Лекция №2 І. Тема




Скачать 128.8 Kb.
НазваниеЛекция №2 І. Тема
Дата публикации03.09.2013
Размер128.8 Kb.
ТипЛекция
zadocs.ru > Биология > Лекция
Лекция № 2

І. Тема: Достижения биотехнологии в молекулярной биологии, медицине, фармации, ветеринарии, пищевой промышленности, энергетической отрасли, металлургии и др. Мониторинг окружающей среды с помощью микроорганизмов. Безотходная технология и перспективы ее внедрения.

ІІ. Цель: Ознакомить студентов с достижениями биотехнологии в смежных отраслях науки, с принципами мониторирования окружающей среды с помощью живых организмов, биотехнологических способов производства продуктов, с современным состоянием внедрения безотходной технологии.

ІІІ. Тезисы лекции:

Биотехнология применяет методы, заимствованные из химии, микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, химической технологии и компьютерной техники с целью создания новых разработок, развития и оптимального использования процессов, в которых каталитические реакции играют фундаментальную и незаменимую роль.

Любой биотехнолог должен стремиться к достижению тесного кооперирования со специалистами других смежных (близких) дисциплин, таких, как медицина, пищевая промышленность, фармацевтика и химическая индустрия, защита окружающей среды и процессы переработки продуктов, представляющих собой отходы различных производств.

Главная причина успехов биотехнологии кроется в разительных успехах и быстром прогрессе молекулярной биологии, в частности в разработке технологии рекомбинантных молекул ДНК. С помощью этой технологии оказалось возможным непосредственно манипулировать с наследственным материалом клеток, получая новые сочетания полезных признаков и способностей. Возможности этих технических приемов, которые впервые были разработаны в лабораториях, вскоре оказались вполне приемлемыми в промышленных условиях. Однако, несмотря на определенные, а порой и весьма значительные выгоды, которые несет технология рекомбинантных молекул, постоянно следует учитывать возможные опасности, связанные с вмешательством человека в природу.

В настоящее время развитие биотехнологии осуществляется со скоростью, напоминающей таковую при становлении микроэлектронной промышленности в середине 70-х годов.

Ни для кого уже не является секретом, что ископаемое топливо (хотя и добываемое в настоящее время с большим избытком), а также другие не восполняемые ресурсы, в один прекрасный день станут крайне ограниченными. И совершенно естественно, что данное обстоятельство уже сейчас заставляет искать новые, более дешевые и лучше сохраняемые источники энергии и питания, которые могли бы восполняться биотехнологическим путем. В этой ситуации страны с климатом, позволяющим ежегодно производить большие количества биомассы, будут находиться в более выгодных условиях по сравнению со странами с менее благоприятными климатическими условиями. В частности, тропические области земного шара в этом отношении имеют существенное преимущество над другими регионами.

Следующим фактором, способствующим росту интереса к биотехнологии, является современный мировой спад в химических и инженерных направлениях, обусловленный частичным истощением источников энергии. В силу этого биотехнология рассматривается в качестве одного из важнейших средств рестимуляции (обновления) экономики на основе новых методов, новой технологии и новых сырьевых материалов. Фактически, индустриальный бум 1950-х и 1960-х годов был обусловлен дешевой нефтью, так же как успехи в информационной технологии обусловили в 1970-х и 1980-х годах развитие микроэлектроники. И есть основания полагать, что 2000-е годы станут эрой биотехнологии. Во всяком случае, в мире отмечается существенный подъем исследований в области молекулярной биологии, возникновение новых биотехнологических компаний, увеличение инвестиций в биотехнологические отрасли промышленности (как национальными компаниями, так и отдельными лицами), а также рост фундаментальных знаний, увеличение количества источников информации и средств информатики.

Многие биотехнологические процессы могут рассматриваться как имеющие три главных стержневых компонента: первая часть состоит в получении наиболее оптимальных катализаторов специфических процессов, вторая часть сводится к обеспечению по возможности оптимальных условий для осуществления требуемого каталитического процесса и третья – связана с отделением и очисткой целевого продукта или продуктов из ферментационной смеси.

