«Мурманский государственный технический университет»

№ темы п/п

Наименование тем и содержание

самостоятельной работы

1

2

1

Введение.

Цели и задачи биотехнологии. Современные методы; основные направления и перспективы развития биотехнологии. Возможности её применения в фармакологии и медицине, в охране природы и в хозяйственных целях.

2

Культивирование микроорганизмов - объектов биотехнологических производств.

Классификация микроорганизмов. Прокариоты, эукариоты, археи. Особенности клеточного метаболизма. Биологическое единство всего живого на земле. Трофические цепи и круговорот элементов в природе. Возможности использования микроорганизмов и их метаболитов для удовлетворения различных потребностей человека. Промышленные штаммы микроорганизмов

Оптимальные условия культивирования, рост и размножение. Методы культивирования.

3

Основные этапы биотехнологических производств.

Компоненты биотехнологического процесса: штамм-продуцент. Сырьё для получения питательной среды, оборудование для культивирования микроорганизмов и выделения готового продукта.

Хранение чистых культур штаммов продуцентов. Выращивание засевного материала в цехе чистой культуры. Инокулирование (засев) главного реактора. Подготовка питательных сред природных и искусственных. Использование отходов пищевой и химической промышленности в качестве питательных сред. Ферментация – основная стадия биотехнологического процесса. Биореакторы периодического и непрерывного действия. Конструкции ферментаторов. Выделение продуктов биотехнологических производств: биомассы и метаболитов. Получение товарных форм. Микробиологические и технологические факторы, влияющие на производительность и экономичность биотехнологических процессов.

4

Производство микробной биомассы.

Белок одноклеточных – белково-витаминный концентрат (БВК). Субстраты для производства БВК,

Белок одноклеточных – пищевые добавки для человека. Дрожжи рода сахаромицет - пищевая добавка для человека. Спирулина и пивные дрожжи – источники витаминов. Использование в медицине. Грибной белок.

Энзиматически активная биомасса. Пекарские дрожжи для хлебопечения. Бактериальные удобрения. Бактерии диазотрофы. Особенности процесса азотфиксации нитрогеназа. Получение бактериальных удобрений на основе клубеньковых бактерий–симбионтов растений. Азотобактеры – особенности культивирования. Усовершенствование штаммов – азотфиксаторов.

Биоинсектициды. Бактериальные, грибные и вирусные инсектициды. Условия сохранения инсектицидной активности.

Вакцины и сыворотки. Классификация. Получение вакцин и сывороток. Получение бактериальных удобрений, их биологическая роль в защите растений.

Закваски в молочной промышленности. Классификация и общие критерии качества. Мезофильные организмы закваски и их признаки.

Требования к условиям среды и жизнедеятельность организмов закваски. Потребность в питательных и биологически активных веществах. Пороки аромата. Закваски для различных областей применения. Получение штаммов и изготовление заквасок. Технология производства заквасок. Использование заквасок в производстве. Термофильные молочнокислые закваски. Термофильные организмы закваски и их признаки. Грибковые культуры. Penicillium camamberti, P. candidum, P. Caseicolum. Penicillium roqueforti.

5

Использование микроорганизмов в пищевой промышленности.

Микробиология молочнокислых продуктов. Производство кефира, йогурта. Общая микробиология сыров. Предварительное созревание молока в производстве сыра. Значение, эффективность воздействия, особенности важных групп микроорганизмов при изготовлении и созревании сыра. Молочнокислые бактерии. Энтерококки. Пропионовокислые бактерии. Бактерии, вырабатывающие красную слизь. Дрожжи и плесневые грибы. Частые микробиологические пороки сыра. Раннее вспучивание. Позднее вспучивание. Поражение посторонними плесневыми грибами. Порок сыра «горький».

Микробиология хлебопекарного производства. Микроорганизмы пшеничного теста. Микроорганизмы ржаного теста. Влияние добавок и улучшителей на жизнедеятельность микроорганизмов в тесте. Применение ферментных препаратов для улучшения качества хлеба.

Микроорганизмы – вредители производства. Пути проникновения вредных микроорганизмов. Пороки хлеба, возникающие в результате жизне­деятельности микроорганизмов. Дрожжевого производство. Биохимические основы процесса роста и размноже­ния дрожжей. Микроорганизмы, используемые в производстве. Микроорганизмы, причиняющие вред производству и пути их проникновения.

Микробиология спиртового и ликерно-водочного производства. Производство спирта. Микроорганизмы, используемые в производстве. Микроорганизмы – вредители производства и пути их проникновения. Ликерно-водочное производство. Микроорганизмы – вредители производстве, и пути их проникновения в производство.

