- •Образования «национально-исследовательский томский политехнический университет»
- •Глава 1. Основы микробиологии
- •1.1. Морфология микроорганизмов .1.1. Систематика и номенклатура микроорганизмов
- •1.1.2. Формы бактерий
- •1.1.3. Структура бактериальной клетки и методы ее исследования
- •Включения Нефотоситезирцющие Основные
- •1.1.4. Морфология микробов-эукариотов: дрожжевых и плесневых грибов
- •Зкзоспоры
- •1.1.5. Методы микроскопического исследования микроорганизмов
- •Электронная микроскопия
- •1.2. Физиология микроорганизмов 1.2.1. Питание бактерий
- •1.2.2. Питательные среды
- •1.2.3. Условия культивирования бактерий
- •1.2.4. Дыхание бактерий
- •1.2.5.Ферменты бактерий
- •1.2.6. Культуральные свойства бактерий
- •1.2.6. Выделение чистых культур микроорганизмов
- •Глава 2. Химические основы жизни
- •2.1. Липиды
- •2.1.1. Жирные кислоты и родственные липиды
- •Глава 7. Сельскохозяйственная биотехнология 360
- •Глава 8. Экологическая биотехнология 368
- •2.1.2. Жирорастворимые витамины, стероиды и другие липиды
- •2.2. Сахара и полисахариды
- •2.2.2. Дисахариды и полисахариды
- •2.3. Белки
- •2.3.1. Биологические функции белков
- •2.3.2. Белковые аминокислоты и полипептиды
- •2.3.3. Структура белков
- •Первичная структура белков
- •Глава 7. Сельскохозяйственная биотехнология 360
- •Глава 8. Экологическая биотехнология 368
- •Глава 7. Сельскохозяйственная биотехнология 360
- •Глава 8. Экологическая биотехнология 368
- •2.4.5. Биосинтез нуклеиновых кислот и белков (матричные биосинтезы)
- •I I аденин
- •Глава 3. Технологические основы биотехнологических производств
- •3.1. Процессы в биотехнологии
- •3.4. Контроль и управление биотехнологическими процессами; моделирование и оптимизация
- •Глава 4. Генная инженерия
- •4.3. Получение фармакологических препаратов с помощью методов генной инженерии
- •4.3.1. Биосинтез инсулина человека в клетках кишечной палочки
- •4.3.2. Биосинтез соматотропина и других гормонов человека
- •4.3.3. Получение интерферонов
- •4.3.4. Получение иммуногенных препаратов и вакцин
- •4.3.5. Другие области применения генной инженерии
- •1. Новые методы диагностики и исследований
- •2. Генная инженерия и белковая инженерия ферментов
- •3. Получение бактерий для деградации токсикантов и ксенобиотиков
- •5. Биоматериалы
- •4.5. Преимущества и опасность генной инженерии
- •4.5. Меры безопасности
- •Глава 5. Промышленная микробиология
- •5.1. Производство первичных метаболитов
- •5.1.1. Производство аминокислот
- •5.1.2. Производство органических кислот
- •5.1.3. Получение витаминов
- •5.2. Производство вторичных метаболитов
- •5.3. Производство белков одноклеточных и многоклеточных
- •5.3.1. Производство белка одноклеточных организмов
- •5.3.2. Производство грибного белка (микопротеина)
- •5.3.3. Производство цианобактерий
- •Глава 6. Инженерная энзимология
- •6.1. Методы получения иммобилизованных ферментов
- •6.1.1. Физические методы иммобилизации
- •6.1.2. Химические методы иммобилизации ферментов
- •Носитель Вставка Фермент Иммобилизованный фермент
- •6.2. Применение иммобилизованных ферментов
- •6.3. Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов
- •6.3.1. Разделение рацемических смесей аминокислот
- •6.3.2. Производство кукурузного сиропа с высоким содержанием
- •Глава 7. Сельскохозяйственная биотехнология
- •7.1. Биопестициды
- •7.1.1. Технология получения бактериальных энтомопатогенных
- •7.1.2. Технология получения грибных энтомопатогенных
- •7.1.3. Технология получения вирусных энтомопатогенных препаратов
- •7.2. Биологические удобрения
- •7.2.1. Технология получения сухого нитрагина
- •7.2.2. Технология получения сухого азотобактерина
- •7.2.3. Технология получения фосфоробактерина
- •Глава 8. Экологическая биотехнология
- •8.1. Аэробная биологическая очистка сточных вод
- •8.1.1. Основные характеристики сточных вод
- •8.1.2. Процессы с участием активного ила
- •8.1.3. Аэробная обработка ила
- •8.1.4. Вторичная очистка сточных вод с помощью капельных биологических фильтров
- •8.2. Анаэробная переработка отходов
- •1Связь, a-мальтоза
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
Образования «национально-исследовательский томский политехнический университет»
Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ Учебное пособие
Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета
Издательство Томского политехнического университета Томск 2011
УДК 547 + 547.1 '121(076) ББК 24.23я73
С232 Тимощенко Л.В.
