Современные проблемы и методы биотехнологии Красноярск 2009
УДК ББК 60(075) 30. 16 я 73 С 56 Авторы: Т. Г. Волова, С. В. Маркова, Л. А. Франк, Н. В. Зобова, Е. И. Шишацкая, Н. А. Войнов Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные проблемы и методы биотехнологии» подготовлен в рамках реализации Программы развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ) на 2007– 2010 гг. Рецензенты: Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин С 56 Современные проблемы и методы биотехнологии. Презентационные материалы [Электронный ресурс] : наглядное пособие / Т. Г. Волова, С. В. Маркова, Л. А. Франк и др. – Электрон. дан. (9 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – (Современные проблемы и методы биотехнологии : УМКД № 1323 -2008 / рук. творч. коллектива Т. Г. Волова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 9 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Microsoft Power. Point 2003 или выше. ISBN 978 -5 -7638 -1662 -4 (комплекса) ISBN 978 -5 -7638 -1663 -1 (пособия) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902481 (комплекса) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902482 (пособия) Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Современные проблемы и методы биотехнологии» , включающего учебную программу дисциплины, учебное пособие, лабораторный практикум, методические указания по самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Современные проблемы и методы биотехнологии. Банк тестовых заданий» . Электронные презентационные материалы в виде набора слайдов структурированы по темам и разделам теоретического курса. Являются независимым средством наглядного сопровождения изложения теоретического курса дисциплины. Оформление каждого слайда преследует краткое и гармоничное представление теоретических сведений и соответствует принципам эффективного восприятия информации с экранов. Использование в слайдах специальным образом оформленного набора текстовых и графических элементов позволяет доступно и кратко сформулировать сущность излагаемой информации. Интерактивное оглавление и набор гиперссылок в структуре презентационных материалов позволяют оперативно получить доступ к слайдам, относящимся к нужному разделу или теме. Предназначено для студентов направления подготовки магистров 020200. 68 «Биология» укрупненной группы 020000 «Естественные науки» . © Сибирский федеральный университет, 2009 Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ Редактор Я. Н. Лысь Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения Информационно-телекоммуникационного комплекса СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при Кр. ЦНИТ Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм. Подп. к использованию 30. 11. 2009 Объем 9 Мб Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Оглавление Введение Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний Глава 3. Культура растительных клеток и тканей Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии Глава 6. Инженерные основы биотехнологии Современные проблемы и методы биотехнологии 3
Введение
Оглавление Роль биотехнологии в современном мире 1. Биотехнология – основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека 2. Особенности развития исследований и коммерциализации биологических технологий в США, Японии, странах ЕС и России Введение 5
Оглавление Биотехнология – основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека Междисциплинарная природа биотехнологии Введение 6
Оглавление Биотехнология – основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека Биотехнология сегодня подразделяется на несколько наиболее значимых сегментов: это «белая» , «зеленая» , «красная» , «серая» и «синяя» биотехнологии Введение 7
Оглавление Биотехнология – основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека К «белой» биотехнологии относят промышленную биотехнологию, ориентированную на производство продуктов, ранее производимых химической промышленностью, – спирта, витаминов, аминокислот и др. – с учетом требований сохранения ресурсов и охраны окружающей среды Введение 8
Оглавление Биотехнология – основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека «Зеленая» биотехнология охватывает область, значимую для сельского хозяйства. Это исследования и технологии, направленные на создание биотехнологических методов и препаратов для борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и домашних животных, создание биоудобрений, повышение продуктивности растений, в том числе с использованием методов генетической инженерии Введение 9
Оглавление Биотехнология – основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека «Красная» (медицинская) биотехнология — наиболее значимая область современной биотехнологии. Это производство биотехнологическими методами диагностикумов и лекарственных препаратов с использованием технологий клеточной и генетической инженерии (зеленые вакцины, генные диагностикумы, моноклональные антитела, конструкции и продукты тканевой инженерии и др. ) Введение 10
Оглавление Биотехнология – основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека «Серая» биотехнология занимается разработкой технологий и препаратов для защиты окружающей среды; это рекультивация почв, очистка стоков и газовоздушных выбросов, утилизация промышленных отходов и деградация токсикантов с использованием биологических агентов и биологических процессов Введение 11
Оглавление Биотехнология – основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека «Синяя» биотехнология ориентирована на эффективное использование ресурсов Мирового океана и использование морской биоты для получения пищевых, технических, биологически активных и лекарственных веществ Введение 12
Оглавление Особенности развития биотехнологии за рубежом и в России Ассигнования в биотехнологию в США (млрд $ США) Введение 13
Оглавление Особенности развития биотехнологии за рубежом и в России Фирмы, компании США GENENTECH BIOGEN AMGEN CETUS CHIRON GENETICS INST. CALIFORNIA JOHNSON & JOHNSON MONSANTO SYNTEX DU PONT SMITH KLINE & FRENCH ABBOT Выпускаемые препараты Альфа-, бета- и гамма-интерфероны Фактор опухолевого некроза. 1 -, 2 - , 3 - и 4 -нтерлейкины. Инсулин. Эритропоэтин. Соматотропин. Урокиназа. Лимфотоксин. Тканевой активатор плазминогена. Фактор трансформации роста. Сывороточный альбумин. Вакцина против гепатита В. Супероксиддимутаза Моноклональные антитела к цитокининам. Фактор роста нервов. Фактор роста костей. Фактор роста фибробластов. Белок С. Ангиогенин. Тромболитические ферменты. Фактор активации макрофагов. Ингибиторы ренина Введение 14
