Биосистема, объекты и методы в биотехнологии

1. Кафедра микробиологии 3 курс факультета ветеринарной медицины Дисциплина «Ветеринарная биотехнология»

Тема: Биосистема, объекты и методы в
биотехнологии

2.

Одним из терминов в биотехнологии
является
понятие
«биосистемы».
Обобщенные характеристики биологической
(живой) системы могут быть сведены к
трем присущим им основным признакам:

3.

1.
Живые
системы
являются
гетерогенными
открытыми
системами,
которыми обмениваются с окружающей
средой веществами и энергией.

4.

2.
Эти
системы
являются
самоуправляемыми, саморегулирующими,
идактивными, т.е. способными к обмену
информацией с окружающей средой для
поддержания своей структуры и управления
процессами метаболизма.

5.

3.
Живые
системы
самовоспроизводящимися
организмы).
являются
(клетки,

6.

По структуре биосистемы делятся на
элементы (подсистемы), связанные между
собой,
и
характеризуются
сложной
организацией (атомы, молекулы, органеллы,
клетки, организмы, популяции, сообщества).

7.

Управление в клетке представляет собой
сочетание процессов синтеза молекул белковферментов, необходимых для осуществления
той или иной функции, и непрерывных
процессов изменения активности в ходе
взаимодействия триплетных кодов ДНК в ядре
и макромолекул в рибосомах. Усиление и
торможение
ферментативной
активности
происходит в зависимости от количества
начальных
и
конечных
продуктов
соответствующих биохимических реакций.
Благодаря
этой
сложной
организации
биосистемы отличаются от всех неживых
объектов.

8.

Н.М. Амосов делит все биосистемы на
пять иерархических уровней сложности:
одноклеточные организмы, многоклеточные
организмы, популяции, биогеоценоз и
биосферу.

9.

Одноклеточные организмы – это бактерии и
простейшие. Функции одноклеточных – обмен
веществом и энергией со средой, рост и деление,
реакции на внешние раздражители в виде
изменения обмена и формы движения. Все функции
одноклеточных
поддерживаются
за
счет
биохимических процессов ферментативной природы
и за счет энергетического обмена – начиная от
способа получения энергии и до синтеза новых
структур
или
расщепления
существующих.
Единственным
механизмом
одноклеточных,
обеспечивающим их приспособление к окружающей
среде, является механизм изменений в отдельных
генах ДНК и, как следствие, изменение белковферментов и изменение биохимических реакций.

10.

Основной системой подхода к анализу
структур биосистем является ее представление
в виде двух компонентов – энергетической и
управляющей.
Структура биосистем поддерживается
механизмами
генетического
управления.
Получая от остальных систем энергию и
информацию в виде продуктов обмена веществ
(метаболитов), а в период формирования – в
виде гормонов, генетическая система управляет
процессом синтеза необходимых веществ и
поддерживает жизнедеятельность остальных
систем организма, причем процессы в этой
системе протекают достаточно медленно.

11.

Несмотря на многообразие биосистем,
отношения между их биологическими
свойствами остаются инвариантными для
всех организмов. В сложной системе
возможности к адаптации значительно
больше, чем в простой. В простой системе
эти функции обеспечиваются малым
количеством механизмов, при этом они
более чувствительны к изменениям во
внешней среде.

12.

Для биосистем характерна качественная
неоднородность, проявляющаяся в том, что
в рамках одной и той же функциональной
биосистемы совместно и слаженно работают
подсистемы с качественно различными
адекватными управляющими сигналами
(химическими,
физическими,
информационными).

13.

Иерархичность биосистем проявляется в
постепенном усложнении функции на одном
уровне
иерархии
и
скачкообразном
переходе к качественно другой функции на
следующем уровне иерархии, а также в
специфическом
построении
различных
биосистем, их анализа и управления в такой
последовательности, что итоговая выходная
функция нижележащего уровня иерархии
входит в качестве элемента в вышележащий
уровень.

14.

Постоянное приспособление к среде и
эволюция невозможны без единства двух
противоположных
свойств:
структурнофункциональной организованности и структурнофункциональной вероятности, стохастичности и
изменчивости.
Структурно-функциональная организованность
проявляется на всех уровнях биосистем и
характеризуется
высокой
устойчивостью
биологического вида и его формы. На уровне
макромолекул
это
свойство
обеспечивается
репликацией макромолекул, на уровне клетки –
делением, на уровне особи и популяции –
воспроизведением особей путем размножения.

15.

В качестве биологических объектов или
систем, которые использует биотехнология,
прежде
всего
необходимо
назвать
одноклеточные микроорганизмы, а также
животные и растительные клетка. Выбор
этих объектов обусловлен следующими
моментами:

16.

1.
Клетки
являются
своего
рода
«биофабриками»,
вырабатывающими в
процессе жизнедеятельности разнообразные
ценные продукты: белки, жиры, углеводы,
витамины,
нуклеиновые
кислоты,
аминокислоты,
антибиотики,
гормоны,
антитела, антигены, ферменты, спирты и пр.
Многие из этих продуктов, крайне необходимы
в жизни человека, пока недоступны для
получения «небиотехническими» способами
из-за дефицитности или высокой стоимости
сырья или же сложности технологических
процессов.

17.

2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся.
Так, бактериальная клетка делится через каждые 2060 минут, дрожжевая - через каждые 1,5-2 ч,
животная – через 24 ч, что позволяет за
относительно
короткое
время
искусственно
нарастить
на
сравнительно
дешевых
и
недефицитных питательных средах в промышленных
масштабах
огромные
количества
биомассы
микробных, животных или растительных клеток.
Например, в биореакторе емкостью 100 м3 за 2-3-сут.
можно вырастить 1016 – 1018 микробных клеток. В
процессе жизнедеятельности клеток при их
выращивании в среду поступает большое количество
ценных продуктов, а сами клетки представляют
собой кладовые этих продуктов.

18.

3. Биосинтез сложных веществ, таких как
белки, антибиотики, антигены, антитела и
др.
значительно
экономичнее
и
технологически доступнее, чем химический
синтез. При этом исходное сырье для
биосинтеза, как правило, проще и
доступнее, чем сырье для других видов
синтеза. Для биосинтеза используют отходы
сельскохозяйственной, рыбной,, пищевой
промышленности, растительное сырье,
дрожжи, древесина, меласса и др.).

19.

4.
Возможность
проведения
биотехнологического
процесса
в
промышленных масштабах, т.е. наличие
соответствующего
технологического
оборудования, доступность сырья, технология
переработки и т.д.
Таким образом, природа дала в руки
исследователям живую систему, содержащую и
синтезирующую уникальные компоненты, и, в
первую очередь, нуклеиновые кислоты, с
открытием которых и начала развиваться
биотехнология и мировая наука в целом.

20.

Объектами биотехнологии являются вирусы,
бактерии, грибы, протозойные организмы, клетка
(ткани) растений, животных и человека, вещества
биологического
происхождения
(например,
ферменты, простагландины, пектины, нуклеиновые
кислоты,), молекулы.
В этой связи можно сказать, что объекты
биотехнологии относятся либо к микроорганизмам,
либо к растительным и животным клеткам. В свою
очередь организм можно охарактеризовать как
систему экономного, сложнейшего, компактного,
целенаправленного синтеза, устойчиво и активно
протекающего при оптимальном поддержании всех
необходимых параметров.

21.

Методы, применяемые в биотехнологии,
определяются двумя уровнями клеточным и
молекулярным. Тот и другой определяются
биообъектами.
В первом случае дело имеют с бактериальными
клетками (для получения вакцинных препаратов),
актиномицетов (при получении антибиотиков),
микромицетов (при получении лимонной кислоты),
животных
клеток
(при
изготовлении
противовирусных вакцин), клеток человека (при
изготовлении интерферона) и др.
Во втором случае дело имеют с молекулами,
например с нуклеиновыми кислотами. Однако в
конечной
стадии
молекулярный
уровень
трансформируется в клеточный.

22.

Клетки
животных
и
растений,
микробные
клетки
в
процессе
жизнедеятельности
(ассимиляция
и
диссимиляция) образуют новые продукты и
выделяют
метаболиты
разнообразного
физико-химического
состава
и
биологического действия.

23.

Все микрообъекты, используемые в
биотехнологии, относят к акариотам, проили к эукариотам. Из группы эукариот,
например,
оперирует
в
качестве
биообъектов
клетками
простейших,
водорослей и грибов, из группы прокариотклетками сине-зеленых водорослей и
бактерий, акариот – вирусами

24.

Биообъекты из микромира варьируют в
размерах
от
нанометров
(вирусы,
бактериофаги)
до
миллиметров
и
сантиметров (гигантские водоросли), и
характеризуются относительно быстрым
темпом размножения. В современной
фарминдустрии используется гигантская
гамма биообъектов, группировка которых
весьма сложна и лучше всего может быть
выполнена на основе принципа их
соразмерности.

25.

Огромная совокупность биообъектов не
исчерпывает всей элементной базы, которой
оперирует биотехнология. Последние успехи
биологии и генной инженерии привели к
появлению совершенно новых биообъектовтрансгенных
(генетическимодифицированных) бактерий, вирусов,
грибов,
клеток
растений,
животных,
человека и химер.

26.

Как наиболее перспективные следует выделить
следующие группы биологических объектов:
- рекомбинанты, т.е. организмы, полученные
методами генетической инженерии;
- растительные и животные тканевые клетки;
- термофильные микроорганизмы и ферменты;
- анаэробные организмы;
- ассоциации для превращения сложных
субстратов;
- иммобилизованные биологические объекты.

27.

Процесс
искусственного
создания
биологического объекта (микроорганизма, или
тканевой клетки) состоит в изменении его
генетической информации с целью исключить
нежелательные и усилить нужные свойства или
придать ему совершенно новые качества. Наиболее
целенаправленные изменения можно выполнить
путем рекомбинаций - перераспределяя гены или
части генов и объединяя в одном организме
генетическую информацию от двух и более
организмов.
Получение
рекомбинантных
организмов, в частности, можно осуществить
методом слияния протопластов, путем переноса
природных плазмид и методами генной инженерии.

28.

К нетрадиционным биологическим агентам на
данном этапе развития биотехнологии относятся
растительные и животные тканевые клетки, в том
числе гибридомы, трансплантаты. Культуры клеток
млекопитающих уже сейчас являются продуцентами
интерферона и вирусных вакцин, в недалеком
будущем
осуществится
крупномасштабное
получение моноклональных антител, поверхностных
антигенов клеток человека, ангиогенных факторов.
С развитием методов биотехнологии все
большее внимание будет уделяться использованию
термофильных микроорганизмов и их ферментов.

29.

Как следует из вышеизложенного, в
биотехнологических процессах возможно
использование
ряда
биологических
объектов, характеризующихся различными
уровнями
сложности
биологической
регуляции,
например
клеточным,
субклеточным,
молекулярным.
Oт
особенностей конкретного биологического
объекта самым непосредственным образом
зависит
подход
к
созданию
всей
биотехнологической системы в целом.

30.

В
результате
фундаментальных
биологических исследований углубляются и
расширяются знания о природе и, тем
самым, о возможностях прикладного
использования той или иной биологической
системы в качестве активного начала
биотехнологического
процесса.
Набор
биологических
объектов
непрерывно
пополняется.

31.

• Список рекомендуемой научной литературы:
Основные источники информации
Биотехнология : в 3-х ч. / Р. Г. Госманов, А. К. Галиуллин. - Казань :
ЦИТ КГАВМ.
Ч. I : Темы лекций по биотехнологии : учебное пособие. - 2013. - 131 с.
Биотехнология: в 3-х ч. / Р. Г. Госманов, А. К. Галиуллин. - Казань :
ЦИТ КГАВМ.
Ч. II : Лабораторно-практические занятия : учебное пособие. - 2013. 105 c.
Биотехнология : в 3-х ч. / Р. Г. Госманов, А. К. Галиуллин. - Казань :
ЦИТ КГАВМ.
Ч. III. - 2013. - 92 c.
Биотехнология: учебное пособие / И. В. Тихонов [и др.] ; ред. Е. С.
Воронин. - СПб. : ГИОРД, 2005. - 792 с.
Биотехнология в ветеринарии / Н. З. Хазипов, Р. П. Тюрикова. - Казань :
Казанский государственный ветеринарный институт, 1988. - 72 с.
Кол-во экз.
76
78
77
22 в библиотеке
КГАВМ
119 в библиотеке
КГАВМ
Дополнительные источники информации
Кол-во экз.
Питательные среды в микробиологии: учебное пособие / Р. Г. Госманов, 20 в библиотеке
В. А. Курамшина ; рец.: М. А. Сафин, Л. В. Королев ; ФГОУ ВПО КГАВМ
"Казанская государственная академия ветеринарной медицины им. Н.
Э. Баумана". - Казань : Центр информационных технологий КГАВМ,
2008. - 153 с.

32. Кафедра микробиологии 3 курс факультета ветеринарной медицины Дисциплина «Ветеринарная биотехнология»

Тема: Биосистема, объекты и методы в
биотехнологии