Предмет биотехнологии

Лекция 1. ПРЕДМЕТ БИОТЕХНОЛОГИИ. 1.1 Предмет биотехнологии 1.2 История биотехнологии 1.3 Объекты биотехнологии 1.4 Области применения биотехнологии 1.5 Разделы биотехнологии ВВЕДЕНИЕ Биотехнология проникает во все области хозяйства: сельское хозяйство, пищевая промышленность, медицина, биоэнергетика, охрана окружающей среды и т.д. и оказывает все большее влияние на многие стороны жизни человека. В связи с эти в классических университетах биотехнологию следует рассматривать как специальную дисциплину при подготовке биологов, профессиональная деятельность которых может быть связана как с работой в образовательных учреждениях, так и в различного рода лабораториях сельскохозяйственной, медицинской, пищевой направленности. Дисциплина «Биотехнология» имеет своей целью дать студенту целостные представления о современном состоянии и перспективах развития биотехнологии как направления практической деятельности человека, имеющем в своей арсенале биотехнологические объектов (клетки микроорганизмов, растений, животных и т.п.) или молекул (нуклеиновые кислоты, белки-ферменты, углеводы, липиды в индивидуальном виде или в виде их смеси, комплексов и пр.) для использования в промышленном производстве, здравоохранении, экологической защите. При этом предполагается, что студенты имеют подготовку по разделам химии, биохимии и молекулярной биологии, общей биологии и микробиологии. Программа дисциплины составлена так, что в ходе изучения предмета, студент не только знакомиться с содержанием дисциплины, но, и закрепляет свои знания по фундаментальным наукам. Описание основных направлений примене- ния биотехнологических методов в конкретной деятельности человека должно дать студенту целостное представление в практическом значении изучаемого предмета. Данное пособие включает в себя основные разделы биотехнологии, задания для самостоятельной работы и тесты, позволяющие контролировать степень усвоения материала студентами. Предполагается, что студенты самостоятельно более глубоко изучат различные вопросы биотехнологии, представят их в виде сообщений и презентаций, используя дополнительную специальную литературу, Интернет-ресурсы, а также современные информационные технологии. 1.1 Предмет биотехнологии Биотехнология – это название одной из древнейших сфер деятельности человека, в современном понимании – это наука о практическом использовании достижений биологии. Биотехнология – это использование культур бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и синтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ, используемых в медицине, экологии, сельском хозяйстве и промышленности. Современная биотехнология – это интеграция естественных и инженерных наук позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов для производства продуктов питания, лекарственных препаратов, решения проблем в области энергетики и охраны окружающей среды. Основная цель и задачи биотехнологии направлены на разработку методов и приемов, позволяющих получать БАВ (ферменты, гормоны, аминокислоты и вакцины), а также конструировать молекулы новых веществ и создавать новые формы организмов, отсутствующих в природе (химерные гибридные молекулы, химерные живые организмы). Современная биотехнология тесно стыкуется с рядом научных дисциплин, осуществляя их практическое примене- ние или же являясь их основным инструментом:  физиология – наука о функциях растительного и животного организмов. 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.;  генетика – наука о законах и механизмах наследственности. Ее достижение используется в области генной инженерии. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост;  экология – наука о связях живых организмов с окружающей среды;  микробиология – наука, изучающая микроорганизмы, их строения, функции, взаимосвязи; позволяет улучшать традиционные технологии и создавать новые. Достижения в области микробиологии лежат в основе развития двух разделов биотехнологии: генной и биологический инженерии. 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;  молекулярная биология и биохимия – науки, изучающие молекулярные основы структуры и функций клеток. Данные этих наук используется во всех разделах биотехнологии. В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет 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 созда- вать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе;  иммунология – наука, изучающая биологические механизмы самозащиты организма от любых чужеродных веществ. Благодаря достижениям в области иммунологии создаются новые технологии для диагностики и лечения заболеваний, производства и применения лекарственных препаратов. 