Основы биотехнологии: Учебное пособие/ Тимощенко Л.В., С232 Чубик М.В.; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 225
В учебном пособии в доступной форме представлен материал, включающий общие основы микробиологии, химические основы жизни и технологические основы биотехнологических производств с описанием объектов биотехнологии, аппаратурного оформления и продуктов биотехнологических производств. Отдельные главы посвящены основным разделам современной биотехнологии и получению разнообразных биотехнологических биотехнологических продуктов.
УДК 547 + 547.1'121(076) ББК 24.23я73
Рецензенты
Зав. лабораторией биохимии ЦНИЛ СибГМУ, кандидат медицинских наук А.Э. Сазонов
© ГОУ ВПО «Томский политехнический
университет», 2011 © Тимощенко Л.В., Чубик М.В. 2011 © Оформление. Издательство Томского Политехнического университета, 2011
ОГЛАВЛЕНИЕ
Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик 1
ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ Учебное пособие 1
O OH 54
(3'_^5') T-A-T-T-C-C-A-G 167
к о д 181
Pi ' 196
1. Новые методы диагностики и исследований 233
2. Генная инженерия и белковая инженерия ферментов 233
3. Получение бактерий для деградации токсикантов и ксенобиотиков 237
5. Биоматериалы 238
ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ 244
Аминокислота - целевой продукт 248
h3n-ch-cooh 252
Бродильные процессы 254
Окислительные процессы 256
Классификация антибиотиков 269
Основные этапы промышленного получения антибиотиков 271
ГЛАВА 6. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ 326
Иммобилизация ферментов адсорбцией: 335
Иммобилизация ферментов путем включения в гели 338
Иммобилизация ферментов микрокапсулированием 339
ГЛАВА 7. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ 360
ГЛАВА 8. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ 368
ЛИТЕРАТУРА 389
ВВЕДЕНИЕ
Биотехнология - это наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве. Название ее происходит от греческих слов bios - жизнь, teken - искусство, logos - слово, учение, наука.
Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, биотехнология - это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».
В соответствии с определением Европейской федерации биотехнологов (ЕФБ, 1984) биотехнология базируется на интегральном использовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Уже в самом определении предмета отражено его местоположение как пограничного, благодаря чему результаты фундаментальных исследований в области биологических, химических и технических дисциплин приобретают выраженное прикладное значение. Биотехнология непосредственно связана с общей биологией, микробиологией, ботаникой, зоологией, анатомией и физиологией, биологической, органической, физической и коллоидной химией, иммунологией, биоинженерией, электроникой, технологией лекарств, генетикой и другими научными дисциплинами.
Возникновение, становление и развитие биотехнологии можно условно разделить на четыре периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический. Эмпирический (от греч. empirikos - опытный) период - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет - до нашей эры и около 2000 лет - нашей эры. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. Так, египтяне выпекали хлеб из кислого теста с 4000 годов до н. э., на востоке вино было известно с 2000 годов до н. э. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях, хотя о микробах-индукторах этого процесса мир узнал в 1868 г. благодаря работам Луи Пастера, несмотря на существование с XIV в. «орлеанского способа» приготовления уксуса; первая дистилляция вина осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII века, но получение абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду Луллию благодаря перегонке вина с негашеной известью.
К тому же эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов и сыра, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, восточных продуктов (соевого соуса и темпеха), силосование кормов; мочка лубоволокнистых растений; культивирование грибов.
Таким образом, народы исстари пользовались на практике микробиологическими процессами, ничего не зная о микробах; эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных.
Второй, этиологический (от греч. aitia - причина), период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 - 1895) - основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин. Пастер вскрыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии; предложил метод стерилизации, называемый по его имени пастеризацией и т. д.
Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). Например: масляно-кислые бактерии и вызываемое ими масляно-кислое брожение, лактобактерии и молочнокислое брожение, дрожжи - сахаромицеты и спиртовое брожение, уксуснокислые бактерии и окисление этанола до уксусной кислоты и т. д. В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также некоторых продуктов обмена (метаболизма) - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот; во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.
Знание причин биологических процессов еще не исключало нестерильные операции, хотя и стремились к использованию чистых культур микроорганизмов.
Для всестороннего изучения морфолого-физиологических свойств и продуктов обмена микробов все ранее предложенные способы их выращивания оказались малопригодными. Более того, накопление однородной по возрасту большой массы клеток оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии. В 1933 г. А. Клюйвер и Л .Х. Ц. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. С этого времени начинается третий период в развитии биологической технологии - биотехнический. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего проведение процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков - время Второй мировой войны (1939-1945 гг.), когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами. Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии. Следует отметить, что уже в 1969 г. Ф. Ми- шер получил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов; В. Оствальд в 1893 г. установил каталитическую функцию ферментов; Г. Хаберланд в 1902 г. показал возможность культивирования клеток различных тканей растений в простых питательных растворах; Ц. Нейберг в 1912 г. раскрыл механизм процессов брожения; Л. Михаэлис и М. Л. Ментен в 1913 г. разработали кинетику ферментативных реакций; Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов в 1925 г. доказали мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи и т. д. Следовательно, накопленные научные факты стали побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения. Это необходимо было для получения различных клеточных продуктов и самих клеток для нужд человека, и прежде всего в качестве (или в составе) лечебных и профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрацик- линов, декстрана, ряда аминокислот и многих других веществ. К 1950 г. Ж. Моно (Франция) разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов.
Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореакторов. Это оборудование используют и в настоящее время.
Четвертый период в биотехнологии - генотехнический (от греч. genesis - происхождение, возникновение, рождение) - начался с 1972 г. В этом году П. Берг со своими сотрудниками в США создали первую рекомбинантную молекулу ДНК.
Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уо- тсона (1953) по установлению структуры ДНК было невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфических ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом суть генотехнического периода.
Для генотехнического периода характерны: разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов); получение суперпродуцентов; создание продуцентов, несущих в себе бессмысленную генетическую информацию (например, генов интерферона человека в клетках Pseudomonas aeruginosa); создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе (например, создание неклубеньковых организмов, несущих гены азотобактерий, ответственных за способность фиксировать молекулярный азот из воздуха); разработка и внедрение экологически чистых и по возможности безотходных технологий; разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры блочного (сменного) типа для различных биотехнологических схем; автоматизация и компьютеризация биотехнологических процессов; создание экономически оптимальных производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.
В табл. 1 приведены основные факты, характеризующие развитие биотехнологии.
Таблица 1
История развития молекулярной биотехнологии
Дата |
Событие |
1917 |
Карл Эреки ввел термин «биотехнология» |
1943 |
Произведен пенициллин в промышленном масштабе |
1944 |
Эвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что генетический материал представлен ДНК |
1953 |
Уотсон и Крик расшифровали структуру молекулы ДНК |
1961 |
Учрежден журнал «Biotechnology and Bioengineering» |
1961-1966 |
Расшифрован генетический код |
1970 |
Выделена первая рестрицирующая эндонуклеаза |
1972 |
Корана и др. синтезировали полноразмерный ген т-РНК |
1973 |
Бойер и Коэн положили начало технологии рекомбинант- ных ДНК |
1975 |
Колер и Мильштейн описали получение моноклональных антител |
1976 |
Изданы первые руководства, регламентирующие работы с рекомбинантными ДНК |
1976 |
Разработаны методы определения нуклеотидной последо- |
|
вательности ДНК |
1978 |
Фирма Genentech выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью E. coli |
1982 |
Разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК |
1983 |
Для трансформации растений применены гибридизован- ные Ti-плазмиды |
1985 |
Создан метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) |
1985 |
Разработана ДНК-дактилоскопия |
1990 |
В США утвержден план испытаний генной терапии с использованием соматических клеток человека |
1990 |
Официально начаты работы над проектом «Геном человека» |
1994-1995 |
Опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека |
1996 |
Ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд. долларов |
1996 |
Клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки |
1997 |
Получена первая искусственная хромосома |
1998 |
Получены первые стволовые клетки |
1999 |
Завершена расшифровка генома дрозофилы |
2000 |
Опубликовано 90 % генома человека |
2002 |
Установлена структура ДНК риса |
2003 |
Появилось в продаже первое генномодифицированое домашнее животное (рыбка данио) |
2004 |
Излечение травмы спинного мозга с помощью стволовых клеток (Корея) |
2011 |
Полностью расшифрован геном человека. Закрытие проекта «Геном человека» |
В настоящее время биотехнология представляет собой биоиндустрию, которая включает в себя, с одной стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успехом заменить широко используемые традиционные методы, а с другой - отрасли, в которых биотехнология играет ведущую роль. Среди первых в области химической промышленности относятся синтез искусственных приправ, полимеров и сырья для текстильной промышленности, в области энергетики - получение метанола, биогаза и водорода, в области биометаллургии - извлечение некоторых металлов из бедных руд. Во второй группе отраслей биотехнология охватывает производство продовольствия (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов и ферментов); увеличение продуктивности сельского хозяйства (клонирование и селекцию сортов растений, исходя из тканевых и клеточных культур, производство биопестицидов и биоинсектицидов); фармацевтическую промышленность (разработку вакцин, синтез гормонов, интерферонов и антибиотиков); защиту окружающей среды и уменьшение ее загрязнения (очистку сточных вод, переработку хозяйственных отходов, изготовление компоста, производство соединений, поддающихся расщеплению микроорганизмами).
В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения, можно выделить следующие разделы. Это:
Промышленная микробиология.
Инженерная энзимология.
Сельскохозяйственная биотехнология.
Технологическая биоэнергетика.
Биогеотехнология металлов.
Клеточная и генная инженерия.
Экологическая биотехнология.