Микробиология пивоварного и безалкогольного производства. Пивоварение. Микробиологические процессы в бродящем пивном сусле. Дрожжи в пивоварении. Микроорганизмы – вредители пивоваренного производства. Методы обнаружения микроорганизмов - вредителей пива. Производство безалкогольных напитков. Чистые культуры в производстве кваса. Микроорганизмы – вредители производства безалкогольных напитков. Методы обнаружения микроорганизмов – вредителей.

Микробиология производства вина. Микробиологические процессы в виноделии. Дрожжи в виноделии. Микроорганизмы – вредители производства вина. Микроорганизмы, инфицирующие сусло и вино. Болезни вин. Предупреждение заболевания вин и борьба с инфекцией.

Микробиология продуктов растительного происхождения. Производство, основанное на использовании биологических факторов. Производство квашеных и соленых продуктов. Микроорганизмы, вызывающие порчу квашеной капусты и огурцов. Использование микроорганизмов для утилизации отходов производства. Силосование растительных отходов. Производство уксуса из плодово-ягодных отходов.

6

Использование микроорганизмов для защиты окружающей среды.

Биодеградация сложных веществ с помощью биологической активности микроорганизмов. Биологическая обработка органических отходов. Типы органических отходов и методы их биологической обработки. Биологическая очистка сточных вод. Аэробная очистка сточных вод Простые методы очистки стоков. Процессы с использованием активированного ила и централизованная очистка сточных вод. Микроорганизмы активного ила. Анаэробная обработка концентрированных стоков.Анаэробная обработка полужидких отходов. Обработка твердых отходов. Компостирование. Твердофазная анаэробная ферментация. Свалки и полигоны твердых бытовых отходов (ТБО). Биоремедиация загрязненных почв и грунтов. Ремедиация загрязненных почв in situ.

7

Биогидрометаллургические технологии переработки руд и концентратов.

История биогеотехнологии металлов. Физико-химические основы выщелачивания металлов из руд. Кучное и подземное выщелачивание меди. Переработка сложных руд и концентратов в реакторах (чановое выщелачивание). Влияние технологических условий. Экологические аспекты биогеотехнологии.

8

Биотехнологическое производство ферментных препаратов. Инженерная энзимология.

Повышение эффективности биообъектов (индивидуальных ферментов, ферментных комплексов и клеток продуцентов) в условиях производства. Иммобилизованные (на нерастворимых носителях) биообъекты и их многократное использование. Ресурсосбережение. Экологические преимущества. Экономическая целесообразность. Повышение качества препаратов лекарственных веществ (гарантия высокой степени очистки, отсутствия пирогенных, аллергенных примесей). Нерастворимые носители органической и неорганической природы. Микроструктура носителей.

Иммобилизация за счет образования коваяентных связей между ферментом и носителем. Предварительная активация носителя бромистым цианом. Механизм активации. Ковалентные связи с помощью бифункциональных реагентов между молекулами фермента, связанного с носителем. Влияние иммобилизации ферментов на их субстратный спектр и кинетические характеристики. Повышение стабильности. Расширение зоны оптимальной температуры. Причины указанных явлений.

Адсорбция ферментов на инертных носителях и ионообменниках. Причины частичных ограничений использования этого метода иммобилизации. Иммобилизация ферментов путем включения в структуру геля. Органические и неорганические гели. Методы включения в альгинатный и полиакриламидный гель. Причины частичных ограничений использования метода при высокомолекулярных субстратах.

Микрокапсулирование ферментов как один из способов их иммобилизации. Размеры и состав оболочки микрокапсул.

9

Внутриклеточная регуляция обмена веществ и управление биосинтезом метаболитов.

Механизмы внутриклеточной регуляции и биосинтез целевых биотехнологических продуктов.

Индукция и репрессия синтеза ферментов. Состав оперона. Механизмы регуляции действия генов и их использование в биотехнологических процессах. Ингибирование ферментов биосинтеза по принципу обратной связи (ретроингибирование). Механизм ретроингибирования. Аллостерические ферменты.

Значение этого механизма в регуляции жизнедеятельности клетки и пути преодоления ограничений биосинтеза целевых продуктов у суперпродуцентов. Создание мутантов с нарушением аллостерического центра у ключевых ферментов биосинтетических путей. Оптимизация подбора сред (среды с уменьшенным содержанием конечных продуктов биосинтетических путей). Катаболитная репрессия. «Глюкозный эффект» и подавление синтеза катаболических ферментов. Транзиентная репрессия. Исключение индуктора. Катаболитное .ингибирование. Механизм катаболитной репрессии. Циклический 3'5-аденозинмонофосфат (цАМФ). Аденилатциклаза. Биологические эффекты цАМФ. Мутанты, устойчивые к катаболитной репрессии, и их использование в биотехнологии.

