ПРОГРАММА - МИНИМУМ
кандидатского экзамена по специальности
03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)
1. Вводная часть
Биотехнология, предмет и метод исследования. Связь с другими науками. Теоретическое и практическое значение. Роль биотехнологии в научно-техническом прогрессе. Основные биообъекты биотехнологии: промышленные микроорганизмы, клетки и ткани растений, животных и человека, биокатализаторы.
2. Строение, классификация и физиология микроорганизмов
Определение жизни и свойства живого. Уровни организации живой материи. Клетка как основа наследственности и воспроизведения. Строение ядра и его роль в наследственно-сти. Химический состав клетки (нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, липиды, нуклеопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды, пептидогликаны, полифосфаты, мине-ральные компоненты и вода). Строение и функции клетки (различия клеток прокариот и эукариот). Положение микроорганизмов среди других организмов. Принципы классифи-кации бактерий: эубактерии, цианобактерии, архебактерии. Общая биология протистов: водоросли, простейшие. Грибы. Вирусы. Физиология питания. Элементы питания, их зна-чение для процесса биосинтеза. Разнообразие типов питания микроорганизмов (автотро-фия, гетеротрофия, фотолитотрофия, фотоорганотрофия, хемолитотрофия, хемооргано-трофия). Аэробное и анаэробное дыхание. Брожение. Разнообразие источников углерода, азота, фосфора, серы и других элементов, используемых микроорганизмами. Взаимодей-ствие клеток и среды, влияние внешних физических и физико-химических факторов на рост и биосинтез у микроорганизмов. Биосфера и распространение микроорганизмов. Участие микроорганизмов в круговоротах углерода, азота, кислорода, серы. Формы взаи-моотношений микроорганизмов.
2. Молекулярная биология и генетика клеток
Природа генетического материала. Особенности строения генетического материала про - и эукариот. Транскрипция ДНК. РНК-полимераза и промотор. Трансляция, ее этапы, функ-ция рибосом. Генетический код. Репликация ДНК. Рекомбинация, ее типы и модели. Ме-ханизмы репарации ДНК. Классификация мутаций. Спонтанный и индуцированный мута-генез. Классификация мутагенов. Молекулярный механизм мутагенеза. Внехромосомные генетические элементы. Плазмиды, их строение и классификация. Механизм коньюгации. Бактериофаги, их структура и жизненный цикл. Вирулентные и умеренные бактериофаги. Механизм трансдукции. Мигрирующие генетические элементы: транспозоны и IS-последовательности, их роль в генетическом обмене. Ферменты рестрикции и модифика-ции. Выделение и клонирование генов. Векторы для молекулярного клонирования. Прин-ципы конструирования рекомбинантных ДНК и их введения в реципиентные клетки.
4. Основные химические соединения клетки
Белки. Аминокислоты, как мономерные структурные единицы белков и пептидов. Стерео-химия. Проекция Фишера. Уровни структуры белков. Первичная структура: методы опре-деления последовательности аминокислот, секвенаторы. Вторичная структура белков: альфа - и бета - структуры. Третичная и четвертичная (субъединичная) структуры белков. Роль водородных, ионных, дисульфидных связей, гидрофобных взаимодействий. Денату-рация (обратимая, необратимая) белков. Понятие о регуляторных белках. Нуклеиновые кислоты. ДНК и РНК. Структурные компоненты. Типы связей. Пространственная струк-тура полимерных цепей. Двойная спираль ДНК. Комплементарность оснований. Методы определения нуклеотидной последовательности в нуклеиновых кислотах. Углеводы. Мо-носахариды. Строение и стереохимия. Альдозы, кетозы. Ациклические и циклические структуры моносахаридов. Пиранозы, фуранозы, альфа - и бета-аномеры. Понятие о кон-формации. Пентозы (рибоза, арабиноза, ксилоза), гексозы (глюкоза, манноза, галактоза). Дезоксисахара (фукоза, 2-дезоксирибоза), аминодезоксисахара, уроновые кислоты, сиало-вые кислоты. Моносахариды как структурные мономерные единицы олиго - и полисахари-дов. Структурный анализ олиго - и полисахаридов. Функции олиго - и полисахаридов. По-нятие о лектинах. Целлюлоза, крахмал, гликоген. Липиды. Классификация липидов. Ней-тральные липиды, фосфолипиды, сфинголипиды. Структурные компоненты липидов. Жирные кислоты. Полиолы, глицерин, миоинозит. Стереохимия липидов. Липопротеиды. Понятие о строении биологических мембран. Липосомы. Низкомолекулярные биорегуля-торы - коферменты и витамины: НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, тиаминпирофосфат, липоевая кислота, АТФ, биотин, аскорбиновая кислота, фолиевая кислота, пантотенат кальция, ко-баламины. Антибиотики, как природные антиметаболиты. Пенициллины, цефалоспорины, тетрациклины. Ферменты, и их биохимическая роль. Классификация и номенклатура. Ак-тивные центры ферментов. Субстратная специфичность. Роль металлов в функционирова-нии ферментов. Ингибиторы: обратимые (конкурентные, неконкурентные), необратимые. Обратимая и необратимая денатурация ферментов. Внутри - и внеклеточные ферменты.
5. Транспорт субстратов и продуктов через мембраны
Механизмы клеточной проницаемости: физическая диффузия, «облегченная» диффузия, первичный и вторичный активный транспорт. Организация транспортных систем. Спосо-бы сопряжения транспорта с энергией метаболизма. Секреция и экскреция.
6. Энергетический метаболизм клетки
Принципы биоэнергетики. Пути и механизмы преобразования энергии в живых системах. Образование АТФ и других макроэргических соединений в клетках. Роль АТФ и транс-мембранной разности электрохимических потенциалов (ТЭП) в трансформации и запаса-нии энергии в клетке. Мембранная биоэнергетика: ионные насосы, первичные и вторич-ные генераторы ТЭП. Хемоорганотрофный метаболизм. Системы субстратного и мем-бранного фосфорилирования. Аэробное дыхание. Цепь переноса электронов, окислитель-ное фосфорилирование в дыхательной цепи. Основные виды акцепторов электронов. Ос-новные пути превращения глюкозы в пируват (гликолиз, путь Энтнера-Дудорова, пенто-зофосфатный путь, пентозофосфокетолазный путь). Цикл Кребса. Типы брожения. Подго-товительный метаболизм белков, жиров, углеводов, аминокислот, углеводородов, спир-тов, органических кислот. Хемолитотрофный метаболизм. Особенности строения дыха-тельной цепи хемолитотрофов. Окисление водорода, нитритов, аммиака, Fe2+ хемолито-трофами. Обратный транспорт электронов. Хлорофильный фототрофный метаболизм. Ос-новные типы процессов, доноры электронов. Бесхлорофильный фотосинтез.
7. Биосинтетические процессы в клетке
Глюконеогенез. Глиоксилатный цикл. Биосинтез через пируват и ацетил-КоА. Автотроф-ная и гетеротрофная фиксация СО2. Цикл Кальвина. Ассимиляция С1-соединений (мета-нола, метана, муравьиной кислоты и др.). Сериновый, рибулозомонофосфатный и ксилу-лозомонофосфатный путь фиксации формальдегида. Ассимиляция минеральных компо-нентов (источников азота и серы). Азотфиксация. Синтез эндогенных доноров азота и се-ры (глутаминовой кислоты, глутамина, цистеина). Биосинтез информационных биополи-меров: белков, нуклеиновых кислот. Основные этапы процессов, их организация в клетках эу - и прокариот. Биосинтез периодических полимеров (полисахаридов). Биосинтез липи-дов, биогенез биомембран. Биосинтез сахаров, L-аминокислот, нуклеотидов, витаминов (коферментов). Вторичные метаболиты.
