зависимости от состава питательной среды, дости­гаетмлрд см-3. Это объясняется тем, что при аэрации практи­чески отсутствует начальная стационарная фаза, и бактерии сразу на­чинают интенсивно размножаться, переходя в логарифмическую фазу.

2. Процесс легко управляем. При глубинном выращивании имеются существенные различия в степени потребления углеродных и азоти­стых веществ. Они интенсивно потребляются при аэрации культураль-ной жидкости, поэтому, чтобы процесс роста и размножения не пре­кращался быстро, нужно в процессе культивирования дополнительно вводить углеродные и азотистые соединения, а при необходимости и другие стимуляторы роста микроорганизмов.

Добавление питательных веществ, особенно углеводных (глюкоза) и биологических стимуляторов усиливает интенсивность размноже­ния, что и приводит к увеличению концентрации микроорганизмов в момент съема их биомассы. Данный способ также позволяет легко корректировать рН среды в процессе культивирования, что очень важ­но для достижения максимальной интенсивности размножения.

3. Максимальная технологичность. Так, поверхностный метод ме­нее технологичен и в промышленных условиях применяется в исклю­чительных случаях, когда нельзя воспользоваться глубинным методом.

Технологический процесс глубинного выращивания микроорга­низмов в реакторах (ферментерах) так же как и при использовании плотных питательных сред, складывается из следующих этапов:

1. Отбор штаммов микроорганизмов и работа с ними.

2. Приготовление посевной микробной культуры.

3. Приготовление и стерилизация питательных сред.

4. Подготовка биореактора к посеву.

5. Выращивание микроорганизмов в реакторе и контроль над про­цессом культивирования.

Кроме того, он включает ряд вспомогательных операций:

> стерилизацию оборудования и коммуникаций;

> приготовление и стерилизацию пеногасителей, растворов и др. Остановимся на каждом из этапов культивирования.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9

Прокомментируйте:

Регистрация
Мы в соцсетях:


Подпишитесь на рассылку:
Посмотрите по Вашей теме:

Биотехнологии


Факультеты

А

Автотранспортный факультет
Архитектурно-строительный факультет

Б

Биологический факультет
Биолого-химический факультет

Г

Географический факультет
Геологический факультет
Гуманитарный факультет

Д

Дефектологический факультет

Е

Естественно-географический факультет

И

Инженерные школы
Инженерно-физический факультет
Инженерно-химический факультет
Исторический факультет

М

Математико-механический факультет
Математический факультет
Медико-биологический факультет
Медико-инженерный факультет
Международный финансовый факультет
Металлургический факультет
Механико-математический факультет
Механико-технологический факультет

Р

Радиотехнический факультет
Радиофизический факультет

С

Социологический факультет
Стоматологический факультет

Ф

Факультет авиационных и космических систем
Факультет автоматики и электроники
Факультет аэрофизики и космических исследований
Факультет бухгалтерского учета и аудита
Факультет вычислительной математики и кибернетики
Факультет глобальных процессов
Факультет государственного управления
Факультет гуманитарного образования

Ф (продолжение)

Факультет дистанционного обучения
Факультет журналистики
Факультет иностранных языков и регионоведения
Факультет иностранных языков и филологии
Факультет информатики и вычислительной техники
Факультет информационной безопасности
экономике и управлении
Факультет информационных технологий
Факультет истории
безопасности
Факультет компьютерных систем и сетей
Факультет лингвистики
Факультет математики и информационных технологий
Факультет математики, механики и компьютерных наук
Факультет математических методов и анализа рисков
Факультет машиностроения
Факультет международного бизнеса
Факультет международных отношений
Факультет менеджмента и маркетинга
Факультет мировой политики
Факультет политических наук и социологии
Факультет политологии
Факультет почвоведения
Факультет права и психологии
Факультет прикладной математики и информатики
Факультет психологии и социальной работы
Факультет радиотехники и кибернетики
Факультет радиофизики
Факультет радиоэлектроники
Факультет регионоведения
Факультет славянской и западноевропейской филологии
Факультет социальных наук
Факультет социологии и политологии
Факультет строительного материаловедения
Факультет технологии и исследования материалов
Факультет управления и экономики
Факультет философии и культурологии
Факультет химии и экологии
Факультет экономики
Факультет електроенерготехники и автоматики
Факультет ядерной физики
Факультеты заочной учебы
Физико-математический факультет
Физико-механический факультет
Физико-технический факультет
Физико-технологический институт
Физико-химический факультет
Физический факультет

Х

Химико-технологический факультет

Э

Экономический факультет: Экономика предприятия, Экономика предприятий строительства, Экономика предприятий городского хозяйства

Я

Юридический факультет


 Курсы:

Подготовительные курсыДистационное образование и курсыПодготовительные курсыДневные курсыВечерние курсыКонкурсы профессиональныеЗаочные конкурсыКурсовые работыПрограммы курсовКурсы МЭОКурсы лекций

Студенты: Для студентов I курсаДля студентов II курсаДля студентов III курсаДля студентов IV курсаДля студентов V курсаДля студентов VI курса

Проекты по теме:

Биология
Направления медицины
АкушерствоАлгологияАллергологияАнгиологияАндрологияАнестезиологияБариатрическая хирургияБариатрияВенерологияВертеброневрологияВетеринарияВнутренние болезниГастроэнтерологияГематологияГенетикаГинекологияГистологияГомеопатияДерматологияДесмургияДефектологияДиетологияИммунологияИнфекционияКардиологияКолопроктологияКосметологияЛогопедияЛучевая диагностикаМаммологияНаркологияНеврологияНеонатологияНефрологияОдонтологияОнкогематологияОнкогинекологияОнкологияОнкореабилитацияОториноларингологияОфтальмологияПедиатрияПерфузиологияПластика лицаПластическая ортопедияПластическая хирургияПодиатрияПодростковая медицинаПроктологияПсихиатрияПсихологияПсихотерапияПульмонологияРегенеративная медицинаСексопатологияСомнологияСосудистая хирургияСтоматологияТравматологияУрологияФизиатрияФизиотерапияФтизиатрияХирургияХрономедицинаЧелюстная хирургияЭметологияЭндокринология
Основные порталы, построенные редакторами

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумагиНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалоги
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьер

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказЭкономикаРегионы РоссииПрограммы регионов
История: СССРИстория РоссииРоссийская ИмперияВремя2016 год
Окружающий мир: Животные • (Домашние животные) • НасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШкола
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовМуниципалитетыМуниципальные районыМуниципальные образованияМуниципальные программыБюджетные организацииОтчетыПоложенияПостановленияРегламентыТермины(Научная терминология)

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства