Учебник по биотехнологии Под редакцией академика РАСХН Е. С. Воронина Авторы: Тихонов И. В. Рубан Е. А. Грязнева Т. Н. Самуйленко А. Я. Гаврилов В. А.
1 Введение в биотехнологию Предмет, значение, краткая история развития биотехнологии. Природа и разнообразие биотехнологических процессов. Объекты и методы биотехнологии.
Содержание Введение. 1. Предмет, история развития, цели и задачи биотехнологии. 2. Природа и разнообразие биотехнологических процессов. . 3. Объекты и методы биотехнологии. Заключение. 2
1. Тихонов И. В. , Рубан Е. А. , Грязнева Т. Н. , Самуйленко А. Я. , Гаврилов В. А. Биотехнология. - Санкт. Петербург: Гиорд. - 2005. -730 с. 2. Блинов Н. П. Основы биотехнологии. - Санкт. Петербург: Наука, 1995. 3. Самуйленко А. Я. , Рубан Е. В. Основы технологии производства ветеринарных биологических препаратов. М. : ВНИТИБП, 2000. - Т. I, Т. II. 4. Тутов И. К. , Ситьков В. И. Основы биотехнологии ветеринарных препаратов. - Ставрополь: ГСХА, 1997. 5. Шевелуха В. Е. , Воронин И. В. , Тихонов И. В. и др. Сельскохозяйственная биотехнология. - М. : Колос, 2003. 3
Биотехнология – от греческих слов: bios – жизнь, teken – искусство, logos слово, учение, наука (наука об искусстве жизни) Биотехнология - это наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве. 4
это наука, которая на основе применения знаний в области мик робиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической техно логии, приборо и машиностроения исполь зует биологические объекты (микроорганиз мы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др. ) для целей промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов. 5
Промышленная биотехнология использование полимеров и сырья для текстильной промышленности, получение метанола, этанола, биогаза и использование их в энергетике и химической промышлен ности. Методы биотехнологии применяют в металлургии для извлече ния различных пород и руды некоторых металлов, и др. 6
Горная выработка по добыче медной руды 7
8 Микроорганизмы, усваивающие субстраты, содержащие медь
Пищевая биотехнология производство белка, аминокислот, витаминов, ферментов основано на широкомасштабном выращивании дрожжей, во дорослей, бактерий. Получена целая гамма продуктов на основе генети чески модифицированной сои, которые обладают лечебно профилакти ческими свойствами, созданы безхолестериновые среды для получения легкого сливочного масла и др. Разработан метод биотрансформации свеклы, картофеля, кукурузы, пшеницы, томатов и др. 9
10 Сельскохозяйственная биотехнология используя методы генной инженерии (трансгеноз, клонирование), трансплантацию эмбрионов и др. решает задачи по увеличению урожайности растений и продуктивности животных, по получению новых сортов растений и новых видов животных, устойчивых к различным болезням и др. фитобиотехнология; зообиотехнология; биотехнология в кормовой промышленности; биотехнология переработки отходов сельскохозяйственного производства.
Экологическая биотехнология – решает задачи очистки сточ ных вод, переработки производственных и хозяйственных отходов, изготовление компостов с применением микроорга низмов, утилизация вредных выбросов нефти, химикатов, загрязняющих почву и воду. Осуществляется биосинтез препа ратов, компенсирующих вредное влияние изменений окружаю щей среды на людей и животных. Из утилизируемых материа лов получают пищевые и кормовые белки, анаэробные про цессы при культивировании микроорганизмов используются для производства энергоносителей и др. 11
12
13
Ветеринарная биотехнология, которая тесно связана с медицинской это разработка и производство лечебно профилактических и диагности ческих препаратов (антибактериальных, противовирусных и др. вакцин, антигенов, аллергенов, интерферонов, сывороток, антибиотиков и др. 14
16
Периоды возникновения, становления и развития биотехнологии I. Эмпирический (от греч. Empericos - опытный) или доисторический – охватывает около 8000 лет, из которых более 6000 лет до нашей эры и около 2000 лет нашей эры. II. Этиологический (от греч. Aitia причина) охватывает вторую половину 19 в. и первую треть 20 века (1856 1933 гг. ). III. Биотехнический 1933 1972 гг. IV. Геннотехнический (от греч. Genesis происхождение, возникновение, рождение) начался с 1972 г и длится по настоящее время. 17
Эмпирический период Древние народы интуитивно использовали биотехнологические приемы и способы изготовления хлеба, пива, вина, уксуса, кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосования кормов. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных. 18
Этиологический период 19 Связан с исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 1895). Пастер установил микробную природу броже ния, создал научные основы вакцинопрофилактики, предложил метод пастеризации, как способ стерилизации. И. И. Мечников открыл фагоцитоз, Д. И. Ивановский – вирус, Р. Кох – возбудителя туберкулеза и др. В 1859 г. Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду. В 1876 г. Р. Кох культивировал бациллы сибирской язвы, предложил метод культивирования бактерий на плотных питательных средах и получил чистую культуру. 1869 г. Ф Милер выделил ДНК из лейкоцитов. 1893 г. В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов. 1902 г. Г. Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах. 1913 г. Л. Михаэлис и М. Л. Ментен разработали кинетику фермента тивных реакций. Было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также продуктов их метаболизма ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот.
