- •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
Вопросы для самоконтроля
1. В чем заключается преимущество селекции с использованием генетической инженерии по сравнению с традиционной при одинаковой конечной цели – получении новых сортов?
2. Дайте характеристику методу индуцированного мутагенеза с последующим отбором подходящих штаммов микроорганизмов.
3. В чем заключается метод отбора продуцентов по их устойчивости к структурным аналогам целевого продукта?
4. Что такое генетическая инженерия? Перечислите ее основные этапы.
5. Дайте характеристику основным ферментам генетической инженерии.
6. Почему рестриктазы I и III типов практически не используются в генной инженерии?
7. Что такое вектор и каковы основные типы векторов?
8. Какие существуют методы проверки истинности трансгенных организмов?
9. Каковы возможности клеточной инженерии?
10. Что такое соматическая гибридизация? Каковы особенности получения и культивирования изолированных протопластов?
11. Что такое тотипотентность?
12. Какова роль гормонов в клональном микроразмножении растений?
13. Что такое гибридомная технология?
14. Перечислите основные этапы получения гибридом на основе миеломных клеток и иммунных лимфоцитов?
10. Культивирование биологических объектов
Ключевым направлением биотехнологии является интенсификация производственных процессов. Этого можно достичь как путем использования новых высокопродуктивных биообъектов, так и путем применения эффективных технологических режимов. Необходимо подобрать оптимальный субстрат, разработать конструкцию аппарата, оптимизировать условия культивирования биообъекта, обеспечить автоматический контроль за протеканием процесса, разработать способ выделения и очистки готового целевого продукта.
Принципы действия и конструкции биореакторов
Биореактор – это система, имеющая ограничивающую поверхность, в которой протекают биохимические реакции.
Промышленный биореактор – это емкость, в которой осуществляются рост микроорганизмов и/или различные химические превращения.
Однако существуют принципы, общие по форме, но различающиеся по практической реализации:
1) принцип масштабирования – поэтапное увеличение объема аппаратов;
2) принцип однородности физико-химических условий – температуры, рН, концентрации растворенных веществ (кислород и др. газы) во всем объеме аппарата.
Для биотехнологических процессов характерны следующие этапы:
1) загрузка субстратов для реакций синтеза;
2) превращения субстратов;
3) отделение и очистка целевого продукта.
Биотехнологические процессы имеют свою специфику – в них участвуют живые клетки, субклеточные структуры или выделенные из клеток ферменты и их комплексы. Это оказывает влияние на процессы массопередачи – обмена веществом между различными фазами (например, перенос кислорода из газовой фазы в жидкую) и теплообмена – перераспределения тепловой энергии между взаимодействующими фазами. Именно поэтому важной составной частью биореактора является система перемешивания, служащая для обеспечения однородности условий в аппарате.
Многие биотехнологические процессы являются аэробными. Для аэрации культуральной среды используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, реже чистый кислород. В ходе метаболизма выделяются газообразные продукты (например, СО2), которые подлежат удалению. Анаэробные процессы зависят от газообразных субстратов или требуют отвода газообразных продуктов жизнедеятельности. Для этого существуютсистемы газоснабжения и газоотвода, примером которых служат аэраторы. Очень часто потребность в кислороде меняется по мере развития культуры. Аэратор должен вовремя реагировать на эти изменения, увеличивая или уменьшая подачу кислорода.
Теплообмен является важной составной частью процессов, протекающих в биореакторе, т.к. жизнедеятельность и метаболическая активность биообъекта в существенной мере зависят от температуры. Узкий диапазон температур, оптимальный для биотехнологического процесса, определяется:
- резким спадом активности ферментов по мере снижения температуры;
- необратимой денатурацией биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) при повышении температуры до определенного уровня.
Большинство процессов протекает при температурах 30-50°С (мезофильные условия). В этом случае для поддержания оптимума температуры специальный подогрев используют в редких случаях. Однако для удаления избыточной теплоты, выделяемой в процессе жизнедеятельности культивируемых клеток, в биореакторе должна быть система теплообмена. Эта система должна чутко реагировать на изменения теплопродукции, происходящие в ходе культивирования биообъекта, поддерживать температуру на постоянном уровне (режим термостатирования) или контролировать ее изменения по заданной программе.
Серьезной проблемой для аэрируемых биотехнологических процессов является вспенивание культуральной среды – образование на ее поверхности слоя из пузырей. Пенообразование связано с наличием в среде поверхностно-активных веществ (продукты распада жиров – мыла, белки). Пенный слой поверх среды культивирования в биореакторе имеет двоякое значение. Пена способствует росту многих аэробных микроорганизмов. В пенном слое – «кислородном коктейле» - наибольший прирост дают дрожжи. Внедряясь в границу раздела вода/воздух, пенообразующие ПАВ стимулируют массопередачу между этими фазами, снижая затраты на перемешивание и аэрацию. Однако нежелательные последствия вызывает избыточное пенообразование. Оно ведет к сокращению полезного объема биореактора, создает угрозу заражения культуры посторонней микрофлорой. Поэтому система пеногашения– необходимая составная часть реактора.
Система стерилизациипредставляет собой специфический элемент биореактора. Устранение посторонней микрофлоры из реактора до введения в него штамма-продуцента, поддержание чистоты культуры на всем протяжении биотехнологического процесса, надежная стерилизация питательных сред, добавочных компонентов, титрантов, пеногасителей, подаваемого в биореактор воздуха – принцип асептики биотехнологического производства.
В последнее время в биотехнологии стали применять принцип дифференцированных режимов культивирования: разные этапы одного процесса осуществляют при различных условиях, варьируя такие параметры, как температура, рН среды и др.
Таким образом, в соответствии с основными принципами реализации биотехнологических процессов современный биореактор должен обладать следующими системами:
1) эффективного перемешивания и гомогенизации питательной среды;
2) обеспечения доступа и быстрой диффузии газообразных агентов (система аэрации среды);
3) теплообмена;
4) пеногашения;
5) стерилизации сред, аппаратуры и воздуха;
6) контроля и регулировки процесса.
Как сложные многопараметровые аппараты, биореакторы могут быть классифицированы по ряду критериев:
1) по размеру и целевому назначению:
- лабораторные;
- опытно-промышленные (пилотные);
- промышленные;
2) по режиму работы:
- периодические;
- периодический режим с доливом субстрата;
- полупериодические;
- непрервно-проточные.
3) по условиям культивирования:
- аэробные и анаэробные;
- мезофильные и термофильные;
- для поверхностного и глубинного культивирования;
- аппараты для жидких питательных сред, твердофазные и газофазные.