I Проверка домашнего задания

II Изучение нового материала

Производство продуктов микробного синтеза первой фазы. К наиболее известным промышленным продуктам микробного синтеза относятся: ацетон, спирты (этанол, бутанол, изопропанол, глицерин), органические кислоты (лимонная, уксусная, молочная, глюконовая, итаконовая, пропионовая), ароматизаторы и вещества, усиливающие запахи (глутамат натрия). Спрос на последние постоянно увеличивается из-за тенденции к употреблению малокалорийной и растительной пищи, для придания вкусу и запаху пищи разнообразия. Ароматические вещества растительного происхождения можно производить путём экспрессии генов растений в клетках микроорганизмов. Методом генной инженерии в клетки Е. coli введён ген, кодирующий синтез а-антитрипсина человека, ингибирующсго активность эластазы. Его образование бактериями достигает 15% синтеза всех клеточных белков. Таким образом, получают препарат эглин, применяемый для компенсации врождённого отсутствия а-антитрипсина, приводящего к тяжёлой форме эмфиземы лёгких. Иммуномодулятор бестатин, ингибитор поверхностных пептидаз лимфоцитов, продуцирует Streptococcus olivoretuculi. Микроорганизмы — продуценты ингибиторов других важных в медицине ферментов. Например, ингибитор амилазы, синтезируемый Streptococcus tendae, блокирует гидролиз крахмала и снижает содержание сахара в крови; назначается больным диабетом. Каптоприл из культуральной жидкости стрептококков препятствует образованию ангиотензина II и снижает артериальное давление (АД) у гипертоников.

Производство продуктов микробного синтеза второй фазы. С использованием микроорганизмов получают витамины В1, В2 (продуценты— бактерии, грибы родов Candida, Pichia, Ashbya); фолиевую, пантотеновую кислоты, пиридоксаль, витамин В12 (продуценты — Propionibacterium shermanii, Pseudomonas denitrificam или метаногенные бактерии). Витамин С производят путём химического синтеза, однако этап высокоселективного дегидрирования D-сорбита в L-сорбозу осуществляют с помощью уксуснокислых бактерий.

Производство антибиотиков

Крупномасштабное производство антибиотиков способно давать десятки тысяч тонн продукта в год. Усовершенствование производства антибиотиков связано с селекцией культур, резистентных к бактериофагам, а также с применением мутантных штаммов, у которых отсутствуют системы обратного подавления синтеза антибиотиков. Крупная веха в истории антибиотиков — возможность химической модификации природных (образуемых микроорганизмами) антибиотиков. В настоящее время производят большое количество полусинтетических антибиотиков — направленное изменение структуры антибиотика позволяет расширить спектр действия и, отчасти, снять проблему устойчивости к антибиотикам.

Производство вакцин

Традиционные методы производства вакцин основаны на применении ослабленных или убитых возбудителей. В настоящее время многие новые вакцины (например, для профилактики гриппа, гепатита В) получают методами генной инженерии. Противовирусные вакцины получают, внося в микробную клетку гены вирусных белков, проявляющих наибольшую иммуногенность. При культивировании такие клетки синтезируют большое количество вирусных белков, включаемых впоследствии в состав вакцинных препаратов. Более эффективно производство вирусных белков в культурах клеток животных на основе технологии рекомбинантных ДНК. С использованием микроорганизмов получают также лимфокины (ИЛ-2, факторы роста, миелопептиды). Перспективы развития этих производств связаны с применением животных в качестве акцепторов рекомбинантной ДНК.

Важное направление биотехнологии — культивирование растительных клеток, образующих БАВ. Подобный подход отменяет необходимость в закладке больших плантаций лекарственных растений и связанные с этим проблемы уход за посевами, профилактика болезней лекарственных растений), позволяя получить нужные препараты более дешёвыми методами. Таким образом, получают БАВ женьшеня, строфанта и других растений.

Подбор объектов

Главным звеном биотехнологического процесса, определяющим его сущность, является клетка. Именно в ней синтезируется целевой продукт. По образному выражению Ю. А. Овчинникова (1985), клетка представляет собой миниатюрный химический завод, работающий с колоссальной производительностью, с предельной согласованностью и по заданной программе. В ней ежеминутно синтезируются сотни сложнейших соединений, включая гигантские биополимеры, в первую очередь белки.

Основа современного биотехнологического производства — микробиологический синтез, т. е. синтез различных веществ с помощью микроорганизмов. Объекты растительного и животного происхождения еще не нашли широкого применения вследствие их высокой требовательности к условиям культивирования, в значительной степени удорожающей производство.

Независимо от природы объекта, начальным этапом биотехнологической разработки является получение чистых культур клеток и тканей (рис. 1). Дальнейшие этапы манипуляции с этими культурами характеризуются единообразием подходов, основанных на классических методах микробиологии. В этом смысле культуры клеток и тканей растений и животных уподобляются культурам микроорганизмов.

