Битехнология

Битехнология федеральное агентство по образованию ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В. Г. БЕЛИНСКОГО Принято на заседании Ученого совета Естественно-географического факультета протокол № ___от «___» _________2006 г. Л. В. Кривошеева ______________________________ М. А. Пятин УЧЕБНАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА Биотехнология » для специальности Факультет естественно-географический Кафедра биохимии Пенза, 2006 год ТРЕБОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ Индекс Наименование дисциплины и ее основные разделы Всего часов ДС. 00 Специальные дисциплины и дисциплины специализации ДС. Ф. 00 Федеральный компонент Задачи и методы биотехнологии; генетическая инже-нерия; иммобилизованные ферменты и их применение в биотехнологии. 50 КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ Подготовка специалиста-биохимика проводится на биологических факультетах или отделениях, на кафедрах биохимии. Реализация основной образовательной программы специалиста биохимика должна обеспечиваться преподавателями, имеющими базовое образование и/или опыт работы и публикации по профилю преподаваемых дисциплин, систематически ведущих научную и научно-методическую работу, подтвержденную публикациями. Доля преподавателей с учеными степенями и званиями должна быть не менее 67%. Преподаватели специальных дисциплин, как правило, должны иметь ученую степень и опыт деятельности в соответствующей профессиональной сфере. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ Курс “Биотехнология” призван ознакомить студентов с принципами применения биологических знаний в производстве практически важных продуктов и приобрести понятие о современных технологических процессах, базирующихся на генетической и клеточной инженерии. Целью изучения дисциплины является ознакомить студентов с принципами применения биологических знаний в производстве практически ценных продуктов и приобрести системные знания о современных технологических процессах, базирующихся на генетической и клеточной инженерии. Биотехнология применяет методы, заимствованные из химии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, химической технологии и компьютерной техники для создания высокорентабельных процессов, производства биологически активных веществ различного назначения. Одна из главных причин успехов в биотехнологии – прогресс молекулярной биологии, в частности в разработке технологии рекомбинатных ДНК. Эта технология позволяет манипулировать с наследственным материалом клетки, получая новые сочетания полезных признаков и способностей. В лекционном курсе «Биотехнология» рассматривается разнообразие мира микроорганизмов, их место в биологической эволюции, рост и развитие микроорганизмов, основные физиологические и биохимические свойства, способы культивирования и методы генетической модификации. Описываются основные способы генетической трансформации организмов – от простейших прокариот до животных и растений. Рассматриваются пути использования генетически модифицированных организмов в биохимии, медицине, пищевой промышленности, энергетике и других направлениях деятельности человека. Подробно рассматриваются пути получения и использования иммобилизованных ферментов, уделяется внимание вопросам современной иммунобиотехнологии; клеточной инженерии, гибридомной технологии получения моноклональных антител. Рассматриваются современные прививочные препараты; иммунобиологические препараты на основе живых культур микроорганизмов. Программа курса составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом Высшего профессионального образования для студентов, обучающихся по специальности020208 (012300) Биохимия. По учебному плану этой специальности на курс биотехнология отводится 48 часов, из них 24 часа на аудиторную и 24 часов на самостоятельную работу. Из 24 часов аудиторной работы - 24 часа – лекции. По курсу предусмотрен зачет. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ ПО СЕМЕСТРАМ И ВИДАМ УЧЕБНЫХ ЗАНЯТИЙ N семестра Всего ауд. часов по плану Из них Курсовые работы Консультации Зачет Экзамен Сам. лекции Лаборатор-ные занятия 9 24 24 + + Итого: 24 24 + + СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Предмет и задачи биотехнологии Современное состояние и перспективы развития биотехнологии, объекты и методы биотехнологии. Связь биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими науками. Практические задачи биотехнологии и важнейшие исторические этапы её развития. Основные направления биотехнологии: пищевая, медицинская, сельскохозяйственная, промышленная и экологическая биотехнологии. Основные объекты биотехнологии Микробная, растительная и животная клетки. Строение и химический состав клеток. Основные биополимеры клеток: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды. Органеллы клетки, их структура и функции. Микробная биотехнология Характеристика отдельных групп микроорганизмов. Водоросли, простейшие, грибы, бактерии, вирусы (морфология, размножение, питание, роль в природе, практическое значение). Преимущества микроорганизмов перед другими объектами в решении современных биотехнологических задач. Промышленные, модельные и базовые микроорганизмы. Требования к продуцентам, используемым в биотехнологическом производстве. Методы улучшения продуцентов БАВ: мутация, селекция, Уровни регуляции клеточного метаболизма и пути воздействия на него. Физиологические и генетические способы регуляции метаболизма микроорганизмов-продуцентов. Роль внешних факторов в регуляции метаболизма продуцентов. Методы культивирования микроорганизмов. Принципиальная технологическая схема биотехнологического производства. Аппаратурное оформление процессов выращивания микроорганизмов. Типы биореакторов. Виды и состав питательных сред для выращивания микроорганизмов. Системы перемешивания и аэрации. Системы теплообмена, пеногашения и стерилизации биореакторов. Периодическое культивирование. Непрерывное культивирование. Поверхностное и глубинное культивирование. Асептика биотехнологических процессов. Принципы масштабирования технологических процессов: лабораторные, пилотные и промышленные ферментеры и решаемые с их использованием задачи. Зависимость конструктивных особенностей биореакторов от свойств применяемого субстрата. Специализированные ферментационные технологии: аэробные, твердофазные и газофазные процессы. Продукты первой и второй стадии ферментации. Взаимосвязь трофо- и идиофазы при получении первичных и вторичных метаболитов. Конечные стадии получения продуктов биотехнологических процессов Отделение биомассы: флотация, фильтрование и центрифугирование. Получение внутриклеточных и внеклеточных продуктов биосинтеза. Методы дезинтеграции клеток: физические, химические, “биологические”. Выделение целевого продукта: осаждение, экстракция, адсорбция. Электрохимические методы, хроматография, иммуноэлекторофорез, концентрирование, обезвоживание (сушка), модификация и стабилизация целевых продуктов биотехнологических процессов. Сырьевая база биотехнологии Критерии, определяющие выбор сырья для биотехнологических процессов. Природные сырьевые материалы растительного происхождения. Отходы различных производств как сырье для биотехнологических процессов. Химические и нефтехимические субстраты. Перспективы использования в качестве источников углерода твердых и жидких углеводородов и метана. Способы переработки сырья. Производство микробного белка субстраты, отходы сельского хозяйства и других производств. Принципиальная схема производства белка одноклеточных организмов. Биотехнология получения первичных и вторичных метаболитов Биотехнология получения незаменимых аминокислот. Применение незаменимых аминокислот в медицине и животноводстве. Объемы производства и перспективы. Способы промышленного получения аминокислот. Микробиологический синтез аминокислот. Технологические схемы. Одно- и двухступенчатый способы биосинтеза аминокислот. Биотехнология получения витаминов. Значение витаминов для человека и животных. Производство каротиноидов, витамина D, рибофлавина. Производство аскорбиновой кислоты как пример химико-ферментативного процесса. технологические схемы производства. Производство антибиотиков. Антибиотики, их классификация, основные группы антибиотиков. Применение антибиотиков в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и консервной промышленности. Продуценты антибиотиков. Общая технологическая схема производства антибиотиков. Промышленная схема производства пенициллина. Научные принципы обеспечения сверхпродукции. Получение ауксотрофных и регуляторных мутантов. Амплификация генов ферментов, отвечающих за синтез целевого продукта. Применение генной инженерии для получения сверхпродуцентов. Ферментная технология Продуценты ферментов, особенности их отбора и культивирование. Выделение и очистка ферментов. Применение ферментных препаратов в промышленности, медицине и быту. Инженерная энзимология и повышение эффективности биообъектов (индивидуальных ферментов, ферментных комплексов и клеток продуцентов) в условиях производства. Иммобилизованные (на нерастворимых носителях) биообъекты и их многократное использование. Ресурсосбережение. Экологические преимущества. Экономическая целесообразность. Повышение качества препаратов лекарственных веществ (гарантия высокой степени очистки, отсутствия пирогенных, аллергенных примесей). Иммобилизация за счет образования ковалентных связей между ферментом и носителем. Предварительная активация носителя бромистым цианом. Механизм активации. Ковалентные связи с помощью бифункциональных реагентов между молекулами фермента, связанного с носителем. Влияние иммобилизации ферментов на их субстратный спектр и кинетические характеристики. Повышение стабильности. Расширение зоны оптимальной температуры. Причины указанных явлений. Адсорбция ферментов на инертных носителях и ионообменниках. Причины частичных ограничений использования этого метода иммобилизации. Иммобилизация ферментов путем включения в структуру геля. Органические и неорганические гели. Методы включения в альгинатный и полиакриламидный гель. Причины частичных ограничений использования метода при высокомолекулярных субстратах. Микрокапсулирование ферментов как один из способов их иммобилизации. Размеры и состав оболочки микрокапсул. разделении рацематов аминокислот. Иммобилизованные ферменты и лечебное питание. Удаление лактозы из молока с помощью иммобилизованной бета-галактозидазы. Превращение глюкозы во фруктозу с помощью иммобилизованной глюкоизомеразы. Ферментные электроды на основе иммобилизованных ферментов: глюкозооксидазы, лактатдегидрогеназы уреазы, пенициллиназы. Иммобилизация целых клеток микроорганизмов и растений. Моноферментные биокатализаторы на основе целых клеток. Внутриклеточная регенерация коферментов. Проблемы диффузии субстрата в клетку и выхода продукта реакции. Повышение проницаемости оболочки у иммобилизуемых клеток. ячейках геля. Перспективы использования "плюс" вариантов продуцентов после протопластирования и регенерации мицелия. трансформации. "Открытые системы для усложнения". Биореакторы различных типов. Генетическая инженерия в биотехнологии Генетическая инженерия и технология рекомбинантных молекул. Основные открытия, теоретически обосновавшие технологический подход к наследственной информации. Общие понятия о матричных процессах: репликация, транскрипция, трансляция. Инструменты генетической инженерии. Рестрицирующие эндонуклеазы, их основные характеристики и область применения. Способы “нарезания” и идентификации фрагментов ДНК. Гибридизационные зонды. Соединение фрагментов ДНК. Обратная транскриптаза и ее использование в генной инженерии. ДНК полимераза и ДНК лигаза. Метод создания гомополимерных окончаний при получении рекомбинантных молекул ДНК. Использование линкерных полинуклеотидов в технологии клонирования ДНК. Понятие вектора. Общие свойства векторов. Специализированные векторные системы. Векторные системы, применяемые при молекулярном клонировании в клетках прокариотических организмов. Типы векторов: плазмидные и фаговые векторы природного и искусственного происхождения. Принципы конструирования векторов. Фаг лямбда и векторы, сконструированные на основе его генома. Фазмиды, космиды и их применение. Упаковочная система фага лямбда. Банки генов и клонотеки. Векторы на основе генома нитевидных фагов. Особенности трансформации грамотрицательных и грамположительных бактерий. Векторы для клонирования в грамположительных бактериях. Челночные векторы. Векторные системы для клонирования в клетках дрожжей. Использование вирусных геномов в качестве векторов для введения генетической информации в клетки животных. Природные векторы для растений. Организация и “поведение” Ti-плазмиды. генов и их экспрессия в прокариотических клетках. Получение продуцента человеческого гормона роста. Получение вакцин и иммунобиологических препаратов. Моноклональные антитела как универсальные аналитические реагенты в биохимических исследованиях. Применение моноклональных антител в медицине. Гибридомная технология получения моноклональных антител. Современная классификация вакцинных препаратов. Технологии получения вакцин на основе живых и мертвых клеток микроорганизмов. Вирусные вакцины. Анатоксины. Технология получения анатоксинов. Сывороточные препараты. Препараты на основе живых культур микроорганизмов. Требования к штаммам, используемым дл приготовления препаратов на основе живых культур микроорганизмов. Генно-инженерные вакцины. Клеточная инженерия Методы культивирования клеток высших растений. Тотипотентность растительных клеток. Каллусные и суспензионные культуры; методы получения и область использования. Протопласты растительных клеток; способы получения, методы культивирования и регенерации. Слияние протопластов растительных клеток и методы реверсии. Гибридизация соматических клеток растений. Культивирование клеток и тканей животных. Приемы культивирования в суспензионной культуре и на плотных средах. Необходимые условия для культивирования клеток животных. Конструктивные особенности биореакторов. Использование биотехнологии для решения экологических проблем Особенности роста и культивирования микроорганизмов в очистных сооружениях. Очистка сточных вод и отходящих газов. Переработка твердых отходов с образованием биогаза. Очистка природных сред от техногенных загрязнений. Примерное распределение часов по темам N п/п Наименование темы Кол-во часов Лекций Практи- ческие 1 Предмет и задачи биотехнологии 2 1 1 2 Экологическая биотехнология. Биологические источники энергии 2 1 1 3 Методы культивирования микроорганизмов 2 1 1 4 Продуценты ферментов, особенности их отбора и культивирования. Выделение и очистка ферментов. Применение микробных ферментов в пищевой промышленности и медицине 2 2 5 Микробиологический синтез органических кислот и аминокислот 2 1 1 6 Биотехнология получения витаминов. Получение рибофлавина и витамина В 12 2 1 1 7 Антибиотики, классификация и основные стадии производства 2 2 8 4 2 2 9 Применение иммобилизованных ферментов в биотехнологии 4 2 2 10 Иммобилизация целых клеток и пути их использования. Биореакторы 4 2 2 11 Генетические основы совершенствования биообъектов 4 2 2 12 2 2 13 Основные стадии метода ПЦР и сайт-специфического мутагенеза 2 1 1 14 Моноклональные антитела. Гибридомная технология их получения 2 1 1 15 2 2 16 Агробиотехнология. Методы получения и пути использования генно-модифицированных растений 2 1 1 17 Новые методы молекулярной диагностики в медицине 4 2 2 18 4 2 2 Итого: 48 24 24 ФОРМА ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ – ЗАЧЕТ ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ 1) Предмет и задачи современной биологической технологии. Объекты и методы биотехнологии 2) Основные особенности культивирования биообъектов. Питательные схемы и стадии биотехнологических процессов 3) Аппаратурное оформление процессов выращивания микроорганизмов. Типы биореакторов. Виды и состав питательных сред для выращивания микроорганизмов. Системы перемешивания и аэрации. Системы теплообмена, пеногашения и стерилизации биореакторов. Периодическое и непрерывное культивирование. 6) Глубинный метод выращивания микроорганизмов. Питательные среды, продуценты и основные стадии процесса 7) Сравнительная характеристика поверхностного и глубинного способов выращивания микроорганизмов. иммуноэлекторофорез, концентрирование, обезвоживание (сушка), модификация и стабилизация целевых продуктов биотехнологических процессов. 9) Применение амилолитических и протеолитических ферментов в пищевой промышленности и в медицине 11) Способы промышленного получения аминокислот. Микробиологический синтез аминокислот – получение лизина и триптофана. Применение незаменимых аминокислот в медицине и животноводстве. 12) Антибиотики, их классификация, основные группы антибиотиков. Применение антибиотиков в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и консервной промышленности. Продуценты антибиотиков. Общая технологическая схема производства антибиотиков. Промышленная схема производства пенициллина. 