1.2 История биотехнологии Технологии приготовления пищевых продуктов с использованием биологических объектов были известны с глубокой древности. Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб. Усовершенствовались способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), производилось мыло из жиров, изготавливались простейшие лекарства, спиртные напитки, перерабатывались отходы. Термин "биотехнология" становится общепринятым примерно с конца 70-х годов 20 века, а до этого, для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий, использовали такие названия, как прикладная микробиология, прикладная биохимия, технология ферментов, биоинженерия, прикладная генетика и прикладная биология. История развития биотехнологических процессов III тыс. до использование дрожжей для получения хлеба, пива, вин.э. на; 1857 г. Луи Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании разных продуктовучаствуют разные микроорганизмы; 1865 г. 1875 г. 1925 г. 1940 г. 1953 г. 1963 г. 1970 г. 1972 г. 1975 г. 1976 г. 1977 г. 1978 г. 1980 г. 1983 г. Грегор Мендель открыл законы наследственности; Роберт Кох разработал метод чистых культур, гарантирующий, что впосевном материале будут содержаться только клетки определенного вида; Надсон Г.А., Филиппович Г.С. установиливозможность искусственного мутагенеза микроорганизмов (грибов) подвлияниемрентгеновскогооблучения; Флеминг, Флори,Чейниорганизовалипромышленноепроизводствоантиб иотиков; Джеймс Уотсон и Фредерик Крик открыли структуру ДНК в виде двойнойспирали; установлена структура инсулина; Ниренберг расшифровал генетический код, который оказался одинаковым и для бактерий, и для человека; осуществлён синтез биополимеров поустановленной структуре; выделена первая рестрикционнаяэндонуклеаза;- осуществлён синтез ДНК; Берг разработалтехнологиюрекомбинантныхДНК;синтезированполноразмерный ген транспортной РНК; полученымоноклональныеантитела; разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК; Гилберт У.,МаксамА.опубликовалиметодбыстрогоопределенияпо следовательности ДНК; фирма «Genentech» выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью Е. соli; - синтезированы фрагментынуклеиновыхкислот; - разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК; ГордонДж. получилпервуютрансгеннуюмышь(былвведенгентимидинкиназы вируса герпеса); гибридные Ti - плазмиды применены для трансформации растений; ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина)превысил 1 млрд долларов; 1997 г. Уильмут Я. клонировал первое млекопитающее – овцу Долли. Исследованиягеномачеловека: 1977 г. секвенирован первый ген человека (ген, кодирующий белок хорионный соматотропин); 1988 г. создание международного проекта «Геном человека», поставившего своей целью полноесеквенирование ДНК человека, в СССР научный совет по геномной программе возглавил академик А.А. Баев; 1990 г. Международную организацию«Геномчеловека» возглавилроссийскийакадемик А.Д. Мирзабеков; 1990 г. официально начаты работы над проектом «геном человека»; 1994-1995 опубликованы подробные генетические и физические гг. карты хромосомчеловека; 1997 г. клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки; 2003 г. Расшифровангеном(наборгенов,присущийорганизму)человека,содержащ ий приблизительно 30 тысяч генов и три миллиарда «букв» молекул ДНК. 2004 г. британские ученые заявили о клонировании человека; 2005 г. полностьюрасшифровангеномчеловека. 1996 г. Формальной датой рождения современной биотехнологии является 1972 год, когда Берг разработал технологию рекомбинантных ДНК; синтезирован полноразмерный ген транспортной РНК. Рекомбинантные молекулы ДНК - молекулы, полученные вне живой клетки (пробирки) путем соединения природных или синтетических молекул ДНК, способных реплицироваться в клетке. 1.3 Объектыбиотехнологии Объектами биотехнологии служат различные живые организмы: вирусы, бактерии, грибы, клетки, ткани растений и животных, которые являются продуцентами разнообразных веществ. Современное промышленное производство продуктов биосинтеза представляет собой единую биотехнологическую систему, которая складывается из последовательных стадий и операций, количество и особенности которых зависят от вида производимой продукции и ее товарной формы. Структура и особенности биотехнологии могут охватывать отдельные операции или процесс в целом. Совершенствование биотехнологического процесса может привести к созданию новых структурных единиц и к ликвидации устаревших. Определяющими факторами в данном случае являются: – используемый биологический агент (объект); – субстрат и его биохимические и биофизические характеристики; – аппаратурное оформление, включая системы контроля и управления; – технологический режим или способ реализации; – соответствие технологических процессов, оборудования, помещений, качества продукции и ее упаковки требованиям стандартов. Биологическим агентом (объектом) биотехнологической системы являются различные представители живой природы, которые делятся на три надцарства: акариоты (безъядерные), прокариоты (предъядерные) и эукариоты (ядерные) и 5 царств: вирусы, бактерии, в том числе микроскопические водоросли, грибы, а также растения и животные, в их числе и простейшие. Субстратом является питательная среда для культивирования клеток, продуктом – биомасса клеток, вирусов или синтезируемое клетками вещество, которому при соответствующей обработке придается товарный вид. Одним из основных элементов аппаратурного обеспечения биотехнологического процесса является биореактор (аппарат культиватор, ферментер). При определенных параметрах и режимах культивирования в биореакторах можно выращивать практически любые клетки. Вирусы представляют собой бесклеточные частицы размером несколько нанометров и видны только в электронном микроскопе. Они являются облигатными (т. е. обязательными) паразитами и могут размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток вирусы существуют в виде вирионов, представляющих собой комплекс нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) с белком, которые связаны между собой нековалентными связями. Белковые молекулы, окружающие РНК или ДНК, создают оболочку вируса, называемую капсидом. По типу нуклеиновой кислоты вирусы делятся на РНКсодержащие (вирусы растений, а также вирусы, вызывающие грипп, бешенство, полиомиелит, СПИД и другие заболевания человека) и ДНК-содержащие (бактериофаги, некоторые вирусы человека и животных, например, герпеса, оспы и другие). Бактерии представляют собой безъядерные, одноклеточные (как правило) организмы, размером 0,2–10,0 мкм и имеющие определенную форму (палочки, кокки, спиралевидные формы и т. д.). Внутреннее содержимое бактериальной клетки (цитоплазма) изолировано от внешней среды клеточной оболочкой, состоящей из тонкой мембраны и стенки, на которую приходится до 20 % сухого вещества бактерий. Клеточная стенка имеет сложное строение и придает бактериальной клетке определенную форму. Исключение составля- ют микоплазмы, у которых нет клеточной стенки и, соответственно, определенной формы. Бактериальные клетки, лишенные клеточной стенки называются протопластами. Протопласты используются в клеточноинженерных исследованиях. Бактерии отличаются чрезвычайным разнообразием по условиям обитания, приспособляемости, способам питания и биоэнергообразования, а также по отношению к макроорганизмам – животным и растениям. Благодаря большому разнообразию бактерий, обладающих широким диапазоном биохимического состава и своеобразием протекающих в них реакций, бактерии наиболее часто служат биотехнологическими объектами. Из биомассы бактерий получают различные органические вещества, в частности, аминокислоты, разнообразные белковые вещества, в том числе ферменты. Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований, так как быстро размножаются и содержат плазмидную ДНК, способную включать в свой состав чужеродные фрагменты. Генетически модифицированные и иммобилизованные на носителях клетки бактерии используются в научно-исследовательских и промышленных целях. Наиболее изученной и широко применяемой в генноинженерных исследованиях клеткой является кишечная палочка, обитающая в толстом кишечнике человека. Грибы, насчитывающие десятки тысяч видов, сочетают в себе черты клеток растений и животных. Они имеют клеточное ядро, как и растения – прочную клеточную стенку; аналогично клеткам животных они нуждаются в некоторых витаминах и способны синтезировать свойственные животным полисахариды: хитин и гликоген. Наибольший интерес для биотехнологии представляют микроскопические грибы, к которым относятся дрожжи, плесневые и другие микроорганизмы, применяемые в хлебопечении, пивоварении и в молочной промышленности. Они используются также для по- лучения спиртов, органических кислот, антибиотиков, различных биологически активных веществ и кормового белка. Самостоятельную группу организмов, представляющих собой симбиоз (сожительство) грибов с водорослями или с цианобактериями, составляют лишайники, которые являются перспективными источниками ряда биологически активных веществ. Растения, насчитывающие около 500 000 видов, состоят из ядерных клеток, которые имеют сложное строение и выполняют различные специализированные функции. К ним относятся водоросли, являющиеся водными организмами, и высшие растения, обитающие преимущественно на