Периоды и направления развития биотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Понятие о биотехнологии как науки. Разделы и объемы биотехнологии

Биотехнология - это уникальная наука, которая использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека.

Будучи современной и перспективной, базируется на фундаментальных науках:

- микробиология

- биохимия

- генетика

- молекулярная биология.

+ физика

математика

экономика

Термин «Биотехнология» возник в 70-х годах XX в., но до сих пор не существует единого определения среди ученых и специалистов.

В сущности, биотехнология - это использование культур клеток м/о (бактерий, грибов, дрожжей), растений или животных, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ.

В природе все отходы и продукты реализации используются биологическими объектами сразу или в параллельно протекающих процессах.

Поэтому изменения свойств вещества с помощью природных объектов происходят чище, безопаснее и разнообразнее.

Еще 6000 лет назад шумеры Двуречья владели искусством пивоварения, а чуть позже древнеегипетские пекари стали выпекать хлеб. В середине XX в. в Европе появляются крупные предприятия по производству спирта. Все эти производства основываются на использовании микроорганизмы.

Но понятие БТ значительно шире, т.к. для производственных целей можно использовать растительные и животные ткани, протопласты, клеточные ферменты, биологически активные системы обеспечивающие биосинтез, трансформацию и конверсию веществ.

Современная биотехнология позволяет:

1) производить синтез искусственных приправ, полимеров;

2) получать биогаз, этанол, метанол;

3) выделять некоторые металлы;

4) выращивать дрожжи, бактерии с целью получения белка, аминокислот, витаминов, ферментов;

5) увеличивать продуктивность сельскохозяйственных животных путем клонирования и селекции;

6) использовать тканевые и клеточные культуры;

7) производить гормоны, вакцины, антибиотики;

К сожалению, в результате активного развития технологий и производства человечество за последние десятилетие засорило моря и океаны миллионами тонн мусора и отходов в т.ч. ядовитыми, радиоактивными веществами, а также тяжелыми металлами, регулярно идущими кислотными дождями и применяемыми химическими средствами защиты растений.

Вклад биотехнология в обеспечение достаточного количества пищевой и кормовой продукции, охраны окружающей среды, здравоохранения, сельское хозяйство, химической промышленности имеет гораздо большее значение, чем все известные направления технического направления.

XXI в. назван веком биотехнологии!

Всего за - 5-7 лет производство сельскохозяйстенных продуктов за счет использования трансгенных культур возросло в 30-40 раз. Основные трансгенные культуры - соя, кукуруза, хлопчатник. Эти растения в сравнении с обычными растениями более высокий и стабильный урожай.

Наиболее продвинутыми в области выращивания трансгенных культур является США, Китай, Канада, Аргентина, ЮАР и Австралия.

В производстве пищевых продуктов применяют знания биохимических процессов, протекающих в сырье и продуктах при хранении и переработке.

На основании знаний можно увеличивать биологическую ценность готового продукта, создавать комбинированные пищевые системы, экологически безопасные малоотходные технологии и т.д.

Это очень актуально, т.к. структура питания населения резко ухудшилась. Имеется дефицит важнейших компонентов пищи, отрицательным фактором также выступают экологические факторы, природные катаклизмы, войны.

В России снизилось потребление мяса, молока, рыбы, фруктов, ягод, растительных масел.

Глобальное загрязнение воды и суши приводит к насыщению продуктов питания токсическими элементами, антибиотиками, пестицидами, радионуклидами. Это ослабляет защитные функции организма - в первую очередь антитоксическую функцию печени, почек, легких, кожи. Это провоцирует образование канцерогенных веществ в организме.

Всё это требует изменения подхода в создании продуктов питания. Эти проблемы решает пищевая биотехнология - одна из ветвей биотехнологии. Она разрабатывает функциональные пищевые продукты, то есть выполняет профилактическую функцию.

Периоды развития биотехнологии.

Развитие биотехнологии определялось исследованиями в области микробиологии, биохимии, энзимологии и генетики.

Биологические методы включают:

микробиологический синтез

генетическую инженерию

клеточную и белковую инженерию

инженерную энзимологию

культивирование клеток растений, животных и бактерий

методы слияния клеток

Биотехнология как наука возникла на стыке слияния биологических, химических и технических наук.

Историю биотехнологии условно делят на 5 периодов:

. Допастеровская эра - до 1865 г.

БТ связана с процессами брожения: получения пива, хлеба, сыра, вина. О причинах брожения и о том, как оно осуществляется, никто не знал.

В XX в. Луи Пастер (французский ученый) изучал воздействие микроорганизмов на субстрат. Он доказал, что микроорганизмы отличаются не только внешним видом, но и особенностями обмена веществ. Этими постулатами он заложил основы управления технологическим процессом, - в котором участвуют микроорганизмы. Его по-праву считают отцом современной биотехнологии, в т.ч. и пищевой.

. Послепастеровская эра - 1866-1940 гг.

Раскрыто многообразие форм жизни в микромире и биохимическое единство микромира.

Развиваются биохимия, вирусология, генетика, цитология, биофизика и прочие науки.

Налажено производство этанола, бутанола, ацетона, органических кислот, вакцин.

Основано производство кормовых дрожжей, разработана аэробная очистка канализационных вод.

Ученые В.С. Бкткевич и С.П. Костычев выявили общие стадии дыхания и брожения - гликолиз.

С.А. Королев и А.Ф. Войткевич разрабатывают микробиологические процессы при хранении и созревании молочных продуктов.

.Эра антибиотиков (1941-1960 гг.)

Еще до мировой войны была открыта зеленая плесень Penicillium notatum - продуцент антибиотика пенициллина. Но во время войны - острая необходимость.

Англичане Х. Флорн и Э. Чейн (оксфордский институт) получают чистый порошок пенициллин и испытывают его на мышах, зараженных патогенными бактериями. В 1945 г. они получают Нобелевскую премию.

С начала 50-х гг. вирусы для производства антибиотиков выращивают в культурах клеток млекопитающих. Производят высокоспецифические белки (антитела и интерфероны).

Начинаются противораковые исследования и противовирусная химиотерапия.

Широко используется для этого для этого культура растительной ткани.

Разработан метод получения протопластов (клетки без клеточных оболочек). Их слияние, минуя половое размножение, позволяет получать разнообразные гибриды.

Начинает развиваться генетическая инженерия. В СССР ученые - Дубинин, Алиханян, Раккопорт, Овчинников, Скрабин проводят исследования генетики популяций, эволюционной, радиационной и космической генетики, генетические основы селекции, химический мутагенез и его применение для изучения строения гена.

V. Эра управляемого биосинтеза. 1961-1975 гг.

Налажено производство аминокислот с помощью микробных мутантов. Лидирует Дания.

В СССР была создана микробиологическая индустрия под руководством В.А. Быкова. Это позволяло выпускать полноценные сбалансированные корма для выращивания птицы и скота.

Химический синтез аминокислот очень эффективен. В нем используется непищевое сырьё, достигается высокая концентрация продукта, возможна организация непрерывного процесса.

Недостаток этого процесса - необходимость сложной аппаратуры и многостадийность процесса, а также образующиеся рацемические формы аминокислот.

При микробном синтезе эти недостатки устраняются.

Следующее достижение этой эры - получение чистых ферментов, использование в промышленности? ферментов и клеток.

С помощью биотехнологии был получен биогаз, налажено производство бактериальных полисахаридов.

V. Эра новой БТ - после 1975 г.

Ее начало связано с открытием Д. Уотсоном и Ф. Криком строение молекулы ДНК (еще в 1953 г.).

После этого началось использование генной и клеточной инженерии для получения агентов биосинтеза

Главный объект исследования - живая клетка и ее ДНК.

Первые работы с рекомбинантными молекулами ДНК проведены в СССР в 1974 г. группой ученых с акад. А.А. Баевым. Затем Овчинников и Иванов. Созданы бактериальные штаммы - продуценты всех типов интерферонов, продуценты гормона роста человека и ряда сельскохозяйственных животных, проинсулина человека, интерлейкина-2 и т.д.

Другое направление - получение гибридов, моноклональных антител, гибридов и протопластов и меристемных культур, трансплантация эмбрионов и др.

Разработан метод слияния клеток - этим методом получали самые разнообразные комбинации генов «родительских» пар.

Например клетки, синтезирующие антитела, медленно растут.

Их сливают с быстрорастущими раковыми клетками. Результаты подобных исследований не всегда предсказуемы. Поэтому в 1975 г. подписано международное соглашение, запрещающее разработку и внедрение «биологического» оружия.

Основные разделы биотехнологии.

Микробная биотехнология - основная часть биотехнологии.

Связана с поисками новых природных продуцентов. Это генетика и селекция известных микроорганизмов и получение штаммов с высокой продуктивностью.

Методы - индуцированный мутагенез или ступенчатый отбор лучших форм или генная инженерия.

Связана с производством различных пищевых продуктов: вино, хлеб, молочные продукты и прочее.

1) Инженерная инзимология

Цель - создание технологических процессов с использованием ферментов.

Решает конкретные задачи:

- Создание нового продукта или улучшение его качества;

- использование нетрадиционных видов сырья;

- разработка безотходных технологий.

Очень перспективно исследование иммобилизированных ферментов и клеток на носителе.

Этот метод применяется в медицине для лечения и диагностики различных заболеваний. Иммобилизированные клетки применяют при биологической очистке сточных вод.

Тканевые ферменты животных и растений способствуют формированию химических предшественников вкуса и аромата, консистенции за счет специфической деструкции биополимерных систем пищевого сырья, т.е. осуществляют созревание.

3) Генная инженерия.

Цель - направленное создание организмов с заданными свойствами на основе изменения (рекомбинации) их генотипа.

Генная инженерия позволяет изолировать или изменять отдельные гены, модифицируя молекулу ДНК и перенося ее из одного организма в другой.

Амплификация нужных генов.

4) Клеточная инженерия.

Объект - культуры клеток высших животных или растительных организмов.

Получают культивированием на различных средах отдельно выделенных из организмов клеток.

Задача - конструирование новых клеток и клеточных систем.

Моноклональные АТ

Клетка как основа жизни и основной объект БТ

1) Живым организмам свойственные общие принципы структуры:

. - единство элементарного состава;

. - единство типов химических соединений;

. - единство субклеточной организации;

V. - единство клеточного строения.

2) Строение клетки и функции клеточных органелл.

Строение клеток животных, растений и м/о одинаково.

Ультраструктура растительных и животных клеток - рисунок с обозначениями.

а) клеточные мембраны

Цитоплазматическая мембрана

рецепторы клеточной мембраны

избирательная проницаемость

билипидный слой с интегральными белками мембраны - рисунок.

+ перефирийные белки.

компоненты липидного слоя - фосфолипидная (строение) - функция.

мембранные белки - ферменты, их функции.

гилкопротеиды поверхностного слоя. Строение и функции.

транспорт веществ через мембраны.

четыре основных механизма транспорта:

- диффузия

- осмос

- активный транспорт (направление движения ионов Na, К и Cl).

- экзо и эндоцитоз.

Что такое и как происходит?

б) Эндоплазматический ретикулум (ЭР)

гладкий;

«шероховатый» или глянулярный ф-ция.

в) Аппарат Гольджи.

Строение. Функция.

г) Цытоплазма

Химический состав.

д) Ядро.

Строение. Размеры. Количество в животных и растительных клетках.

Хроматин. носитель генетической информации.

е) Митохондрии.

Функции. Строение. Химический состав.

ж) Рибосомы.

Участие в синтезе белка. Легализация в клетке.

Типы рибосом: 70 S и 80 S

Субъедин? рибосомы - большая и малая.

з) Лизосомы.

Функции и расположение в животной и растительной клетке.

и) Вакуоль.

Строение. Химический состав. Функции в растительной и животной клетке.

к) Клеточная стенка.

Где встречается? Из каких молекул состоит (структура). Функции.

л) Пластиды.

Строение.

Типы пластид: хлоропласты

лейкопласты

хромопласты.

Особенности прокариотической (бактериальной) - протоцит и эукариотической клеток - эуцит!

Плазмиды - присущи только протоциту.

Автономно реплицирующие кольцевые ДНК.

Не более 100 генов.

Особенности строения клеточной стенки - наличие муреина.

биотехнология наука организм

Основные отличия протоцитов от эуцитов

	Прокариотическая клетка	Эукариотическая клетка
Клеточная стенка
Рибосомы
Вакуоли
Генетический аппарат

Размещено на Allbest.ru