- •1.Биотехнология как межотраслевая область научно-технического прогресса и раздел практических знаний, этапы ее развития.
- •2. Основные факторы, обусловившие развитие современной биотехнологии.
- •3. Связи биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими науками.
- •4. Области применения достижении биотехнологии.
- •5. Микроорганизмы (бактерии и высшие протисты) - основные объекты биотехнологии.
- •6. Преимущества микроорганизмов перед другими объектами в решении современных биотехнологических задач.
- •7. Принципы подбора биотехнологических объектов: модельные и базовые микроорганизмы, штаммы микроорганизмов, использующиеся в биотехнологии.
- •8. Выделение и селекция микроорганизмов, продуцентов биологически активных веществ.
- •9. Принципиальные подходы к улучшению штаммов промышленных микроорганизмов.
- •10.Промышленные энзимы, продуцируемые микроорганизмами.
- •11. Различия микроорганизмов по типу питания и отношению к кислороду.
- •12. Клетки животных и растений как объекты биотехнологии.
- •13. Использование клеточных культур в биотехнологических процессах.
- •14. Трансгенные животные и растения как новые объекты биотехнологии.
- •15. Требования, предъявляемые к питательным субстратам, использующимся в биотехнологических процессах.
- •16. Природные сырьевые материалы растительного происхождения.
- •17. Отходы различных производств, как сырье для биотехнологических процессов.
- •18. Химические и нефтехимические субстраты, применяемые в качестве сырья для биотехнологии.
- •19. Преимущества и недостатки биотехнологических производств по сравнению с химическими технологиями.
- •20. Принципиальные схемы биотехнологических процессов, определяющие конструкции биореакторов (ферментеров).
- •21. Основные требования, предъявляемые к системам, используемым для процессов ферментации.
- •22. Типы и режимы ферментации. Периодические процессы.
- •23. Типы и режимы ферментации. Непрерывные процессы.
- •24. Проблемы аэрирования, пеногашения, асептики и стерильности при различных ферментациях.
- •25. Открытые и замкнутые ферментационные системы.
- •27. Основные требования, предъявляемые к биореакторам
- •28. Системы перемешивания, применяемые в современных ферментерах.
- •Механическое перемешивание.
- •29. Принципы масштабирования технологических процессов: лабораторные, пилотные и промышленные ферментеры и решаемые с их использованием задачи.
- •30. Специализированные ферментационные технологии: анаэробные, твердофазные и газофазные процессы
- •31. Особенности культивирования клеток животных, виды культур.
- •32. Особенности культивирования клеток растений.
- •33. Конечные стадии получения продуктов биотехнологических процессов.
- •34. Отделение биомассы: флотация, фильтрование и центрифугирование.
- •35. Методы дезинтеграции клеток: физические, химические и энзиматические.
- •36. Выделение целевого продукта: осаждение, экстрагирование, адсорбция, электрохимические методы, ионообменная хроматография.
- •37. Концентрирование, обезвоживание, модификация и стабилизация целевых продуктов биотехнологических процессов.
- •38. Биотехнология производства «одноклеточного» белка.
- •39. Продуценты «одноклеточного» белка: дрожжи и бактерии.
- •40. Продуценты «одноклеточного» белка: водоросли и грибы.
- •41. Требования, предъявляемые к микробному белку и возможности его использования.
- •42. Сырьевая база производства белка одноклеточных организмов; высокоэнергетические субстраты, отходы сельского хозяйства и других производств.
- •43. Область применения энзимов в биотехнологических производствах.
- •44. Преимущества и недостатки энзимных технологий.
- •45. Технология производства энзимов для промышленных целей.
- •46. Требования, предъявляемые к продуцентам энзимов.
- •47. Иммобилизованные энзимы и преимущества их применения в биотехнологии.
- •48. Носители, используемые для иммобилизации энзимов: природные и синтетические органические носители.
- •49. Типы неорганических носителей.
- •50. Способы иммобилизации энзимов: адсорбция, включение в гели и полупроницаемые мембраны; химические методы иммобилизации ферментов.
- •51. Иммобилизованные клетки в биотехнологии
- •52. Получение рекомбинантных белков с помощью прокариотических систем.
- •53. Классификация питательных сред и требования к их составу.
- •54. Использование достижений биотехнологии в охране окружающей среды.
- •56. Получение и использование трансгенных растений для повышения продукции сельского хозяйства и качества продуктов питания.
- •57. Способы индентификации трансгенной днк.
- •58. Возможные риски использования генетически модифицированных организмов для здоровья человека и окружающей среды.
- •59. Достижения молекулярной биотехнологии в генотерапии.
- •60. Биотехнология очистки промышленных отходов.
- •61. Биотехнологические способы получения энергоносителей.
- •62. Исследования генома человека и его результаты.
- •63. Получение рекомбинантных белков с помощью эукариотических систем.
- •64. Основные принципы получения трансгенных организмов.
63. Получение рекомбинантных белков с помощью эукариотических систем.
Прокариотические системы экспрессии успешно пользуются для синтеза многих белков. Однако некоторые белки для превращения в активную форму должны претерпеть специфические пострансляционные модификации - гликозилирование, фосфорилирование или ацетилирование, а бактерии к этому не способны. Поэтому было решено попытаться экспрессировать клонированные гены в эукариотических клетках с помощью специально созданных эукариотических экспрессирующих векторов.
Для синтеза разнообразных белков, кодируемых клонированными генами, использовались дрожжи S. cerevisiae. Их генетика хорошо изучена, а, кроме того, их можно выращивать в больших ферментерах и они считаются безопасными в обращении. Чтобы упростить очистку белков, были сконструированы векторы, обеспечивающие их секрецию. С помощью S. Сегvisiae было получено множество самых разных белков аутентичных природным (вакцины против гепатита В, малярии, инсулин, факторы роста и свертывания крови). Однако многие рекомбинантные белки в этой системе не подвергались посттрансляционной модификации, к тому же с выход зачастую был недостаточно высок. Поэтому были предприняты попытки разработать другие дрожжевые системы синтеза рекомбинантных белков.
В поисках других эукариотических систем экспрессии, с помощью которых можно было бы получать биологически активные белки, исследователи сосредоточили усилия на создании экспрессирующих векторов на основе бакуловирусов, в частности бакуловируса AcMNPV, инфицирующего клетки многих насекомых. Клетки насекомого, инфицированные рекомбинантным бакуловирусом, синтезировали клонируемый белок.
Внехромосомные экспрессирующие векторы млекопитающих (например, на основе обезьяньего вируса SV40) используются для изучения функций и регуляций генов млекопитающих. Кроме того, с их помощью могут быть получены аутентичные рекомбинантные белки, которые могут использоваться в медицинских целях. Однако промышленный синтез с использованием модифицированных клеток млекопитающих обходится слишком дорого и может применяться только для получения рекомбинантных белков, которые невозможно получить другим путем. Примером может служить производство рекомбинантного эритропоэтина. Эритропоэтин – белок гликопротеид в организме человека регулирует процессы созревания (дифференцировки) эритроцитов. Препараты на основе эритропоэтина используют для лечения рака, болезней крови, почек, для повышения выносливости человека к физическим нагрузкам (допинг-препараты). Поскольку бактериальные клетки не способны к гликозилированию белков человека, ген эритропоэтина встраивают в яйцеклетки китайского хомячка, которые далее культивируют поверхностным способом в виде монослоя клеток. Такая сложная технология получения обусловливает высокую стоимость препаратов на основе генноинженерного эритропоэтина.
64. Основные принципы получения трансгенных организмов.
Процесс создания трансгенного организма достаточно сложен и часто требует индивидуального подхода. Однако в любом случае его можно подразделить на несколько общих этапов:
1. Получение (выделение) нужного гена (трансгена), намеченного для переноса. Ген может быть выделен из естественных источников (из подходящего генома) или из геномной библиотеки; синтезирован искусственно — химическим (по имеющейся последовательности нуклеотидов) или ферментативным (с использованием механизма обратной транскрипции: синтез кДНК на матрице мРНК с помощью обратной транскриптазы) путем; получен с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР).