Оглавление Особенности развития биотехнологии за рубежом и в России Фирмы, компании Японии Выпускаемые препараты AJINOMOTO SHIONOGI DAIICHI SEIYAKU GREEN GROSS KYOWA HAKKO MITSUBISHI CHEM. IND. Альфа-, бета- и гамма-интерфероны. Фактор опухолевого некроза. 1 -, 2 -интерлейкины. Супероксидаза. Проинсулин. Инсулин. Эритропоэтин. Соматотропин. Урокиназа. Тканевой активатор плазминогена. Вакцина против гепатита В. Фактор опухолевого некроза. MOSHIDA PHARMACEUTICA Лимфотоксин. Сывороточный альбумин. TOYZO JOZO Проурокиназа. Супероксиддимутаза TAKEDA CHEM. IND. Моноклональные антитела к цитокининам Введение 15
Особенности развития биотехнологии за рубежом и в России Оглавление Долевой анализ рынка биотехнологии РФ (по данным компании Abercade, www. abercade. ru) 18 % 1 % 9 % 1 % 66 % 4 % Введение 16
Оглавление Особенности развития биотехнологии за рубежом и в России Программа развития биотехнологии в Российской Федерации на 2006– 2015 гг. Структура программы Раздел 1. Национальные приоритетные проекты Раздел 2. Федеральные проекты (направления) Раздел 3. Региональные (межрегиональные, окружные) проекты Раздел 4. Целевые проекты Введение 17
Оглавление Особенности развития биотехнологии за рубежом и в России • • • Приоритетные направления: фундаментальная биотехнология медицинская биотехнология сельскохозяйственная биотехнология пищевая биотехнология промышленная биотехнология экологическая биотехнология правовое, экономическое, информационное и организационное обеспечение развития биотехнологии материально-техническая база биотехнологии подготовка кадров для биотехнологии Введение 18
Оглавление Новейшие достижения в области биотехнологии: трансгенные организмы и продуценты, геномика и протеомика, медицинская биотехнология, новые биоматериалы Введение 19
Оглавление Новейшие достижения в области биотехнологии Принцип конструирования рекомбинантных ДНК Введение 20
Оглавление Новейшие достижения в области биотехнологии Гипофиз человека 3 фрагмента Схема конструирования гена соматропина комбинацией химического синтеза и выделенной MРНК Введение Обратная транскриптаза Рестрикционная эндонуклеаза Тупой конец 21
Оглавление Новейшие достижения в области биотехнологии Клонирование nif-генов: 1 этап – получение гибридной плазмиды E. coli и Candida 2 этап – перенос nif-генов из Kleibsella во вторую плазмиду E. coli, которую внедряют в хромосому дрожжей Введение 22
Оглавление Новейшие достижения в области биотехнологии Скрещивание Суперштамм, полученный на основе последовательных скрещиваний четырех штаммов Pseudomonas putida Введение 23
Оглавление Новейшие достижения в области биотехнологии Потенциал инженерной энзимологии Диалезная мембрана Конструкции биореакторов на основе иммобилизованных ферментов Введение Ферментные электроды 24
Оглавление Новейшие достижения в области биотехнологии Получения с использованием гибридом, продукции моноклональных антител, образованной лимфоцитами и миеломными клетками Введение 25
Оглавление Новейшие достижения в области биотехнологии Микроклональное размножение растений Использование культуры тканей и клеток растений для регенерции растений Введение 26
Оглавление Новейшие достижения в области биотехнологии Годы Продолжительность и последовательность этапов процесса передачи технологии в США Введение 27
Оглавление Новейшие достижения в области биотехнологии Этап 1. Проведение исследований Этап 2. Патентование Этап 3. Маркетинговые исследования и оценка рынка Этап 4. Демонстрация технологии Использование культуры тканей и клеток растений для регенерции растений Этап 5. Организация производства Введение 28
Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы
Оглавление Общие принципы конструирования новых организмов для биотехнологии Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 30
Оглавление Рестриктазы и другие ферменты для молекулярного клонирования • • • рестриктазы лигазы ДНК- и РНК-зависимые ДНК-полимеразы полинуклеотидкиназы и фосфатазы различные нуклеазы и другие ферменты для модификаций концов молекул ДНК и манипуляций с фрагментами ДНК Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 31
Оглавление Общая схема молекулярного клонирования Пример: трансформация бактерий плазмидным вектором Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 32
Оглавление Клонирующие векторы: основные типы I. Плазмидные II. Вирусные М 13 • • нитевидные бактериофаги: М 13, fd, f 1 бактериофаг лямбда и космиды бакуловирусы ретровирусы, аденовирусы, SV 40 и др. Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 33
Оглавление Общая схема вектора на примере бактериальной экспрессионной плазмиды Схема экспрессионного вектора Пример: бактериальная плазмида Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 34
Оглавление Доставка рекомбинантных ДНК и РНК в клетку Известно около 40 различных способов доставки: • трансформация • коньюгация • с помощью вирусов • трансфекция: Са-фосфатный метод, полимерные катионы, катионные липиды и др. • липосомы • перфорационные методы: электропорация, микроинъекция, бомбардировка микрочастицами и др. • лиганд-опосредованная доставка Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 35
Оглавление Доставка рекомбинантных ДНК и РНК в клетку Бомбардировка микрочастицами, покрытыми ДНК, из «генного пистолета» (gene gun фирмы Bio-Rad) Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 36
Оглавление Трансгенные микроорганизмы и клеточные культуры Разнородная группа микроскопических организмов, искусственно объединенная на основании размера, стала базой многочисленных биотехнологических производств, сложившихся в промышленную микробиологию. Практически любое биотехнологическое производство сегодня основано на использовании трансгенных организмов Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 37
Трансгенные микроорганизмы и клеточные культуры Оглавление Проблемы аутентичности белков при гетерологичной экспрессии Пример: гликозилирование 1. Фолдинг белков 2. Посттрансляционные модификации (гликозилирование, присоединение коферментов и жирных кислот, фосфорилирование, ацетилирование и т. д. ) Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 38
Оглавление Трансгенные растения и животные как биореакторы Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 39
Оглавление Конструирование трансгенных растений Ti-плазмида – наиболее распространенная векторная система для получения ГМ-растений Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 40
Оглавление Конструирование трансгенных растений ОБЩАЯ ПЛОЩАДЬ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КУЛЬТУР В МИРЕ (млн га, 1996— 2007 гг. ) 140 120 в целом индустриальные страны развивающиеся страны 23 биотехнологические страны 100 80 60 40 20 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 В 2007 г. по сравнению с 2006 г. произошло увеличение площадей на 12 % или 12. 3 млн га (C. James, 2007) Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 41
Оглавление Технологии получения трансгенных животных • • • метод микроинъекции опосредованный ретровирусами перенос генов использование модифицированных эмбриональных стволовых клеток перенос трансформированных ядер генеративных и соматических клеток использование спермиев и сперматогониев как переносчиков ДНК Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 42