10

Биотехнология получения метаболитов.

Технология биосинтеза аминокислот, органических кислот, витаминов. Преимущества микробиологического способа получения аминокислот. Продуценты, сырье. Методы отбора активных продуцентов аминокислот. Биосинтез аминокислот клетками микроорганизмов. Использование аминокислот в медицине и народном хозяйстве.

Технология получения L – лизина микробиологическим синтезом. Продуценты, их культивирование. Пути биосинтеза. Получение кристаллического препарата и кормового концентрата лизина. Применение. Технология биосинтеза глутаминовой кислоты, триптофана, аспарагиновой кислоты.

органические кислоты, получаемые микробиологическим путем. Использование органических кислот в народном хозяйстве. Производство уксусной, лимонной, молочной, яблочной и др. Органических кислот. Продуценты, сырье, технология синтеза.

Преимущества микробиологических способов получения витаминов. Экономия земельных, пищевых ресурсов, возможность использования не пищевого сырья для культивирования микробов – продуцентов. Получение витаминов группы В и каротина микробиологическим синтезом. Эргостерин – предшественник витамина Д_2. Природные источники, Условия биосинтеза. Получение эргостерина в промышленности. Применение дрожжевого концентрата эргостерина в животноводстве.

Микробиологическое производство полисахаридов, антибиотиков, липидов, алколоидов. Внеклеточные и внутриклеточные полисахариды. Общая характеристика микробных полисахаридов, особенности строения. Продуценты, сырье. Применение полисахаридов микробного происхождения в медицине, пищевых производствах, промышленности.

Антибиотики медицинского и немедицинского назначения. Применение в медицине, животноводстве, консервной промышленности. Тетрациклиновые антибиотики – продуценты, технология получения. Препараты терравит, биовит, бацитрацин, гризин, фитобактериомицин и др., продуценты, способы получения, применение.

Поиск продуцентов антибиотиков, пути промышленной биосинтетической активности продуцента антибиотика. Технология получения полусинтетического антибиотика. Технология получения полусинтетических антибиотиков.

Технология получения липидов с помощью бактерий, микроскопических грибов, водорослей. Особенности липидов микроорганизмов, пути биосинтеза. Микроскопические грибы – продуценты алкалоидов и др. Лекарственных препаратов. Перспективы получения алкалоидов микробиологическим способом перед традиционными.

11

Применение методов генной инженерии в биотехнологии.

Создание с помощью генетической инженерии методов продуцентов новых лекарственных веществ. Основные принципы технологии рекомбинантной ДНК. Внехромосомные генетические элементы - плазмиды и их функции у микроорганизмов, используемых в биотехнологических процессах. Основные физико-химические характеристики плазмид. Взаимодействие плазмид с геномом хозяина. Роль плазмидной и фаговой ДНК в генетическом конструировании продуцентов биологически активных веществ. Транспозоны и их использование в конструировании продуцентов. Направленный мутагенез (in vitro) и его значение при конструировании продуцентов.

Понятие вектора в генетической инженерии. Векторные молекулы на основе плазмидной и фаговой ДНК. Химический синтез фрагментов ДНК. Методы секвенирования (определения последовательности нуклеотидов). Химический синтез гена.

Ферменты, используемые в генетической инженерии. Рестриктазы. Классификация и специфичность. Формирование "липких концов". Рестриктаза E.coli R1 и распознаваемая ею последовательность нуклеотидов. Лигазы и механизм их действия.

Последовательность операций при включении чужеродного гена в векторную молекулу. Перенос вектора с чужеродным геном в микробную клетку. Генетические маркеры. Методы идентификации и изоляции клонов с рекомбинантной ДНК.

Проблемы экспрессии чужеродных генов в микроорганизмах. Гены животной клетки; экзоны, интроны. Обеспечение возможности экспрессии генов млекопитающих в микробной клетке. Обратная транскриптаза. Способы преодоления барьеров на пути экспрессии чужеродных генов. Стабилизация чужеродных белков (целевых продуктов) в клетке. Генетические методы, обеспечивающие выделение чужеродных белков в среду. Микроорганизмы различных систематических групп: дрожжи, эубактерии, актиномицеты и др. как хозяева при экспрессии чужеродных генов. Специфические проблемы генетической инженерии при создании новых продуцентов белковых веществ, первичных и вторичных метаболитов как целевых биотехнологических продуктов.