В большинстве случаев наиболее эффективной, стабильной и удобной формой для катализа биотехнологических процессов являются цельные организмы, вследствие чего в биотехнологии широко используются микробиологические процессы. Конечно, это не исключает использование и высших организмов (в частности, культур растительных и животных клеток), которые, несомненно, в будущем будут играть важную роль в биотехнологии.

Микроорганизмы обладают огромным генетическим пулом (фондом), позволяющим им осуществлять практически неограниченную биосинтетическую деятельность и потенциал деградации. Кроме того, микроорганизмам присущ исключительно быстрый рост, скорость которого намного превышает скорость роста высших организмов (растений и животных). Указанное свойство позволяет за короткий промежуток времени осуществить синтез больших количеств, требуемого продукта в строго контролируемых u1091 условиях.

Существенным моментом первого компонента биотехнологии является селекция и улучшение объекта с помощью различных генетических методов, а в последнее время с использованием высокоэффективных приемов молекулярной биологии, которые, как уже упоминалось, способны обеспечить конструирование организмов с новыми биохимическими возможностями.

Во многих случаях катализатор используется в изолированной форме в виде очищенного фермента, для получения которого в настоящее время разработаны эффективные методы выделения и очистки, а также методы стабилизации.

Второй компонент биотехнологии связан с изготовлением систем, обеспечивающих оптимальное функционирование организмов-продуцентов или чистых ферментов. Сюда относятся специальные знания о химии процессов, а также сведения об инженерном обеспечении конструирования и изготовления этих систем.

Наконец, третий компонент представляет собой довольно сложную и дорогую процедуру биотехнологического процесса – выделение и очистку целевого продукта. Этот компонент существенно увеличивает стоимость всего процесса и может составлять до 70% стоимости готового коммерческого препарата.

Многоэтапность биотехнологических процессов определяет необходимость привлечения к их осуществлению специалистов самого различного профиля: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков, вирусологов, микробиологов и клеточных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического оборудования и т. п.

Сказанное позволяет утверждать, что чистых специалистов-биотехнологов в природе не существует, да такого специалиста нельзя себе и представить. Поэтому в биотехнологии с равным успехом работают и микробиологи, и генетики, и биохимики, и клеточные и генетические инженеры, и конструкторы, и т.д. и т.п., от деятельности которых зависит пpoгpeсс и успех данной отрасли. Однако необходимо отдавать себе отчет в том, что на развитие биотехнологии существенное влияние могут оказывать деятельность различных политических и экономических сил.

В медицине, фармацевтической технологии, ветеринарии и косметологии уже достаточно широко применяются продукты биотехнологического производства: ферменты микробиологического синтеза, моноклональные антитела, антибиотики, стероидные препараты, полисахариды, рекомбинантные ДНК, биополимеры, липиды, полисахариды, человеческий интерферон, различные белковые препараты.

Преимущества биотехнологического способа производства получения продуктов с заданными свойствами:

  • специфичность получаемых продуктов;

  • легкость контроля технологического процесса;

  • работа при низких температурах и без участия агрессивных химических сред, токсических растворителей и др.;

  • простота выделения целевых продуктов;

  • доступность и дешевизна исходного сырья;

  • его высокая репродуктивная способность, что позволяет за короткое время быстро наращивать необходимое количество биомассы;
  • ^

    совместимость с окружающей средой и др.


Прошло не так и много времени с тех пор, когда были осуществлены первые эксперименты по рекомбинации плазмидных молекул ДНК, принадлежащих различных видам бактерий. Эти работы принято считать началом развития генетической инженерии «in vitrо». Суть этих работ состоит в применении специальных ферментов – рестриктаз для выделения из хромосом необходимых фрагментов ДНК (генов) и лигазы для сшивания этих фрагментов в общий репликон, то есть автономно реплицирующуюся молекулу ДНК.