Оглавление Технологии получения трансгенных животных Реконструкции мышиных эмбрионов с помощью генетически модифицированных эмбриональных стволовых клеток (ES-клеток) Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 43
Применение трансгенных животных Оглавление 1. Научные модели 2. Модельные системы для изучения болезней человека 3. Производство фармацевтических белков 4. Трансгенные животные – источники ксенотрансплантантов 5. Трансгенные животные как источники пищи, новые породы 6. Трансгенные домашние любимцы Danio rerio дикого типа Glo. Fish – Danio rerio, окрашенные различными флуоресцентными белками, – наиболее удачный коммерческий проект (www. glowfish. com) Глава 1. Современные успехи геномики: трансгенные организмы 44
Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний
Оглавление Геном человека Международный проект «Геном человека» начат в 1990 г. , завершен в 2003 г. Человеческий геном содержит около 3 млрд п. о. Было выявлено около 30 тыс. генов, которые составляют не более 5 % генома Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 46
Оглавление Построение генетических карт хромосом Опыты Т. Моргана Результаты скрещивания белоглазых мушек с красноглазым самцом Первая генетическая карта, показывающая расположение пяти признаков на хромосоме плодовой мушки Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 47
Оглавление Построение генетических карт хромосом Карта генома хромосомы Micobacterium tuberculosis Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 48
Практическое значение результатов секвенирования генома человека Оглавление Связь геномики человека с другими научными направлениями Геномика растений и животных Популяционная генетика Этнография, история человечества, лингвистика Теория эволюции Медицинская генетика Генодиагностика, генопрогностика Функциональная геномика Клеточная биология, биология развития Генотерапия, генопрофилактика Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 49
Оглавление Методы иммунодиагностики – основные закономерности и разнообразие ELIZA: АГ (или АТ) + АТ~Е (или АГ~Е) → АГ ~ АТ~Е + S → P Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 50
Оглавление Методы иммунодиагностики – основные закономерности и разнообразие Схема проведения ELISA Е – репортерный фермент; S, Р – субстрат и визуально определяемый продукт фермента Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 51
Оглавление Методы иммунодиагностики – основные закономерности и разнообразие Биолюминесцентный репортер Ca 2+ – регулируемый фотопротеин обелин Ca 2+ Стабильный комплекс апобелка с пероксицелентеразином light λmax= 485 nm Obelia longissima Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 52
Оглавление Методы иммунодиагностики – основные закономерности и разнообразие Определение тиреотропного гормона радиоизотопным и биолюминесцентным методами (стандартные, контрольные и взятые у пациентов сыворотки) Корреляция по определению FТ 4 Корреляция по определению TSH Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 53
Оглавление Методы диагностики, основанные на ДНК-гибридизации Один из вариантов проведения ДНКгибридизационного анализа. В качестве метки используют: изотопы, специфические гаптены, ДНК, белки Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 54
Оглавление Методы диагностики, основанные на ДНК-гибридизации Химический синтез олигонуклеотидов Молекула мономера (синтон) Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 55
Оглавление Методы диагностики, основанные на ДНК-гибридизации Использование обелина как репортера в гибридизационном анализе 1. 2. 3. 4. Отмывки Конъюгат Отмывки Выявление Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 56
Оглавление Методы диагностики, основанные на ДНК-гибридизации а а б б Выявления ДНК-матриц МI*(●) и МI (▲) на планшетах DNA-Bind: а – биолюминесцентное; б – колориметрическое (1– через 15 мин; 2 – через 4 часа после внесения субстрата – NPP) Выявление ПЦР-фрагмента ВГС на планшетах DNA-Bind: а – биолюминесцентная метка; б – колориметрическая метка (через 4 часа после внесения субстрата – NPP) Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 57
Оглавление Методы диагностики, основанные на ДНК-гибридизации Вариант проведения твердофазного ДНК-гибридизационного анализа. Специфический зонд содержит поли. А-последовательность, метка представляет собой химический коньюгат репортерного белка обелина с олигонуклеотидом d. Т 30 Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 58
Оглавление Методы диагностики, основанные на ДНК-гибридизации Коммерческие инфекционные диагностикумы, производимые в США Организм Chlamydia trachomatis Neisseria gonnorhoeae Mycobacterium tuberculosis MRSA Group A Streptococci Group B Streptococci Gardnerella, Trichomonas vaginalis, and Candida spp. E. coli O 157: H 7 Время анализа Чувствительность, % Специфичность, % 4 час 96 100 1– 2 часа 99, 2 99, 3 3, 5 91 98 1, 5 91, 7 93, 5 24 94, 8 1, 5 Производитель Образец Вагинальный мазок Digene Моча Becton Dickinson Слюна Gen-Probe Мазок из носа Infectio Diag. Inc. 100 Фаренгиальный мазок Gen-Probe 94 95, 9 Вагинальный мазок Infectio Diag. Inc 45 мин 82– 95 98– 100 Вагинальный мазок Becton Dickinson 8 час 99 99 Вода Qualicon, Inc Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 59
Методы диагностики, основанные на ДНК-гибридизации Оглавление Выявление генов наследственных заболеваний Выявление мутантного гена, ответственного за развитие серповидно-клеточной анемии. Р 1 -, Р 2 -праймеры для амплификации; AA – гомозиготность по нормальному β-глобиновому гену, AS – гетерозиготность, SS – гомозиготность по гену анемии Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 60
Оглавление Методы диагностики, основанные на ДНК-гибридизации Определение однобуквенных замен методом ПЦР–ЛОЗ Б – биотин Д – дигоксигенин S – субстрат Р – окрашенный продукт Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 61
Оглавление Основы молекулярной терапии. Генная терапия Генной терапией называется генетическая инженерия соматических клеток человека, направленная на исправление генетического дефекта, вызывающего заболевание Коррекция специфического заболевания осуществляется путем введения в дефектные соматические клетки нормальных экспрессирующихся генов Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 62
Оглавление Основы молекулярной терапии. Генная терапия Проведение генной терапии ex vivo (А) и in vivo (Б) Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 63
Оглавление Основы молекулярной терапии. Генная терапия Средством переноса генов, созданного самой природой, являются вирусы А – генетическая карта типичного ретровируса Б – карта ретровирусного вектора Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 64
Оглавление Основы молекулярной терапии. Генная терапия Схема получения упакованного вирусного вектора Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 65
Оглавление Лекарственные средства на основе олигонуклеотидов Анти Регулирование гена бактериоферритина (bfr) с помощью антисмысловой РНК Ингибирование трансляции м. РНК синтетическим антисмысловым олигонуклеотидом Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 66
Оглавление Лекарственные средства на основе олигонуклеотидов Рибозимы – короткие РНК, обладающие нуклеазной активностью Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 67
Библиографический список Оглавление 1. R. D. Fleischmann, D. Alland, J. A. Eisen, L. Carpenter, O. White, J. Peterson, R. De. Boy, R. Dodson, M. Gwinn, D. Haft, E. Hickey, J. F. Kolonay, W. C. Nelson, L. A. Umayam, M. Ermolaeva, S. L. Salzberg, A. Delcher, T. Utterback, J. Weidman, H. Khouri, J. Gill, A. Mikula, W. Bishai, W. R. Jacobs, Jr. , J. C. Venter, and C. M. Fraser. Whole-genome comparison of Mycobacterium tuberculosis clinical and laboratory strains. Journal of Bacteriology 2002, Vol. 184, No. 19, P. 479– 5490. 2. Киселев, Л. Л. Геном человека и биология XXI века / Л. Л. Киселев. Вестник Российской академии наук. – 2000. – Т. 70. – № 5. С. 412– 424. 3. Высоцкий, Е. С. Кальций-регулируемые фотопротеины кишечнополостных / Е. С. Высоцкий, С. В. Маркова, Л. А. Франк. Молекулярная биология. – 2006, Т. 40, 410– 417. 4. Кнорре, Д. Г. Биологическая химия / Д. Г. Кнорре, С. Д. Мызина. М. : Высш. шк. – 2003. – С. 295– 297. 5. Высокочувствительный и быстрый метод выявления ДНК-фрагментов с использованием фотопротеина обелина как репортера / В. В. Борисова, И. А. Пышная, Д. В. Пышный, Л. А. Франк. Биоорг. химия 2008, Т. – 34. С. 1– 7. 6. Mothershed, E. A. Clinica Chimica Acta / E. A. Mothershed, A. M. Whitney. 2006, V. 363, 206 -220. 7. Глик, Б. Молекулярная биотехнология / Б. Глик, Дж. Пастернак. – М. : Мир. – 2002. – 589 с. 8. Shubert, S. Ribozyme- and deoxyribozyme-strategies for medical applications / S. Shubert, J. Kurreck // Curr. Drug Targets, 2004, V. 5, № 8, P. 667– 681. 9. Воробьева, М. А. Бинарные рибозимы «головка молотка» / М. А. Воробьева, Н. А. Ковалев, М. А. Зенкова и др. // Вестник ВОГи. С, 2006, Т. 10, № 2, С. 321– 330. Дополнительная литература Кларк, Д. Молекулярная биология: простой и занимательный подход / Д. Кларк, Л. Рассел. – М. : ЗАО «Компания КОНД» , 2004. – 472 с. Глава 2. Медицинская биотехнология: основы молекулярной терапии и диагностики социально значимых заболеваний 68
Глава 3. Культура растительных клеток и тканей
Оглавление Значение и место культуры тканей в биотехнологии растений Биотехнология растений – это соединение методов культуры клеток и тканей растений с методами молекулярной биологии и техникой рекомбинантных ДНК. Культура растительных клеток и тканей – клетки и ткани высших растений, выращиваемые вне организма на искусственных питательных средах в строго контролируемых условиях, позволяют изучать рост, клеточную дифференцировку и развитие растительного организма, создавать новые клеточные технологии для промышленности и сельского хозяйства Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 70
Оглавление Тотипотентность растительной клетки Тотипотентность (лат. Totus – весь, potentia – сила) – свойство клетки реализовать генетическую информацию, обеспечивающую ее дифференцировку и развитие до целого организма Возможность проявления супрессированной in vivo тотипотентности предоставляется в условиях in vitro при выращивании фрагментов тканей, органов или клеток на искусственных питательных средах Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 71
Оглавление Особенности каллусных клеток Получение каллусной ткани из различных эксплантов: фрагментов стебля, корня, листа, лепестков, тычинок Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 72
Оглавление Генетика каллусных клеток Каллус, образованный в культуре незрелых зародышей ячменя (1, 2) и пшеницы (3) Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 73
Оглавление Морфогенез в каллусных тканях Варианты морфогенеза каллусной ткани 1 2 3 4 5 Морфогенез в каллусных тканях, сформированных в культуре незрелых зародышей ячменя (1– 4) и пшеницы (5): 1 – морфогенный каллус; 2 – ризогенез; 3 и 5 – стеблегенез; 4 – стебле- и ризогенез (формирование регенеранта) Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 74
Оглавление Морфогенез каллусных тканей 1 IN VIVO 2 3 IN VITRO 4 Морфологические особенности зиготических (1) и соматических (3) зародышей по сравнению со стеблевыми почками, развивающимися in vivo (2) и in vitro (4) Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 75
Оглавление Культура отдельных изолированных клеток, или культура одиночных клеток Методы культивирования одиночных клеток: • метод плейтинга (от: the plate – чашка) • использование ткани- «няньки» • использование микрокамеры Джонса Использование при выращивании одиночных клеток в качестве «няньки» культуры суспензионных клеток: 1 – колонии клеток; 2 – фильтровальная бумага; 3 – алюминиевая сетка; 4 – пенополиуретан; 5 – суспензия клеток Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 76
Культура протопластов Оглавление Требования к составу сред при культивировании протопластов Протопласты культивируют в тех же условиях, что и клетки. Среда состоит из осмотического стабилизатора, неорганических соединений, источника углерода, азота, витаминов, фитогормонов. Условия культивирования: р. Н среды 5, 4– 5, 8, температура 22– 28 о. С, освещенность невысокая (не более 2000 лк) Схема получения и культивирования протопластов из клеток растений Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 77
Культура протопластов Оглавление Требования к составу сред при культивировании протопластов Протопласты культивируют в тех же условиях, что и клетки. Среда состоит из осмотического стабилизатора, неорганических соединений, источника углерода, азота, витаминов, фитогормонов. Условия культивирования: р. Н среды 5, 4– 5, 8, температура 22– 28 о. С, освещенность невысокая (не более 2000 лк) Схема получения и культивирования протопластов из клеток растений Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 78
Оглавление Культура протопластов Схема формирования андрогенных эмбриоидов Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 79
Оглавление Получение растений, устойчивых к различным стрессовым факторам 1. Использование токсинов фитопатогенов в отборе форм растений, устойчивых к болезням 2. Выделение солеустойчивых форм растений путем прямой и непрямой селекций в культуре ткани 3. Отбор холодоустойчивых форм растений Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 80
