Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Современные проблемы и методы биотехнологии

.pdf
Скачиваний:
157
Добавлен:
18.01.2020
Размер:
11.24 Mб
Скачать

УДК 60(075) ББК 30.16я73 С56

Авторы:

Н. А. Войнов, Т. Г. Волова, Н. В. Зобова, С. В. Маркова, Л. А. Франк, Е. И. Шишацкая

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Современные проблемы и методы биотехнологии» подготовлен в рамках реализации Программы развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ) на 2007– 2010 гг.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин

С56 Современные проблемы и методы биотехнологии [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / Н. А. Войнов, Т. Г. Волова, Н. В. Зобова и др. ; под науч. ред. Т. Г. Воловой. – Электрон. дан. (12 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – (Современные проблемы и методы биотехнологии : УМКД № 13232008 / рук. творч. коллектива Т. Г. Волова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf).

ISBN 978-5-7638-1662-4 (комплекса)

ISBN 978-5-7638-1769-0 (учебного пособия)

Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902481 (комплекса)

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Современные проблемы и методы биотехнологии», включающего учебную программу дисциплины, лабораторный практикум, методические указания по самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Современные проблемы и методы биотехнологии. Банк тестовых заданий», наглядное пособие «Современные проблемы и методы биотехнологии. Презентационные материалы».

Рассмотрены новейшие достижения, направления исследования и практической реализации биотехнологической науки XXI в. Охарактеризованы революционные изменения комплекса наук биологического направления в области генетической инженерии, геномике и протеомике, новейшие достижения молекулярной биотехнологии.

Предназначено для студентов направления подготовки магистров 020200.68 «Биология» укрупненной группы 020000 «Естественные науки».

© Сибирский федеральный университет, 2009

Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения Информационно-телекоммуникационного комплекса СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 30.11.2009 Объем 12 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Оглавление

 

ПРЕДИСЛОВИЕ...........................................................

8

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «СОВРЕМЕННЫЕ

ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ БИОТЕХНОЛОГИИ»..........

9

1.1. Рольбиотехнологиивсовременноммире.......................................

9

1.1.1. Биотехнология– основанаучно-техническогопрогресса иповышения

качестважизничеловека.......................................................................................

10

1.1.2. Особенности развитияисследований икоммерциализации

 

биологическихтехнологий вСША, Японии, странахЕСиРоссии................

11

1.2. Рынокновейшихбиотехнологических препаратов

 

ипродуктов...................................................................................................

30

1.3. Новейшиедостижения вобластибиотехнологии........................

34

1.4. Инновациивбиотехнологии: процедура коммерциализации

 

ипередачитехнологий...............................................................................

45

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ:

 

ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ..................................

51

2.1. Общиепринципыконструирования новыхорганизмов

 

длябиотехнологии......................................................................................

51

2.1.1. Рестриктазыидругиеферменты длямолекулярногоклонирования 52

2.1.2. Полимеразнаяцепнаяреакция...................................................................

54

2.1.3. Общаясхемамолекулярногоклонирования............................................

56

2.1.4. основныетипыклонирующихвекторов...................................................

58

2.1.5. Общаясхемавекторанапримере бактериальнойэкспрессионной

 

плазмиды..................................................................................................................

63

2.1.6. ДоставкарекомбинантнойДНКиРНКвклетку........................................

66

2.1.7. Проблемыэкспрессиичужеродныхгенов...............................................

73

2.1.8. Выделениегенетическимодифицированныхорганизмовипроблема

удалениямаркерныхгенов...................................................................................

74

2.2. Трансгенныемикроорганизмы иклеточныекультуры..............

76

2.2.1. Рекомбинантныемикроорганизмы дляполучениякоммерческих

 

продуктов.................................................................................................................

77

2.2.2. Клеточныекультурыдляпродукциибелков...........................................

81

2.2.3. Дрожжевыесистемыэкспрессии...............................................................

83

2.2.4. Клеткинасекомыхибакуловирусыдлясинтезабелков.......................