8. Основы регуляции метаболизма клетки
Определение, уровни регуляции. Регуляция активности ферментов путем обратимой кова-лентной модификации. Регуляция активности путем нековалентного взаимодействия с эффекторами (модуляция). Регуляция экспрессии генов. Контроль на уровне инициации транскрипции. Позитивный и негативный контроль экспрессии генов. Контроль на уровне терминации транскрипции. Катаболитконтролируемые опероны: модель лактозного опе-рона. Аттенюаторконтролируемые опероны: модель триптофанового оперона. Мультива-лентная регуляция экспрессии генов. Регуляция транскрипции генов путем изменения структуры ДНК-матрицы. Сенсорные РНК в регуляции транскрипции. Регуляция ста-бильности м-РНК. Посттранскрипционный контроль. Регуляция азотного обмена. Энерге-тический заряд. Биосинтез при лимитировании источником азота. Фосфатный контроль процессов биосинтеза. Регуляция транспортных процессов. Мембранная регуляция. Регу-ляция на уровне генома. Регуляция клеточного деления и дифференциации клеток (спору-ляции). Апоптоз (программируемая гибель) клеток. Колониальная организация и межкле-точная коммуникация у микроорганизмов. Quorum sensing-ругуляция.
9. Кинетика ферментативных и микробиологических процессов
Стационарная кинетика ферментативных реакций, уравнение Михаэлиса-Ментен. Влия-ние ингибиторов и активаторов на скорость ферментативных реакций. Температурная и рН - зависимость активности ферментов, инактивация ферментов. Кинетическое описание процесса роста микроорганизмов. Изменение плотности популяции во времени при пе-риодическом культивировании микроорганизмов и клеток, фазы роста. Экономический и метаболический коэффициенты. Математическое описание кривой роста. Влияние суб-страта и продуктов на удельную скорость роста - уравнения Моно и Иерусалимского. Ма-тематическое описание турбулярной и хемостатной культуры. Кинетическое описание смешанных культур. Кинетика гибели микроорганизмов. Кинетическое описание биосин-теза продуктов микроорганизмами.
10. Научные основы инженерного оформления биотехнологий
10.1. Стерилизация технологических потоков и оборудования
Классификация производств биосинтеза по отношению к контаминации. Возможные пути проникновения посторонней микрофлоры в биореактор. Асептическое культивирование. Методы отделения и деструкции контаминантов, их сравнительный анализ. Способы сте-рилизации жидкостей, твердых субстратов и воздуха. Термическая стерилизация. Крите-рии стерилизации, их расчет для изотермического, непрерывного и нестационарных усло-вий. Аппаратурное оформление стадий. Деконтаминация воздуха и оборудования в произ-водственных помещениях.
10.2. Материальный и энергетический балансы процесса биосинтеза
Стехиометрия микробиологического синтеза. Методы расчета стехиометрических коэф-фициентов и составление материального баланса стадии биосинтеза. Влияние условий культивирования продуцента на тепловыделение, величину экономического коэффициен-та и степень утилизации субстрата. Потребление кислорода микроорганизмами. Массопе-редача кислорода от воздуха к клеткам. Концентрационные “ямы”. Массопередача угле-кислого газа. Массообменные характеристики ферментационного оборудования. Пенооб-разование и пеногашение. Перемешивание при ферментации и его виды. Массообменный и тепловой расчеты биореакторов: по областям применения, по условиям проведения про-цессов биосинтеза. Основное ферментационное оборудование, его виды и предваритель-ный подбор. Биореакторы периодические и непрерывно действующие, полного смешения, полного вытеснения и промежуточного типа. Биореакторы для осуществления асептиче-ских, условно-асептических и неасептических операций. Классификация биореакторов по способу ввода энергии: аппараты с механическим перемешиванием, барботажный, эр-лифтный. Методы определения величины коэффициента массопередачи в биореакторах различной конструкции.
10.3. Основы моделирования биореакторов
Этапы моделирования. Параметры моделирования и их сопоставление. Моделирование по вводимой удельной энергии, по интенсивности массопереноса кислорода.
Исследование и разработка принципов и алгоритмов оптимального компьютерного проек-тирования биотехнологических систем.
10.4. Описание основного оборудования для выделения, концентрирования и очистки продуктов биосинтеза с целью получения готовых товарных форм препара-тов
Оборудование для разделения микробных суспензий, жидкой и твердой фазы (центрифуги осадительного и фильтрующего типа с периодической и с непрерывной выгрузкой осадка; суперцентрифуги; сепараторы для фильтрования и отжима осадков). Оборудование для концентрирования культуральных жидкостей и нативных растворов вакуум - выпаривани-ем (аппараты с восходящей и падающей пленкой; роторно-пленочные испарители). Обо-рудование для проведения процессов осаждения (влияние начальной концентрации осаж-даемого вещества, температуры на скорость образования осадка). Оборудование для про-ведения процессов экстракции из твердой фазы и органическим растворителем (влияние соотношения фаз, времени контакта фаз на эффективность процесса). Оборудование для баромембранного разделения и очистки продуктов биосинтеза и воздуха (микрофильтра-ция, ультрафильтрация; обратный осмос; селективность баромембранных процессов; кон-центрация гелеобразования). Оборудование для хроматографического концентрирования и разделения компонентов нативного раствора (ионный обмен и гельфильтрация; очистка продуктов биосинтеза на гидрофобных сорбентах). Оборудование для сушки биотехноло-гической продукции (сушилки распылительные, вальцово - ленточные, барабанные, кипя-щего слоя, пневматические, сублимационные, вакуумные и вакуумные с подбросом дав-ления). Оборудование для очистки газо-воздушных выбросов и сточных вод (трубы Вен-тури, скрубберы мокрой очистки, отстойники, биофильтры, аэротенки, окситенки, метан-тенки).
10.5. Принципы регулирования, контроля и автоматического управления процес-сами биосинтеза
Создание и эксплуатация приборов, систем измерения физико - химических, физиологиче-ских и биофизических параметров, компьютеризированных технологических комплексов.
11. Области применения промышленной биотехнологии
11.1. Биотехнологии для кормовой базы животноводства
Производство кормового белка - белка одноклеточных микроорганизмов на низших спир-тах, парафине, водороде и двуокиси углерода, природном газе., отходах пищевой промыш-ленности (молочная сыворотка, отходы крахмало-паточного производства, зерно-картофельная и мелассная барды), гидролизатах растительного сырья и отходах целлюлозно-бумажной промышленности (сульфитные жидкости). Промышленные штаммы-продуценты. Сырьевая база. Требования, предъявляемые к качеству готового продукта. Микробиоло-гическое производство индивидуальных L-аминокислот кормового назначения. Микро-биологическое производство ферментных препаратов для кормопроизводства. Микробио-логическое производство кормовых антибиотиков. Микробиологическое производство концентратов витаминов кормового назначения.
11.2. Производство микробных препаратов для растениеводства
Биотехнологии бактериальных и грибных средств защиты растений от вредных насеко-мых (инсектициды, фунгициды). Биотехнологии бактериальных удобрений.
11.3. Биотехнологии для пищевой промышленности
Производство биомассы пекарских дрожжей (прессованные дрожжи, активные сухие дрожжи). Требования к продукту и субстратам. Микробиологическое производство инди-видуальных органических кислот (уксусной, лимонная, молочной и итаконовой, глюконо-вой кислоты). Ферменты и ферментные препараты. Классификация. Номенклатура. Тех-нология синтеза, выделения и применения ферментных препаратов. Микробиологическое производство амилолитических, протеолитических, пектинолитических и целлюлолитиче-ских ферментных препаратов. Использование ферментов микробного происхождения в пищевой промышленности. Производство микробных полисахаридов. Применение в пище-вой промышленности.
11.4. Медицинская биотехнология (биотехнология для медицины)
Препараты на основе живых культур микроорганизмов (нормофлоры и пробиотики). Производство препаратов, нормализующих микрофлору (нормафлора). Производство белко-вых препаратов медицинского назначения. Создание белковых препаратов с помощью ме-тодов генной инженерии. Конструирование и производство генно-инженерного инсулина. Другие генно-инженерные лекарства и препараты. Гибридомная технология получения моноклональных антител. Производство вакцин и сывороток. Принципиальная схема полу-чения препаратов бактериофагов (анатоксинов). Микробиологическое производство анти-биотиков различных классов для медицины. Полусинтетические антибиотики. Производ-ство пенициллина. Микробиологическое производство витаминов (витамина В12, Д2, ка-ротиноидов, рибофлавина) для здравоохранения. Технологии продуктов трансформации органических соединений ферментами микробных клеток. Производство аскорбиновой кислоты трансформацией сорбита. Получение гидрокортизона и превращение его в пред-низолон. Производство L-аминокислот кинетическим разделением рацемических смесей их ацилированных предшественников
11.5. Биотехнологии получения энергоносителей для энергетики
Микробиологическое производство возобновляемых источников энергии: этанола, метана, биоконверсией органических отходов и растительного сырья. Микробиологическое про-изводство водорода, биодизеля.
