Введение. Введение в биотехнологию

Е.Н. Музафаров, М.А. Чепурнова

Введение в биотехнологию

Содержание

1. Введение

2. Живая клетка – основа биологических систем

3. Общая характеристика организмов – объектов биотехнологии

4. Основы генетики микроорганизмов

5. Метаболизм и принципы его регуляции

6. Ассимиляция у автотрофных и гетеротрофных организмов

7. Питание микроорганизмов

8. Рост, размножение и культивирование микроорганизмов

9. Подготовка биологических объектов для биотехнологического процесса

10. Культивирование биотехнологических объектов

11. Словарь терминов

12. Список используемой литературы

Предисловие

Учебное пособие «Введение в биотехнологию» создано на основе курса лекций «Основы биотехнологии», который читают авторы студентам кафедры биотехнологии Тульского государственного университета. В связи с тем, что кафедра выпускает специалистов-биотехнологов, т.е. по сути инженеров биотехнологического профиля, авторы взяли на себя смелость в своем лекционном курсе усилить биологическую составляющую. Поэтому основная цель пособия – дать представление о живой клетке, об обменных процессах, происходящих в ней. В книге дана общая характеристика организмов – объектов биотехнологического процесса, даны основы генетики микроорганизмов, генной и клеточной инженерии. Рассмотрены вопросы роста, размножения и культивирования микроорганизмов. Ключевым направлением биотехнологии является интенсификация производственных процессов. Поэтому в пособии показаны пути использования новых высокопродуктивных биологических объектов и применения эффективных технологических режимов. Даны принципы работы ферментационных аппаратов и приведены образцы применяемого оборудования. Информация, полученная студентом, даст ему представление о том, как подобрать оптимальный субстрат, освоить конструкцию аппарата, оптимизировать условия культивирования биообъекта, обеспечить автоматический контроль за протеканием процесса и т.д. Поэтому пособие предназначено как для биотехнологов, так и в целом для студентов биологических специальностей.

Введение

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике. Эта наука использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека. Термин «биотехнология» появился в начале 70-х годов ХХ века, однако до сих пор среди ученых нет единого определения.

В традиционном, классическом, понимании биотехнология (от греч. bios – жизнь, teken – искусство, мастерство, logos – наука) - это наука о методах и технологиях производства, транспортировки, хранении и переработки различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы, даже не подозревая об их существовании. Однако разработка методов генетической и клеточной инженерии поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами. Эти методы открывают возможность не только улучшения продуктов и уже освоенных процессов, но дают оригинальные способы получения новых, ранее недоступных веществ.

Новейшая биотехнология – это наука о генно- и клеточно-инженерных методах и технологиях создания и использования генетически модифицированных растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых, а также традиционных видов продуктов различного назначения.

В биотехнологии, как в никакой другой области знаний, интегрируются наука и производство. Охарактеризовать науку «биотехнология» лучше всего следующими словами: «Нет и еще тысячу раз нет: я не знаю такой науки, которую можно было бы назвать прикладной. Есть наука и есть области ее применения, и они связаны друг с другом, как плод с взрастившим его деревом» (Пастер, 1871; цитата взята из Revue Scientifique).

Биотехнология как наука возникла на стыке биологических, химических и технических наук. Биотехнологические методы включают микробиологический синтез, генную инженерию, клеточную и белковую инженерию, инженерную энзимологию, культивирование клеток микроорганизмов, растений и животных, методы слияния клеток. Значительные успехи, достигнутые во второй половине ХХ века в фундаментальных исследованиях в области биохимии, молекулярной биологии, генетики, явились мощным импульсом для развития биотехнологии.

Биотехнологический процесс включает ряд этапов:

- подготовка объекта;

- культивирование;

- выделение целевого продукта;

- очистка его;

- модификация;

- использование продуктов.

Многоэтапность процесса обуславливает необходимость привлечения к его осуществлению самых различных специалистов.

Биотехнология находится в тесной взаимосвязи с рядом научных дисциплин, в большинстве случаев реализуя их практическое применение (рис. 1).

Рис. 1. Связь биотехнологии с другими науками

Использование методов молекулярной биологии дает возможность 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 создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе. 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. 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. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активных соединений, в частности, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост. Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология стала источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения биоэнергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

Голландский ученый Е. Хаувинк (1984 г.) предложил разделить историю развития биотехнологии на пять периодов.