Велик и многообразен мир микробов. К ним относятся все прокариоты — бактерии,, актиномицеты, риккетсии и часть эукариот — дрожжи, нитчатые грибы, простейшие и водоросли. Их общее свойство — малые размеры, вследствие чего они видимы лишь в микроскоп. В настоящее время известно более 100 тыс. различных видов микроорганизмов. Многих еще предстоит выявить. При столь большом разнообразии микроорганизмов как провести правильный подбор именно тех форм, продукция которых нас интересует? Как отобрать продуцентов витамина В12 или треонина, эритромицина или декстрана, холестериноксидазы или метана?

Для решения подобных задач проводится выделение микроорганизмов. Отбираются пробы из мест, где обитание того или иного продуцента наиболее вероятно. Применительно к углеводородокисляющим микроорганизмам таким местом может быть почва возле бензоколонок, винные дрожжи обильно встречаются на винограде, анаэробные целлюлозоразлагающие и метанобразующие микроорганизмы в больших количествах обитают в рубце жвачных животных. Образцы проб вносят в жидкие питательные среды специального состава. Эти среды называют элективными: в них путем варьирования различных факторов создаются избирательные условия для преимущественного развития интересующего нас продуцента. К этим факторам относятся источники энергии, углерода, азота, значения рН, температура, осмотическое давление и т. д. Для накопления продуцента холестериноксидазы используют среды с холестерином в качестве единственного источника углерода; углеводородокисляющих микроорганизмов -среды с парафинами; продуцентов протеолитических или липолитических ферментов -среды, содержащие белки или липиды. Так получают накопительные культуры микроорганизмов.

Следующий этап — выделение чистых культур. Для этого используют плотные питательные среды, на которые засевают образцы проб из накопительных культур. Отдельные клетки микроорганизмов на плотных питательных средах образуют изолированные колонии, при их последующем пересеве получаются чистые культуры продуцента, состоящие из популяций клеток одного вида.

Существует и другой путь подбора микроорганизмов — из имеющихся коллекций микроорганизмов. При этом руководствуются опытом, накопленным в результате изучения физиологии и биохимии различных групп микроорганизмов: продуцентов антибиотиков чаще всего находят среди актиномицетов, внеклеточное выделение гидролитических ферментов характерно для грамположительных бактерий, типичные продуценты этанола — дрожжи и т. д.

Способность синтезировать целевой продукт является главным критерием при отборе продуцентов. Однако микробиологическая промышленность предъявляет к продуцентам ряд других требований, важных с точки зрения технологии производства. Микроорганизмы должны: 1) обладать высокой скоростью роста; 2) использовать для жизнедеятельности дешевые непищевые субстраты; 3) быть устойчивыми к заражению посторонней микрофлорой. Все это позволяет значительно снизить затраты на производство целевого продукта.

Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями синтетических процессов, чем высшие формы живого. Так, корова массой 500 кг в течение одних суток синтезирует около 0,5 кг белка. Такое же количество белка за одни сутки можно получить с помощью 5 г дрожжей. Столь высокие скорости роста характерны, однако, не для всех микроорганизмов. Существуют так называемые олиготрофные микроорганизмы, растущие крайне медленно. Они мало изучены, но представляют значительный интерес как возможные продуценты различных веществ. Поэтому исследование факторов, регулирующих рост культур, оптимизация условий выращивания продуцентов имеют большое теоретическое и практическое значение в биотехнологии.

III Закрепление нового материала (Беседа по вопросам)

1.В чем разница между периодической ферментацией, периодической ферментацией с добавлением и непрерывнойферментацией?

2. Какие параметры необходимо строго контролировать при оптимизации процесса ферментации?

3. Как влияет перемешивание на доставку кислорода из культуральной среды к клеткам?

4. Для чего нужно стремиться максимально повысить плотность культуры при промышленной ферментации?

5. каковы относительные преимущества и недостатки биореакторов с механическим перемешиванием и эрлифтных биореакторов?

6. Какой обработке подвергают клеточную суспензию по завершению ферментации?

7. Каковы преимущества и недостатки механического разрушения клеток по сравнению с химическими?

8. Как собирают клетки по завершению ферментации? Каковы преимущества и недостатки соответствующих методов?

Задание на дом: Написать реферат на тему «Этапы культивирования культуры клеток »

Занятие 9.

Тема: Генная инженерия – практическая основа клеточной биотехнологии.

План занятия:

1.Генная инженерия, метод в биотехнологии

2.Генная инженерия растений

3.Получение растений устойчивых к неблагоприятным воздействиям и старению

Задачи: ознакомить студентов о методах генной инженерии растений, о способах введения в геном растений чужеродных генов создавая новые сорта растений. О выведении модифицированной культуры для создания своеобразной фабрики по крупномасштабному синтезу белков.

Методические рекомендации: