Введение в биотехнологию

1.

Лекция:
Введение в биотехнологию

2.

План лекции:
1. Цель, задачи и предмет биотехнологии
2. Этапы истории развития биотехнологии
3.Преимущества
биотехнологических
процессов
4.Основные
биотехнологии
направления
развития

3.

1. Цель, задачи и предмет биотехнологии
Биотехнология – от греч. bio(s) – жизнь;
techne – искусство, мастерство;
logos – учение.
Впервые термин «биотехнология» предложил в
1917 г. венгерский инженер Карл Эрике.
Он предложил процесс крупномасштабного
промышленного
выращивания
свиней
с
использованием в качестве корма сахарной свеклы.
При этом Эрике рассматривал превращение сырья
(свеклы) в целевой продукт (свинину) как ряд
биотехнологических этапов. Этот процесс был
назван им биотехнологией, так как целевой
продукт получался в результате жизнедеятельности
биологических систем.

4.

Второе рождение и популярность термин
«биотехнология» приобрел после того, как в 1961 г.
шведский микробиолог Карл Герен Хеден предложил
заменить название научного журнала «Журнал
микробиологической и химической инженерии и
технологии» на «Биотехнология и Биоинженерия».
Этот журнал публиковал работы по прикладной
микробиологии и промышленной ферментации. С
этого момента биотехнология оказалась связанной с
исследованиями
в
области
«промышленного
производства товаров и услуг при участии живых
организмов, биологических систем и процессов».
Именно эти представления и начали вкладываться в
термин «биотехнология».

5.

Биотехнология
–
это
совокупность
промышленных методов, в которых используют
живые организмы и биологические процессы для
производства различных продуктов.
Биотехнология тесно связана с такими науками
как молекулярная биология, микробиология,
ветеринария, генетика, инженерные технологии,
биохимия, физиология растений, вирусология,
генная инженерия.

6.

Цель
биотехнологии – дать будущему
специалисту представление о современном
состоянии
и
перспективах
развития
биотехнологии при использовании биообъектов и
биомолекул в промышленном производстве,
сельском
хозяйстве,
здравоохранении
и
окружающей среде.

7.

Задачи биотехнологии:
1.Стимулирование обмена веществ клеток для
производства запланированных продуктов при
одновременном подавлении других реакций
метаболизма.
2.Получение клеток или их составных частей,
которые способны к направленному изменению
других сложных биоструктур.
3.Создание рекомбинантных ДНК, которые
способны кодировать биосинтез особо ценных
соединений.

8.

4.Создание
безотходных
и
экологически
безопасных биотехнологических процессов.
5.Совершенствование аппаратурного оформления
биотехнологических
процессов
с
целью
получения максимального выхода продукции.
6.Повышение
технико-экономических
показателей биотехнологических процессов по
сравнению с существующими.

9.

Первоочередными
задачами, стоящими перед
биотехнологией, являются исследования в области
разработки и получения:
1.
новых биологически активных веществ и
лекарственных
препаратов
для
медицины
(интерферонов, инсулина, гормона роста человека,
моноклональных антител и т. д.), повышающих
качество жизни людей и позволяющих осуществлять
раннюю диагностику
и лечение тяжелых заболеваний — сердечнососудистых, злокачественных, наследственных,
инфекционных,
в том числе вирусных;
2. микробиологических средств защиты растений от
болезней и вредителей;
3. бактериальных удобрений и регуляторов роста
растений, повышения плодородия почв;

10.

новых,
с
заданными
свойствами,
высокопродуктивных
и
устойчивых
к
неблагоприятным факторам внешней среды сортов
и гибридов сельскохозяйственных растений,
полученных методами генетической и клеточной
инженерии;
5. ценных кормовых добавок и биологически
активных веществ (кормового белка, аминокислот,
ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов и
др.), необходимых для повышения продуктивности
животноводства;
6. новых методов биоинженерии для эффективной
профилактики, диагностики и терапии основных
болезней сельскохозяйственных животных;
4.

11.