Оглавление Получение растений, устойчивых к различным стрессовым факторам Отбор на селективных средах может быть прямой и непрямой. Прямая селекция заключается в том, что в питательную среду добавляют в качестве селективных агентов факторы, к которым необходимо получить устойчивые линии – повышенное содержание солей – Na. Cl, Na 2 SO 4, Al. Cl 3, K 2 SO 4; водный стресс, отсутствие O 2; продукты метаболизма фитопатогенов и т. д. Непрямая селекция заключается в получении растений, синтезирующих защитные соединения при этих стрессовых факторах Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 81
Оглавление Библиографический список 1. Баев, А. А. Биотехнология / А. А. Баев. – М. : Наука, 1984. – 311 с. 2. Бекер, М. Е. Биотехнология / М. Е. Бекер, Г. К. Лиепиньш, Е. П. Райпулис. – М. : Агропромиздат, 1990. – 334 с. 3. Бест, Д. Биотехнология / Д. Бест, Г. Бич. – М. : Агропромиздат. – 1988. – 420 с. 4. Биотехнология растений: культура клеток / под ред. Р. Г. Бутенко. – М. : Агропромиздат, 1989. – 280 с. 5. Биотехнология. Принципы и применение / под ред. И. Хингинса, Д. Беста и Дж. Джонсона. – М. : Мир, 1998. – 480 с. 6. Бутенко, Р. Г. Культура клеток растений и биотехнология / Р. Г. Бутенко. – М. : Наука, 1986. 7. Бутенко, Р. Г. Экспериментальный морфогенез и дифференциация в культуре клеток растений / Р. Г. Бутенко. – М. : Агропромиздат, 1975. – 89 с. 8. Елинов, Н. П. Основы биотехнологии / Елинов Н. П. – СПб : Наука, 1995. – 600 с. Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 82
Оглавление Библиографический список 9. Першина, Л. А. Культивирование изолированных клеток и тканей растений. – Ч. 1 : учеб. пособие / Л. А. Першина. – Новосибирск : Новосиб. гос. ун-т, 2000. – 45 с. 10. Першина, Л. А. Методы культивирования in vitro в биотехнологии растений. Ч. 2 : учеб. пособие / Л. А. Першина. – Новосибирск : Новосиб. гос. ун-т, 2000. – 69 с. 11. Першина, Л. А. Основные методы культивирования in vitro в биотехнологии растений : учеб. пособие. 2 -е изд. , перераб. и доп. –Новосибирск : Новосиб. гос. ун-т. , 2005. – 142 с. 12. Сельскохозяйственная биотехнология : учебник /под ред. В. С. Шевелухи – М. : Высш. шк. – 2003. – 469 с. 13. Сельскохозяйственная биотехнология. Избранные работы / под ред. Шевелухи В. С. – М. : «Евразия+» , 2000. – 264 с. 14. Шевелуха, В. С. Сельскохозяйственная биотехнология / В. С. Шевелуха, С. В. Калашникова, Е. З. Кочиева и др. – М. : Высш. шк. – 1998. – 416 с. Глава 3. Культура растительных клеток и тканей 83
Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения
Оглавление Освоение экологически чистых материалов – актуальное направление критических технологий XXI века Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 85
Оглавление Производство и «судьба» синтетических пластиков Выпуск синтетических пластиков достиг 180 млн тонн в год Выпуск Свалка, Рецикл 5– 7 % захоронение Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 86
Потребности в новых биоматериалах Оглавление Прогноз развития рынка потребления различных типов пластиков в 2007– 2011 годах Снизу вверх: cинтетические биоразлагаемые пластики; биоосновные неразлагаемые; биоосновные биоразлагаемые Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 87
Оглавление Особенности цикла пластиков и биопластиков Цикл углерода полимеров, полученных из нефти, и биополимеров: • путь возобновляемых ресурсов (белые стрелки); • путь ископаемых (невозобновляемых) ресурсов (черные стрелки); • путь возобновляемых и невозобновляемых ресурсов (серая стрелка) Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 88
Оглавление Особенности цикла пластиков и биопластиков Схема производства, потребления и утилизации биополимеров: 1 – путь от сбора урожая до получения продукта; 2 – путь от сбора урожая до утилизации биополимеров; 3 – путь от сбора урожая до сбора урожая Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 89
Объемы выпуска биопластиков Другие Европа Япония Оглавление США Мировой рынок разрушаемых биопластиков (конец XX века) Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 90
Рост интереса к биопластикам Оглавление Перспективы роста производства биоразлагаемых полимеров Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 91
Оглавление Синтез биопластиков: реалии и перспективы Потенциальный объем рынка биопластиков Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 92
Оглавление Синтез биопластиков: реалии и перспективы Процесс производства и сферы применения полилактидов Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 93
Оглавление Синтез биопластиков: реалии и перспективы Свойства полилактидов Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 94
Оглавление Синтез биопластиков: реалии и перспективы Сырье, процесс производства и сферы применения ПГА Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 95
Оглавление Синтез биопластиков: реалии и перспективы Несбалансированный рост, клетки бактерий R. eutropha, аккумулирующие ПГА Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 96
Оглавление Синтез биопластиков: реалии и перспективы Процесс аккумуляции гранул полимера в клетках Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 97
Оглавление Синтез биопластиков: реалии и перспективы Уникальный процесс производства полигидроксиалканоатов на основе бурых углей С О 2 СО 2+СО+Н 2 Разработка институтов КНЦ СО РАН Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 98
Оглавление Основные структуры полигидроксиалканоатов n=1 r = водород – поли(3 -гидроксипропионат), r = метил – поли(3 -гидроксибутират), r = этил – поли(3 -гидроксивалерат), r = пропил – поли(3 -гидроксигексаноат), r = пентил – поли(3 -гидроксиоктаноат), r = нонил – поли(3 -гидроксидодеканоат), n=2 r = водород – поли(4 -гидроксибутират), n=3 r = водород – поли(5 -гидроксивалерат) Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 99
Процесс производства и сферы применения полилактидов Оглавление Полимеры различной химической структуры: Поли-β-гидроксибутират (ПГБ) Сополимеры гидроксибутирата и гидроксивалерата (ПГБ/ПГВ) Сополимеры гидроксибутирата, гидроксивалерата и гидроксигексаноата (ПГБ/ПГВ/ПГГ) Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 100
Влияние соотношений мономеров на физико-химические свойства ПГА Оглавление Cx Результаты дифференциального термического анализа полимеров Кривые ДТА и рентгеновские спектры сополимеров ПГБ/ПГВ Cx Тпл C 5, мол% Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения C 5, мол% 101
Опытное производство биопластиков Оглавление Красноярск, Академгородок, Институт биофизики СО РАН Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 102
Экспериметальная полимерная продукция из ПГА Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения Оглавление 103