11.6. Биотехнологии для нефте - и горнодобывающей и обогатительной промыш-ленности
Геомикробиология и экология нефте - и угледобычи. Бактериальное выщелачивание хими-ческих элементов из руд, концентратов и горных пород, обогащение руд, биосорбция ме-таллов из растворов. Удаление серы из нефти и угля. Повышение нефтеотдачи. Удаление метана из угольных пластов. Подавление биокоррозии нефтепроводов.
11.7. Биотехнологии для химической и легкой промышленности
Производство растворителей. Характеристика сырья и продуцентов. Основные этапы производства и условия культивирования продуцентов. Получение готового продукта. Оптимизация процесса получения растворителей. Производство глицерина, изопропанола, 2,3-бутандиола. Характеристика сырья и продуцентов. Основные этапы производства и условия культивирования продуцентов. Получение готового продукта. Оптимизация про-цесса получения растворителей
11.8. Биотехнологические методы защиты окружающей среды (экологическая биотехнология)
Антропогенные факторы химического и биологического загрязнения окружающей среды. Органические ксенобиотики, соединения азота, серы, фосфора, тяжелые металлы и радио-нуклиды. Основные биохимические пути микробиологической трансформации загряз-няющих веществ. Микроорганизмы — биодеструкторы. Биологическая очистка сточных вод. Принципиальные схемы очистных сооружений. Основные принципы работы, методы и сооружения аэробной и анаэробной биологической очистки сточных вод и переработки промышленных отходов. Биологические методы очистки воздуха. Биологическая дезодо-рация газов. Основные методы и принципиальные конструкции установок. Биоремедиа-ция и биологическая очистка природных сред.
12. Бионанотехнологии
Основные направления бионанотехнологии. Микробиологические и биохимические ас-пекты биосинтеза наночастиц. Разработка конструкций на основе интегрированных нано-частиц и биомолекул для биоэлектроники и биосенсоров. Белковые молекулы в создании наноконструкций. Трехмерная оптическая память на основе бактериородопсина. Созда-ние и применение ферментных и клеточных биокатализаторов, иммобилизованных на на-номатериалах. Биокаталитическая контактная печать. Практический потенциал самоорга-низующихся биомолекул. Структура, свойства и применение гликопротеинов поверхност-ных S-слоев бактерий и архей. Генетическая модификация поверхностных S-слоев. Структура, свойства и применение гликолипидов микроорганизмов. Биосинтез практиче-ски важных гликолипидов микроорганизмами. Нуклеиновые кислоты как объекты нано-биотехнологии. Наноматериалы и наноустройства (биосенсоры и биочипы) на основе нуклеиновых кислот. Нанотехнологии в генной инженерии. Получение и применение бак-териальной наноцеллюлозы.
Литература
Основная:
1. и др. Микробиологический синтез СПб: Проспект науки, 2011, 144 с.
2. Ферментативные процессы в биотехнологии, 2008.
3. Биохимия /Под ред. / Учебное пособие.-М.: ГЭОТАР-Медиа.- 2005 г.
4. Биохимия: учеб. для вузов / , , .- 3-е изд., испр. и доп.- Спб.: ГИОРД, 2005.- 472 с.
5. Основы промышленной биотехнологии - М.: Колос, 2004.-296 с.
6. Химическая энзимология.- М.: ИЦ «Академия».- 2004.- 272 с.
7. Археи.- М.: Академкнига.- 2007.- 447 с.
8. , , и др. Основы фармацевтической микробиологии.- Спб: Проспект науки, 2008.- 304 с.
9. , и др. Промышленная микология.- Спб: Проспект науки, 2003.- 220 с
10. Дж. Пастернак Молекулярная биотехнология: принципы и применение. М:Мир.- 2002.- 589 с.
