- •1. Введение
- •1. Допастеровская эра (до 1865 г.).
- •2. Послепастеровская эра (1866 – 1940 гг.).
- •3. Эра антибиотиков (1941-1960 гг.).
- •4. Эра управляемого биосинтеза (1961 – 1975 гг.).
- •5. Эра новой биотехнологии (после 1975 г.).
- •Вопросы для самоконтроля
- •2. Живая клетка – основа биологических систем
- •Эндоплазматический ретикулум (эр)
- •Аппарат Гольджи
- •Цитоплазматический матрикс
- •Клеточные органеллы
- •Хлоропласты
- •Клеточная стенка
- •3. Общая характеристика организмов – объектов биотехнологии
- •Эукариоты. Водоросли
- •Принципы подбора биотехнологических объектов
- •Вопросы для самоконтроля
- •4. Основы генетики микроорганизмов
- •Репликация
- •Синтез белка
- •Регуляция генной активности
- •Изменчивость
- •Генетическая рекомбинация
- •Плазмиды
- •Вопросы для самоконтроля
- •5. Метаболизм и принципы его регуляции
- •Анаболизм и катаболизм
- •Углеводы как источник энергии
- •Анаэробное дыхание
- •Брожение
- •Молочнокислое брожение
- •Спиртовое брожение
- •Маслянокислое брожение
- •Аминокислоты как источник энергии
- •Липиды как источники энергии
- •Двууглеродные соединения как источники энергии
- •Рост микроорганизмов на углеводных средах, спиртах, органических кислотах, углеводородах, с1-соединениях
- •Вопросы для самоконтроля
- •6. Ассимиляция у автотрофных и гетеротрофных организмов
- •Биосинтез углеводов
- •Поглощение света и возбуждение пигментов.
- •Биосинтез нуклеиновых кислот
- •Синтез пуриновых нуклеотидов:
- •Регуляция метаболизма
- •Первичные метаболиты
- •Производство аминокислот.
- •Производство органических кислот.
- •Производство спиртов.
- •Производство витаминов.
- •Вторичные метаболиты
- •Антибиотики.
- •Вопросы для самоконтроля
- •7. Питание микроорганизмов
- •Механизм поступления веществ в клетку
- •1) Пассивная диффузия.
- •4) Перенос (транслокация) групп.
- •1.Фотолитотрофия.
- •2. Фотоорганотрофия.
- •3. Хемолитотрофия.
- •4. Хемоорганотрофия.
- •Потребности микроорганизмов в дополнительных питательных веществах
- •Минеральные элементы.
- •Ростовые вещества.
- •Вопросы для самоконтроля
- •8. Рост, размножение и культивирование микроорганизмов
- •Рост бактериальной клетки
- •Размножение бактерий
- •Размножение бактериальной популяции
- •Непрерывные культуры
- •Синхронные культуры
- •Вопросы для самоконтроля
- •9. Подготовка биологических объектов для биотехнологического процесса
- •Гибридизация микроорганизмов
- •1. Получение генов.
- •2. Введение гена в вектор.
- •3. Перенос генов в клетки организма-реципиента.
- •4. Идентификация клеток-реципиентов, которые приобрели желаемый ген (гены).
- •Генетическая инженерия и конструирование новых организмов
- •Улучшение продуцентов, используемых в производстве, методами генетической инженерии
- •Клеточная инженерия
- •Получение гибридных клеток
- •Возможности клеточной инженерии
- •Культуры тканей и клеток высших растений
- •Культуры клеток животных и человека
- •Трансплантация эмбрионов
- •Гибридомная технология
- •Вопросы для самоконтроля
- •10. Культивирование биологических объектов
- •Принципы действия и конструкции биореакторов
- •Системы перемешивания и аэрации
- •1. Аппараты с механическим перемешиванием.
- •2. Аппараты с пневматическим перемешиванием.
- •3. Аппараты с циркуляционным перемешиванием.
- •Лабораторные, пилотные и промышленные биореакторы: проблемы масштабирования
- •Биотехнологические процессы и аппараты периодического и непрерывного действия
- •Периодические процессы.
- •Специализированные типы биотехнологических процессов и аппаратов Анаэробные процессы.
- •Твердофазные и газофазные процессы.
- •Поверхностные процессы.
- •Вопросы для самоконтроля
- •11. Словарь терминов
- •12.Список использованной литературы
4. Идентификация клеток-реципиентов, которые приобрели желаемый ген (гены).
После трансформации, конъюгации или трансфекции необходимо идентифицировать клетки, несущие ген-мишень. Успех генноинженерного проекта зависит от эффективности использованного метода отбора, т.к. после трансплантации генов только небольшая часть клеток содержит необходимый ген. Отбор клеток проводят в две стадии.
Первая стадия: отбор клеток, несущих соответствующий вектор. Отбор проводится по генетическим маркерам, которыми помечен вектор. Например, детерминанты устойчивости к антибиотикам на векторе позволяют обогатить бактериальную популяцию клетками, содержащими этот вектор, при их высеве на среду с антибиотиком.
Вторая стадия: поиск клеток, несущих не только вектор, но и ген-мишень. Для этого используют две группы методов.
1. Методы, основанные на непосредственном анализе ДНК клеток-реципиентов:
- определение нуклеотидной последовательности ДНК: из клеток, предположительно содержащих искомый ген, выделяют ДНК вектора, в которой проводится поиск участков, несущих этот ген; затем проводят секвенирование части нуклеотидной последовательности гена;
- гибридизация выделенной из клеток ДНК с зондом, который может быть или интересующим геном, или соответствующей ему мРНК. Предварительно изолированную ДНК переводят в одноцепочечное состояние и вводят ее во взаимодействие с одноцепочечным ДНК- (или РНК-) зондом. Далее определяют присутствие двуцепочечных гибридных молекул ДНК.
2. Методы, основанные на идентификации признака, кодируемого геном:
- непосредственный отбор клеток, синтезирующих белок – продукт транскрипции и трансляции гена-мишени, или клеток, образующих соединение, в синтезе которого участвуют ферменты, кодируемые геном;
- использование селективных сред, поддерживающих рост только тех клеток, которые получили ген-мишень;
- иммунологическая детекция применяется, если искомый ген в составе рекомбинантной ДНК транскрибируется и транслируется, но никак не влияет на фенотип организма.
Генетическая инженерия и конструирование новых организмов
С помощью методов генетической инженерии можно конструировать по определенному плану новые формы микроорганизмов, способных синтезировать самые различные продукты (в т.ч. растительного и животного происхождения). Микроорганизмы обладают высокой скоростью роста и продуктивностью, способностью к утилизации разнообразных видов сырья.
Однако при конструировании новых микроорганизмов-продуцентов возникают определенные проблемы:
1. Продукты генов растительного, животного и человеческого происхождения попадают в чужую для них внутриклеточную среду, где они подвергаются разрушению протеазами. Например, пептиды типа соматостатина гидролизуются за несколько минут. Для защиты генноинженерных белков в микробной клетке применяют следующее:
- используют ингибиторы протеаз;
- получают интересующий пептид в составе гибридной белковой молекулы, для этого ген пептида сшивают с природным геном организма-реципиента;
- осуществляют амплификацию (увеличение числа копий) генов.
2. В большинстве случаев продукт трансплантированного гена не высвобождается в культуральную среду и накапливается внутри клетки, что существенно затрудняет его выделение. Например, получение инсулина с помощью E.coliпредполагает разрушение клеток и последующую очистку инсулина. Необходимо отметить, что E.coli экскретирует сравнительно мало белков. Кроме того, ее клеточная стенка содержит токсическое вещество, которое необходимо тщательно отделять от продуктов, используемых в фармакологических целях. В настоящее время более перспективными объектами генетической инженерии являются грамположительные бактерии родовBacillus, Staphylococcus, Streptomyces, а также эукариотические организмы, например дрожжи.
3. Большинство наследственных признаков кодируется несколькими генами, поэтому генноинженерная разработка должна включать стадии последовательной трансплантации каждого из генов. В некоторых случаях возможна не последовательная, а одновременная трансплантация целых блоков генов с помощью одной плазмиды.
К настоящему времени генетическая инженерия освоила все царства живого. Удобными, хорошо изученными и промышленно ценными объектами генетической инженерии являются дрожжи, представители родов Saccharomyces(винные, пекарские, пивные дрожжи),Zymomonas(для получения этанола),Candida, Pichiaи др. (для получения биомассы и микробного белка).
Основные направления развития генетической инженерии растений включают:
- обогащение культурных растений дополнительными запасными веществами с помощью генов, взятых от других растений;
- повышение эффективности фотосинтеза растений на основе генов рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы, хлорофилл a/b-связывающих белков и т.д.
- изменение азотного метаболизма;
- придание устойчивости к гербицидам, засолению почв, повышенной и пониженной температурам и др. неблагоприятным факторам внешней среды.
Однако генноинженерные манипуляции с растениями могут приводить не только к ожидаемым результатам. Например, устойчивость к гербицидам, обусловленная трансплантацией одного гена, может вызвать серьезные проблемы в севооборотах: культивируемое на определенной посевной площади устойчивое к гербицидам растение будет на следующий год выступать по отношению к сменяющей его сельскохозяйственной культуре как сорняк, против которого бессильны гербициды. Другая угроза – биохимические изменения, вызванные генетическими модификациями, могут привести к утрате растениями пищевой или кормовой ценности и даже приобретению ими токсичности. Эта проблема присуща не только генетической инженерии, но и традиционным методам селекции.
С помощью генноинженерных манипуляций с животными были клонированы гены ß-глобина мышей, тирозиновой тРНК E.coli,тимидинкиназы, ß-интерферона человека в клетках насекомых и млекопитающих.
В генетической инженерии растений, животных и человека пока не достигнуто тканеспецифического выражения генов. Иначе можно было бы лечить сахарный диабет путем введения в человеческий организм вектора с геном инсулина, который будет направлять синтез инсулина только в клетках островков Лангерганса поджелудочной железы.
Применение методов генетической инженерии в животноводстве является перспективным для изменения ряда свойств организма: повышение продуктивности, резистентности к заболеваниям, увеличение скорости роста, улучшение качества продукции и др.