Библиографический список Оглавление 1. Повестка дня XXI века // www. un. org/russian/conferen/wssd/agenda 21/. 2. Источник: European Bioplastics // www. european-bioplastics. org. 3. Kijchavengkul, T. Perspective Compostability of polymers / T. Kijchavengkul, R. Auras. – Polymer International. – 2008 – Vol. 57. – P. 793– 804. 4. Stein, R. S. Polymer recycling: opportunities and limitations / R. S. Stein // Proc. Natl. Acad. Sci. – 1992. – V. 89. – P. 835– 838. 5. Фомин, В. А. Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования / В. А. Фомин, В. В. Гузеев // Пластические массы. – 2001. – № 2. – С. 42– 46. 6. Данные Международной ассоциации и рабочих групп по биоразлагаемым полимерам. 7. Прогноз COPA. 8. Gerngross, T. U. Enzyme-catalyzed synthesis of poly[(R)-(3 -hydroxybutyrate]: formation of macroscopic granules in vitro / T. U. Gerngross, D. P. Martin // Proc. Natl. Acad. Sci. – USA. – 1995. V. 92. – P. 6279 – 6283. 9. Волова, Т. Г. Биосинтез на водороде / Т. Г. Волова. – Новосибирск : Наука СО. – 2004. – 397 с. 10. Asrar, J. Biodegradable Polymer (Biopol®) / J. Asrar, K. J. Gruys // In: Series of Biopolymers in 10 vol. (A. Steinbüchel Ed. ). Wiley-VCY Verlag Gmb. H. – 2002. – Vol. 4. – P. 55– 86. 11. Lee, S. Y. Bacterial Polyhydroxyalkanoates (Rewiew) / S. Y. Lee //Biotechnol. and Bioengin. – 1996. – V. 49. – P. 1– 14. Глава 4. Биотехнология новых материалов: биосинтез, свойства, области применения 104
Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии
Оглавление Методы выделения и очистки клеточных макромолекул для получения целевого биотехнологического продукта 1. Принципы выбора методов 2. Сепарация клеток: флотация, фильтрация, центрифугирование 3. Дезинтеграция продуцентов: механическая, химическая, ферментационная. 4. Выделение целевого продукта из культуральной жидкости или гомогената разрушенных клеток методами осаждения, экстракции или адсорбции 5. Методы, используемые для получения чистых продуктов: колоночная хроматография, тонкослойная хроматография, электрофорез Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 106
Оглавление Общие принципы разделения веществ Типы сепарации биомассы и культуральной жидкости: А – флотация основана на различной смачиваемости частиц (капель) жидкостью (преимущественно водой) и на их избирательном прилипании к поверхности раздела, как правило, жидкость – газ (очень редко твердые частицы – жидкость) Б – фильтрация. В этом методе используется принцип задержки биомассы на пористой фильтрующей перегородке В – центрифугирование – это осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 107
Оглавление Выделение целевого продукта из культуральной жидкости или гомогената разрушенных клеток проводят путем его осаждения, экстракции или адсорбции Осаждение может быть физическое (нагревание, охлаждение, разбавление, концентрирование) или химическое (с помощью органических и неорганических веществ) Экстракция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из твердых тел и растворов с помощью жидкого растворителя-экстрагента Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 108
Выделение целевого продукта Оглавление ТСХ липидов музейного штамма Botryococcus braunii Kutz No LB 807/1 Droop 1950 H-252 (слева) и изолята Botryococcus озера Шира (справа) Система растворителей: гександиэтиловая эфир-уксусная кислота (85: 1 по объему). С – стандарт; 0 – начало роста; I – 6 суток; II – 13 суток; III – 24 сутки; IV – 38 сутки. 1 – полярные липиды; 2 – диациглицерины; 3 – стерины; 4 – свободные жирные кислоты; 6 – триацилглицерины; 7 – МЭЖК в стандарте; 8 – эфиры стеринов; 9 – углеводороды; X и Х 1 – неидентифицированные фракции [3, 22] Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 109
Оглавление Методы тонкой очистки и разделения препаратов Смесь с вычетом адсорбированных ионов Ионообменная хроматография : Катионообменная хроматография (схематизировано: изображено поверхностное электростатическое взаимодействие с частицами): а, б – две стадии процесса Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 110
Оглавление Методы тонкой очистки и разделения препаратов Гель-фильтрация Хроматография на основе «молекулярных сит» (компоненты, размеры которых соответствуют размерам пор или входов в поры адсорбента, задерживаются на колонке): а, б — две стадии процесса Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 111
Оглавление Методы тонкой очистки и разделения препаратов Аффинная хроматография Показано, что в выемки на частицах геля входят лишь молекулы комплементарной формы: а, б — две стадии процесса Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 112
Оглавление Современные аналитические методы, используемые для количественных и качественных характеристик целевых продуктов биотехнологии: газожидкостная и высокоэффективная жидкостная хроматографии 1. Что такое хроматография 2. Краткая история хроматографии 3. Основные виды хроматографии 4. Основные закономерности хроматографического разделения: параметры удерживания, параметры хроматографического пика 5. Газовая хроматография: основные уравнения в газовой хроматографии; природа сорбентов; природа газа-носителя; аппаратура для газовой хроматографии 6. Высокоэффективная жидкостная хроматография: классификация; аппаратура; сорбенты; насосы; дозаторы; принципы выбора колонок, элюента; условия хроматографирования; детекторы Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 113
Современные аналитические методы Оглавление Хроматография – физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 114
Современные аналитические методы Оглавление Адсорбционная хроматография основана на различии сорбируемости разделяемых веществ адсорбентом Распределительная хроматография — на разной растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе Ионообменная хроматография — на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой и компонентами разделяемой смеси Эксклюзионная (молекулярно-ситовая) хроматография — на разной проницаемости молекул компонентов в неподвижную фазу Осадочная хроматография основана на различной способности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твердой неподвижной фазе. В соответствии с агрегатным состоянием элюента различают газовую и жидкостную хроматографию Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 115
Современные аналитические методы Оглавление Параметры удерживания. Время удерживания и удерживаемый объем t. R – время удерживания; t. M – время нахождения молекул в элюенте; t. R – время нахождения молекул в сорбируемом состоянии или приведенное время удерживания t. R = t. M VR – удерживаемый объем – это объем элюента, который необходимо пропустить через колонку для элюирования анализируемого соединения Fr – объемная скорость элюента VR = t. R . Fr VR’ = (t. R – t. M) Fr = VR – Vd VR’ – приведенный удерживаемый объем Vd – мертвый объем VN – чистый удерживаемым объемом VN = VR’. j, где j – поправка, учитывающая перепад давления + t. R’ = t. R – t. M Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 116
