МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ Документ СМК 3 уровня УМКД УМКД 042-18-9.1.19/03УМКД 2013г Учебно-методические Редакция №1 от 19.09.2013г материалы по дисциплине «Объекты биотехнологии» УЧЕБНО - МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «Объекты биотехнологии» «5В070100» – «Биотехнология» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2013 Содержание 1 Глоссарий 2 Лекции 3 Практические занятия 4 Самостоятельная работа студента 1. Введение Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике. Эта наука использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека. Термин «биотехнология» появился в начале 70-х годов ХХ века, однако до сих пор среди ученых нет единого определения. В традиционном, классическом, понимании биотехнология (от греч. bios – жизнь, teken – искусство, мастерство, logos – наука) - это наука о методах и технологиях производства, транспортировки, хранении и переработки различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов. Люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы, даже не подозревая об их существовании. Однако разработка методов генетической и клеточной инженерии поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами. Эти методы открывают возможность не только улучшения продуктов и уже освоенных процессов, но дают оригинальные способы получения новых, ранее недоступных веществ. Новейшая биотехнология – это наука о генно- и клеточно-инженерных методах и технологиях создания и использования генетически модифицированных растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых, а также традиционных видов продуктов различного назначения. В биотехнологии, как в никакой другой области знаний, интегрируются наука и производство. Охарактеризовать науку «биотехнология» лучше всего следующими словами: «Нет и еще тысячу раз нет: я не знаю такой науки, которую можно было бы назвать прикладной. Есть наука и есть области ее применения, и они связаны друг с другом, как плод с взрастившим его деревом» (Пастер, 1871; цитата взята из Revue Scientifique). Биотехнология как наука возникла на стыке биологических, химических и технических наук. Биотехнологические методы включают микробиологический синтез, генную инженерию, клеточную и белковую инженерию, инженерную энзимологию, культивирование клеток микроорганизмов, растений и животных, методы слияния клеток. Значительные успехи, достигнутые во второй половине ХХ века в фундаментальных исследованиях в области биохимии, молекулярной биологии, генетики, явились мощным импульсом для развития биотехнологии. Биотехнологический процесс включает ряд этапов: - подготовка объекта; - культивирование; - выделение целевого продукта; - очистка его; - модификация; - использование продуктов. Многоэтапность процесса обуславливает необходимость привлечения к его осуществлению самых различных специалистов. Биотехнология находится в тесной взаимосвязи с рядом научных дисциплин, в большинстве случаев реализуя их практическое применение (рис. 1). Рис. 1. Связь биотехнологии с другими науками Использование методов молекулярной биологии дает возможность определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе. Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ. Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активных соединений, в частности, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост. Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология стала источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения биоэнергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами. Голландский ученый Е. Хаувинк (1984 г.) предложил разделить историю развития биотехнологии на пять периодов. 1. Допастеровская эра (до 1865 г.). Биотехнология возникла в древности (примерно 6000-5000 лет до н.э.), когда люди научились, используя процесс брожения, выпекать хлеб, варить пиво, готовить сыр и вино. При этом наши предки действовали скорее интуитивно, ничего не зная о причинах брожения и о том, как оно осуществляется. Однако опыт получения ферментированных продуктов передавался человеком из поколения в поколение на протяжении тысячелетий. Только в XIX веке французский ученый Луи Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные их виды, которые отличаются не только морфологически, но и особенностями обмена веществ. Таким образом, Луи Пастер заложил основы сознательного управления технологическими процессами, в которых микроорганизмы играют ведущую роль. Он по праву считается одним из отцов современной биотехнологии. 2. Послепастеровская эра (1866 – 1940 гг.). Исследования Л. Пастера послужили основой развития в к. XIX – н. XX вв. бродильного производства органических растворителей (этанола, бутанола, ацетона и др.) и других химических веществ, при синтезе которых использовались разные виды микроорганизмов. Во всех этих процессах микробы в анаэробной (бескислородной) среде осуществляют превращение углеводов растений в ценные продукты. В этот период было освоено производство кормовых дрожжей с участием микроорганизмов, где в качестве субстрата использовали углеводороды. Также была разработана аэробная очистка канализационных вод. Были изучены теоретические основы специфики микробиологических процессов при выработке, хранении и созревании молочных продуктов. Создано промышленное производство лимонной кислоты (после того, как советские ученые доказали, что в процессе жизнедеятельности грибов происходит образование органических кислот). В 1919 г. в печати впервые появилось слово «биотехнология», введенное венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. В 1928 г. А. Флеминг открыл пенициллин как антибиотик. Большой вклад в биотехнологические разработки внесли советские исследователи: В.Н. Шапошников, В.С. Буткевич, С.П. Костычев и др. 3. Эра антибиотиков (1941-1960 гг.). Открытие А. Флемингом, Х. Флори и Э. Чейном химиотерапевтической активности пенициллина стало важным этапом в развитии биотехнологии хозяйственно ценных веществ. Началась интенсивная работа по поиску активных продуцентов антибиотиков, получению мутантов с измененным наследственным материалом, обладающих способностью к сверхсинтезу, а также разработка методов культивирования грибов, создания технологических схем крупномасштабного производства. Кроме того, существенную роль в эти годы сыграло использование клеток животных и растений. Например, культуры клеток человека при выращивании ряда вирусов для производства вакцин; при производстве высокоспецифических белков (антител и интерферонов); в исследованиях рака и в противовирусной химиотерапии. В 1943 г. С.Э. Лурия и М. Дельбрук определили наличие мутаций среди бактерий. Этот год является годом становления генетики бактерий, а впоследствии – развития генной инженерии. В этот период в СССР активно работают научные школы академиков Н.П. Дубинина, С.И. Алиханяна, И.А. Раппопорта, и др., исследующие вопросы генетики популяций, эволюционной, радиационной генетики, генетические основы селекции, различные аспекты химического мутагенеза. В 1953 г. Сенгер установил полную структуру белка инсулина, а Дж.Уотсон и Ф.Крик установили модель двойной спирали молекулы ДНК, был расшифрован механизм действия генетического аппарата. В 1957 г. А.Айсакс и И.Линдеман открыли интерферон. Широко используется культура растительной ткани: получение культуры из отдельных растительных клеток, обработка каллюса растительными гормонами. В 1958 г. молекула ДНК была впервые синтезирована в лаборатории. Эти открытия заложили фундамент молекулярной биологии и генной инженерии. 4. Эра управляемого биосинтеза (1961 – 1975 гг.). Производство аминокислот посредством микробных мутантов является наиболее перспективным среди других способов их получения. Аминокислоты - это не только питательные вещества, но также ароматические и вкусовые агенты, и потому они широко используются в пищевой промышленности. Например, как питательную добавку в пищу чаще всего вносят лизин и метионин. Глутамат натрия и глицин употребляют как ароматические вещества для усиления и улучшения вкуса пищи. У глицина освежающий, сладкий вкус. Его вводят в сладкие напитки, и, кроме того, он проявляет там бактериостатическое действие. Цистеин предотвращает подгорание пищи, улучшает пекарские процессы и качество хлеба. Производство микробного белка позволяет выпускать полноценные сбалансированные корма для выращивания птицы и скота. При этом микроорганизмы можно выращивать на различных питательных средах: на газах, нефти, отходах угольной, химической, пищевой, винно-водочной, деревообрабатывающей промышленности. Не менее важным достижением биотехнологии в этот период было получение чистых ферментов, промышленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Впервые был получен биогаз, налажено производство полисахаридов, открыты ферменты рестриктазы и лигазы, позволяющие разрезать и сшивать молекулу ДНК в нужных местах. 5. Эра новой биотехнологии (после 1975 г.). Этот этап стал возможным после эпохального открытия Д. Уотсона и Ф. Крика строения молекулы ДНК. Главными объектами исследований становятся живая клетка и молекула ДНК. Важнейшим достижением биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных донорских генов в клетки-реципиенты микроорганизмов, растений и животных, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. В 1983 г. было получено первое генномодифицированное растение – табак. В 1988 г. был разработан метод полимеразной цепной реакции (ПЦР). Работы с рекомбинантными молекулами ДНК позволили создать бактериальные штаммы-продуценты всех типов интерферонов, продуценты гормона роста человека и ряда животных, проинсулина человека и т.д. Не менее важное направление, сформировавшееся в эти годы, - получение гибридов, моноклональных антител, гибридов из протопластов и меристемных культур, трансплантация эмбрионов. Интенсивно развивается направление иммобилизации ферментов и клеток на специальных носителях, что обеспечивает их многократное использование. В настоящее время в биотехнологии выделяют медико-фармацевтическое, продовольственное, сельскохозяйственное и экологическое направления. В соответствии с этим биотехнологию можно разделить на медицинскую, сельскохозяйственную, промышленную и экологическую. Перспективы развития биотехнологии в различных отраслях: - в промышленности (пищевая, фармацевтическая, химическая, нефтегазовая): использование биосинтеза и биотрансформации новых веществ на основе сконструированных методами генной инженерии штаммов бактерий и дрожжей с заданными свойствами; - в сельском хозяйстве: разработка в области растениеводства трансгенных агрокультур, биологических средств защиты растений, бакудобрений и регуляторов роста, микробиологических методов рекультивирования почв; в области животноводства – получение вакцин и сывороток, создание эффективных кормовых препаратов из растительной, микробной биомассы и отходов сельского хозяйства, репродукция животных на основе эмбриогенетических методов; - в медицине: разработка медицинских биопрепаратов, моноклональных антител, диагностикумов, вакцин, развитие иммунобиотехнологии; - в экологии: разработка экологически безопасных технологий очистки сточных вод, утилизация отходов АПК, конструирование экосистем; - в энергетике: применение новых источников биоэнергии, биоконверсия биомассы в биогаз и биотопливо.