Теоретические основы биотехнологии. Учебно-методическое пособие

Федеральное агентство по образованию Казанский государственный технологический университет

А.С. Сироткин, В.Б. Жукова

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Учебно-методическое пособие

Казань

КГТУ

2010

3

Введение

В настоящий момент вряд ли у кого-нибудь может возникнуть сомнение в том, что современная биология представляет собой наиболее разнообразную область естественных наук.

Действительно, она включает казалось бы совершенно не связанные между собой разделы научных знаний: микробиологию,

анатомию растений и животных, биохимию, иммунологию,

клеточную биологию, физиологию растений и животных,

различные систематики, экологию, генетику, биофизику,

математику и много других областей естествознания.

Именно существенные успехи в фундаментальных исследованиях в области биохимии, молекулярной генетики и молекулярной биологии, достигнутые во второй половине текущего столетия, создали реальные предпосылки управления различными

(пусть, возможно и не самыми главными) механизмами жизнедеятельности клетки. Сложившаяся благоприятная ситуация в биологии явилась мощным толчком в развитии современной биотехнологии, весьма важной области практического приложения результатов фундаментальных наук.

Можно с уверенностью утверждать, что биотехнология является наиболее разительным примером того, как результаты,

казалось бы "чистой науки", находят применение в практической деятельности человека.

Основой, обеспечивающей благоприятную ситуацию для бурного развития биотехнологии, явились революционизирующие открытия и разработки:

4

• доказательства роли нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации в биологических системах

(имеются в виду индивидуальные клетки и отдельные организмы, а

не их популяции);

•расшифровка универсального для всех живых организмов генетического кода;

•раскрытие механизмов регуляции функционирования генов в процессе жизни одного поколения организмов;

•совершенствование существовавших и разработка новых технологий культивирования микроорганизмов, клеток растений и животных;

•как логическое следствие из вышесказанного, явилось создание (возникновение) и бурное развитие методов генетической

иклеточной инженерии, с помощью которых искусственно создаются новые высокопродуктивные формы организмов,

пригодные для использования в промышленных масштабах.

Все эти достижения вывели биотехнологию на новый уровень ее развития, позволяющий сознательно и целенаправленно управлять сложными клеточными процессами. Данная новая область биологических знаний и ее последние достижения стали крайне важными для здоровья и благополучия человека.

5

Тема 1. Асептика в биотехнологических процессах

Стерилизация оборудования, питательных сред и воздуха

Асептика (от греческого a – не, нет, sepsis – гниение) – это комплекс мероприятий, направленных на предотвращение попадания в среду (объект) посторонних микроорганизмов,

включая болезнетворные (патогенные). Следовательно, асептика в биотехнологии и в медицине, например, в хирургической практике

– это не одно и то же понятие. В биотехнологических процессах предполагается использование какого-либо биообъекта (в том числе микробного) и полное исключение попадания других микроорганизмов, являющихся посторонними. Каждый из материальных потоков в биотехнологических процессах – потенциальный источник микробов-контаминантов (от латинского contamination – загрязнение). В медицине стремятся исключить любую возможность попадания патогенных микробов и микробов-

контаминантов на операционное поле или рану.

Асептика может включать влажную уборку помещений,

обработку их ультрафиолетовыми лучами, антисептическими средствами, использование стерильных инструментов, сред,

технологической одежды, подачу стерильного воздуха (столы с ламинарным потоком стерильного воздуха в специальных асептических помещениях (микробиологических боксах),

поступление в ферментатор стерильного воздуха через барботёр (от фрацузского barbotage – перемешивание) и пр.

6

Следовательно, комплекс мер, обеспечивающих асептику биотехнологических процессов включает: механическую,

физическую и химическую защиту биообъекта и среды его обитания, а при необходимости и конечный продукт. К

механической защите относятся: удаление механических примесей

(например, из воздуха) герметизация оборудования, изоляция узлов и соединений; к физической – обработка воздуха и поверхностей приборов ультрафиолетовыми лучами, кипячение, стерилизация паром под давлением, обработка ультразвуком; к химической –

обработка поверхностей химическими антисептиками.

Элементы асептики в биотехнологии

Стерилизация – обеспложивание, т.е. полное уничтожение вегетативных форм микроорганизмов и их спор в различных материалах. Стерилизацию проводят физическими и химическими методами.

К физическим методам относятся:

1)воздействие высокой температуры;

2)ультрафиолетовое облучение;

3)стерилизующая фильтрация.

I. Физические методы стерилизации

1. Прокаливание в пламени спиртовки или газовой горелки.

Данный способ применяется ограниченно, например, для стерилизации бактериологических петель, препаровальных игл,

пинцетов и других сопутствующих материалов.

7

2. Стерилизация кипячением. Этим методом стерилизуют мелкий инструментарий, предметные и покровные стекла и некоторые другие предметы. Их помещают в стерилизаторы, в

которые наливают воду. Для устранения жесткости и повышения температуры кипения к воде добавляют 1-2 % раствор бикарбоната натрия. Кипячение производят не менее 30 минут. Однако данный метод не обеспечивает полной стерилизации, так как некоторые вирусы (например, вирус гепатита) и споры бактерий могут остаться жизнеспособными.

3. Стерилизация сухим жаром или суховоздушная стерилизация в сушильном шкафу (в печи Пастера). Метод основан на бактерицидном действии нагретого до 165-180 оС воздуха. При более высокой температуре происходит обугливание ватных пробок, бумаги, в которую завернута посуда, а при более низкой температуре требуется большее время стерилизации. Сухим жаром стерилизуют стеклянную посуду: чашки Петри, пробирки, пипетки и др.

4. Стерилизация паром под давлением в автоклаве. Один из наиболее эффективных методов стерилизации, который широко применяется в микробиологической практике. Работа с автоклавом требует точного выполнения специальной инструкции и соблюдения правил безопасности. Многие питательные среды и материалы стерилизуют при давлении 1 атм в течение 10-20 минут,

питательные среды с углеводами – при 0,5 атм в течение 15 минут,

а обеззараживание инфицированного материала производят при

1,5-2 атм в течение 20-25 минут (табл. 1.1).

8

Таблица 1.1 – Соотношение между давлением, температурой и

продолжительностью стерилизации в автоклаве

5. Стерилизация текучим паром в аппарате Коха или в автоклаве. Данный вид стерилизации (с незавинченной крышкой автоклава и с открытым выпускным краном) основан на антибактериальном действии пара в отношении вегетативных клеток. Он применяется в тех случаях, когда стерилизуемый материал не выдерживает высокой температуры, например,

питательные среды с витаминами, углеводами.

6. Дробная стерилизация. Применяется для стерилизации легко разрушающихся при высокой температуре веществ

(сыворотка крови, витамины и др.). Обеспечивает полное обеспложивание питательных сред и других материалов при 100 оС

(или 80-90 оС) в течение 20-30 минут 3 дня подряд. При этом вегетативные клетки погибают, а споры сохраняются и за сутки прорастают. Последующее двукратное прогревание обеспечивает достаточно надежную стерильность материала. К процессам дробной стерилизации относится тиндализация, предполагающая термическую обработку материалов при 56-58 оС в течение 1 часа

5-6 дней подряд.

9

7. Пастеризация. Данный метод основан на антибактериальном действии температуры в отношении вегетативных клеток, но не бактериальных спор. Нагревание материала производится при температуре 50-65 оС в течение 15-30

минут или 70-80 оС в течение 5-10 минут с последующим быстрым охлаждением. Обычно пастеризуют напитки и пищевые продукты

(вино, пиво, соки, молоко и др.).

8. Стерилизация ультрафиолетовыми лучами. Для полной или частичной стерилизации применяют ультрафиолетовые,

рентгеновские и γ-лучи. В спектре ультрафиолетовых ламп преобладает излучение в области 260 нм, поглощаемое, главным образом, нуклеиновыми кислотами и при достаточно долгом воздействии вызывающее гибель всех бактерий. В спектре ртутной лампы максимальное стерилизационное действие оказывает сильная полоса испускания 254 нм (рис. 1.1).

Длина волны

Рис. 1.1 – Воздействие УФ лучей на микроорганизмы

10