1 МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по проведению семинарских занятий по курсу Основные методы исследования в биотехнологии для аспирантов направления 06.06.01 Биологические науки направленность Биотехнология (в том числе бионанотехнология) Краснодар 2015 2 СЕМИНАРСКОЕ ЗАНЯТИЕ 1 Общая характеристика биотехнологии и ее методов. Традиционное, классическое, понимание биотехнология как науки о методах и технологиях производствах различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов. Корни биотехнологии связанные с хлебопечением, виноделием и другими способами приготовления пищи, известными человеку еще в древности. Наука биотехнология как результат исследования и работ французского ученого, основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера. Бурное развитие в ХХ веке молекулярной биологии и генетики с применением достижений химии и физики. Важнейшее направление исследований – разработка методов культивирования клеток растений и животных. Возможность выращивать любые клетки для производства биомассы и управление их развитием, особенно у растений. Появление и активное развитие в 70-е годы ХХ века таких важнейших областей биотехнологии, как генетическая (или генная) и клеточная инженерия, положивших начало «новой» биотехнологии. СЕМИНАРСКОЕ ЗАНЯТИЕ 2 Микробиологические технологии. Микробиологический синтез — использование микроорганизмов для получения белков, ферментов, органических кислот, лекарственных препаратов и других веществ. Выведение методом селекции микроорганизмов, которые вырабатывают нужные человеку вещества в количествах, в десятки, сотни и тысячи раз превышающих потребности самих микроорганизмов (лизин - аминокислота, не образующуюся в организме животных), органические кислоты (уксусная, лимонная, молочная и др.), витамины, антибиотики и т.д. 3 СЕМИНАРСКОЕ ЗАНЯТИЕ 3 Нанобиотехнологии. Нанобиотехнология – область нанонауки и наноинженерии, применяющей методы и подходы нанотехнологии для создания биоструктур и изучения биологических систем. Нанобиотехнология как междисциплинарный научно-технический комплекс знаний, основанный на средствах и методах биотехнологии и нанотехнологии. Нанотехнологии как принципиально новый, надотраслевой приоритет единый для всех отраслей науки и промышленности. Исследования по практическому применению нанобиотехнологии в медицине. Достижения бионанотехнологий. СЕМИНАРСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4 Применение молекулярно-генетических методов исследования в биотехнологии. Гибридизация ДНК. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и метод ДНК-зондов. СЕМИНАРСКОЕ ЗАНЯТИЕ 5 Ферментативные методы генной инженерии. Получение генетического материала двумя способами: путем химического синтеза и путем ферментативной рестрикции ДНК Ферменты генной инженерии – рестриктазы, лигаза, ДНК-полимераза, ревертаза. СЕМИНАРСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6 Методы получения трансгенных организмов. Банки генов и клонотеки. Генная и клеточная инженерия как важнейшие методы (инструменты), лежащие в основе современной биотехнологии. Генный банк - тип биорепозитория в котором сохраняется генетический материал. Применение генной инженерии нашла в сельском хозяйстве и в медицине. Три волны в создании генно-модифицированных растений: Первая волна – конец 1980-х годов – создание растений с новыми свойствами устойчивости к вирусам, паразитам или гербицидам. 4 Вторая волна – начало 2000-х годов – создание растений с новыми потребительскими свойствами: масличные культуры с повышенным содержанием и измененным составом масел, фрукты и овощи с большим содержанием витаминов, более питательные зерновые и т.д. Растения третьей волны: растения-вакцины, растения-биореакторы для производства промышленных продуктов (компонентов для различных видов пластика, красителей, технических масел и т.д.), растения - фабрики лекарств и т.д. Генно-инженерные работы в животноводстве – создание трансгенных животных с определённым целевым геном. Потенциальная опасность применения генетически модифицированных организмов: безопасность продовольствия для здоровья людей и экологические последствия. СЕМИНАРСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7 Методы биотехнологии в переработке растительных субстратов. 1. Использования целлюлозо- и пектинолитических ферментов при производстве соков. 2. Ферментативное осветление соков. 3. Получение белково-витаминных кормовых добавок из растительных соков. 4. Вермитехнологии сегодня – важная и неотъемлемая отрасль биотехнологии. СЕМИНАРСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8 Экологическая биотехнология Экологическая биотехнология – научно-техническое направление, включающее применение биотехнологии для решения проблем окружающей среды Обработка сточных вод. Переработка твердых отходов. Биотехнология анаэробного метаногенеза с использованием микробной ассоциации, адаптированной к животному и растительному субстрату СЕМИНАРСКОЕ ЗАНЯТИЕ 9 Биотехнология в биоэнергетике Хлорелла как источник липидов для получения дизельного топлива. Получение водорода с помощью фотосинтезирующих микроорганизмов. 5 Повышение нефтеотдачи — регулирование микрофлоры пластов с целью продуцирования нефтевытесняющих соединений, применение полимеров (на базе акриламида), микробных полисахаридов и др. эмульгирующих спецагентов. Удаление метана из угольных пластов- с использованием-метанотрофных бактерий. Борьба с биокоррозией нефтепроводов и других коммуникаций. СЕМИНАРСКОЕ ЗАНЯТИЕ 10 Методы клонирования живых организмов и получение химер. Клонирование как один из методов, применяемых в биотехнологии для получения идентичных потомков при помощи бесполого размножения Первый искусственно клонированный многоклеточный организм в 1997 г. овца Долли. Суть техники «ядерного переноса», используемой при клонировании Клонирование организмов полное или частичное. Технология воссоздания целого организма в случае необходимости сохранения редких видов животных или для восстановления исчезнувших видов. Частичное клонирование – важнейшее направлением в медицине, Новые перспективы для применения клонирования в сельском хозяйстве и животноводстве.