- •Бийский технологический институт (филиал)
- •Краткий курс биотехнологии
- •1 Природа и многообразие биотехнологических процессов
- •1.1 Введение
- •История развития биотехнологических процессов
- •1.3 Микроорганизмы, используемые в биотехнологических процессах
- •2 Производство белков одноклеточных организмов
- •2.1 Целесообразность использования микроорганизмов для
- •Производства белка
- •2.2 Использование дрожжей
- •2.3 Использование бактерий
- •2.4 Использование водорослей
- •2.5 Использование микроскопических грибов
- •3 Методы генетического конструирования
- •In vivo
- •3.1 Регуляция метаболизма в микробной клетке
- •3.2 Мутагенез и методы выделения мутантов
- •3.3 Плазмиды и конъюгация у бактерий
- •3.4 Фаги и трансдукция
- •3.5 Гибридизация эукариотических организмов
- •3.6 Слияние протопластов или фузия клеток
- •4 Технология производства метаболитов
- •4.1 Классификация продуктов биотехнологических производств
- •4.2 Общая схема биотехнологического производства продуктов микробного синтеза
- •4.3 Биотехнология получения первичных метаболитов
- •4.3.1 Производство аминокислот
- •4.3.2 Производство витаминов
- •4.3.3 Производство органических кислот
- •4.4 Биотехнология получения вторичных метаболитов
- •4.4.1 Получение антибиотиков
- •4.4.2 Получение промышленно важных стероидов
- •5 Биоиндустрия ферментов
- •5.1 Область применения и источники ферментов
- •5.2 Выбор штамма и условий культивирования
- •5.3 Технология культивирования микроорганизмов – продуцентов ферментов и выделение ферментов
- •5.4 Инженерная энзимология и ее задачи
- •6 Методы генетического конструирования
- •In vitro
- •6.1 Биотехнология рекомбинантных днк
- •6.2 Конструирование рекомбинантных днк
- •6.3 Идентификация клеток-реципиентов, содержащих рекомбинантные гены
- •6.4 Экспрессия чужеродных генов
- •6.4.1 Клонирование в бактериях
- •6.4.2 Клонирование в дрожжах
- •6.4.3 Клонирование в клетках животных
- •6.5 Использование генетической инженерии в животноводстве
- •6.6 Генная инженерия растений
- •7 Основы клеточной инженерии растений
- •7.1 История предмета
- •7.2 Методы и условия культивирования изолированных тканей и клеток растений
- •7.3 Дедифференцировка на основе каллусогенеза
- •7.4 Типы культур клеток и тканей
- •7.5 Общая характеристика каллусных клеток
- •7.6 Морфогенез в каллусных тканях как проявление тотипотентности растительной клетки
- •7.6.1 Дифференцировка каллусных тканей
- •7.6.2 Гистогенез (образование тканей)
- •7.6.3 Органогенез
- •7.6.4 Соматический эмбриогенез
- •7.7 Изолированные протопласты, их получение, культивирование, применение
- •7.8 Клональное микроразмножение и оздоровление растений
- •8 Экологическая биотехнология
- •8.1 Получение биогаза
- •8.2 Производство биоэтанола
- •8.3 Очистка сточных вод
- •8.3.1 Методы очистки сточных вод
- •8.3.1.1 Механические методы
- •8.3.1.2 Химические методы
- •8.3.1.3 Физико-химические методы
- •8.3.1.4 Биологический метод
- •8.3.2 Отстой сточных вод и его использование
- •9 Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Содержание
- •Краткий курс биотехнологии
История развития биотехнологических процессов
III тыс. до Р.Х. |
– использование дрожжей для получения хлеба, пива, вина; |
1857 г. |
– Луи Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании разных продуктов участвуют разные микроорганизмы; |
1865 г. |
– Грегор Мендель открыл законы наследственности; |
1875 г. |
– Роберт Кох разработал метод чистых культур, гарантирую-щий, что в посевном материале будут содержаться только клетки определенного вида; |
1925 г. |
– Надсон Г.А., Филиппович Г.С. установили возможность искусственного мутагенеза микроорганизмов (грибов) под влиянием рентгеновского облучения; |
1940 г. |
– Флеминг, Флори, Чейни организовали промышленное производство антибиотиков; |
1953 г. |
– Джеймс Уотсон и Фредерик Крик открыли структуру ДНК в виде двойной спирали; |
1963 г. |
– Ниренберг расшифровал генетический код, который оказался одинаковым и для бактерий, и для человека; |
1972 г. |
– Берг разработал технологию рекомбинантных ДНК; |
1977 г. |
– Гилберт У., Максам А. опубликовали метод быстрого определения последовательности ДНК; |
1980 г. |
– Гордон Дж. получил первую трансгенную мышь (был введен ген тимидинкиназы вируса герпеса); |
1997 г. |
– Вильмут Я. клонировал первое млекопитающее – овцу Долли. |