суше. Один из видов водорослей – морская капуста используется в пищу. Из водорослей добывают агар-агар и альгинаты – полисахариды, используемые для изготовления микробиологических сред и в пищевой промышленности. Высшие растения – многоклеточные организмы, имеющие специализированные органы, такие как корни, стебли, листья. Они состоят из тканей, образованных дифференцированными клетками. Ткани различаются химическим составом, строением и выполняют различные функции: механические, покровные, выделительные, проводящие и другие. Особое значение для биотехнологии имеет одна из тканей растений, называемая меристемой. Клетки меристемы способны к делению, благодаря чему осуществляется рост, а также образование тканей и органов растений. Они не утрачивают способности делиться и после удаления из растения. При выращивании на специальных питательных средах меристемные клетки дают массу делящихся клеток – каллус, который можно длительно культивировать, получать из него новые растения или использовать для извлечения нужных веществ. Наиболее сложным, но в то же время и неизмеримо более эффективным, является выращивание отдельных растительных клеток в жидких средах (в суспензионных культурах). Благодаря способности растений улавливать световую энергию солнца и использовать ее в синтезе органических веществ, растения служат поставщиками питательных веществ для других организмов. Растения составляют большую часть биомассы Земли, поэтому производство и переработка растительного сырья для удовлетворения различных потребностей человека используется с древнейших времен. Животные бывают простейшими (одноклеточными) и высшими (многоклеточными). Как и растения они состоят из ядерных клеток. Среди простейших имеются паразиты и возбудители болезней высших животных и человека. Культивирование их на искусственных средах чрезвычайно затруднено. Однако некоторые простейшие выращиваются и используются для целей биоиндикации, в токсикологических исследованиях и для получения отдельных веществ. Ткани высших животных являются источниками полноценного белка, липидных веществ и некоторых витаминов, необходимых для питания человека. Из органов и крови животных получают различные белковые препараты (альбумин, иммуноглобулины, ферменты), некоторые гормоны и другие биологически активные вещества. Поскольку сырье животного происхождения является наиболее дорогим, а выход конечных продуктов недостаточно высок, то в современных технологиях все чаще используются культуры клеток животных или человека, выращиваемых на искусственных средах (получение интерферона, моноклональных антител). Наиболее перспективным и экономичным способом производства биологически активных веществ является генная инженерия, позволяющая внедрить ген животного в клетку бактерии, которая начинает синтезировать нужное вещество. Так получают в настоящее время человеческий инсулин – гормон белковой природы, без которого невозможен нормальный обмен веществ, гормон роста и некоторые другие вещества. Клетки растений и животных являются сложно органи- зованными образованиями, состоящими из цитоплазмы и более плотного ядра. В цитоплазме содержатся внутриклеточные органеллы: митохондрии, рибосомы и лизосомы, шероховатые и гладкие мембраны эндоплазматической сети, погруженные в водорастворимую среду клетки (цитозоль). Клетка окружена плазматической мембраной, обладающей избирательной проницаемостью благодаря наличию специальных механизмов транспорта веществ. Клеточные ядра служат для хранения генетической информации, носителем которой является ДНК. Митохондрии снабжают клетку энергией за счет окисления веществ при участии кислорода. В них синтезируются также собственные белки митохондрий. Это – исключение из общего правила. Все остальные клеточные белки синтезируются на рибосомах. Лизосомы содержат ферменты для расщепления различных биополимеров. Мембраны эндоплазматической сети формируют внутреннюю структуру (каркас) клетки, на них осуществляются превращения внутриклеточных веществ, а также реакции обезвреживания чужеродных соединений (ксенобиотиков). С мембранами эндоплазматической сети связан аппарат Гольджи, представляющий собой систему микротрубочек. В аппарате Гольджи происходят реакции химической модификации белков, а также синтез резервных и секретируемых из клетки веществ. Жидкая часть клетки – цитозоль содержит ферменты синтеза и анаэробного окисления веществ, а также низкомолекулярные органические и неорганические соединения. Особенностью строения растительных клеток является наличие хлоропластов, в которых происходят процессы фотосинтеза. От клеток животных растительная клетка отличается также твердой стенкой, в состав которой входят вещества полисахаридной природы, в том числе целлюлоза, гемицеллюлозы, пектины, и полифенольный полимер лиг- нин. 1.4 Области применения современной биотехнологии Возможности использования биологических технологий в современном мире гораздо больше, чем с древности. В настоящее время можно обозначить ряд отраслей народного хозяйства и деятельности человека, потребности которых обеспечиваются биотехнологией. В таблице 1 указаны направления, развивающиеся на основе биотехнологии и продукты, получаемые с ее помощью. Таблица 1Основные направления биотехнологии Отрасль Примеры Сельскоехозяйс Производство белково-витаминных концентратов. тво Селекция, клонирование и генетическаяинженерия животных и растений. Использование антибиотиков для лечения животных и птиц. Производство вакцин. Производство биоинсектицидов. Применение гормонов и других стимуляторов роста Получение новых штаммов микроорганизмов. Сохранение генофонда растений и животных с помощью замораживания клеток в жидком азоте. Материаловеде Выщелачивание руд, дальнейшее изучение и конние троль биоразложения. Производствобиополимеров. Производствох Получение органических кислот, аминокислот, анимическихвеще тибиотиков. Производство ферментов для испольств зования в составе моющих средств. Культивированиемикроводорослей в качествепродуцентовхимическихвеществ – внеклеточныхметаболитов. Энергетика Увеличение потребления биогаза, крупномасштабноепроизводство этанола как жидкого топлива Контроль за Очистка отходов различных производств, токсичесостоянием ских веществ. Улучшение методов тестирования, окружающей прогнозирование превращения отходов с помощью среды микроорганизмов. Создание биологических фильтров изкорней растений, очищающие сточные воды от тяжелых металлов. Пищеваяпромы Создание новых методов переработки и хранения шленность пищевых продуктов, получение пищевых добавок, использованиебелка, синтезируемого одноклеточными организмами. Медицина Применение ферментов для усовершенствования диагностики, создание датчиков на основе ферментов, использование микроорганизмов и ферментов при производстве сложных лекарств (например, стероидов), синтез новых антибиотиков, применение ферментов втерапии. Получение вторичных метаболитов, в первую очередь лекарственных препаратов; 1.5 Основные разделы биотехнологии Биотехнология - это уникальная наука, которая использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека. Биотехнология позволяет улучшить качество, питательную ценность и безопасность как сельскохозяйственных культур, так и продуктов животного происхождения, составляющих основу используемого пищевой промышленностью сырья. В биотехнологии как в науке можно выделить 3 основные части: - Промышленная биотехнология - общие принципы осуществления биотехнологических процессов, основные объекты и сферы применения биотехнологии, крупномасштаб- ные промышленные биотехнологические производства, использующие микроорганизмы. - Клеточная инженерия - методы ведения культур клеток и практическое использованием этих объектов. В рамках этого раздела выделяют культивирование растительных клеток и методы культивирования животных клеток, так как подходы к культивированию этих объектов различаются в силу их принципиальных биологических различий. Клеточная биотехнология обеспечила ускоренное получение новых важных форм и линий растений и животных, используемых в селекции на устойчивость, продуктивность и качество; размножение ценных генотипов, получение ценных биологических препаратов пищевого, кормового и медицинского назначения - Генная инженерия - генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. Возможности биотехнологий намного шире, чем принято думать. Они огромны по возобновляющимся ресурсам, по резервам природного биологического сырья и организмовпродуцентов, по разнообразию процессов и получаемой продукции. Промышленные биотехнологии вносят существенный вклад в увеличение производства продуктов питания и кормов для животных, в повышение плодородия почвы, в борьбу с вредителями сельского хозяйства. Сочетания биотехнологии с культуральными формами выращивания некоторых растений и животных, синтез ценных биопрепаратов, витаминов и лекарств, производство тканевых биозаменителей, создание иммобилизованных ферментовсуперкатализаторов, применение их в тонкой органической химии и микрометаллургии, борьба с коррозией и остатками синтетических ксенобиотиков, вклад в экологичную энергетику и в очистку промышленных эмиссии - вот далеко не полный перечень возможных применений биотехнологий. Этот диапазон быстро расширяется благодаря научным достижениям в микробиологии, биохимии, генной инженерии.