11. , Микробиология: Учеб. для вузов. - 4-е изд., стериотип. - М.: Академия, 2003.- 464с.
12. , и др. Иммуно - и нанобиотехнология.- Спб: Проспект науки, 2008.- 216 с.
13. , Молекулярная биология: учебник для вузов. - 2-е изд., испр. - М.: Академия, 2008.- 400с.
14. , . Научные основы экобиотехнологии.- М: Мир.- 2006.- 504 с.
15. Основы динамической биохимии.- М.: Логос, 2010.- 216 с.
16. Природные и синтетические биологически активные вещества /Под ред. / Учебное пособие.- Уфа, 2007.- 206 с.
17. , . Микробиология. М:ИЦ «Академия», 2006. – 352 с.
18. Биотехнология.- 2 изд-е.- М: ИЦ «Академия».- 2007.- 256 с.
19. Сельскохозяйственная биотехнология: Учеб. для вузов /Под ред. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2003.- 469с.
20. Современная микробиология. Прокариоты: В 2-х т. Т. 1 и 2. Пер. с англ. /Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса и Г. Шлегеля. – М.: Мир, 2005.- 656с.
21. Теоретические основы биотехнологии. Биохимические основы синтеза биологиче-ски активных веществ: Учеб. пособие для вузов /Под ред. . - М.: Эливар, 2003.- 554 с.
22. Ферментационные аппараты для микробиологического синтеза / Под ред. В. А. Бы-кова. – М.: ДеЛи принт, 2005.- 278с.
23. Ля-Кур- чистка сточных вод. Биологи-ческие и химические процессы /Под ред. . - М.: Мир, 2004.- 480с.
24. Генетическая инженерия. Новосибирск: Сибирское университет-ское изд.-во, 2004 г.
Дополнительная:
1. Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994 г., 444 с.
2. Бейли Дж., сновы биохимической инженерии. В 2-х томах. М.: Мир, 1989 г.
3. , Оптимизация периодических процессов микробиоло-гического синтеза. М.: Наука, 1985 г., 292 с.
4. Биотехнология. (Учебное пособие для вузов под ред. , ). В 8-ми книгах. М.: Высшая школа, 1987 г.
5. , Биотехнология: Кинетические основы микро-биологических процессов. М.: Высшая школа, 1990 г., 296 с.
6. , Технология ферментных препаратов. М.: Элевар, 2000 г., 512 с.
7. , , Технология микробных белковых препа-ратов, аминокислот и биоэнергия. М.: Колос, 1992 г., 383 с.
8. ,, Основы биотехнологии:Учеб. пособ. для вузов. - М.: Academa, 2003.- 208с.
9. Основы биотехнологии. СПб.: Наука (Сибирское отделение), 1995 г., 600 с.
10. , , Оборудование микробиологических производств. М.: Агропромиздат, 1987 г., 398 с.
11. Теоретические основы технологии микробиологических производств. М.: Агропромиздат, 1990 г., 271 с.
12. сновы биохимии. В 3-х томах. М.: Мир, 1985 г., 1051 с.
13. , Теоретические основы технологии микробиоло-гических производств. М.: Агропромиздат, 1990 г., 272 с.
14. Биоорганическая химия. М.: Просвещение, 1987 г.
15. Промышленная микробиология. Под ред. М.: Высшая школа, 1989 г.
16. Основы энзимологии: Учеб. пособие для вузов. - М.: Логос, 2002.- 128 с.
17. Мир микробов. Т.1-3. М.: Мир, 1979 г.
18. Bionanotechnology. Proteins to Nanodevices / Renugopalakrishnan V.,
Lewis R. V.(ed) - Springer, Netherlands.- 2006.- 296 р. (http://www. , свободный доступ)
19. Nanobiotechnology. BioInspired Devices and Materials of the Future /Edited by
O. Shoseyov, I. Levy (ed).- Humana Press Inc.- 2008.- 485 р. (http://www. , свободный доступ)
Зав. кафедрой биохимии и технологии
микробиологических производств
доктор хим. наук, профессор
Доцент кафедры биохимии и технологии
микробиологических производств
канд. биол. наук