83

2.3. Трансгенныерастенияиживотные какбиореакторы.................

84

2.3.1. Конструированиетрансгенныхрастений..................................................

86

2.3.2. Преимуществаипроблемыбиопродукции врастительнойсистеме.91

2.3.3. Областиприменениягеннойинженериирастений..................................

94

2.3.4. Коммерциализациятрансгенныхрастений ибиобезопасность..........

98

Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

2.3.5. Регулированиепроизводстваисертификация генно-

 

модифицированногосырьяипищевыхпродуктов........................................

102

2.3.6. Трансгенныеживотные: технологииполучения...................................

103

2.3.7. Применениетрансгенныхживотных.......................................................

111

2.3.8. Перспективыиспользования генетическимодифицированных

 

организмов.............................................................................................................

116

ГЛАВА 3. МЕДИЦИНСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ:

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ТЕРАПИИ

 

И ДИАГНОСТИКИ СОЦИАЛЬНО ЗНАЧИМЫХ

 

ЗАБОЛЕВАНИЙ.......................................................

119

3.1. Геномчеловека...................................................................................

119

3.1.1. Реализациянаучногопроекта«Геномчеловека»..................................

120

3.1.2. Построениегенетическихкартхромосом...............................................

122

3.1.3. Практическоезначениерезультатов секвенированиягенома

 

человека..................................................................................................................

127

3.2. Методымолекулярнойдиагностики...............................................

130

3.2.1. Методыиммунодиагностики– основныезакономерности

 

иразнообразие......................................................................................................

130

3.2.2. Методыдиагностики, основанныенаДНК-гибридизации...................

135

3.3. Основымолекулярнойтерапии......................................................

144

3.3.1. Геннаятерапия............................................................................................

145

3.3.2. Лекарственныесредстванаосновеолигонуклеотидов.......................

152

3.3.3. Клонированиечеловека.............................................................................

157

ГЛАВА 4 КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК

 

И ТКАНЕЙ................................................................

159

4.1. Значениеиместокультурытканей вбиотехнологии

 

растений........................................................................................................

159

4.1.1. Тотипотентностьрастительнойклетки...................................................

159

4.1.2. Историческиеэтапыразвития методовкультивированияin vitro....

160

4.2. Условияиметодыкультивирования тканейin vitro..................

164

4.2.1. Составпитательныхсред ирольихотдельныхкомпонентов..........

165

4.2.2. Гормоныирегуляторыроста– необходимые компоненты

 

питательныхсред.................................................................................................

170

4.2.3. Стерилизацияпитательныхсред.............................................................

173

4.2.4. Основныетребованиякусловиямкультивирования..........................

175

4.3. Направленияивозможностииспользования культуры

 

изолированныхтканейрастений...........................................................

176

4.3.1. Основныенаправленияиспользования.................................................

176

4.3.2. Проблемыкультивированияизолированныхтканей..........................

177

4.4. Клональноемикроразмножениерастений....................................

179

4.4.1. Этапыиметодыклональногомикроразмножениярастений..............

180

Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

4.4.2. Оздоровлениепосадочногоматериаларастений.................................

186

4.5. Культуракаллусныхтканей.............................................................

189

4.5.1. Особенностикаллусныхклеток................................................................

191

4.5.2. Генетикакаллусныхклеток.......................................................................

192

4.5.3. Морфогенезвкаллусныхтканях..............................................................

193

4.6. Органогенезвкультуресоматическихтканей..............................

196

4.6.1. Прямойинепрямойпутиорганогенеза...................................................

196

4.6.2. Соматическийэмбриогенез.......................................................................

198

4.6.3. Сомаклональнаяизменчивость................................................................

200

4.6.4. Гормоннезависимыерастительныеткани.............................................

203

4.7. Суспензионныекультуры.................................................................

205

4.8. Культураотдельныхизолированныхклеток, иликультура

 

одиночныхклеток.......................................................................................

207

4.9. Культурапротопластов.....................................................................

209

4.9.1. Изоляцияпротопластов.............................................................................

209

4.9.2. Тотипотентностьпротопластов................................................................

211

4.9.3. Требованияксоставусред прикультивированиипротопластов.....

212

4.9.4. Использованиекультурыпротопластов................................................

213

4.10. Культурагаплоидныхтканей.........................................................

217

4.10.1. Культурапыльников................................................................................

218

4.10.2. Использованиегаплопродюссеров иотдаленнойгибридизации

 

приполучениигаплоидныхтканей....................................................................

220

4.10.3. Возможностигаплоидныхтехнологий..................................................

222

4.11. Получениерастений, устойчивых кразличнымстрессовым

факторам......................................................................................................

222

4.11.1. Использованиетоксиновфитопатогенов вотбореформрастений,

устойчивыхкболезням.......................................................................................

223

4.11.2. Выделениесолеустойчивыхформрастений путемпрямой

 

инепрямойселекциивкультуреткани.............................................................

224

4.11.3. Отборхолодоустойчивыхформ............................................................

225

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ:

БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ

 

ПРИМЕНЕНИЯ.........................................................

227

5.1. Освоениеэкологическичистыхматериалов– актуальное

 

направлениекритическихтехнологийXXI века..................................

227

5.1.1. Полимеры: определение, виды, областиприменения........................

228

5.1.2. Проблеманакопленияипутиутилизации полимерныхотходов......

232

5.2. Разрушаемыеполимеры– способизбавления отсинтетических

полимерныхотходов................................................................................

236

5.2.1. Перспективыполученияиутилизации разрушаемыхполимеров

 

наосновевозобновляемых природныхисточников....................................

237

Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

5

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

5.2.2. Приданиебиоразрушаемости высокомолекулярнымсинтетическим

полимерам..............................................................................................................

239

5.2.3. Синтезбиоразрушаемых биополимеров...............................................

241

5.3. Разрушаемыебиопластики: реалиииперспективы..................

243

5.3.1. Биоупаковка– альтернативасинтетическомупластику......................

247

5.3.2. Современноесостояниеинаправлениеработ поразрушаемым

 

биопластикам.........................................................................................................

248

5.3.3. Факторы, влияющиенаразвитиепроизводства разрушаемых

 

биопластиков.........................................................................................................

249

5.4. Объемыпроизводстваиобластиприменения разрушаемых

биопластиков..............................................................................................

253

5.4.1. Природныеисточникисырья длясинтезаразрушаемых

 

биопластиков.........................................................................................................

253

5.4.2. Синтез, свойства, областиприменения разрушаемыхбиопластиков

наосновемолочнойкислоты.............................................................................

258

5.4.3. Полигидроксиалканоаты– биоразрушаемыеполимеры

 

гидроксипроизводстных алкановыхкислот: синтез, свойства, области

применения............................................................................................................

262

5.5. Перспективыразвитияиндустрии ирынкаразрушаемых

 

биополимеров............................................................................................

274

ГЛАВА 6. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ

 

ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕЛЕВЫХ ПРОДУКТОВ...........

276

6.1. Методывыделенияиочистки клеточныхмакромолекул

 

дляполучения целевогобиотехнологическогопродукта................

276

6.1.1. Продуктыбиотехнологическогопроизводства.....................................

276

6.1.2. Общиепринципыразделениявеществ...................................................

280

6.1.3. Методыразрушенияклеток.......................................................................

282

6.1.4. Отделениеиочисткапродукта..................................................................

283

6.1.5. Методытонкойочистки иразделенияпрепаратов..............................

284

6.2. Газожидкостнаяивысокоэффективная жидкостная

 

хроматографиядляопределения количественныхикачественных

характеристикцелевыхпродуктовбиотехнологии............................

297

6.2.1. Основныевидыхроматографии..............................................................

298

6.2.2. Основныезакономерности хроматографическогоразделения

 

вколонке................................................................................................................

299

6.2.3. Газоваяхроматография.............................................................................

305

6.2.4. Высокоэффективная жидкостнаяхроматография...............................

317

6.3. Масс-спектрометриявбиотехнологии...........................................

327

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ

 

В БИОТЕХНОЛОГИИ...............................................

341

7.1. Спецификареализации биотехнологическихпроцессов.........

341

Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

6

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

7.2. Элементыконтроля иуправлениявбиотехнологии.................

345

7.3. Основыматериально-энергетическогобалансамикробного

 

роста..............................................................................................................

354

7.4. Элементныйбалансроста микробныхкультур........................

358

7.5. Ферментационноеоборудование....................................................

364

7.5.1. Экспериментальныеданныетепломассообмена

 

прикультивированиимикроорганизмов..........................................................

364

7.5.2. Характеристикагазожидкостныхбиореакторов....................................

368

7.5.3 Приемыиспособыстерилизации вбиотехнологии.............................

379

7.6. Оборудование дляконцентрированиябиомассы......................

385

7.6.1. Выпарныепленочныеаппараты.............................................................

385

7.6.2. Флотаторывмикробиологической промышленности.....................

...391

7.6.3. Центрифугиисепараторы.........................................................................

393

7.6.4. Сушилкивбиотехнологической промышленности..............................

403

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................

412

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК, ЭЛЕКТРОННЫЕ

И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ..........................................

413

Кглаве1 .......................................................................................................

413

Кглаве2 .......................................................................................................

413

Кглаве3 .......................................................................................................

414

Кглаве4 .......................................................................................................

415

Кглаве5 .......................................................................................................

416

Кглаве6 .......................................................................................................

416

Кглаве7 .......................................................................................................

418

Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

7

ПРЕДИСЛОВИЕ

Достижения современной биологии, приведшие к формированию фи- зико-химической биологии и комплекса новейших направлений биотехнологии, качественно влияют на многие сферы человеческой деятельности и все в большей степени становятся востребованными и способными решать ключевые проблемы жизнеобеспечения человека. Многообразие форм живой материи и новые знания о закономерностях функционирования живых систем позволяют конструировать биологические системы различной степени сложности и организации для синтеза широчайшего спектра ценных соединений. Необходимость повышения качества жизни человека делает все более актуальной разработку новых средств диагностики и лечения, целевых продуктов, в том числе пищевого и технического назначения, экологически чистых материалов, усовершенствования способов воспроизводства энергоносителей и минерального сырья, а также утилизации промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов.

Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на каталитическом потенциале биологических агентов и систем различной степени организации и сложности. Биотехнология как область знаний и динамически развиваемая промышленная отрасль способна решать многие ключевые проблемы современности, обеспечивая при этом сохранение баланса в системе взаимоотношений «человек – природа – общество». Поэтому освоение новых биотехнологических процессов и подготовка спе- циалистов-биотехнологов занимают важное место в научно-образовательной деятельности и экономической политике всех развитых стран.

Учебное пособие «Современные проблемы и методы биотехнологии» предназначено для подготовки в рамках учебной программы «Микробиология и биотехнология» магистров, вооруженных новейшими знаниями в области современной биологии, необходимыми для решения ключевых проблем XXI в., направленных на сохранение и устойчивое развитие биосферы и повышения качества жизни человека в условиях возрастающего антропогенного воздействия. Данная дисциплина введена в учебный процесс в Институте фундаментальной биологии и биотехнологии Сибирского федерального университета с 2008 г. в связи с открытием магистратуры и подготовки магистров по направлению «Микробиология и биотехнология». Информация, изложенная в учебном пособии, призвана обеспечить формирование у студентов представлений о революционных изменениях новейших направлений биотехнологии в области генетической инженерии, геномики и протеомики, новых технологиях диагностики и терапии, новых материалах и биоинженерии.

Научный редактор, доктор биологических наук, профессор Т. Г. Волова

Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

8

ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ

«СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ

ИМЕТОДЫ БИОТЕХНОЛОГИИ»

1.1.Рольбиотехнологиивсовременноммире

Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на использовании каталитического потенциала биологических агентов и систем различной степени организации и сложности – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25–30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области молекулярной биологии и молекулярной генетики. В то же время нельзя не отметить, что развитие и достижения биотехнологии теснейшим образом связаны с комплексом знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других.