Биотехнический период В 1933 году А. Клюйвер и А. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов» . Началось внедрение в биотехнологию крупномасш табного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях. 1939 1945 гг. – началось промышленное производство антибиотиков. В 1950 г. Ж. Моно и М. Д Иерусалимский разработали теоретические основы непрерывного управляемого культивирования бактерий. 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровали структуру ДНК. Было сконструировано и внедрено в практику биотехнологии различное оборудование и главное из них биореактор. 20
Геннотехнический период 1972 г – американец П. Берг создал первую рекомбинантную молекулу ДНК, тем самым показав возможность направленных манипуляцией с генетическим материалом. В 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, продуци руемый клетками кишечной палочки. Наряду с инсулином разработаны такие генно инженерные препараты как интерфе рон, фактор некротизации опухоли, интерлейкин 2, соматотроп ный гормон человека и др. Разработаны промышленные технологии производства диаг ностических, лечебно профилактических препаратов, фермен тов, аминокислот, витаминов. Получены микроорганизмы суперпродуценты. Созданы различные продукты на основе генно инженерных технологий, а также необычные организмы, ранее не существовавшие в природе (трансгенные и клониро ванные животные, генетически модифицированные растения, химеры. Разработаны системы автоматизации и компьютери зации биотехнологических процессов и др. 21
Наиболее важные достижения биотехнологии в 4 периоде: § Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуцентами антибио тиков, ферментов, аминокислот, витаминов); Получение суперпродуцентов; § § Создание различных продуктов, необходимых человеку, на основе генно инженерных технологий; § Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе (неклубеньковые растения, несущие ген азотбактерий, которые отвечают за способность фиксировать молекулярный азот из воздуха, в результате отпадает необходимость удобрять почву азотсодержащими удобрениями; светящиеся в темноте растения; получение химер – овцекоза, овцебык; клонирование животных – овечка Долли; получение трансгенных животных и растений); § Разработка и внедрение в практику биотехнологии специальной аппаратуры (биореакторы, сепараторы, сушильные установки и др); § Автоматизация и компьютеризация биотехнологических производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии. 22
Спектр уровней организации жизни 23
Объекты, используемые в биотехнологии Неклеточные (Acellularia) Безъядерные (предъядерные) – прокариоты Безъядерные (доядерные) – акариоты Вирусы Животные 24 Клеточные (Сellularia) Риккетсии Хламидии Растения Микоплазмы Простейшие Ядерные эукариоты Бактерии Грибы Синезеленые водоросли Водоросли
Стадии биологического синтеза клетки и продукты синтеза, используемые в биотехнологии Стадии биосинтеза клетки Продукты, используемые в биотехнологии I. Синтез аминокислот, моносаха ров, жирных кислот, нуклеоти дов, витаминов Первичные метаболиты (“кирпичики”) II. Синтез белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов, их комплексов Макромолекулы (“блоки”) III. Образование ферментов, гормонов, антибиотиков, токсинов, антигенов, антител Вторичные метаболиты (“блоки”) IV. Образование структур клетки (ядро, рибосомы, клеточная стен ка, митохондрии, жгутики и т. д. ) Структура клетки (“элементы”) 25
Груп -па 1 2 3 4 5 Размер от 10 м до 1 см от 1 см до 1 мм от 1 мм до 1 мкм от 1 мкм до 1 нм от 1 нм ØКлетки эукариловек, лошадь, культуры от (культура клекорова и др). продуценты ток, лейкоциты§ Макроорга- панаксозидов, продуценты иннизмы-биоребиотрансфор- терферона и др). акторы (мышь, манты. ØКлетки низших куриный эмб. Гигантские эукариот (плерион и др). водоросли сень, дрожжи). § Растенияпродуценты ØКлетки-химеры бионакопители алгинатов. ØБиопродуценты сапонинов, Культуры Ø(клетки алкалоидов и тканей (дерма прокари-от). т. д. – искусствен- ØБиотрансфор§ Ядовитые ная кожа манты (гибридрастения и жи- человека и др). ные клетки провотные. и эукариот). üБактериофаги. üВирусы. üЭпосомы. v. ДНК. v. Ферменты. v. Макромолекулы. § Доноры (че- • Каллусные • • 26
27 № Макрообъект Как используется Получаемый биопрепарат 1. Лошадь, осел, Объект для имму- Альбумин, плазма, мул низации, продуцент лейкоциты, сыворотки 2. Марал Донор пантов Пантокрин 3. Корова, як Донор ткани Инсулин, панкреатин 4. Баран Донор Эритроциты 5. Свинья Донор Пепсин 6. Кролик, морс- Донор кая свинка Диагностические сыворотки, антигены 7. Куриный эмбрион Объект для размножения вирусов Вакцины, антигены 8. Пчелы Донор Пчелиный яд 9. Змеи Донор Змеиный яд
