Биотехнология. Учебно-методическое пособие для проведения лабораторных занятий

ББК 28.087я73 П28

Рецензенты:

кандидат биологических наук, доцент А. А. Лештаев (ФГБОУ ВО «Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого»)

Песцов, Г. В.

П28 Биотехнология: Учеб.-метод. пособие для проведения лабораторных занятий [Электронный ресурс] / Г. В. Песцов, Н. Н. Жуков. – Электрон. дан. – Тула: Тул. гос. пед. ун-т им. Л. Н. Толстого, 2021. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Минимальные систем. требования: Intel Celeron 1700 Mhz и выше, 128 Мб RAM, 300 Мб на винчестере, ОС Microsoft Windows 7 и выше; дисковод CD-ROM 2x и выше, SVGA 64 Mb; мышь. – Загл. с этикетки диска. – ISBN 978-5-6045162-5-6.

Учебно-методическое пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям подготовки 44.03.05 Педагогическое образование (профили «Биология», «Химия»), 35.03.04 «Агрономия», 06.03.01 «Биология». Пособие включает лабораторные занятия по биотехнологии, которые закрепляют теоретические знания по данной дисциплине, а также генетике, биохимии, физиологии, микробиологии, что является основой для воспроизводства биотехнологических процессов и получения новых продуктов.

ББК 28.087я73

2

3

Предисловие

Биотехнология – это наука о технологиях создания и использования биологических объектов и получению новых видов продуктов различного назначения для удовлетворения потребностей человека. Биотехнологические производства представляют собой сложный комплекс биофизических, биохимических, физико-химических процессов, в котором тесно взаимосвязаны биология и производство.

Биотехнология в настоящее время является одним из приоритетных научных направлений. Благодаря достижениям этой науки на рынке появляются новые продукты, материалы, медицинские препараты, биологически активные вещества, которые способствуют увеличению продолжительности и качества жизни людей.

Быстрое развитие биотехнологии обусловлено интенсивным развитием как биологии в целом, так и микробиологии, энзимолгии, вирусологии, молекулярной биологии и молекулярной генетики. Успехи этой науки обосновывают выделение больших средств на разработку новых методов исследования и создание современных биотехнологических производств. Все это позволило объединить различные прикладные направления в единую фундаментальную науку о практическом использовании особенностей различных биологических объектов и систем на благо человека. Например, микроорганизмы стали основой для производства целого ряда полезных продуктов (органических кислот, этанола, ферментов, гормонов, витаминов, антибиотиков, биопрепаратов, физиологически активных веществ и т. п.). Культивируемые в условиях in vitro растительные и животные клетки нашли применение в сельском хозяйстве, для размножения ценных генотипов растений, получения высокопродуктивных пород животных, сельскохозяйственных культур, устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды, пестицидам, вредителям и болезням. В биологической промышленности используются ранообразные биомолекулы, а также иммобилизованные фермерменты, что позволило решить много технологических про-

4

блем. Важное направление современной биотехнологии это генетическая инженерия. Благодаря развитию этого научного направления появилась исключительная возможность изменения генетической программы многих организмов, и, уже сейчас, это направление исследований приносит большие научные и практические результаты.

Биотехнология является одним из важных направлений научнотехнического прогресса. Она уже внесла большой вклад в обеспечение продовольствием растущего населения нашей планеты, улучшение состояние медицины и ветеринарии, в создание новых видов топлива, технологии переработки возобновляемого сырья и защиты окружающей среды.

Назначение учебного пособия – выработать у студентов навыки работы с различными группами организмов, уметь создавать условия для их нормального развития и размножения микроорганизмов и растительных тканей in vitro.

5

БИОТЕХНОЛОГИЯ

На лабораторно-практических занятиях проводится изучение подготовленных учебных материалов, теоретические сведения о которых были получены студентами в лекционном курсе. Студенты, работая с живыми и фиксированными объектами, образцами тканей и клеток, чистыми культурами микроорганизмов, биологически активными веществами, используя различные приборы, инструменты, реактивы, должны уметь:

–применять знания теоретического курса в практических целях;

–уметь выделять микроорганизмы в чистую культуру;

–выбирать и применять различные микробиологические методы для изучения биологических особенностей микроорганизмов;

–работать с оптическими приборами и другим лабораторным оборудованием, готовить питательные среды и применять микробиологическую технику для культивирования микроорганизмов;

–обрабатывать полученные результаты.