Расширение практической сферы биотехнологии обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством на пороге ХХI в., как дефицит чистой воды и пищевых веществ (особенно белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость получения новых, экологически чистых материалов, развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому для жизнеобеспечения человека, повышения качества жизни и ее продолжительности становится все более необходимым освоение принципиально новых методов и технологий.

Развитие научно-технического прогресса, сопровождающееся повышением темпов материальных и энергетических ресурсов, к сожалению, приводит к нарушению баланса в биосферных процессах. Загрязняются водные и воздушные бассейны городов, сокращается воспроизводительная функция биосферы, вследствие накопления тупиковых продуктов техносферы нарушаются глобальные круговоротные циклы биосферы.

Стремительность темпов современного научно-технического прогресса человечества образно описал швейцарский инженер и философ Эйхельберг: «Полагают, что возраст человечества равен 600 000 лет. Представим себе движение человечества в виде марафонского бега на 60 км, который где-то начинаясь, идет по направлению к центру одного из наших городов, как к финишу… Большая часть дистанции пролегает по весьма трудному пути – через девственные леса, и мы об этом ничего не знаем, ибо только в самом

Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

9

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ БИОТЕХНОЛОГИИ»

1.1. Роль биотехнологии в современном мире

конце, на 58–59 км бега, мы находим, наряду с первобытным о рудием, пещерные рисунки, как первые признаки культуры, и только на последнем километре появляются признаки земледелия. За 200 м до финиша дорога, покрытая каменными плитами, ведет мимо римских укреплений. За 100 м бегунов обступают средневековые городские строения. До финиша остается 50 м, где стоит человек, умными и понимающими глазами следящий за бегунами,– это Леонардо да Винчи. Осталось 10 м! Они начинаются при свете факелов и скудном освещении масляных ламп. Но при броске на последних 5 м происходит ошеломляющее чудо: свет заливает ночную дорогу, повозки без тяглового скота мчатся мимо, машины шумят в воздухе, и пораженный бегун о с- леплен светом прожекторов фото- и телекамер...», т.е. за 1 м человеческий гений совершает ошеломляющий рывок в области научно-технического прогресса. Продолжая этот образ, можно добавить, что в момент приближения бегуна к финишной ленточке оказывается прирученным термоядерный синтез, стартуют космические корабли, расшифрован генетически код.

Автор задает вопрос: не окажется ли судьба человечества судьбой бегуна и не путь ли к гибели человечества столь стремительное развитие науч- но-технического прогресса?

1.1.1.Биотехнология– основанаучно-техническогопрогресса

иповышениякачестважизничеловека

Биотехнология как область знаний и динамически развиваемая промышленная отрасль призвана решить многие ключевые проблемы современности, обеспечивая при этом сохранение баланса в системе взаимоотношений «человек – природа – общество», ибо биологические технологии (биотехнологии), базирующиеся на использовании потенциала живого по определению нацелены на дружественность и гармонию человека с окружающим его миром. В настоящее время биотехнология подразделяется на несколько наиболее значимых сегментов: это «белая», «зеленая», «красная», «серая» и «синяя» биотехнология.

К «белой» биотехнологии относят промышленную биотехнологию, ориентированную на производство продуктов, ранее производимых химической промышленностью, – спирта, витаминов, аминокислот и др. (с учетом требований сохранения ресурсов и охраны окружающей среды).

Зеленая биотехнология охватывает область, значимую для сельского хозяйства. Это исследования и технологии, направленные на создание биотехнологических методов и препаратов для борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и домашних животных, создание биоудобрений, повышение продуктивности растений, в том числе с использованием методов генетической инженерии.

Красная (медицинская) биотехнология – наиболее значимая область современной биотехнологии. Это производство биотехнологическими методами диагностикумов и лекарственных препаратов с использованием техно-

Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

10