Благодаря многочисленным работам в области молекулярной биологии и генетики была доказаны возможность создания рекомбинантных молекул с использованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммов бактерий, их жизнеспособность, стабильность, функционирование.

Под рекомбинантными ДНК понимают ДНК образованные путем объединения «in vitrо» двух и более фрагментов ДНК, выделенных из любых источников. Ключевыми в этом определении являются слова «фрагмент ДНК» и «объединение in vitrо», что указывает на сущность генетической инженерии и на ее отличие от всех остальных методов получения гибридных (или химерных) организмов, таких как генетическая селекция, эмбриональная инженерия и т.д.

Таким способом были получены рекомбинантные ДНК, обеспечивающие продукцию гормона роста человека с помощью клеток Е. соli и человеческого интерферона тоже с помощью клеток Е .соli и дрожжевых клеток.

Был получен также ряд биологически активных гибридных плазмид из Е. соli и Sthаphylососсus аurеus. Благодаря этому налажен выпуск некоторых гормонов человека, получаемых биотехнологическим способом.

Решающим шагом в истории развития генетической инженерии был этап, связанный с переходом к клонированию и экспрессии генов животных и человека в бактериальных клетках. К сегодняшнему дню описано получение многих гибридных ДНК, содержащих гены эукариотов и плазмиды прокариотов в качестве векторов (инсулин, интерферон, гормон роста и др.)

Первой работой на этом этапе развития генной инженерии были работы группы Бойера по созданию гормона роста – соматостатина. Для этого гены человека клонируют в микроорганизмы, например, для получения соматотропного гормона (СТГ) человека используют биомассу бактерий Escherichia coli, содержащих рекомбинантную плазмиду с геном СТГ человека.

Крупнейшим достижением биотехнологии в области генной инженерии является разработка эффективных методов производства человеческого интерферона. В результате взысканий были получены -интерферон (реаферон), - и -интерфероны, проинсулин человека – гибридный белок -галактозидаза (проинсулин предлагается для получения лекарственных форм инсулина). Это все стало возможным благодаря технологии генетическое перестройке в опытах «in vitrо».

С помощью бактерий были получены с высоким выходом некоторые белки – продукты генов животных и их вирусов. Так, были созданы штаммы Е. соli, у которых 20 % всего клеточного белка составляли коровий антиген вируса гепатита В, гормон роста человека или главный капсидный антиген вируса ящура.

В некоторых случаях повысить выход белков можно, применяя не содержащие протеазы мутанты. Так, при выработке проинсулина, предшественника инсулина, некоторая защита от протеаз обеспечивается тем, что полипептид секретируется в периплазматическое пространство у клеточной стенки Е. соli. Время полужизни проинсулина в клетке 2 минуты, а в периплазматическом пространстве – 20 минут.

Инсулин, выделенный из поджелудочной железы свиней и коров, отличаются по аминокислотному составу от инсулина человека: у коровы – по 3 аминокислотам, у свиней – по 1. Это обусловливает побочные эффекты при применении

Применяя технологию рекомбинантных ДНК в производстве инсулина:

- на I этапе воссоздают аминокислотную последовательность ДНК инсулина человека,

раздельно синтезируя гены его А- и В-цепей;

- на II этапе каждый из генов встраивают в ген β-галактозидазы плазмид;

- на III этапе плазмиды вводят в клетки Е.соli.

Поскольку бактерии растят на среде с галактозой, а не с глюкозой, то в них индуцируется синтез β-галактозидазы, и вместе с ней А- и В-цепей инсулина. После выделения и очистки синтезированный таким образом инсулин не содержит белков Е.соli, эндотоксинов и пирогенных веществ, не отличается от человеческого инсулина и проявляет полную биологическую активность.

Аналогично с помощью Е.соli получают проинсулин, который после расщепления трипсином и β-карбоксипептидазой переходит в нативный инсулин.

Бактерии Васillus в отличие от Е.соli способны экскретировать проинсулин в культуральную жидкость. Выделенный в среду белок обычно проще очищать, чем внутриклеточный. помимо этого, использование штаммов Васillus имеет то преимущество, что они не образуют эндотоксинов.

Интерaфероны – это группа белков, открытых в ходе изучения веществ, вырабатываемых клетками, зараженными вирусами. Они индуцируют как локальные, так и системные антивирусные реакции в других клетках. Кроме того, интерфероны обладают еще двумя важными свойствами: а) подавляют пролиферацию клеток (являются потенциально противоопухолевым средством); б) модулируют иммунную систему. Классифицируют интерфероны на группы

  1. α-интерфероны (лейкоцитарные);

  2. β-интерфероны (интерфероны фибробластов);

  3. γ-интерфероны (иммунные или Т-лимфоцитарные).

Ранее интерфероны получали из лейкоцитов крови человека, поэтому были дороги и малодоступны из-за небольшого получаемого количества. Сейчас интерфероны получают, включая его ген в плазмиды, затем клонируя их в клетки Е. соli (α- и γ-интерфероны) или дрожжевые клетки (β-интерфероны).

^ Гормон роста человека – это белок, который образуется и секретируется в кровь передней долей гипофиза. Он необходим для роста костей. Его недостаток приводит к карликовости. До недавнего времени его получали только из трупного материала, что имеет свои ограничения. Благодаря технологии рекомбинантных ДНК с использование клеток Е. соli стало возможным наладить его производство в достаточном количестве. Очищенный препарат гормона из бактерий по биологической активности подобен гормону из гипофиза.

Ферменты. Получен активатор тканевого плазминогена (АТП), который активирует плазминоген, который трансформируется в плазмин, а последний – растворяет внутрисосудистые трембы. АТП получают методом встройки генов (технология рекомбинантных ДНК) в клетки животных организмов. Он более селективен в отношении внутрисосудистых тромбов, чем стрептокиназа и стрептодеказа, обладает меньшим побочным действием и быстро (в течение нескольких минут) инактивируется в печени.

Кроме того, ферменты составляют основу многих тестов, используемых в клинической медицине.

Методы молекулярной генетики и технологии рекомбинантных ДНК применяются также в пренатальной диагностике наследственных болезней (например, серповидноклеточная анемия, β-талассемия).

Благодаря технологии рекомбинантных ДНК стало возможным получать стволовые клетки в коммерческих количествах

Различные варианты биоконверсии. Микроорганизмы используются и на отдельных стадиях синтеза лекарственных веществ, который ранее осуществлялся путем многоступенчатых и дорогостоящих химических реакций\. Так, один из штаммов хлебной плесени – Rhizopus аrrhizus – на начальном этапе синтеза производного стероида – кортизона, может гидроксилировать прогестерон по 11-му положению. Применение подобной стратегии биоконверсии наряду с традиционными химическими превращениями позволило получать многие стероиды более простыми и дешевыми способами на основе стерол-содержащего растительного сырья. Именно благодаря этому методу такие стероиды, как преднизон, дексаметазон, тестостерон, эстрадиол могут применяться сегодня в клинике достаточной широко. Получение преднизолона из гидрокортизона, гидрокортизона из кортексолона, преднизона из ацетата кортизона, из сорбозы сорбита – вот неполный перечень процессов, осуществляемых в настоящее время в промышленных масштабах методом микробиологической трансформации. Так, для гидроксилирования стероидов используются микроскопические грибы, для восстановления стероидов – микроорганизмы рода Мусоbacterium и т.д. Метод биоконверсии также применяется для расширения номенклатуры антибиотиков и др. веществ.
ІV. Иллюстративный материал: прилагается

V. Литература:

основная:

  1. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. – М.: Изд. центр «Академия», - 2008. – 208 с.

  2. Евтушенков А.Н., Фомичев Ю.К. Введение в биотехнологию: Курс лекций. – Минск.: БГУ, 2002. - 105 с.

  3. Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чакалева И.И. Биотехнология: Учебное пособие. – М.: Изд. Центр «Академия». – 2006. – 256 с.