Число используемых процессов микробиологического синтеза достаточно велико. В зависимости от вида процесса, применяемого сырья и культуры микроорганизмов используется различное оборудование. Так, проведение анаэробных биотехнологических процессов (производство этанола, органических кислот и др.) не требует подачи воздуха в аппарат, обычно не надо интенсивно перемешивать среду, а в ряде случаев отпадает необходимость соблюдать асептические условия культивирования (культивирование дрожжей).

Для осуществления аэробных процессов производства биологически активных веществ (антибиотиков, аминокислот, ферментов, антигенов, биопрепаратов), напротив, необходимо обеспечить аэрацию и перемешивание культуральной жидкости, соблюдать строго асептические условия, решать другие сложные вопросы. Поэтому возникает необходимость стерилизовать поступающий на участок и в аппаратуру воздух, помещения и приборы.

6

Чтобы процесс культивирования микроорганизмов проходил продуктивно, необходимо соблюдать следующие правила:

–обеспечить подвод кислорода к клеткам и отвод образующегося диоксида углерода из культуральной жидкости (для аэробов);

–интенсивно перемешивать культуральную жидкость для ее гомогенизации, обеспечения доступа жидких и газообразных субстратов ко всем клеткам;

–осуществлятьстерилизациюбиореактора исвязанныхснимкоммуникаций;

–обеспечить асептические условия проведения процесса культивирования;

–осуществлять контроль за ходом культивирования.

Трубопроводы, проводимые к биореакторам и другим аппаратам, с которыми они технологически связаны, должны располагаться системно и обеспечивать возможность их раздельной стерилизации. Конструктивное оформление биореактора определяется также выбранным способом отвода тепла. Известно, что в зависимости от природы микроорганизма и стадии его развития изменяется количество выделяемого тепла. Выбор типа и конструкции биореактора зависит от пенообразующего свойства питательной среды и способа пеногашения. Значение процесса аэрации культуральной жидкости заключается в доставке молекулярного кислорода к клеткам и десорбции газообразных продуктов метаболизма (СО2 и др.). Процесс аэрации неизбежно сопровождается перемешиванием культуральной жидкости. Однако этот процесс неизбежно связан с механическим воздействием на клетки. Последствия этого воздействия могут быть благоприятными, если наблюдается разрушение конгломератов (гранул) клеток, и вредными, если наблюдается разрушение или повреждение клеток.

7

Лабораторная работа 1 ОБОРУДОВАНИЕ, МЕТОДЫ И ПРАВИЛА

РАБОТЫ В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Цель работы: ознакомиться с правилами работы и основным оборудованием биотехнологической лаборатории.

Правила работы в биотехнологической лаборатории

1.В лабораторию запрещается входить в верхней одежде, класть на стол сумки, портфели, личные вещи.

2.Вбиотехнологическойлаборатории разрешается работать только в халатах.

3.Рабочее место должно содержаться в полном порядке.

4.Все изучаемые образцы обязательно этикетируются: на пробирках, чашках Петри пишется название микроорганизма, дата посева, фамилия студента, номер группы.

5.В ходе работы петлички и препаровальные иглы обеззараживаются прокаливанием в пламени горелки. Использованные шпатели, предметные и покровные стекла, пипетки помещаются в банки с дезинфицирующим раствором.

6.В лаборатории категорически запрещается принимать пищу. Не допускаются лишние хождения, резкие движения, посторонние разговоры.

7.После окончания исследования рабочее место дезинфицируется, использованный материал и другие предметы сдаются лаборанту, руки моются с мылом.

8.Результаты исследования обязательно протоколируются. Записывается тема занятия, поставленная задача, краткое описание хода работы. При микроскопическом исследовании препаратов микроорганизмов результаты заносятся

впротокол в виде рисунка с полным названием объекта по латыни.

9.На каждое занятие в группе назначаются дежурные.

Работать в лаборатории необходимо в халате, защищая одежду и кожу от попадания и разъедания реактивами и обсемененности микроорганизмами. К выполнению каждой лабораторной работы можно приступить только после получения инструктажа по технике безопасности и разрешения преподавателя.

8

Приступая к работе, необходимо: осознать методику работы, правила ее безопасного выполнения; проверить соответствие взятых веществ тем веществам, которые указаны в методике работы. Опыт необходимо проводить в точном соответствии с его описанием в методических указаниях, особенно придерживаться очередности добавления реактивов.

Для выполнения опыта пользоваться только чистой сухой лабораторной посудой. Если в ходе опыта требуется нагревание реакционной смеси, надо следовать предусмотренным методическим указаниям способа нагрева: на водяной бане, на электроплитке.

По окончании работы следует привести в порядок свое рабочее место: помыть посуду, протереть поверхность рабочего лабораторного стола, закрыть водопроводные краны, выключить электрические приборы кой, не вымыв ее, брать реактив с другой емкости. При наливании реактивов нельзя наклоняться над сосудом, предотвращая попадания брызг на лицо или одежду. Нельзя держать банку или стакан с реактивом, которую нужно открыть, в руках, ее надо поставить на лабораторный стол и только после этого открывать. Размешивать реакционную смесь в сосуде стеклянной палочкой или шпателем надо осторожно, не допуская разлома сосуда. Держать сосуд при этом необходимо за ее горловину. При закрывании толстостенной посуды пробкой следует держать посуду за верхнюю часть горловины. Нагретый сосуд нельзя закрывать притертой пробкой, пока он не охладится. В случае пореза стеклом нужно сначала внимательно осмотреть рану и извлечь из нее осколки стекла, если они есть, а затем обмыть раненное место 3 % раствором перекиси водорода, смазать йодом и завязать бинтом или заклеить лейкопластырем. Работа с электроприборами. Химические лаборатории (включая биохимические и микробиологические) согласно степени опасности поражения электрическим током относятся к помещениям с повышенной или особой опасностью, которая обусловлена возможностью воздействия на электрооборудование химически активных сред. Все работы, связанные с применением электроприборов, должны проходить под наблюдением преподавателя (лаборанта). При работе с водяной баней нель-

9

зя пробовать степень нагрева воды рукой. При неисправности в работе электроприбора (например, подсветке в микроскопе) необходимо обратиться к преподавателю. Чинить самостоятельно приборы запрещается. В опытах с нагревом необходимо пользоваться посудой, которая имеет соответствующую маркировку.

Особо следует учитывать правила работы с биообъектами: работу с биологическим материалом проводить только инструментами; при случайном попадании биологического материала (особенно микроорганизмов) на стол руки нужно провести обработку дезинфекционным раствором (например, спиртом); после работы необходимо тщательно вымыть руки с использованием дезинфекционных средств (детергентов).

Аппаратура

Сушильный шкаф используют для стерилизации сухим жаром посуды и инструментов. Термостат поддерживает постоянную заданную положительную температуру, необходимую для выделения и культивирования на питательных средах фитопатогенных микроорганизмов. Автоклав используют для стерилизации питательных сред, посуды и инструментов насыщенным паром под давлением. Аппарат Коха применяют для стерилизации питательных сред текучим паром. Микробиологический бокс необходим для создания стерильных условий при работе с культурами микроорганизмов и высших растений. Центрифуга применяется для осаждения частиц, находящихся в жидкости во взвешенном состоянии. На водяной бане разогревают питательные среды.

Инструменты и материалы

Для проведения биотехнологических работ необходимы микробиологические петлички, препаровальные иглы, скальпели, пинцеты, бритвы, ножницы, капельницы, газовые или спиртовые горелки, предметные и покровные стекла, пипетки, специальная посуда – пробирки, колбы, чашки Петри, керамические или пластмассовые растильни, фильтры, компоненты для питательных сред, стерилизующие растворы, красители и др.

Для проведения микроскопического анализа необходимо иметь соответствующие оптические приборы, оборудование, посуду, инструменты и учебный материал.

10