Основы биотехнологии презентации лекций для студентов заочной формы обучения

1. Основы биотехнологии презентации лекций для студентов заочной формы обучения

2.

• Биотехнология - дисциплина, изучающая возможности
использования живых организмов, их систем или
продуктов
их
жизнедеятельности
для
решения
технологических задач, а также возможности создания
живых организмов с необходимыми свойствами методом
генной инженерии.
• Основной целью биотехнологии является получение
целевого продукта, создание рентабельного производства
необходимых людям продуктов.
• Высокоразвитые страны мира относят биотехнологию к
одной из важнейших современных отраслей, принимают
меры по стимулированию ее развития.

3.

• Историю
формирования
биотехнологии
можно
разделить на ряд этапов:
• 1. Допастеровская эра (до 1865 г.).
• Биотехнология возникла в древности (примерно 6000-5000
лет до н.э.), когда люди научились, используя процесс
брожения, выпекать хлеб, готовить молочнокислые
напитки, сыр, вино, варить пиво.
• На Востоке получали ферментированные продукты
(соевый соус).
• Выращивали съедобные грибы.
• Микробиологические процессы происходили при мочке
льна, изготовлении кож.

4.

• Во второй половине XV века начинается развитие
современного естествознания.
• На становление биологии оказали влияние успехи химии.
Химики изучали процессы брожения, которые связывали с
присутствием в среде дрожжей или ферментов.
• В XVI-XVII веках сначала во Франции, а затем
повсеместно, для разрыхления теста стали использовать
пивные, а затем спиртовые дрожжи.
• В 1674 г. Левенгук создал микроскоп.
• Лучшие его линзы увеличивали в 270 раз. Он смог
разглядеть микроскопические водоросли, простейших и
даже бактерии.

5.

Луи
Пастер
был
профессором
Страсбургском университете.
химии
в
В 1857 году Пастер доказал, что спиртовое брожение являлось
результатом
не
химического
процесса,
а
активности
микроорганизмов. Он экспериментально опроверг представление о
самопроизвольном зарождении живых существ.
Изучал порчу вина и пива. Обнаружил, что
разные виды брожения вызывают разные
виды микроорганизмов.
Предложил для сохранения вина и пива
способ стерилизации – пастеризацию.
Пастер изучал болезни животных и человека, создал научные
основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии.

6.

В конце XIX – начале XX вв. изучение брожения привело
к развитию бродильного производства. Получали продукты
брожения - этанол, бутанол, ацетон, глицерин и др.
Изучали микробиологические процессы при получении,
хранении и созревании кисломолочных продуктов.
Промышленное производство лимонной кислоты из
гриба Aspergillus niger.
Разработан метод аэробной очистки канализационных вод.

7.

• В 1928 г. открыт первый антибиотик пенициллин, полученный
на основе продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.
• Выделен А. Флемингом из гриба Penicillum notatum в Англии.
В 40-х г. в США Флори и Чейн занимались выделением и
очисткой пенициллина, организацией его производства.
• Флеминг, Флори и Чейн вместе получили Нобелевскую
премию по физиологии и медицине в 1945 году.

8.

• В 1960-1970 гг. - расширение спектра промышленно
производимых микробных продуктов.
• Производство аминокислот (глутамин и лизин).
• Получение чистых ферментов (протеазы, амилазы,
глюкозоизомеразы).
• Производство микробного белка. Микроорганизмы
выращивают на нефти, отходах спиртовой, целлюлознобумажной, деревообрабатывающей промышленности.

9.

Эра новой биотехнологии (после 1975 г.).
В 1972 г. в США П. Бергом с сотрудниками создана
первая рекомбинантная ДНК, состоящая из фрагмента
ДНК вируса ОВ40 и бактериофага λ dvgal с лактозным
опероном E. coli.
С этого времени началось развитие генетической
инженерии.
Генетическая инженерия - система экспериментальных
приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем
(в пробирке) рекомбинантные молекулы ДНК.

10.

