Урок биотехнологии-короткий.ppt
- Количество слайдов: 14
Тема урока: Биотехнология. Направления и достижения. План урока 1. Определения, термины и понятия. 2. Объекты биотехнологии. 3. Методы, применяемые в биотехнологии. 4. Этапы развития биотехнологии. 5. Направления биотехнологии. 6. Достижения биотехнологии в разных областях экономики, медицине и науке.
Определения, термины и понятия. • Биотехнология (от греч. Bios – жизнь, techne – искусство, logos -наука) – это наука об использовании живых организмов и биологических процессов в производстве. – Биологический энциклопедический словарь. • Биотехнология – это интегрированное использование микробиологических и инженерных наук с целью промышленного применения возможностей микроорганизмов, клеточных и тканевых культур, а также их частей. – Европейская федерация по биотехнологии. • Биотехнология – это комплексная многопрофильная область научно-технического прогресса, включающая микробиологический синтез, генетическую, белковую, клеточную инженерию, инженерную энзимологию и нанотехнологию.
Этапы развития биотехнологии • • I этап. Эмпирический период (8 тис. лет до н. э. ) – примитивная селекция растений, развитие растениеводства, приручение домашних животных и зарождение животноводства, использование древними людьми бродильной деятельности микоорганизмов (производство пива, збраживание молока, изготовление сыра, заквашивание овощей, мочка льна, получение шелка. ) II этап. Этиологический период (2 -ая половина 19 в. – 30 -ые г. г. 20 в. ) – выяснение причин брожения, исследование ферментов, первые попытки сознательного применения ферментов и микроорганизмов на практике. Развитие виноделия, получение этанола, осахаривание крахмала, появление первых систем очистки сточных вод. Выяснение причин ынфекционных болезней. Получение первых вакцин и сывороток. III этап. Биотехнический период (30 -70 -ые г. г. 20 в. ) – появление первых биореакторов, разработка принципов глубинного выращивания микроорганизмов. Появление и развитие предприятий микробиологической промышленности по выпуску ферментов, органических кислот, этанола, метанола, ацетона, витаминов, антибиотиков, микробного дрожжевого белка, пищевых предприятий, изготавливающих молочнокислые продукты, сыры, пиво, вино, шампанское и т. д. IV этап. Генотехнический период связан с рождением генной инженерии и берет начало с 1972 г. , когда в лаборатории Пола Берга была получена первая рекомбинантная молекула ДНК, включающая фрагменты генома кишечной палочки, фага лямбда и обезьяньего вируса SV 40. Таким образом был открыт путь к созданию новых, не встречающихся в природе организмов с заранее заданными свойствами. Биотехнологию на этом этапе развития называют новейшей, молекулярной, рек. ДНК-биотехнологией. Параллельно с ней развивались и совершенствовались клеточная, белковая, энзимная инженерии, начала зарождаться нанобиотехнология.
Объектами биотехнологии являются: • Живые организмы любого происхождения – вирусы, бактерии, простейшие, грибы, растения, животные. • Отдельные клетки, органы, ткани, их фрагменты (органеллы – мембранные структуры, ядра, митохондрии, хлоропласты) • Клеточные метаболиты – аминокислоты, белки, ферменты, полисахариды, гормоны, витамины, антибиотики, алкалоиды, гликозиды, фитонциды и др. • Биологические процессы – фотосинтез, азотфиксация, образование биогаза, получение энергии, очистка окружающей среды, биоиндикация, доставка лекарственных препаратов внутрь клеток, разработка вакцин, получение иммобилизованных ферментов, моноклональных антител, рекомбинантных ДНК и геномодифицированных организмов и т. д.
Методы, применяемые в биотехнологии для создания организмов с заранее заданными свойствами Методы in vivo • • • Методы in vitro Cелекция; Мутагенез нативных организмов; Рекомбинации (без разрушения ДНК); Слияние протопластов клеток; Клонирование клеток и организмов; - Селекция генов и рек-ДНК; - Направленные мутации в генах; - Рекомбинации генов; - Манипуляции с ядрами клеток; - Клонирование генов; Методологическая база биотехнологии включает также методы: • генетической инженерии; • белковой инженерии; • нанотехнологии; - клеточной инженерии; - инженерной энзимологии; - криобиологии.
• Генетическая инженерия (генная инженерия) – раздел молекулярной генетики, разрабатывающий методы для целенаправленного создания in vitro новых комбинаций генетического материала (рекомбинантных ДНК), способных размножаться в клетке-хозяине и синтезировать не свойственные ей конечные продукты. Так, были созданы рекомбинантные штаммы кишечной палочки и дрожжей, способные, благодаря встроенным человеческим генам, синтезировать инсулин, интерферон, гормон роста и другие важные для людей продукты.
Клеточная инженерия включает методы конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Культивирование позволяет воспроизводить и клонировать генетически измененные клетки любых организмов микробного синтеза. Гибридизация позволяет соединять геномы весьма отдаленных видов. Возможно даже слияние клеток животных и растений, человека и мыши, человека и москита, кошки и мышки и т. д. Реконструкция клеток направлена на создание жизнеспособних клеток из отдельных клеточных фрагментов и органелл разных клеток (ядер, цитоплазмы, рибосом, хромосом и др. ). Так, группой американских ученых под руководством Крэйга Вентера в 2010 -2011 г. г. были созданы искусственные вирус и бактерия.
• Белковая инженерия – группа методов, позволяющих изменять первичную, вторичную и третичную структуру белков, вносить изменения в активные центры ферментов, синтезировать новые домены белков, создавать белки-регуляторы с заданными свойствами, искусственные иммуноглобулины (антитела). Характерным примером использования белковой инженерии является получение человеческого инсулина путем замены одной концевой аминокислоты в свином инсулине. • Инженерная энзимология - отрасль биотехнологии, которая использует каталитические функции ферментов для получения важных для человека целевых продуктов. Для этих целей могут использоваться изолированные ферменты, ферменты в составе живых клеток, а также иммобилизованные ферменты или ферментсодержащие клетки. Иммобилизованными называють нерастворимые формы ферментов и клеток, которые ковалентно связывают с полимерным носителем в виде шариков, гранул, пленок. Таким образом ферменты и клетки стабилизируются и в сотни раз увеличивается срок их использования в технологическом процессе. • Нанобиотехнология – одно из самых современных направлений биотехнологии, которое базируется на методах создания «нано-машин» , величина которых измеряется в нанометрах, для манипуляций внутри клетки, а также для регуляции метаболизма на молекулярном уровне. Наиболее активно развивается нанобиотехнология в медицине: создаются наносомы (микроскопические сферические частички), куда вводятся лекарственные препараты для доставки непосредственно в клетку, разрабатываются средства для нанодиагностики заболеваний, нановакцины, сенсори для идентификации нарушений обмена, биочипы ДНК для експресс-диагностики.
Нанобиотехнология
Направления биотехнологии в зависимости от сферы применения биотехнологической разработки Пищевая биотехнология (использование аминокислот, белка, ферментов, витаминов, ароматизаторов, подсластителей, консервантов, загустителей, красителей биологического происхождения, в том числе, полученных на основе рекомбинантных микроорганизмов). Сельскохозяйственная биотехнология (получение и использование рекомбинантных растений, устойчивых к гербицидам, насекомым-вредителям, заморозкам, засолению, вирусным заболеваниям, обладающих повышенной урожайностью, продукцией сахаров, витаминов, пигментов; клонирование животных с повышенной продуктивностью мяса, молока, яиц; получение и использование биологических средств защиты растений и животных – биоинсектицидов, бакудобрений, стимуляторов роста, гормонов, кормовы антибиотиков, вакцин и т. д. ) Медицинская биотехнология и генная терапия (получение и использование лекарственных препаратов и диагностических средств: антибиотиков, ферментов, гормонов (инсулина, соматостатина, соматотропина), цитокинов (интерферона, интерлейкинов, ростовых факторов); вакцин, моноклональных антител, биосенсоров для диагностики диабета, препаратов для лечения СПИДа и рака, замедления старения). Химическая биотехнология (получение ферментов на основе микробного синтеза, а также их иммобилизованных вариантов, разработка биополимеров на основе полипропилена, искусственной кожи, других биоматериалов, получение гормонов с помощью иммобилизованных ферментов микробов, получение новых стирально-моющих и других средств бытовой химии и др. ) Биогеотехнология (использование микробных полисахаридов при бурении скважин для снижения трения, применение метаноразрушающих бактерий для повышения безопасности угольных шахт, использование микроорганизмов для выщелачивания марганца, меди, золота, серебра и т. д) Биотехнология в очистке окружающей среды (использование микроорганизмов в очистке сточных вод, воздуха, использование микробних ассоциаций для очистки и восстановления плодородия почв) Биотехнология и биоенергетика (получение нетрадиционных источников энергии на основе липидообразующих дрожжей, рапса, отходов цитрусовых и других растений, получение биотоплива на основе переработки мусора; создание вечного двигателя на основе иммобилизованных хлоропластов и др. )
Сельскохозяйственная биотехнология
Медицинская биотехнология
Урок биотехнологии-короткий.ppt