Особенности микробиологических процессов 1. Процесс микробного синтеза, как правило, является частью многостадийного производства, причем целевой продукт биосинтеза не является товарным и подлежит дальнейшей переработке. 2. При культивировании микроорганизмов необходимо поддерживать асептические условия, что требует стерилизации оборудования, коммуникаций, сырья и др. 3. Культивирование микроорганизмов осуществляют в гетерогенных системах, физико химические свойства которых в ходе процесса могут существенно изменяться. 4. Технологический процесс характеризуется высокой вариабель ностью из за наличия в системе биологического объекта. 5. Сложность биохимических механизмов регуляции роста микроорга низмов и биосинтеза продуктов метаболизма, ферментативный характер регуляции. 6. Автокаталитический характер процесса, то есть влияние образую щихся продуктов (в том числе биомассы) на скорость протекания процесса. 7. Относительно низкие концентрации субстратов, продуктов и скорости реакций. 8. Способность процесса к саморегулированию. 9. Условия, оптимальные для роста микроорганизмов и для биосинте за целевых продуктов, не всегда совпадают. 28
1. Крупномасштабное, глубинное культивирование биообъектов в периодическом, полунепрерывном или непрерывном режиме. 2. Выращивание клеток растительных и животных тканей в особых условиях. Культивирование биообъ ектов проводится в специальных аппаратах – биореак торах различной емкости, с применением стерильного оборудования. 3. Выращивание в биореакторах бластов (лейкоци тов) человека для получения белка – интерферона. 4. Культивирование культур клеток в стеклянных роллерах, на которых выращивают вирусы для приготовления противовирусных вакцин. 29
Особенность методов, используемых в биотехнологии на клеточном уровне 1. Процессы микробиологического синтеза осуществляются с помощью автотрофных, гетеротрофных, аэробных и анаэроб ных бактерий, дрожжей, грибов, клеток животных и высших растений. 2. Микробиологические процессы протекают, как правило, в строго асептических условиях, т. е. при исключении возможнос ти попадания в среду культивирования посторонней микрофлоры. 3. По агрегатному состоянию ферментационной среды микро биологические процессы делятся на процессы поверхностного и глубинного культивирования. Кроме того, имеются различия, связанные с видом используемых субстратов: вещества, растворимые в воде; газообразные (кислород, водород, метан); слаборастворимые жидкие (углеводороды нефти). Эти различия определяют аппаратурное оформление процессов и влияют на технологию производства в целом. 30
Разработка оптимальной технологии производства биопрепаратов это сложная научно техническая проблема, для решения которой необходимо: 1. Выбрать или селекционировать культуру микроорганизмов, способную с максимально возможной скоростью синтезировать биомассу или продукт микробного синтеза, обладающие необ ходимыми потребительскими свойствами. 2. Выбрать сырье для приготовления питательных сред, содержащее вещества, необходимые для роста используемой культуры микроорганизмов, клеток животных и растений. 3. Выбрать или сконструировать биореактор, с соответствую щим оснащением, пригодным для выращивания клеток и обеспечивающим оптимальные условия биотехнологического процесса. 4. Подобрать оборудование и разработать технологию выде ления и очистки целевого продукта и приготовления биопрепа рата. 5. Стандартизировать каждый этап технологии и конечный продукт. 31
Задачи ветеринарной биотехнологии: 1. Изыскание наиболее дешевого сырья и использование его для приготовления питательных сред и промышленное их изготовление. 2. Усовершенствование способов выделения и хранения штаммов микроорганизмов. 3. Разработка и совершенствование технологических приемов культи вирования различных видов микроорганизмов. 4. Разработка технологии получения стимуляторов роста микроорга низмов. 5. Усовершенствование и разработка методов контроля качества ветеринарных биопрепаратов. 6. Изыскание новых штаммов продуцентов антибиотиков. 7. Совершенствование технологии консервирования биопрепаратов. 8. Создание новых пробиотиков и разработка технологии их приготовления в различных лекарственных формах. 9. Разработка препаратов для специфической профилактики, диагностики, терапии. 10. Изыскание веществ, обеспечивающих полноценность рационов кормления животных. 11. Совершенствование методов трансплантации эмбрионов животных. 12. Создание новых организмов, трансгенных животных, с заданными свойствами и др. 32
Биотехнологию относят к числу приоритетных наук, где можно прогнозировать более быстрые и важнейшие достиже ния для социально экономического прогресса общества. На сегодняшний день свыше 500 видов лекарственных веществ и вакцин были объектами биотехнологических разработок. Стоимость поступающих на мировой рынок биопрепаратов, произведенных в США, оценивается в 640 млрд. долларов. В России также пристальное внимание уделяется различным отраслям биотехнологии, в том числе и разработке ветеринарных биологических препаратов для профилактики, диагностики инфекционных заболеваний и лечения больных животных. Постоянно ведется работа по совершенствованию промышленной технологии, освоению производства более эффективных, дешевых и стандартных препаратов. Для решение этих вопросов должны внести свой посиль ный вклад слушатели данного курса лекций. 33
Скачать презентацию Учебник по биотехнологии Под редакцией академика РАСХН Е
Вводная 13 02 13.ppt