Современные аналитические методы Оглавление a б Ионная хроматограмма углеводородов музейного штамма Botryococcus braunii Kutz No LB 807/1 Droop 1950 H-252: а – исходный образец; б – после гидрирования [3, 22] Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 117
Современные аналитические методы Оглавление Ионная хроматограмма метиловых эфиров жирных кислот липидов Fontinalis antipyretica. Первая цифра – число атомов углерода в цепи жирных кислот, вторая – число насыщенных связей, третья – положение первой двойной связи с метильного конца. А 1 -6 a, 9, 12 -18: 3; А 2 -6 a, 9, 12, 15 -18: 4; А 5 -8 a, 11, 14 -20: 3; А 7 -8 а, 11, 14, 17 -20: 4 [12] Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 118
Современные аналитические методы Оглавление Ионная хроматограмма метиловых эфиров жирных кислот липидов Ralstonia еutrophа В 5786 до и после гидрирования. Первая цифра – число атомов углерода в цепи жирных кислот, вторая – число насыщенных связей, третья – положение первой двойной связи с метильного конца [11] Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 119
Современные аналитические методы Оглавление Ионные хроматограммы полигидроксиалканоатов, синтезируемые Ralstonia eutrophа. С 4 – β-гидроксибутирата; С 5 – β-гидроксивалерата; С 6 – β-гидроксигексаноата [4, 5] Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 120
Оглавление Масс-спектрометрия в биотехнологии. Основные принципы работы масс-спектрометров 1. Основные понятия масс-спектрометрии 2. Характеристика метода 3. Область применения масс-спектрометрии 4. Краткая история развития метода 5. Масс-спектр и его интерпретация 6. Масс-спектральные приборы 7. Основные методы ионизации соединений 8. Описание ионных источников 9. Масс-анализаторы, принципы работы 10. Детекторы Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 121
Масс-спектрометрия в биотехнологии Оглавление Масс-спектрометрия (масс-спектральный анализ) – метод анализа вещества путем определения массы (чаще, отношения массы к заряду m/z) и относительного количества ионов, получаемых при ионизации исследуемого вещества или уже присутствующих в изучаемой смеси. Совокупность значений m/z и относительных величин токов этих ионов, представленная в виде графика или таблицы, называется масс-спектром вещества. В качестве иллюстрации приведен масс-спектр дисульфидного производного пальмитолеиновой кислоты, выделенной из бактерий Ralstonia eutropha [3, 22] Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 122
Macс-спектральные приборы Оглавление Принципиальная схема масс-спектрометра Масс-спектральные приборы состоят из системы ввода пробы (система напуска), ионного источника, разделительного устройства (масс-анализатора), детектора (приемника ионов), вакуумных насосов, обеспечивающих достаточно глубокий вакуум во всей вакуумной системе прибора, и системы управления и обработки данных Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 123
Оглавление Применение масс-спектрометрии Масс-спектрометрию широко применяют в различных областях науки и техники. Большие успехи достигнуты при анализе биологически важных продуктов биотехнологии; показана возможность структурного анализа полисахаридов с молекулярной массой до 15000, белков – до 45000 Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 124
Применение масс-спектрометрии Оглавление Созданы следующие приборы: • тандемные масс-спектрометры, позволяющие дву-, трех-, четырехкратное и т. д. разделение по массам • хромато-масс-спектрометры – одни из наиболее распространенных современных аналитических приборов. В них различные типы газовых, жидкостных или ионных хроматографов (электрофореза) обеспечивают предварительное разделение вещества, а индикацию разделенных веществ и измерение их содержаний осуществляет масс-спектрометр • применение лазеров в масс-спектрометрии, применение массспектрометрии для диагностики и изучения работы лазеров, массспектрометрический контроль работы установок по лазерному разделению изотопов Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 125
Масс-спектрометрия в биотехнологии Оглавление a б Масс-спектры основных диеновых углеводородов изолята Botryococcus озера Шира: а – 29: 2; б – 29: 3 [3, 22] Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 126
Масс-спектрометрия в биотехнологии a Оглавление в б г Масс-спектры метиловых эфиров основных ацетиленовых кислот липидов Fontinalis antipyretica: а – 6 a, 9, 12– 18: 3 (А 1); б – 8 a, 11, 14– 20: 3 (А 5) и их диметилоксазолиновые производные: в – 6 a, 9, 12– 18: 3 (А 1); г – 8 a, 11, 14– 20: 3 (А 5). Точками отмечены диагностические фрагменты, молекулярный вес которых отличается на 10 или 12 атомных масс Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 127
Масс-спектрометрия в биотехнологии Оглавление Ионные хроматограммы полимеров, выделенных из биомассы Ralstonia eutrophа В 5786 с добавкой гептаноата (верх) и добавкой октаноата (зеркально внизу) и масс-спектры соответствующих мономеров – ГБ – β-гидроксибутират с временем удерживания 7. 37; ГВ – β-гидроксивалерат – 8. 42; ГГ – β-гидроксигексаноат – 9. 48; Ггеп – β-гидроксигептаноат – 10. 75; ГО – β-гидроксиоктаноат – 11. 95 [5] Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 128
Библиографический список Оглавление 1. Айвазов, Б. В. Основы газовой хроматографии : учеб. пособие для хим. специальностей вузов / Б. В. Айвазов. – М. : Высш. шк. , 1977. – 183 с. 2. Биотехнология : учеб. пособие для вузов. В 8 кн. Кн. 1. Проблемы и перспективы / под ред. Н. С. Егорова, В. Д. Самуилова. – М. : Высш. шк. , 1987. – 159 с. 3. Волова, Т. Г. Специфика состава липидов двух представителей Botryococcus, синтезирующих жидкие углеводороды / Т. Г. Волова, Г. С. Калачева, Н. О. Жила // Физиология растений. – 2003. – Т. 50. – № 5. – С. 1– 7. 4. Волова, Т. Г. Синтез сополимеров гидроксибутирата и гидроксивалерата [поли(2 ГБ/3 ГВ)] бактериями RALSTONIA EUTROPHA / Т. Г. Волова, Г. С. Калачева // Микробиология. – 2005. – Т. 74. – № 1. – С. 1– 7. 5. Биосинтез многокомпонентных полигидроксиалканоатов бактериями Wautersia eutropha / Т. Г. Волова, Г. С. Калачева, И. В. Кожевников, А. Штайнбюхель // Микробиология. – 2007. – Т. 76. – № 5. – С. 316– 319. 6. Вульфсон, Н. С. Масс-спектрометрия органических соединений / Н. С. Вульфсон, В. Г. Заикин, А. И. Микая. – М. : Химия, 1986. – 312 с. 7. Высокоэффективная газовая хроматография / под ред. К. Хайвер. – Дзержинск : ЗАО НТК «Синтеко» , 1997. – 134 с. Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 129