15) Сравнительная характеристика свободных и иммобилизованных ферментов. Применение иммобилизованных ферментов в тонком органическом синтезе. Использование иммобилизованных ферментов при производстве полусинтетических бета-лактамных антибиотиков, трансформации стероидов, биокаталитическом получении простаноидов, разделении рацематов аминокислот. 16) Иммобилизованные ферменты и лечебное питание. Удаление лактозы из молока с помощью иммобилизованной бета-галактозидазы. Превращение глюкозы во фруктозу с помощью иммобилизованной глюкоизомеразы. продукта реакции. Повышение проницаемости оболочки у иммобилизуемых клеток. Биокатализаторы второго поколения. 18) Биотехнология получения витаминов. Значение витаминов для человека и животных. Получение рибофлавина. Производство витамина В 12 как пример безотходной и экологически чистой технологии. 20) Получение органических кислот микробиологическими методами. Производство молочной кислоты 21) Получение органических кислот микробиологическими методами. Производство уксусной кислоты 22) Генетическая инженерия в биотехнологии. Общие понятия о матричных процессах: репликация, транскрипция, трансляция. Рестрицирующие эндонуклеазы, векторы и клетки-хозяева как инструменты генетической инженерии. 24) Полимеразная цепная реакция (ПЦР) как метод амплификации ДНК. Реагенты и основные стадии процесса. Возможности использования ПЦР в медицине и научных исследованиях. 25) Сайт-специфический мутагенез как метод направленной модификации белка. Основные стадии процесса. 26) Основы иммунологии. Общие сведения об иммунитете. Формы иммунитета. Понятия об антигенах и антителах. Классификация антител. Структура антител, строение и роль константных и вариабельных областей иммуноглобулинов. 27) Гибридомная технология получения моноклональных антител. Моноклональные антитела как универсальные аналитические реагенты в биохимических исследованиях. Общие представления об иммуноферментном анализе. Применение моноклональных антител в медицине. 28) Методы культивирования клеток высших растений. Тотипотентность растительных клеток. Каллусные и суспензионные культуры; методы получения и область использования. Фитобиотехнология. 29) Культивирование клеток и тканей животных. Зообиотехнология. Приемы культивирования в суспензионной культуре и на плотных средах. Необходимые условия для культивирования клеток животных. Конструктивные особенности биореакторов. 30) Биология эмбриональных и взрослых стволовых клеток. Получение иммуносовместимых тканей методом переноса ядра из соматических клеток. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Беккер М. Е., Лиепиньш Г. К., Райпулис Е. П. Биотехнология. – М.: Агропромиздат, 1990. 2. Елинов Н. П. Основы биотехнологии. – СПБ: Наука, 1995. 3. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. – М: Мир. 1987. 4. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. – М.: Мир, 2002. 5. Промышленная микробиология./ Под ред. Егорова Н. С. — М.: "Высшая школа", 1989. 6. Биотехнология в 8-ми томах. Под ред. Н. С. Егорова, В. Д. Самуилова. – М.: Высшая школа, 1987-1988. 1. Шлегель Г. Общая микробиология. — М.: Мир, 1987. 2. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки (в 3 т.). – М. Мир, 1994 3. Гусев М. В., Минеева Л. А. Микробиология. — М.: Изд-во МГУ, 1985. 4. Manual of Industrial Microbiology and Biotechnology // Ed. In chief A. L. Demain, J. E. Davies. – ASM. Washington, DC, 1999. 5. Красноштанова А. А., Крылов И. А., Бабусенко Е. С. – Основы биотехнологии. – М., РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2000. Учебная рабочая программа по дисциплине «Биотехнология» для специальности 020208 (012300) – «Биохимия» обсуждена и одобрена на заседании кафедры биохимии Зав. кафедрой биохимии д. б. н., профессор _________________________________ М. Т. Генгин (подпись) Одобрено методическим советом Естественно-географического факультета Протокол №______ от «_____»___________ 2006 года Председатель Методического совета Естественно-географического факультета, к. т. н., доцент ___________________________ О. В. Зорькина Составитель: Канд. хим. наук, доцент Кузнецова А. В. _________________________