• Первый коммерческий продукт – человеческий инсулин,
продуцируемый бактерией, разрешен к применению в
1982 году.
• В результате применения методов генной инженерии:
• 1) Получают бактерии-сверхпродуценты с повышенным
уровнем синтеза нужных человеку веществ.
• 2) Получают рекомбинантные бактерии (встроены гены
других
организмов),
способные
синтезировать
несвойственные им продукты.
• 3) Получают трансгенные растения и животные.

11.

В настоящее время в биотехнологии выделяют важные
направления:
1) Промышленная микробиология.
2) Медицинская биотехнология.
3) Технологическая биоэнергетика.
4) Сельскохозяйственная биотехнология.
5) Экологическая биотехнология.
6) Инженерная энзимология.
7) Клеточная и генетическая инженерия.
8) Биогидрометаллургия.

12.

Основными задачами биотехнологии являются:
1.
Производство
биологически-активных
веществ
и
лекарственных препаратов для медицины (антибиотиков,
гормонов, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител);
2. Получение ветеринарных препаратов, кормовых добавок для
повышения продуктивности животноводства;
3. Получение продуктов для использования в пищевой,
химической,
микробиологической
и
других
отраслях
промышленности;
4. Разработка технологий борьбы с загрязнениями
окружающей среды;
5. Разработка микробиологических средств защиты растений
и бактериальных удобрений;
6. Создание новых полезных штаммов микроорганизмов,
сортов растений и пород животных.

13.

Объекты биотехнологии, требования к их
применению
Биотехнологические
ступенях организации:
объекты
находятся
на
разных
а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК
митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК);
б) бактерии и цианобактерии;
в) грибы;
г) водоросли;
д) простейшие;
е) культуры клеток растений и животных;
ж) растения.

14.

• Основой
большинства
современных
биотехнологических производств является синтез
разнообразных биологически активных веществ с
помощью микроорганизмов.
• Микроорганизмы, микробы (от греч. micros – малый) –
микроскопически малые организмы (до 500 мкм),
преимущественно одноклеточные: бактерии,
одноклеточные грибы, водоросли, простейшие, клетки
которых нельзя увидеть невооруженным глазом.

15.

Преимущества использования микроорганизмов:
1) генетическое разнообразие позволяет им
а) синтезировать большое количество веществ;
б) разлагать большое количество природных и неприродных
соединений.
2) отличаются быстрым ростом. Это позволяет за короткий
промежуток времени синтезировать большое количество
требуемого продукта в строго контролируемых условиях.

16.

Преимущества
биологических
способов
перед
химическими:
1. Химическими способами не могут быть синтезированы
многие
сложные
органические
молекулы
(белки,
антибиотики);
2. Биологические системы работают при атмосферном
давлении, невысоких температурах, близких к нейтральному
значениях рН и т. д.;
3. Каталитические биохимические реакции намного
специфичнее, чем реакции химического катализа;
4. Образуются изомеры одного типа, а не их смесей, как
это часто бывает в реакциях химического синтеза.

17.

Биологические способы в сравнении с химическими
методами имеют недостатки:
1. Процесс нужно вести в асептических условиях, т.к.
возможно загрязнение посторонней микробиотой.
2. Целевой продукт нужно выделять из смеси веществ.
3. Требуется много воды для приготовления питательной
среды, которую нужно очищать перед сбросом в
окружающую среду.
4. Биопроцессы обычно идут медленнее в сравнении со
стандартными химическими процессами.

18.

Принципы подбора биотехнологических
объектов
Первичным
этапом
разработки
биотехнологического процесса является:
1) получение чистых культур микроорганизмов,
2) клеток или тканей (растений или животных).
любого
Многие дальнейшие этапы работы с биотехнологическими
объектами
проводятся
с
использованием
методов,
применяемых в микробиологических производствах.

19.

• Промышленные микроорганизмы используются в
промышленном производстве.
• Модельные микроорганизмы служат модельными
объектами при изучении фундаментальных жизненных
процессов.
• К их числу относятся кишечная палочка (E. coli), сенная
палочка (Bac. subtilis) и пекарские дрожжи (S. cerevisiae).
• Базовые объекты биотехнологии
• Во многих биотехнологических процессах используются
GRAS-микроорганизмы (generally recognized as safe),
которые обычно считаются безопасными.

20.

• Отбор микроорганизмов для использования в
микробиологическом производстве:
• 1) Отбор проб из естественных мест обитания
предполагаемого продуцента.
• Получение накопительной культуры. Посев проб в
элективную среду, обеспечивающую преимущественное
развитие интересующего микроорганизма.
• Выделение чистой культуры с дальнейшим изучением
изолированного микроорганизма, определением его
способности образовывать нужные вещества.
• 2) Выбор нужного вида из имеющихся коллекций
микроорганизмов.

21.

• Критерии при выборе биотехнологического
объекта:
• 1) Способен синтезировать целевой продукт.
• 2) Имеет высокую скорость роста;
• 3) Растет на доступных и недорогих питательных
субстратах;
• 4) Устойчивость к заражению посторонней микробиотой.
• 5) Непатогенный и не токсигенный для человека и
животных, безопасный для окружающей среды.

22.

• Микроорганизмы культивируют на разнообразных
питательных средах.
• Требования к питательной среде:
• 1) Должна содержать все необходимые для роста
питательные вещества в определенном количестве и легко
усвояемой форме;
• 2) твердая среда должна иметь оптимальную влажность;
• 3) иметь определенную кислотность, вязкость, буферную
емкость, по возможности быть прозрачной;
• 4) быть стерильной.

23.

Компонентный состав сред определяется питательными
потребностями продуцента.
Важным критерием, определяющим выбор сырья для
биотехнологических процессов, являются:
1) стоимость,
2) наличие в достаточных количествах,
3) химический состав.

24.

• При культивировании микроорганизмов на стерильных
питательных средах, нужно поддерживать оптимальные
или благоприятные для них условия - температуру и
рН среды.
• При выращивании аэробных микроорганизмов, особенно
в больших объемах среды, ее дополнительно аэрируют,
встряхивая, перемешивая, а при необходимости
пропускают через среду стерильный воздух.
• При культивировании строго анаэробных бактерий
создают
анаэробные
(бескислородные)
условия,
используют прокипяченные питательные среды, которыми
заполняют пробирки и колбы под пробку (без пузырьков
воздуха) и др.

25.

• Питательные среды для выращивания микроорганизмов
могут быть твердые (плотные) или жидкие.
• Микроорганизмы можно выращивать на поверхности
твердых или жидких питательных сред без
перемешивания - такой способ называется методом
поверхностного культивирования.

26.

• При глубинном культивировании микроорганизмы
выращивают на жидких питательных средах при
перемешивании, как правило в колбах на качалке
(шейкере) .
• При промышленном культивировании микроорганизмов в
больших масштабах их выращивают в специальных
аппаратах – ферментерах на жидких питательных средах.

27.

Стадии биотехнологического производства
1. Подготовка сырья (питательной среды) субстрата с
заданными свойствами (рН, температура, концентрация).
2. Подготовка биообъекта: посевной культуры или
фермента ( в т.ч. иммобилизованного).
3. Ферментация - образование целевого продукта за счет
биологического превращения компонентов питательной
среды в биомассу или в целевой метаболит.
4. Выделение и очистка целевого продукта.
5. Получение товарной формы продукта
6. Переработка и утилизация отходов (биомассы,
культуральной жидкости и т.п.).

28.

Биореактор должен обладать следующими системами:
1) перемешивания питательной
среды;
2) аэрации среды,
обеспечивающая доступ
кислорода к клеткам;
3) теплообмена;
4) пеногашения;
5) стерилизации сред,
аппаратуры и воздуха;
6) контроля и регулировки
процесса.
Устройство ферментера
http://studopedia.org/14-79286.html

29.

• Требования к биореакторам:
• Должны обеспечивать благоприятные условия для роста
культивируемого микроорганизма.
• Исключить попадание посторонних микроорганизмов.
• Объем культивируемой смеси должен оставаться
постоянным, чтобы не было утечки или испарения
содержимого.
• Параметры культивирования (температура, рН, уровень
аэрации и т.д.) должны постоянно контролироваться.
• Культура
при
выращивании
должна
хорошо
перемешиваться.

30.

• Для обеспечения необходимых условий протекания
биотехнологических
процессов
используются
ферментеры или биореакторы.
• Биореакторы варьируют от простых сосудов до сложных
систем с различным уровнем компьютерного оснащения.

31.

• Лабораторные,
пилотные
и
промышленные
биореакторы: проблемы масштабирования
• Технология производственного процесса отрабатывается
поэтапно:
в
лабораторных,
пилотных
(опытнопромышленных) и промышленных установках.
• Обычно встречаются следующие объемы аппаратов:
• 1) для лабораторных – 0,5 – 100 л;
• 2) для пилотных – 100 л – 5 м3;
• 3) для промышленных биореакторов – 5 – 1000 м3 и более.
• На каждом из этапов наращивания масштаба
биотехнологического
процесса
(масштабирования
процесса) – решаются свои задачи налаживания
производства и его оптимизации.

32.

• Лабораторные
биореакторы
используют
для
определения скорости роста клеток, эффективности
утилизации субстратов и образования целевого продукта,
расчет коэффициентов массопередачи (поступления в
среду О2, освобождения от газообразных продуктов);
• Пилотные установки используют для отработки
технологических параметров для производства.
• Производственные установки используют для выпуска
продукции.

33.

Автоклавируемый стеклянный
биореактр с рабочим объёмом до
4,5 литров (общий объём 6,2
литра)

34.

Периодические процессы
Периодический процесс состоит из следующих этапов:
1) стерилизация сред, биореактора и вспомогательного
оборудования;
2) загрузка аппарата питательной средой;
3) внесение посевного материала (клеток, спор);
4) рост культуры, который может совпадать во времени со
следующим этапом или предшествовать ему;
5) синтез целевого продукта;
6) отделение и очистка готового продукта;
7) мойка биореактора и его подготовка к новому циклу.

35. Фазы роста бактериальной культуры

Время культивирования, часы

36.

• Продление процесса периодического культивирования
• Периодическое культивирование с подпиткой - в
процессе культивирования в аппарат через определенные
интервалы добавляют питательные вещества.
• Отъемно-доливочное
культивирование
часть
содержимого биореактора периодически изымается и
добавляется равное количество питательной среды. Такой
прием
обеспечивает
регулярное
"омолаживание"
(обновление) культуры и задерживает ее переход в фазу
отмирания.
Этот
прием
иногда
называется
полунепрерывным культивированием.

37.

Непрерывное культивирование
• При
непрерывном
культивировании
в
аппарат
культивирования
непрерывно
подается
свежая
питательная среда и непрерывно удаляется выросшая
культура.
• Для
установившегося
режима
непрерывного
культивирования характерны постоянные концентрации
биомассы микроорганизмов и удельная скорость роста
популяции.
• Различают хемостатный и турбидостатный режимы
непрерывного культивирования.

38.

• Конструкция хемостата предусматривает наличие:
• 1) приспособления для подачи питательной среды;
• 2) устройства, обеспечивающего отток культуральной
жидкости вместе с клетками,
• 3) системы, контролирующей концентрацию элементов
питательной среды и управляющей скоростью её подачи.

39.

Турбидостатный режим культивирования
В
турбидостате
подача
питательной
среды
осуществляется
по
команде
фотоэлектрического
элемента, регистрирующего оптическую плотность
культуры.
Турбидостат применяется только для культивирования
одноклеточных микроорганизмов.
Схема работы турбидостата:
So – концентрация субстрата в
подаваемой среде,
S1 – концентрация субстрата в
вытекающей культуре, Х –
концентрация клеток.

40. Анаэробные процессы. Биореакторы для обеспечения анаэробных условий. Нет приспособлений для аэрирования среды.

41.

42.

• Твердофазное культивирование:
• исследование биодеградации материалов;
• биоремедиация загрязненных почв промышленными
отходами, нефтепродуктами и т.п.;
• получение ферментов и биологически-активных
компонентов.

43.

• Твердофазное культивирование грибов

44.

Классификация продуктов биотехнологических
производств
1) Клетки микроорганизмов, которые используют для
получения биомассы.
Производство пекарских, винных, кормовых дрожжей;
вакцин, белково-витаминных концентратов, средств
защиты растений, заквасок для получения
кисломолочных продуктов и силосования кормов,
микробных удобрений и т.д.

45.

2) Продукты метаболизма живых клеток:
– Первичные метаболиты необходимы для роста
клеток. (структурные единицы биополимеров —
аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, витамины,
коферменты, органические кислоты)
– Вторичные метаболиты (антибиотики, пигменты,
токсины), образующиеся по завершении фазы их роста.
3) получение ферментов микробного происхождения;
4) получение рекомбинантных продуктов;
5) биотрансформация веществ;
6) утилизация неприродных соединений.

46.

47.

• Получение товарных форм биопрепаратов.
1. Представляют собой жизнеспособные микроорганизмы
(средства защиты растений, бактериальные удобрения,
закваски для силосования кормов, и др.).
2. Представляют собой инактивированную биомассу
клеток и продукты ее переработки (кормовые дрожжи).
3. Очищенные продукты метаболизма микроорганизмов
(витамины, аминокислоты, ферменты, антибиотики,
липиды, полисахариды и др.).

48.

• Культивирование клеток растений
• Культуры клеток и тканей растений выращивают на
искусственной питательной среде в асептических
условиях.
• В основе метода культуры клеток и тканей растений лежит
уникальное
свойство
растительной
клетки
–
тотипотентность – это способность клетки реализовывать
генетическую
информацию,
обеспечивающую
ее
дифференцировку и развитие до целого организма.

49.

• Принципы культивирования растительных клеток.
• 1) Создание асептических условий - стерилизация
помещения (ламинар-бокса), посуды, инструментов,
питательных сред, самих растений (диацид, перекись
водорода, сулема).
• 2) Питательные среды имеют сложный состав: углеводы
(глюкоза или сахароза), т.к. некоторые ткани не содержат
хлорофилла; макро- и микроэлементы; фитогормоны
(ауксины, цитокинины).
• 3)
Условия
культивирования:
освещенность,
температура (26° С), аэрация, влажность.

50.

• Культуры клеток высших растений.

51.

• Если культивирование клеток растений происходит на
поверхности агаризованной среды, то образуется
каллусная ткань.
• Каллус – неорганизованная пролиферирующая ткань,
состоящая из дедифференцированных клеток.

52.

• Каллус может образовываться на изолированных кусочках
ткани (эксплантах) in vitro.
• Цвет массы может быть белым, желтоватым, зеленым,
красным. В зависимости от происхождения и условий
выращивания каллусные ткани бывают рыхлые или
плотные. В длительной культуре каллусные ткани теряют
пигментацию и становятся рыхлыми.

53.

• Для получения каллуса выбирают молодые, здоровые
ткани растений.
• Эксплант
–
фрагмент
растительной
ткани,
культивируемый на питательной среде самостоятельно
или с целью получения каллуса.
Каллусную
культуру
можно
получить
из
разных частей растения:
стеблей, корней, тканей
клубня,
листьев,
зародышей и др.

54.

• Клетки растений in vitro используются:
• 1) для изучения физиолого-биохимических процессов
(цитодифференцировка, морфогенез, обмен веществ,
действие факторов среды) и генетики растений.
• 2) в биотехнологии.

55.

• Протопласты растительных клеток, их получение,
методы регенерации и культивирования.
• Протопласт (от греч. Protos - первый и platos вылепленный, образованный) - клетка, лишенная
целлюлозной оболочки, окруженная цитоплазматической
мембраной,
способная
осуществлять
активный
метаболизм.

56.

• Основными этапами при получении протопластов
являются следующие:
• 1) удаление эпидермиса в стерильных условиях;
• 2) измельчение ткани;
• 3) помещение в мацерирующий раствор, состоящий их
сахара, минеральных солей, ферментов (целлюлаз,
пектиназ, гемицеллюлаз);
• 4) отделение образовавшихся протопластов путем
фильтрования, центрифугирования и др.;
• 5) промывание протопластов.

57.

• На основе метода слияния протопластов разработан
метод соматической гибридизации растений.
• Изолированные
протопласты,
выделенные
из
родительских растений, могут сливаться с образованием
гибридных клеток, способных регенерировать в гибридное
растение.
• В качестве родительских используются соматические
клетки растений, из которых получают протопласты.
Слияние протопластов способствует объединению не
только ядерных, но и цитоплазматических генов
родительских клеток.
• Соматический гибрид - продукт слияния и цитоплазмы, и
ядер обоих протопластов.
• Цибрид (цитоплазматический гибрид) – содержит
цитоплазму обоих родителей, а ядро одного из них.

58.

• Стимулировать слияние протопластов можно с
помощью:
• 1) полиэтиленгликоля (снижение поверхностных
зарядов, отнятие воды, разрыв мембран);
• 2) под воздействием электрического поля.
• Образующиеся
гибридные
структуры
сохраняют
способность к восстановлению клеточной стенки, в
результате появляются гибридные клетки.

59.

• Метод слияния протопластов используют для селекции
промышленно важных продуцентов.
• Увеличить количество материала для отбора можно при
помощи генетической рекомбинации в сочетании с
индуцированным мутагенезом.
• Возможно получение межвидовых и межродовых
гибридов, скрещивание филогенетически отдаленных
форм.
• Известны стерильные межвидовые гибриды картофеля и
томатов (поматы), табака и картофеля, табака и
беладонны, образующие нормальные стебли и корни.
• Удается
получать
растения,
гетерозиготные
по
внеядерным генам; гибриды, в которых от одного
родителя получено ядро, а от другого – цитоплазма.

60.

• Клональное
микроразмножение
растений
размножение растений in vitro неполовым путем с
помощью метода культуры тканей, позволяющее
получать растения генетически идентичные исходному.
• В основе лежит способность соматической растительной
клетки полностью реализовать потенциал своего развития
(тотипотентность).

61.

• Клональное микроразмножение растений имеет
следующие преимущества:
• 1) Высокий коэффициент размножения.
• Например, герберы при клональном размножении могут
давать до 1 млн растений в год, тогда как при обычных
способах только 100.
• 2) Получение генетически однородного материала.
• 3) Возможность оздоровления растений, освобождения их
от вирусов благодаря клонированию меристематических
тканей.
• 4) Воспроизведение посадочного материала круглый год.
• 5) Возможность размножения растений, которые в
естественных условиях трудно размножаются.
• 6) Сокращение продолжительности селекционного
периода.

62.

• При клональном используется меристематические
ткани.
• В качестве экспланта желательно использовать молодые,
слабодифференцированные ткани: кончики стеблей,
пазушные почки, зародыши, молодые листья, черенки,
соцветия, чешую луковиц.

63.

• Процесс клонального микроразмножения можно
разделить на следующие стадии:
• 1. Изолирование эксплантов растения – донора,
получение хорошо растущей стерильной культуры.
Эксплант в стадии
формирования почек
Почки, прорастающие
на питательной среде

64.

• 2. Микроразмножение путем микрочеренкования.
Основано на снятии апикального доминирования
(удаление
верхушечной
меристемы,
добавление
цитокининов).
• Полученные побеги отделяют от первичного экспланта и
самостоятельно культивируют на свежеприготовленной
питательной среде, стимулирующей пролиферацию
пазушных меристем и возникновение побегов более
высоких порядков. Образующиеся пучки побегов делят,
переносят на свежую питательную среду.
• 3. Укоренение размноженных побегов (добавляют в
питательную среду ауксины, затем переносят в почву).
• 4. Выращивание растений в условиях теплицы и
подготовка их к реализации или посадке в поле.

65.

• Схема клонального размножения растений.

66.

• http://www.blueberry.by/laboratory/.

67.

• http://www.blueberry.by/laboratory/.

68.

• http://www.blueberry.by/laboratory/.