Исследования генома человека: |
|
1977 г. |
– секвенирован первый ген человека (ген, кодирующий белок хорионный соматотропин); |
1988 г. |
– создание международного проекта «Геном человека», поставившего своей целью полное секвенирование ДНК человека, в СССР научный совет по геномной программе возглавил академик А.А. Баев; |
1990 г. |
– международную организацию «Геном человека» возглавил российский академик А.Д. Мирзабеков; |
2004 г. |
– британские ученые заявили о клонировании человека; |
2005 г. |
– полностью расшифрован геном человека. |
1.3 Микроорганизмы, используемые в биотехнологических процессах
Из более чем 100 тыс. известных микроорганизмов в промышленности применяются всего несколько сотен видов, так как промышленный штамм должен отвечать ряду строгих требований:
1) расти на дешевых субстратах;
2) обладать высокой скоростью роста или давать высокий выход продукта за короткое время;
3) проявлять синтетическую активность в сторону желаемого про-дукта; образование побочных продуктов должно быть низким;
4) быть стабильным в отношении продуктивности и к требованиям условий культивирования;
5) быть устойчивым к фаговым и другим типам инфекций;
6) быть безвредным для людей и окружающей среды;
7) желательны термофильные, ацидофильные (или алкофильные) штаммы, поскольку с ними легче поддерживать стерильность в производстве;
8) интерес представляют анаэробные штаммы, так как аэробные создают трудности при культивировании – требуют аэрирования;
9) образуемый продукт должен иметь экономическую ценность и легко выделяться.
На практике применяются штаммы четырех групп микроорганизмов:
– дрожжи;
– мицелиальные грибы (плесени);
– бактерии;
– аскомицеты.
Термин «дрожжи» в строгом смысле не имеет таксономического значения. Это одноклеточные эукариоты, относящиеся к трем классам: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.
К аскомицетам относят, прежде всего, Saccharomyces cerevisiae, определенные штаммы которого используются в пивоварении, виноделии, производстве хлеба, этилового спирта.
Аскомицеты Saccharomyces lipolytica деградируют углеводороды нефти и употребляются для получения белковой массы.
Дейтеромицет Candida utilis используют как источник белка и витаминов и выращивают на непищевом сырье: сульфитных щелоках, гидролизатах древесины и жидких углеводородах.
Дейтеромицет Trichosporon cutaneum окисляет многие органические соединения, в том числе токсичные (например, фенол), и используется при переработке стоков.
Мицелиальные грибы используют:
– в получении органических кислот: лимонной (Aspergillus niger), глюконовой (Aspergillus niger), итаконовой (Aspergillus terreus), фурмаровой (Rhizopus chrysogenum);
– в получении антибиотиков (пенициллина и цефаллоспорина);
– в производстве специальных видов сыров: камамбера (Penicillium camamberti), рокфора (Penicillium roqueforti);
– вызывают гидролиз в твёрдых средах: в рисовом крахмале при получении сакэ, в соевых бобах при получении темпеха, мисо.
Полезные бактерии относятся к эубактериям.
Промышленное применение с давних времен имеют молочнокислые бактерии родов Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus.
Уксуснокисные бактерии родов Acetobater, Gluconobacter превращают этанол в уксусную кислоту.
Бактерии рода Bacillus используются для производства вредных для насекомых токсинов, а также для синтеза антибиотиков и аминокислот.
Бактерии рода Corynebacterium используются для производства аминокислот.
Из актиномицетов наиболее представительными являются рода Streptomyces и Micromonospora, используемые в качестве продуцентов антибиотиков. При росте на твердых средах актиномицеты образуют тонкий мицелий с воздушными гифами, которые дифференцируются в цепочки конидиоспор.
В настоящее время с помощью микроорганизмов синтезируют следующие соединения:
– алкалоиды,
– аминокислоты,
– антибиотики,
– антиметаболиты,
– антиоксиданты,
– белки,
– витамины,
– гербициды,
– ингибиторы ферментов,
– инсектициды,
– ионофоры,
– коферменты,
– липиды,
– нуклеиновые кислоты,
– нуклеотиды и нуклеозиды,
– окислители,
– органические кислоты,
– пигменты,
– поверхностно-активные вещества,
– полисахариды,
– противоглистные агенты,
– противоопухолевые агенты,
– растворители,
– ростовые гормоны растений,
– сахара,
– стерины и превращенные вещества,
– факторы транспорта железа,
– фармакологические вещества,
– ферменты,
– эмульгаторы.