  4. Орехов С.Н. Фармацевтическая биотехнология. Руководство к практическим занятиям. – Учебное пособие. – Под ред. акад. РАМН В.А. Быкова, проф. А.В Катлинского. – М. : ГЭОТАР-Медиа 2009. – 384 с.

  5. Елинов Н.П. Химическая микробиология. - Учебник. - М.: Высшая школа. - 1989, 448 с

  6. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология. - Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ. - 1989, 294 с.

  7. Биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. / Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса. - М.: Мир. - 1988, 480 с.

  8. Чуешов В.И., Зайцев А.И., Шебанова С.Г. Промышленная технология лекарств. Том 2. Харьков, 2002.

  9. Биотехнология микробного синтеза (Под ред. Бекера М.Е.) – Рига – 1980.

  10. Биотехнология. (Отв. редактор А.А. Баев). - М.: Наука. - 1984, 310 с.

  11. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов. М., - 1979 г.

  12. Промышленная микробиология (Под ред. Егорова Н.С.) – М., 1989 г.

  13. Процессы и аппараты химической технологии (Под ред. П.Г. Романкова). – Л. – 1981.

дополнительная:

  1. Березов Т.Т. , Коровкина Б.Ф. – Биологическая химия (Под ред. И.М. Ивановой) – М., Медицина – 1981 г.

  2. Никитин Г.А. – Биохимические основы микробиологических производств – Киев, 1981.

  3. Бриттон Г. – Биохимия природных пигментов. М., Мир – 1986 г.

  4. Попова Т.В. – Развитие биотехнологии в СССР – М., Наука - 1988 г.

  5. Популяционные аспекты биотехнологии – Печуркин Н.С., Брильков А.В., Маркенкова Т.В. – Новосибирск: - Наука – 1990 г.

  6. Специальные журналы: «Биотехнология», «Фармация Казахстана», «Фармацевтический бюллетень» и др.



VІ. Контрольные вопросы (обратная связь):

  1. Каковы основные достижение биотехнологии?

  2. Из каких основных компонентов состоит биотехнологический процесс?

  3. Каковы преимущества биотехнологического способа производства целевых продуктов?

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Лекция №2 І. Тема iconУчреждение образования «белорусская государственная сельскохозяйственная...
В. А. Сивцова (тема 5), Л. Н. Ковалева (тема 7), И. Т. Эйсмонт (тема 2), Н. А. Беляцкая (тема 6), М. А. Михайлова (тема 13), равовой...

Лекция №2 І. Тема iconТема институциональные рамки неоклассики лекция № пределы применимости неоклассического подхода
Лекция № нормы: результат рационального выбора или абсолютный детерминант действия?

Лекция №2 І. Тема iconКурс лекций (под редакцией профессора В. Ф. Беркова) 2-е издание...
Авторский коллектив: Н. С. Щекин (лекция 8); Г. И. Касперович (лекция 9); В. Ф. Берков (лекция 10); И. Г. Подпорин (лекция 11); В....

Лекция №2 І. Тема iconЛекция. Тема 1 Технологии формирования человеческих ресурсов. Планирование...
Лекция. Тема 1 Технологии формирования человеческих ресурсов. Планирование потребности в человеческих ресурсах

Лекция №2 І. Тема iconЛекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое...
Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного...

Лекция №2 І. Тема iconЛекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое...
Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного...

Лекция №2 І. Тема iconЛекция №28 Тема лекции : Электронные генераторы

Лекция №2 І. Тема iconЛекция №9. Тема: Российская империя в конце
Тема: Российская империя в конце xix-начале XX вв.: экономика, правительственная политика, общество

Лекция №2 І. Тема iconЛекция Тема: Проблема метода в философии
Тема №4: «Проблема метода в философии. Диалектика как теоретическая система и метод познания»

Лекция №2 І. Тема iconЛекция тема 8 правовые формы устройства детей, оставшихся без попечения родителей

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов