Основы биотехнологии Лектор доцент кафедры Биотехнологии и

Основы биотехнологии Лектор – доцент кафедры Биотехнологии и бионанотехнологии ПШЕНИЧНИКОВА АННА БОРИСОВНА

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА • Пшеничникова А. Б. Основы биотехнологии. Учебное пособие. Изд. МИТХТ. 2010. • Елинов Н. П. Основы биотехнологии/ Н. П. Елинов. – СПБ. : Наука 1995. • Биотехнология. В 8 кн. под ред. Н. С. Егорова, В. Д. Самуилова. - М. : Высшая школа. 1987 -1988 гг. • Биотехнология. Принципы и применение. Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса. – М. : Мир. 1988. • Шлегель Г. Общая микробиология. -М. : Мир. 1987. • Глик Б. , Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. – М. : Мир, 2000. • Бирюков В. В. Основы промышленной биотехнологии. Учеб пособие для вузов. – М. : Колосс, 2004.

БИОТЕХНОЛОГИЯ Термин «биотехнология» был введен венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного производства свинины с использованием в качестве корма сахарной свеклы (в книге „Biotechnologie”, Берлин, 1919 г. ). По определению Эреки, биотехнология – это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты» . Kаroly (Karl) Ereky (1868– 1952)

БИОТЕХНОЛОГИЯ • БИОТЕХНОЛОГИЯ (от греческих слов bios – жизнь, teken – искусство, logos – слово, учение, наука) – область науки и практики, основанная на направленном использовании биологических объектов для получения полезных продуктов. • БИОТЕХНОЛОГИЯ - производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные клетки, животные клетки, части клеток: клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты, биологические макромолекулы ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. • БИОТЕХНОЛОГИЯ - промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов • БИОТЕХНОЛОГИЯ - интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производных для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения

Междисциплинарная природа биотехнологии

Биоэкономика Это мироустройство, при котором биотехнологии обеспечивают значительную часть материального производства биоинженерия биотопливо биоэнергетика Био Экономика фармакология и медицина химическая промышленность биоремедиация продукты питания медицинская диагностика

С использованием биотехнологий к 2030 г. будет производиться: • • 35 % химической продукции 80 % лекарственных средств 50 % с/х продукции 2. 7 % ВВП развитых стран • для развивающихся стран доля будет еще выше

Разделы биотехнологии • • • Промышленная микробиология; Медицинская биотехнология; Клеточная и генетическая инженерия; Инженерная энзимология; Технологическая биоэнергетика, Сельскохозяйственная биотехнология; Биогеотехнология; Биосенсорная технология; Экологическая биотехнология.

«Цветовая» классификация биотехнологии «Красная» биотехнология – биотехнология, связанная с обеспечением здоровья человека и потенциальной коррекцией его генома, а также с производством биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител); «Зеленая" биотехнология - направлена на увеличение урожайности сх культур при минимальном воздействии на окружающую среду, модификацию растений и других организмов для увеличения их ценности как источника пищи, кормов, волокон и сырья для различных производств, конверсию биомассы в сырье для получения возобновляемого топлива и материалов, определяет современные методы ведения сельского и лесного хозяйства; «Белая биотехнология» - промышленная биотехнология, объединяющая производство биотоплива, биотехнологии в пищевой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности; «Серая биотехнология» - связана с природоохранной деятельностью, биоремедиацией; «Синяя биотехнология» – связана с использованием морских организмов и сырьевых ресурсов.

Структура мирового производства на рынке биотехнологий Остальное (белая, серая, синяя биотехнология) около более Зелёная биотехнология Красная биотехнология 11

Биотехнологическая промышленность зерно Препараты для сельского хозяйства Пробиотики. Вакцины ветеринарные. Антибиотики кормовые. Кормовой белок. Аминокислоты. Витамины. Кормовые добавки Биоудобрения, Биопестициды крахмал Промышленные ферменты - α-амилаза - глюкоамилаза - протеазы - липазы - целлюлаза - пектиназа и др. - энергетика вода Витамины рибофлавин (B 2) аскорбиновая к-та (C) никотинамид (PP) коболамин (B 12) Каротиноиды - β-каротин - астаксантин - ликопин Биомасса живых клеток - биокатализ в химии - очистка почв, воды и воздуха глюкозный сироп фруктозный сироп заменитель сахара биотехнологическая промышленность Препараты медицинского назначения - Антибиотики - Вакцины - Гормоны - Рекомбинантные белки Инсулин, интерферон, соматотропин, вакцины Топливный этанол Аминокислоты - L-лизин - L-треонин - L-триптофан Химикаты молочная к-та лимонная к-та 1, 3 - пропандиол тонкие продукты для фарминдустрии и др. Полисахариды - для технических целей - для пищевой промышленности

ДОЛЯ РОССИИ В МИРОВОМ ОБЪЕМЕ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ БИОТЕХНОЛОГИИ Годы Мировой объем (млрд. $) Россия (млрд. $) 1980 30 1, 5 1990 95 3, 2 2000 234 0, 4 2010 Свыше 2000 2, 5 Мировой объем Россия

Динамика мирового биотехнологического рынка (млрд. долл. США) 80 70 60 50 2000 40 2005 30 2008 20 10 0 США Европа Япония КНР Индия Россия

Количество биотехнологических компаний по ряду стран: США Европа Китай Бразилия Индия Россия 1500 бол. 700 ок. 900 ок. 300 330 ок. 50 15

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЫНОК В РФ Source: Research Company Abercade

Действующие предприятия в области промышленной биотехнологии • Технические ферменты, средства защиты растений и пр. – Сиббиофарм – Восток – Биосинтез • Переработка зерна (крахмал, глюкозо-фруктозные сиропы) – Cargill – Амилко • Производство акриламида (Ашленд) • Спиртовые заводы • Дрожжевые заводы • Установки по переработке отходов в биогаз

Этапы развития биотехнологии • • Эмпирический Этиологический Биотехнический Генотехнический

Открытие микроорганизмов Антони ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek, 1632 -1723) Выдержка из письма А. ван Левенгука в Лондонское Королевское общество: « 24 апреля 1676 г. я посмотрел на воду под микроскопом и с большим удивлением увидел в ней огромное Рисунок количество бактерий А. мельчайших живых ван Левенгука существ» . Левенгук первым открыл эритроциты, описал бактерии, дрожжи, простейших, волокна хрусталика, зарисовал сперматозоиды, строение глаз насекомых и мышечных волокон. Нашёл и описал ряд коловраток, почкование гидр и т. п. Открыл инфузории и описал многие их формы.

Научная деятельность Л. Пастера - при изучении спиртового брожения установил, что оно - результат жизнедеятельности дрожжей без доступа кислорода; -обнаружил существование "жизни без кислорода", т. е. анаэробный способ существования; - открыл микробную природу инфекционных болезней животных и человека (болезнь шелковичных червей, сибирская язва, куриная холера, бешенство); - создал вакцину против бешенства и др. Луи Пастер (Louis Pasteur, 1822— 1895) основоположник «Нет, и еще тысячу раз нет, я не знаю такой науки, которую современной можно было бы назвать прикладной. Есть наука и есть микробиологии и области ее применения, и они связаны друг с другом, как иммунологии плод с взрастившим его деревом» .

Открытие пенициллина Александер Флеминг британский бактериолог (1881 – 1955). Открыл пенициллин (1928) и лизоцим (1922) Хоуард Уолтер Флори и Дж. Эрнест Чейн • Разработали методы выращивания плесени рода Penicillium и выделения пенициллина • Изучили терапевтические свойства пенициллина • Флори организовал промышленное производство пенициллина в США Отечественный препарат пенициллина был получен в 1942 году в лаборатории З. В. Ермольевой.

Генетическая инженерия • В 1972 году Пол Берг (р. 1926) с коллегами синтезировали первую рекомбинантную молекулу ДНК. • Первый генномодифицированный микроорганизм - кишечная палочка с человеческим геном, кодирующим синтез инсулина, появился на свет в 1973 году. • в 1980 году американская компания Genentech начала продажу нового препарата - человеческого инсулина. • Немецкие генетики в 1983 году вывели генномодифицированный табак, устойчивый к воздействию насекомых-вредителей. Еще через пять лет, в 1988 году, впервые в истории была Пол Берг (р. 1926) посажена генномодифицированная кукуруза. 100 генномодифицированных культур разрешены к промышленному производству. Наиболее распространенные – помидоры, соя, кукуруза, рис, пшеница, арахис, картофель.

Биотехнологии через 20 лет • Широкое распространение различных технологий выращивания и замены органов • Массовое использование технологий омоложения (с помощью стволовых клеток и пр. ) • Большая популярность крионики, обратимое замораживание крупных биологических объектов. • Генное лечение, в том числе алкоголизма и наркомании • Генное программирование организмов, клонирование.

Принципиальная схема биотехнологического процесса

Классификация живых организмов акариоты вирусы прокариоты эукариоты бактерии грибы надцарства растения животные

Классификация организмов по нуклеотидному составу 16 S р. РНК

ВИРУСЫ - бактерий (ДНК, РНК) - растений (РНК) - животных и человека (ДНК, РНК) Бактериофаг Модель бактериофага Т 2. А. Фаг с вытянутым чехлом до адсорбции. Б. Фаг с сократившимся чехлом после адсорбции и инъекции. Вирус табачной мозаики

Характеристика некоторых вирусов

Модель и фотография вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Вирусная частица содержит несколько белковых оболочек, внутри которых находятся две молекулы вирусной РНК. Разрушая лимфоциты, он лишает человека иммунной защиты против различных инфекций.

Систематика прокариот (Prokaryotae) СИСТЕМАТИКА (таксономия) — наука о многообразии и взаимосвязях между организмами. ТАКСОН — группа организмов, обладающих заданной степенью однородности. В систематике используют биномиальную номенклатуру К. Линнея: биологическому виду присваивают название, состоящее из двух слов: первое определяет принадлежность организма к определенному роду, второе — виду (Escherichia coli). ШТАММ - бактериальные культуры одного вида, выделенные из разных источников (мест обитания). Различия между штаммами не выходят за пределы вида. КЛОН — еще более узкое понятие, это культура, выделенная из одной клетки.