2. Создание специальных генетических конструкций — векторов (переносчиков), в составе которых содержатся гены (трансгены), которые будут внедряться в геном другого вида или экспрессироваться в клетках про- или эукариот. Для конструирования рекомбинантной ДНК (рекДНК) векторную ДНК (например, плазмиду) и чужеродную ДНК, содержащую интересующий ген (трансген), разрезают одной и той же рестриктазой; в результате образуются одинаковые концы. К генам, синтезированным химическим путем или полученным по матрице их мРНК, такие концы можно «пришить» искусственно. Затем производят смешивание фрагментов ДНК (вектора и трансгена) и «сшивание» их ДНК-лигазой. Концы чужеродной ДНК и плазмиды взаимодействуют друг с другом, образуя комплементарные пары оснований. Происходит гибридизация векторной и чужеродной ДНК. Концы фрагментов замыкаются с помощью водородных связей и ковалентно «сшиваются» с помощью фермента ДНК-лигазы.
3. Генетическая трансформация, т. е. перенос и включение рекДНК, содержащей трансген, в клетки реципиента (например, Е. coli). Плазмида, встроенная в бактерию, ведет себя, как вектор (переносчик) нового гена, который реплицируется в каждом новом поколении.
4. Молекулярная селекция — отбор трансформантов, т. е. клонов, несущих рекДНК. В процессе генетической трансформации Е. coli могут образоваться три типа клеток: клетки, не содержащие пламиду, содержащие плазмиду без встройки (без рекДНК), содержащие плазмиду с рекДНК. Для отбора трансформантов среди нетрансформированных клеток используют различные маркерные гены, которые находятся в векторной молекуле наряду с трансгеном.
Так, плазмида pBR322 имеет два гена устойчивости к антибиотикам ампициллину (Атрг) и тетрациклину (Tetr). Один из генов служит для идентификации бактерий, несущих плазмиду (вектор) путем отбора клеток, устойчивых к антибиотику, а другой — для отличия гибридной плазмиды (рекДНК) от исходного вектора. В гене Tetr имеется уникальный сайт, разрезаемый рестриктазой ВатШ. Если разрезать вектор в гене Tetr рестриктазой BamHl и встроить в него фрагмент чужеродной ДНК, полученный с помощью той же рестриктазы, то ген Tetr инактивируется, и у бактерий, несущих плазмиду, исчезает устойчивость к тетрациклину, но сохраняется устойчивость к ампициллину. Отбор на среде с ампициллином покажет, содержит Е. coli плазмиду или нет. Содержащие плазмиду бактерии будут расти на среде с ампициллином. Для отбора клеток, несущих чужеродную ДНК (интересующий нас ген), бактерии выращивают на среде с тетрациклином. Трансформированные клетки устойчивы к ампициллину, но чувствительны к тетрациклину (такие колонии отсутствуют на среде с тетрациклином), так как ген устойчивости к тетрациклину разрушен в результате вставки фрагмента чужеродной ДНК. Помимо плазмиды pBR322, используется множество других векторов для клонирования (pUC19, рЕТ, pQE), причем для некоторых из них существуют весьма остроумные системы отбора рекомбинантных клонов (например, окрашивание колонии клеток, содержащих немодифицированную плазмиду pUC19).
5. Выращивание измененных клеток в целые трансгенные организмы. Синтез определенного белка — продукта введенного гена.
Первый, второй и третий из перечисленных этапов представляют собой последовательное создание рекомбинантной ДНК, четвертый и пятый — трансгеноз и выявление трансгенного организма.
После введения в реципиентную клетку фрагмента чужеродной ДНК происходит ее клонирование с целью получения большого числа копий или начинается синтез продукта, закодированного во введенном гене. Чаще всего эти процессы осуществляются в бактериальных клетках. Поэтому клонирование прокариотической ДНК в клетках прокариот не вызывает осложнений. Клонирование эукариотической ДНК требует дополнительных методических приемов, так как существуют различия в строении генома у прокариот и эукариот. У прокариот кодирующие домены структурных генов непрерывны, а у эукариот кодирующие области (экзоны) разделены некодирующими (нитронами). Прокариоты не способны удалять интроны из первичных РНК-транскриптов, поэтому правильная трансляция эукариотических мРНК в бактериальных клетках невозможна. Для удаления интронов из эукариотической ДНК был предложен метод синтеза ДНК-копии (кДНК) на мРНК.