7. новых технологий получения хозяйственно
ценных продуктов для использования в пищевой,
химической, микробиологической и других
отраслях промышленности;
8.
технологий
глубокой
и
эффективной
переработки
сельскохозяйственных,
промышленных и бытовых отходов; использования
сточных вод и газовоздушных выбросов для
получения
биогаза
и
высококачественных
удобрений; производства дешевых и эффективных
энергоносителей (биотоплива).

12.

Предмет биотехнологии:
углубленное изучение, в т.ч. и на молекулярном
уровне, биообъектов;
улучшение
аппаратурного
оформления
биотехнологических процессов;
изучение
взаимосвязей
биообъектов
и
оборудования для повышения их совместимости.

13.

2. Этапы истории развития биотехнологии
В развитии биотехнологии как науки выделяют 4
периода.
Эмпирический период (от греч. empeiria – опыт;
основанный на опыте).
Насчитывает около 8 тыс. лет. Тогда люди еще
ничего не знали о микроорганизмах. Они
интуитивно использовали биотехнологические
процессы для получения хлеба, пива, спирта,
уксуса, кисломолочных продуктов, силосования
кормов, выделки кожи и т.д.

14.

Этиологический период (от греч. aitia – причина,
logos – учение) (1856-1933 гг.).
Связан с именем французского ученого Л. Пастера,
который открыл микробную природу брожения,
предложил оригинальный метод стерилизации –
пастеризацию,
создал
научные
основы
вакцинопрофилактики и вакцинотерапии.
В
это время развивается учение о грибах
(микология); создаются питательные среды для
культивирования
различных
биообъектов;
разрабатываются методы стерилизации питательных
сред; созданы простые установки для очистки
сточных вод и др.

15.

1814 г. Русский академик К.С. Кирхгоф впервые
получил жидкий ферментный препарат амилазы
из проросшего ячменя и описал ферментативный
процесс.
1857 г. Французский ученый Луи Пастер
установил, что микробы играют ключевую роль в
процессах брожения, и показал, что в образовании
отдельных продуктов участвуют разные виды
микроорганизмов. Его исследования послужили
основой развития бродильного производства
органических растворителей (ацетона, бутанола,
этилового спирта и др.).

16.

г. Немецкий микробиологи Роберт Кох
разработал метод получения чистых культур
микроорганизмов,
который
гарантировал
содержание в посевном материале клетки только
определенного вида.
1875
г. Немецкий ученый К. Вемер установил
способность плесневых грибов синтезировать
лимонную кислоту.
1893

17.

г. Японский ученый И. Такамине создал
первый ферментный препарат, который получил
из плесневого гриба, выращенного на влажном
рисе.
1894
г.
Организовано
первое
микробиологическое
промышленное
производство лимонной кислоты, а затем
молочной, глюконовой и других органических
кислот.
1923

18.

г. Русские ученые Г.А. Надсон и Г.С.
Филиппович
установили
возможность
искусственного мутагенеза микроорганизмов
(грибов) под влиянием рентгеновского облучения.
1925
В
30-е годы в СССР было организовано
производство микробиологическим способом
технических препаратов ферментов и витаминов
(рибофлавина В2, эргостерина – провитамин D2).

19.

Биотехнический период (1934-1971 гг.). В этот
период
внедряется
крупномасштабное
герметизированное оборудование для проведения
процессов в стерильных условиях; развивается
производство
антибиотиков;
выделен
нуклеопротеин (ДНП); разработана кинетика
ферментативных реакций; выяснены условия,
необходимые для культивирования клеток
растений, животных и человека; открыт цикл
лимонной кислоты и др.

20.

В
военные годы (1941 - 1945 гг.) возросла
потребность в дрожжах как источнике белковых
веществ. Изучалась способность дрожжей
накапливать белоксодержащую биомассу на
непищевом сырье (древесные опилки, гороховая и
овсяная шелуха). Так, в блокадном Ленинграде,
Москве были созданы установки, на которых
производили пищевые дрожжи. В военной
Германии биомассу дрожжей добавляли в колбасу
и супы.

21.

г. Советский биохимик В.Н. Букин с
помощью микроорганизмов получил витамин
В12, который не способны синтезировать ни
растения, ни животные.
1948

22.

Геннотехнический период (с 1972 г.). В этот
период создана рекомбинантная молекула ДНК,
генно-инженерный
инсулин;
развивается
хромосомная и клеточная инженерия; внедряются
автоматизация и компьютеризация; развиваются
новые направления (медицинская биотехнология,
иммунобиотехнология,
биогеотехнология,
инженерная энзимология).
1972 г. Американский биохимик П. Берг разработал
технологию клонирования ДНК.
1975 г. С возникновением генной инженерии
появилась возможность направленно создавать для
промышленности микроорганизмы с заданными
свойствами.

23.

В 1985 году проходят первые полевые испытания
трансгенных
растений,
устойчивых
к
гербицидам, насекомым, вирусам и бактериям.
Появляются патенты на растения.
Начинается расцвет молекулярной генетики,
бурно развиваются аналитические методы, такие
как секвенирование, то есть определение
первичной
последовательности
белков
и
нуклеиновых кислот.

24.

В 1995 году на рынок было выпущено первое
трансгенное растение (томат Flavr Savr), а уже к 2010
году трансгенные сельскохозяйственные культуры
выращивали в 29 странах на 148 миллионах гектаров
(10% от общей площади возделываемых земель).
В 1996 году на свет появляется первое клонированное
животное — овца Долли.
К 2010 году было клонировано больше 20 видов
животных: коты, собаки, волки, лошади, свиньи,
муфлоны.

25.

3. Преимущества биотехнологических
процессов
По
сравнению с химической технологией
биотехнология имеет ряд преимуществ:
1. Биотехнологическим путем можно получить
специфичные и уникальные природные
вещества, часть из которых (например, белки,
ДНК) еще не удается получать путем
химического синтеза.
2. Биотехнологические процессы можно вести
при относительно невысоких температурах и
давлении.

26.

Микроорганизмы имеют значительно более высокие
скорости роста и накопления клеточной массы, чем другие
организмы. Так, с помощью микроорганизмов в ферментере
объемом 300 м3 за сутки можно выработать 1 т белка (365
т/год). Чтобы такое же количество белка в год выработать с
помощью крупного рогатого скота, нужно иметь стадо
численностью 30 000 голов. Если же использовать для
получения такой скорости производства белка бобовые
растения, например, горох, то потребуется иметь поле гороха
площадью 5400 га.
4. В качестве сырья можно использовать дешевые отходы
сельского хозяйства и промышленности.
5. Биотехнологические процессы обычно более экологичны,
имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в
природе естественным процессам.
6. Технология и аппаратура более просты и дешевы.
3.

27.

4.Основные направления развития
биотехнологии
Биотехнология как наука может рассматриваться в
двух временных и сущностных измерениях: современном
и традиционном, классическом.
Новейшая биотехнология (биоинженерия) — это наука о
генно-инженерных и клеточных методах и технологиях
создания
и
использования
генетически
трансформированных
(модифицированных)
растений,
животных и микроорганизмов в целях интенсификации
производства и получения новых видов продуктов
различного назначения.

28.

В
традиционном,
классическом
смысле
биотехнологию можно определить как науку о
методах
и
технологиях
производства,
транспортировки,
хранения
и
переработки
сельскохозяйственной и другой продукции с
использованием
обычных,
нетрансгенных
(природных и селекционных) растений, животных и
микроорганизмов, в естественных и искусственных
условиях.

29.

Высшим
достижением новейшей биотехнологии
является генетическая трансформация, перенос
чужеродных (природных или искусственно
созданных) донорских генов в клетки-реципиенты
растений,
животных
и
микроорганизмов,
получение трансгенных организмов с новыми или
усиленными свойствами и признаками.

30.

Цель
биотехнологических исследований —
повышение эффективности производства и поиск
биологических систем, с помощью которых можно
получить целевой продукт.
Биотехнология дает возможность воспроизводить
нужные продукты в неограниченных количествах,
применяя новые технологии, позволяющие
переносить гены в клетки-продуценты или в целый
организм (трансгенные животные и растения),
синтезировать пептиды, создавать искусственные
вакцины.

31.

Направления биотехнологии и получаемые с ее помощью продукты

32.

Какие же направления являются наиболее
приоритетными в биотенологии?
1. Повышение
безопасности
биотехнологического
производства для человека и окружающей среды.
Требуется создание таких рабочих систем, которые будут
функционировать только в строго контролируемых
условиях.
2. Снижение доли отходов производственной деятельности
человека. Отходами производства называются его побочные
продукты, которые не могут использоваться человеком или
другими компонентами биосферы и применение которых
нерентабельно или сопряжено с каким-то риском. Такие
отходы накапливаются в пределах производственных
помещений
(территорий)
или
выбрасываются
в
окружающую среду.

33.

3. Снижение энергетических затрат на производство
продукта, т. е. внедрение энергосберегающих
технологий. Принципиальное решение этой проблемы
возможно в первую очередь за счет использования
возобновляемых источников энергии.

34.

4. Создание многокомпонентных растительных систем.
Качество сельскохозяйственной продукции значительно
ухудшается при применении минеральных удобрений и
ядохимикатов, которые наносят колоссальный ущерб
природным экосистемам. Преодолеть негативные последствия
химизации сельскохозяйственного производства можно
различными способами. Прежде всего необходимо отказаться
от монокультур, т. е. от использования ограниченного набора
биотипов (сортов, пород, штаммов). Недостатки монокультуры
были выявлены еще в конце XIX столетия; они очевидны. Вопервых, в монокультуре возрастают конкурентные отношения
между выращиваемыми организмами; в то же время
монокультура оказывает лишь одностороннее воздействие на
конкурирующие организмы (сорняки). Во-вторых, происходит
избирательный вынос элементов минерального питания, что
ведет к деградации почв. И наконец, монокультура
неустойчива к патогенам и вредителям.

35.

Поэтому в течение XX в. она поддерживалась за счет исключительно
высокой интенсивности производства. Разумеется, использование
монокультур интенсивных сортов (пород, штаммов) упрощает
разработку технологии производства продукции. Например, с помощью
высоких технологий созданы сорта растений, устойчивые к
определенному пестициду, который при возделывании именно данных
сортов можно применять в высоких дозах. Однако в этом случае
возникает вопрос безопасности такой рабочей системы для человека и
окружающей среды. Кроме того, рано или поздно появятся расы
патогенов (вредителей), устойчивые к данному пестициду.

36.

5. Разработка новых препаратов для медицины. В
настоящее время ведутся активные исследования в
области медицины: создаются различные типы новых
препаратов — целевые и индивидуальные.

37.

К
основным
разделам
современной
биотехнологии относятся микробиологический
синтез, клеточная инженерия, генетическая
инженерия.
Микробиологическим
синтезом называется
синтез самых разнообразных веществ с помощью
микроорганизмов.
В
настоящее
время
микроорганизмы применяют в различных
высоких
технологиях:
для
производства
антибиотиков, кормового белка и аминокислот,
биологически активных соединений (витаминов,
гормонов, ферментов, стимуляторов роста) и т. д.
Превращение одних веществ в другие с помощью
микроорганизмов называется биоконверсией.

38.

Применяя
методы
генетической
и
клеточной
инженерии,
современная
биотехнология
осуществляет
широкое
конструирование
генетически
модифицированных организмов (ГМО), в том
числе
микроорганизмов,
растений
и
животных. В дальнейшем предполагается
использование ГМО в природных условиях (в
сельском
хозяйстве,
рыбоводстве,
для
биологической
борьбы
с
вредителями
сельского и лесного хозяйства и т. д.). Однако
перед генетической инженерией стоит ряд
этических и технологических проблем.

39.

При
выпуске ГМО в окружающую среду они
могут взаимодействовать с разнообразными
организмами, сообществами и экосистемами
конкретных территорий, в то время как процесс и
исход таких взаимодействий не всегда поддается
прогнозированию. В частности, существует
опасность внедрения «искусственных генов» в
геном природных организмов в результате
скрещивания ГМО и «диких» форм. Из-за
возможных
непредсказуемых
последствий
необходимы исследования, направленные на
изучение биобезопасности ГМО.