МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова
Экологическая безопасность биотехнологических процессов
Методические указания для самостоятельной работы студентов
по направлению подготовки 19.03.01 – Биотехнология
Воронеж 2017
Брындина Л. В. Экологическая безопасность биотехнологических процессов: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 19.03.01 – Биотехнология [Текст] / Брындина Л.В.; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова», – Воронеж, 2017. – 43 с.
Самостоятельная работа студентов по курсу «Экологическая безопасность биотехнологических процессов» включает изучение теоретического материала, работу с научной, учебной, методической литературой. В методических указаниях приведены вопросы для самостоятельной проработки теоретического материала. Приводится список литературы, необходимой для самостоятельной подготовки.
Самостоятельная работа способствует развитию у студента таких необходимых навыков, как выбор и решение поставленной задачи, сбор и аналитический анализ опубликованных данных, умение выделять главное и делать обоснованное заключение. Самостоятельная работа способствует развитию у студентов навыков самостоятельного исследования, научного и литературного саморедактирования.
Цель курса «Экологическая безопасность биотехнологических процессов» – сформировать современные представления об основных направлениях современной экобиотехнологии и перспективах ее развития; научить характеризовать основные типовые процессы, объекты и продукты биотехнологии, используемые для решения экологических проблем; научить оценивать потенциальную опасность биотехнологических объектов и знать способы предупреждения их попадания в окружающую среду.
Оценка результатов самостоятельной работы осуществляется в виде двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателя. В качестве контрольных работ (при очном и заочном изучении) могут выполняться 2 домашних письменных задания в виде оформления наглядных схем по вопросам семинаров, тестов, или же написания реферата.
Тема 1. Объекты биотехнологии и их биотехнологические функции. Применение биотехнологии в медицине, фармакологии и хозяйственных целях
В современном биотехнологическом производстве используют весьма широкий ассортимент биообъектов, классификация которых весьма сложна и наиболее рационально может быть выполнена на основе принципа их
соразмерности. В таблице 1 приведены биологические объекты, объединенные в 5 групп, причем, соразмерность в первых четырех имеет кратность в три порядка и только в пятой группе собраны биообъекты, отличающиеся по размерам от предшествующей (четвертой) группы всего на один порядок.
Таблица 1. Биообъекты, используемые при биотехнологических способах производства лекарственных (диагностических, лечебных и профилактических) средств:
1. Размер от 10 м до 1 см: человек, животные, растения-бионакопители сапонинов, алкалоидов и т.п.
2. Размер от 1 см до 1 мм: гигантские водоросли, каллусные культуры меристемы, культуры тканей, культуры клеток.
3. Размер от 1 мм до 1 мкм: клетки эукариот и прокариот в культуре, биопродуценты и биотрансформаторы.
4. Размер от 1 мкм до 1 нм: бактериофаги, вирусы, липосомы.
5. Размер менее 1 нм: ДНК, ферменты, макромолекулы-носители.
Требования, предъявляемые к биообъектам для реализации биотехнологических процессов: чистота, высокая скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.
К медицинской биотехнологии относят такие производственные процессы, которые завершаются созданием с помощью биообъектов средств или веществ медицинского назначения. Это антибиотики, витамины, ферменты, отдельные микробные полисахариды, которые могут применяться как самостоятельные средства или как вспомогательные вещества при создании различных лекарственных форм, аминокислоты и др.
Иммунобиотехнология объединяет производство вакцин, иммуноглобулинов крови, иммуномодуляторов, моноклональных антител и др. На основе иммунобиотехнологических процессов создаются также профилактические и лечебные средства, объединенные под эгидой медицинской биотехнологии. Вместе с тем, иммунобиотехнологические процессы по целевым продуктам вышли за пределы медицинского назначения, например, большинство ферментов, аминокислот и др. производятся не только для целей здравоохранения. Поэтому вычленение иммунобиотехнологии в качестве самостоятельной научной субдисциплины является обоснованным, и производственные процессы здесь четко ограничены использованием иммуной системы того или иного микроорганизма или еѐ отдельных компонентов (макрофаги, лимфоциты, различные иммуноглобулины).
Достижения приведенных выше направлений биотехнологии, медицинской биотехнологии и иммунобиотехнологии, позволяют говорить о
биотехнологии лекарственных средств. Действительно, если взять за основу анализа номенклатуру лекарственных средств Межведомственного экспертного совета (1990 г.), включающую 33 фармакотерапевтических группы препаратов, то, как минимум треть из них производится с использованием современных методов биотехнологии. В дальнейшем это направление исследований и разработок будет иметь тенденцию к неуклонному росту.
Вряде случаев только биотехнология позволяет решать те задачи, которые ставит перед фармацией практическая медицина. К примеру, только биотехнология открывает перед фармацевтической промышленностью возможность производить антибиотики, ряд незаменимых аминокислот, некоторые витамины, ферменты, гормоны, большую часть кровезаменителей
идр.
Вдругих случаях биотехнология используется как этап производства лекарственного средства. Обычно в таких ситуациях биотехнологическая стадия начинает технологический процесс (например, получение необходимой биомассы путем культивирования клеток меристемы лекарственных растений) как это имеет место при производстве диосгенина, аймалина и др.
Известны такие производства, в которых биотехнологический этап выступает в качестве промежуточного (перевод сорбита в сорбозу при получении витамина С в среде культивирования уксуснокислых бактерий).
При использовании биотехнологий в фармации их реализуют выращиванием культур тканей высших растений в виде каллуса, суспензионным культивированием клеток животных и растений, культивированием химерных клеток, в геном которых встроены опероны, ответственные за биосинтез лекарственной субстанции. Кроме того, биотехнологии могут успешно конкурировать с тонкими химическими технологиями на отдельных этапах изготовления лекарственного средства, а
в ряде случаев (например, синтез витамина В12) в состоянии обеспечить всю последовательность сложных химических реакций, необходимых для превращения исходного предшественника (5,6-диметилбензимидазола) в конечный продукт (цианкобаламин).
Пищевая биотехнология является новым и перспективным направлением в перерабатывающей промышленности (мясная, молочная, рыбная и др.). Пищевая биотехнология изучает биотехнологический потенциал сырья животного происхождения и пищевых добавок, в качестве которых используются ферментные препараты, продукты микробиологического синтеза, новые виды биологически активных веществ
имногокомпонентные добавки.
С помощью пищевой биотехнологии в настоящее время получают такие пищевые продукты, как пиво, вино, спирт, хлеб, уксус, кисломолочные продукты, сырокопченые и сыровяленые мясные продукты и многие другие.