Учебно-методический комплекс дисциплины «Экологические биотехнологии» для специальности 5В060800 — «Экология» (стр. 15 )

Контрольные вопросы:

Какое вы можете сделать заключение о составе молекул природной воды и воды, полученной в химической лаборатории? Какое практическое значение имеет закон постоянства состава вещества? Как вычислять массовые доли элементов?

Рекомендуемая литература:

, Химия 8 класс. «Просвещение» . Москва.: 1995, С. 33-42.   Биотехнология растений. - Алматы : Конжык  -1996, -264 с Культура изолированных тканей и физиология морфогенеза растений.-М.:Наука, -1964, -272 с ,   Клеточная инженерия. - М.: Высшая школа, -1987, -127 с.

Практическая работа № 4: Микроорганизмы в биотехнологическом производстве.

Цель. Раскрыть технический аспект получения рекомбинантных ДНК. Объяснить, что с помощью микробов можно получить большое количество чужеродной ДНК, чтобы исследовать ее. Если в бактериальной клетке происходит экспрессия генов такой ДНК, это позволяет микробиологическим путем получить, например, гормоны и ферменты.

План:

Создание микроорганизмов-продуцентов. Генно-инженерное получение микроорганизмов-продуцентов.

В настоящее время микроорганизмы продуцируют десятки видов соединений – это аминокислоты, антибиотики, белки, витамины, липиды, нуклеиновые кислоты, полисахариды, пигменты, сахара, ферменты, гормоны и т. д.

Микробиологическая промышленность предъявляет к продуцентам жесткие требования, которые важны для технологии производства: высокая скорость роста, использование для жизнедеятельности дешевых субстратов и устойчивость к заражению посторонней микрофлорой.

1. Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью тех веществ, производство которых необходимо. Для биотехнологии нужны высокопродуктивные штаммы микроорганизмов. Их создают методами селекции и использования достижений генной инженерии. В результате производительность продуцентов удается увеличить в сотни - тысячи раз.

2. В середине 70-х гг возникла новая экспериментальная технология - генетическая инженерия, которая основана на конструировании рекомбинантной ДНК вне клетки (in vitro) и ее размножении в клетках микроорганизмов. В результате использования этой технологии стало возможным выделять индивидуальные гены, модифицировать, соединять друг с другом, получая "слитые гены", продуцирующие белки с совершенно новыми свойствами (белковая инженерия). Появляется новый способ получения индивидуального гена - клонирование (получение множества копий одного гена).

Арсенал генно-инженерных штаммов-продуцентов позволил наряду с продуктами природных штаммов (их называют биопродуктами первого поколения) начать производство на базе генно-инженерных штаммов рекомбинантные белки - биопродукция второго поколения. Биопродукция третьего поколения будет искусственно синтезировать соединения, полностью имитирующие биологические функции природных белков, но не являющиеся ими..

Генно-инженерные методы (технология рекомбинантных ДНК) широко используется в биотехнологическом производстве, прежде всего белков и пептидов (белковых молекул, состоящих из небольшого числа аминокислот), которые синтезируются в организме человека и используются как медикаменты (Рис.1).

Рисунок 1. Принципиальная схема мани­пу­ляций генной инженерии

- Фрагмент ДНК.

- Вектор плазмидная ДНК.

- Расщепление ДНК рестректирующими эндонклеазами.

- Рекомбинантная ДНК.

- Клетка хозяина и  рекомбинантная ДНК

Практическая работа №5 Получение белков человека и животных.

Цель: Освоить основные принципы конструирования рекомбинантных ДНК с целью получения штаммов-продуцен­тов биологически активных веществ (белков, ферментов, витаминов).

План

Объяснить метод получения рекоминантных ДНК. Назовите основные отрасли для использования белков человека и животных. При синтезе интерферона используется генетическая инструкция,  заключенная в структурном гене, поясните механизм ее работы (в основе механизма гипотеза Жакоба-Моно).

Для объяснения гипотезы Жакоба и Моно необходимо вспомнить механизм гомеостатического регулирования внутренней сред. Гомеостатической механизм, имеет некоторую свободу колебания, что активизирует систему управления и возвращает переменную к оптимальным значениям. Подобные системы основаны на принципе обратной связи. Системы с обратной связью имеют «выход» который может служить и «входом».

Для осуществления обратной связи необходимо, что бы результат работы данной системы сравнивался с заданным значением («установкой»), являющимся оптимальным значением регулируемого параметра (переменной), а в случае отклонения от него, соответствующим образом изменялся.

вход  регулятор  эффектор  выход

  Основные компоненты систем управления.

По тории Жакоба и Моно, в ДНК, кроме структурных генов, несущих информацию о процессе биосинтеза  белка (интерферона), есть гены-операторы и гены регуляторы. Гены регуляторы – кодируют синтез специфического вещества – репрессора, который присоединяется к гену – оператору и может регулировать работу структурного гена, отвечающего за синтез белков, вплоть до прекращения процесса синтеза. Но, если в клетку попадает вещество, называемое индуктором, то репрессор соединяется с ним, освобождая ген-опрератор. Начинается синтез информационной РНК, которая служит матрицей для производства белка. После того как вектор индуктор израсходуется, репрессор, непрерывно производимый геном-регулятором, связывается вновь с геном-опрератором – и цикл повторяется. Так работает обратная связь на молекулярном уровне.

Контрольные вопросы:

Как работает биологическая система по принципу обратной связи? Как получают белки человека и животных? Поясните на примерах процедуру получения белков человека.

Рекомендуемая литература:

  Биотехнология растений. - Алматы : Конжык  -1996, -264 с Основы биотехнологии. СПб.: Наука, 1995. , Биотехнология. М.: Агропромиздат, 1990. Серия “биотехнология”: В 8 т./ Под ред. и . М.: Высш. шк., 1987–1988. иотехнология: свершения и надежды. М.: Мир. 1987. Сельскохозяйственная биотехнология: векторные системы молекулярного клонирования. М.: Агропромиздат, 1991.

Практическая работа № 6: Синтез и получение микробного белка.

Цель: Изложить наиболее важные сведения о выделении и селекции микроорганизмов – продуцентов биологически активных веществ. Раскрыть принципиальные подходы к улучшению штаммов промышленных микроорганизмов. Промышленные ферменты, продуцируемые микроорганизмами.

План:

Производство кормовых дрожжей из углеводородов нефти. Производство белка с использованием субстрата растительного происхождения, т. е. смеси моносахаридов. Получение продуктов питания на основе микробного синтеза.

Одно из крупномасштабных направлений биотехнологии - микробиологическое производство белка одноклеточных. Все используемые в производстве кормовых дрожжей субстраты можно разделить на:

отходы переработки растительного сырья, которые нуждаются в предварительном гидролизе, т. к. содержат много целлюлозы; продукты переработки нефти; отходы животноводства; отходы переработки плодов и овощей.

1. Производство кормовых дрожжей из углеводородов нефти имеет значительный удельный вес в объеме производимых в нашей стране кормовых дрожжей. Однако нефть относится к не возобновляемым ресурсам, поэтому не может быть основным сырьем для микробиологического синтеза на дальнюю перспективу. Наряду с углеводородами для синтеза белка перспективны метан, водород и низкомолекулярные спирты (метанол, этанол). Белок дрожжей содержит все жизненно необходимые аминокислоты и усваивается лучше, чем белок концентрированных кормов растительного происхождения. По своей биологической ценности он приближается к белку рыбной муки, выгодно отличаясь от нее тем, что не придает мясу специфического запаха и более охотно поедается животными. Кормовые дрожжи содержат в 5 раз больше сырого белка, чем ячмень или овес. Их ценность обусловлена и наличием витаминов группы В, ферментов и гормонов.

Опыт передовых животноводческих хозяйств показывает, что использование кормового белка повышает надои молока, увеличивает привесы скота, ускоряет развитие пушных зверей, улучшает качество мяса, молока, повышает сортность меха.

Наибольший эффект достигается при скармливании дрожжей молодым животным, у которых повышается жизнеспособность, ускоряется рост и улучшается развитие костяка. При выпаивании телят 1 т дрожжей заменяет до 8,4 т цельного молока.

Производство белков одноклеточных имеет многие преимущества перед производством белка в животноводстве и растениеводстве. 500 кг дрожжей дают за сутки 80 кг белков, а у быка того же веса суточный привес составляет в лучшем случае 500 г белка.

2. Особый интерес в качестве субстрата для культивирования дрожжей представляют углеводы растительного происхождения, т. е. смеси моносахаридов, образующиеся в результате деполимеризации природных полисахаридов - целлюлозы, гемицеллюлоз, крахмала и т. п. Растительное сырье - возобновляемое. Кроме того, несмотря на доказанную безвредность всех используемых сегодня типов белка одноклеточных, именно дрожжи, культивируемые на углеводах растительного происхождения, вызывают наименьшее возражение потребителей в силу многовековой привычки людей к использованию растительных источников пищевых продуктов и лекарственных средств. В России существует развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей.

При создании экологически чистых технологий для отраслей АПК, перерабатывающих растительное сырье, ориентируются прежде всего на малоотходное производство и комплексную переработку растительного сырья. Существует много вариантов подхода к решению этой проблемы. Обогащение малоценных углеводсодержащих отходов (соломы, свекловичного жома, виноградных выжимок и пр.) микробным белком - один из возможных путей снижения дефицита кормового белка в рационах сельскохозяйственных животных.