Библиографический список Оглавление 8. Гейсс, Ф. Основы тонкослойной хроматографии (планарная хроматография) / под. ред. В. Г. Березкина. – М. : Мир, 1999. – Т. 1. – 405 с. 9. Гейсс, Ф. Основы тонкослойной хроматографии (планарная хроматография) / под. ред. В. Г. Березкина. – М. : Мир, 1999. – Т. 2. – 348 с. 10. Гааль, Э. Электрофорез в разделении биологических макромолекул : пер. с англ. / Э. Гааль, Г. Медьеши, Л. Верецкеи. – М. : Мир, 1982. – 448 с. , ил. 11. Основы масс-спектрометрии органических соединений / В. Г. Заикин, А. В. Варламов, А. И. Микая, Н. С. Простаков. – М. : МАИК «Наука/Интерпериодика» , 2001. – 286 с. 12. Калачева, Г. С. Состав жирных кислот липидов Wautersia eutropha в условиях активного синтеза полигидроксиалканоатов / Г. С. Калачева, Т. Г. Волова // Микробиология. – 2007. – Т. 76. – № 6. – С. 608– 614. 13. Сезонная динамика ацетиленовых кислот липидов мха Fontinalis antipyretica, собранного в реке Енисей. Физиология растений / Г. С. Калачева, Н. Н. Сущик, М. И. Гладышев, О. Н. Махутова. – 2009 (принята в печать). 14. Лебедев, А. Т. Масс-спектрометрия в органической химии. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. – 493 с. , ил. – (Методы в химии). 15. Полякова, А. А. Молекулярный масс-спектральный анализ органических соединений / А. А. Полякова. М. : Химия, 1983. – 248 с. 16. Сакодынский, К. И. Аналитическая хроматография / К. И. Сакодынский, В. В. Бражников, С. А. Волков и др. – М. : Химия, 1993. – 464 с. Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 130
Оглавление Библиографический список 16. Сапрыкин, Л. В. Высокоэффективная жидкостная хроматография : монография. / Л. В. Сапрыкин ; под ред. В. В. Болотова. – Х. : Оригинал, 2007. – 228 с. 17. Стыскин, Е. Л. Практическая высокоэффективная жидкостная хроматография / Е. Л. Стыскин, Л. Б. Ициксон, Е. В. Брауде. – М. : Химия, 1986. – 288 с. 18. Сычев, С. Н. Высокоэффективная жидкостная хроматография на микроколоночных хроматографах серии «Милихром» : монография / С. Н. Сычев, К. С. Сычев, В. А. Гаврилина. – Орел : Орел. ГТУ, 2002. – 134 с. 19. Чепмен, Дж. Практическая органическая масс-спектрометрия : пер. с англ / Дж. Чемпен. — М. : Мир. – 1988. – 216 с. , ил. 20. Шаповалова, Е. Н. Хроматографические методы анализа / Е. Н. Шаповалова, А. В. Пирогов ; отв. ред. О. А. Шпигун. – М. : МГУ, 2007. – 109 с. 21. Шатц, В. Д. Высокоэффективная жидкостная хроматография. Основы теории. Методология. Применение в лекарственной химии / В. Д. Шатц, О. В. Сахартова. – Рига : Зинатне, 1988. – 220 с. 22. Kalacheva, G. S. Lipid and hydrocarbon compositions of a collection and wild sample of the green microalge Botryococcus / G. S. Kalacheva, N. O. Zhila, T. G. Volova // Aquatic Ecology. – 2002. – V. 36. – P. 317– 330. Глава 5. Современные методы исследования целевых продуктов биотехнологии 131
Глава 6. Инженерные основы биотехнологии
Научные основы биоинженерии Оглавление Специфика биотехнологического производства Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 133
Оглавление Научные основы биоинженерии Расход поступающих веществ в биореактор Y 02 Q n YC 02 t V G Q P Y 02 YC 02 Контроль за биотехнологическим процессом Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 134
Научные основы биоинженерии Оглавление γs = 4 + m – 21 γB = 4 + p – 2 n – 3 q γP = 4 + r – 2 s – 3 t Материально-энергетический баланс роста микроорганизмов Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 135
Оглавление Современное ферментационное оборудование 1 – барботажный 2 – эрлифтный 3 – барботажно-лифтный 4 – барботажный с механическим перемешиванием Асептические 5 – барботажный с циркуляционным перемешиванием 6 – c циркуляционным перемешиванием 7 – с cамовсасывающей мешалкой 8 – струйные Схема классификации биореакторов Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 136
Оглавление Газлифтные биореакторы 1 – корпус; 2 – циркуляционный стакан с рубашкой; 3 – система воздухораспределения; 4 – патрубок для подачи ферментативной среды Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 137
Оглавление Струйные биореакторы 1 – корпус; 2 – струйная насадка (эжектор); 3 – насос; 4 – циркуляционный стакан (труба); 5 – теплообменник; 6 – воздуховод Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 138
Оглавление Биореакторы с самовсасывающей мешалкой a б г a, б: 1 – корпус; 2 – рубашка; 3 – полый вал с самовсасывающими мешалками; 4 – механический пеногаситель; 5 – циркуляционный стакан в: 1 – корпус; 2 – теплообменник; 3 – мешалка; 4 – опора; 5, 6 – штуцера; 7 – люк-лаз; 8, 9, 10 – коллектора Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 139
Оглавление Пленочные биореакторы 1– корпус; 2 – контактная труба; 3 – газовый патрубок; 4 – камера для ввода газа; 5 – теплообменная секция; 6 – камера для культивирования; 7 – насос Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 140
Оглавление Результаты масштабирования биореакторов Расчетные показатели биореакторов Показатели Эрлифтный, S = 1, 5 % Пленочный, S = 3 % Пленочный, S = 7 % Производительность, т/сут 6 6 6 Металлоемкость, т 46, 6 20– 42 18– 40 5, 5 10 3, 5 10 Диаметр и высота аппарата, м 7, 4 14, 2 Удельные затраты на культивирование, к. Вт/кг 1, 2 0, 8 0, 9 Расход воздуха, м 3/ч 12500 0– 3000 Расход свежей воды, м 3/ч 44 0 0 Расход отработанной жидкости (стоков), м 3/ч 69, 0 12, 8 8, 2 Расход химического пеногасителя, кг/ч 15, 0 7, 5 Расход электроэнергии, к. Вт/ч 428 232 200 Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 141
Биоинженерное оборудование. Роторно-пленочные испарители Оглавление 1 – корпус; 2 – вращающийся ротор; 3 – привод; 4 – лопасти Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 142
Оглавление Биоинженерное оборудование. Пленочные испарители 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3, 4 – контактные трубы Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 143
Оглавление Биоинженерное оборудование. Центрифуги Осадительная Фильтрующая Инерционная Горизонтальная Трубчатая Шнековая Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 144
Оглавление Биоинженерное оборудование. Сепараторы Тарельчатый Барабанный Бесприводной Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 145
Оглавление Биоинженерное оборудование. Сушилки Вальцовая Барабанная Псевдоожиженного слоя Сублимационная Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 146
Оглавление Библиографический список 1. Минкевич, И. Г. Материально-энергетический баланс и кинетика роста микроорганизмов / И. Г. Минкевич. – Москва-Ижевск : НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика» ; институт компьютерных исследований, 2005. – 352 с. 2. Войнов, Н. А. Пленочные трубчатые газожидкостные реакторы / Н. А. Войнов, Н. А. Николаев. – Казань : Отечество, 2008. – 272 c. 3. Калунянц, К. А. Оборудование микробиологических производств / К. А. Калунянц, Л. И. Голгер, В. Е. Балашов. – М. : Агропромиздат, 1987. – 398 с. 4. Тутова, Э. Г. Сушка продуктов микробиологического производства / Э. Г. Тутова , П. С. Куц. – М. : Агропромиздат, 1987. – 303 с. 5. Бортников, И. И. Машины и аппараты микробиологических производств / И. И. Бортников, А. М. Босенко. – Мн. : Выш. шк. , 1982. – 288 с. Глава 6. Инженерные основы биотехнологии 147
Скачать презентацию Современные проблемы и методы биотехнологии Красноярск 2009
441_presentation.ppt