Министерство образования и науки Российской Федерации
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова
Кафедра Биотехнологии и бионанотехнологии
Учебное пособие
ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
А.Б. Пшеничникова
Москва 2010
УДК 574.6 (075.8)
ББК 30.16
Пшеничникова А.Б.
Основы биотехнологии
Учебное пособие
М., МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2010 - 92 c.: ил.
Утверждено Библиотечно-издательской комиссией МИТХТ им М.В. Ломоносова в качестве учебного пособия.
Поз.253/2010.
Данное учебное пособие представляет собой избранные главы курса лекций «Основы биотехнологии» для подготовки бакалавров по направлению 240100.62 «Химические технологии и биотехнология». В данном издании изложены основные понятия биотехнологического процесса, особенности объектов биотехнологии, их культивировании и использовании, рассматриваются вопросы генетической инженерии.
Рецензент: Д.б.н., г.н.с., проф. Складнев Д.А. (ФГУП ГосНИИГенетика, лаборатория генетики метилотрофных бактерий)
МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2010 г.
Содержание
Введение
Дисциплина «Основы биотехнологии» является первым шагом на пути познания новой области науки - Биотехнологии. Эта новая современная междисциплинарная область связывает биологию и химическую технологию, биохимию и инженерные науки. Синтез биологических и химических наук расширяет возможности промышленной технологии для получения жизненно важных продуктов - препаратов для медицины, пищевых продуктов, биотоплива, экологических технологий. Знания биотехнологии необходимы также специалистам, работающим в области химии полимеров, основного органического и нефтехимического синтеза и других областях химической технологии, поскольку возможности живых систем могут усилить достижения отдельных химических технологий. Создавая новую технологию, современный специалист химик-технолог обязан учитывать возможности живых систем, заложенные природой, для усовершенствования технологий получения самых разных продуктов.
Базовыми знаниями, без которых невозможно освоение курса «Основы биотехнологии» являются знания органической химии, химии биологически активных веществ, биохимии, общей химической технологии, процессов и аппаратов химической технологии.
Настоящее учебное пособие «Основы биотехнологии» базируется на материале предшествующей дисциплины «Основы биохимии», восполняет отсутствующие у студентов 4 курса знания по микробиологии и дает всю необходимую терминологическую базу для освоения ключевого раздела биотехнологии - генетической инженерии.
1. Предмет и содержание курса
Биотехнология (от греческих слов bios - жизнь, teken - искусство, logos - слово, учение, наука) - область науки и практики, основанная на направленном использовании биологических объектов для получения полезных продуктов. Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, простейшие организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека и их метаболиты, в частности биополимеры - ферменты, нуклеиновые кислоты и др.
Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, биотехнология - это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Только в 1961 г. к термину «биотехнология» вновь вернулись после того как шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала «Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology» (Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на «Biotechnology and Bioengineering» (Биотехнология и биоинженерия). С этого момента биотехнология оказалась четко и необратимо связана с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов».
Согласно определению Европейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 г., биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической технологии позволяет получать необходимые продукты с использованием свойств микроорганизмов и клеточных культур. Она создает возможность получения с помощью легко доступных и возобновляемых ресурсов важных для жизни и благосостояния людей продуктов. В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение будут приобретать воспроизводимые ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза), органических удобрений.
Биотехнология базируется на интегральном использовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способности микроорганизмов, культур клеток и тканей и их частей. Междисциплинарный характер биотехнологии отражается в сочетанном использовании достижений биологических, химических и технических наук - общей биологии, микробиологии, ботаники, зоологии, анатомии и физиологии, генетики, биологической, органической, физической и коллоидной химии, иммунологии, биоинженерии, электроники, химической технологии и др. Можно выделить следующие основные направления биотехнологии: медицинская биотехнология, биотехнология пищевых продуктов, сельскохозяйственная биотехнология, инженерная энзимология, клеточная и генетическая инженерия, технологическая биоэнергетика, геобиотехнология, экологическая биотехнология (Рис.1).
Дисциплина «Основы биотехнологии» содержит сведения о биологических объектах - биотехнологических продуцентах, способах получения продуцентов с нужными свойствами, в том числе методами генетической инженерии, основных стадиях биотехнологического производства, отдельных технологиях получения важнейших продуктов.
Рис.1. Основные продукты биотехнологической промышленности.
2. Биологические объекты
2.1 Классификация живых организмов
Классификация живых организмов (распределение единиц по группам более высокого порядка) осуществляется по иерархической схеме. Организмы объединяют в группы разного ранга - таксоны - группы организмов, обладающих заданной степенью однородности. Низшей единицей является вид, виды объединяются в роды, далее - семейства, отряды, классы, типы, царства, надцарства (таксоны наивысшего ранга). Разделение живых организмов по царствам и надцарствам основано на наличии у них ядра и клеточного строения (Рис.2). Выделено три надцарства: акариоты (безъядерные, клеточное строение отсутствует), прокариоты (доядерные, присутствует предшественник ядра - нуклеоид, клеточное строение) и эукариоты (ядерные, клеточное строение).
Рис.2. Классификация живых организмов по царствам и надцарствам.
В систематике (систематика - наука о многообразии и взаимосвязях между организмами) используют биномиальную номенклатуру К. Линнея: биологическому виду присваивают название на латинском языке, состоящее из двух слов: первое определяет принадлежность организма к определенному роду, второе -- виду. Пример - кишечная палочка Escherichia coli (обитает в кишечнике человека и животных), родовое название можно сократить до первой буквы - E. coli. В микробиологии используют термин «штамм», объединяющие культуры вирусов, бактерий и других микроорганизмов и линий клеток растений и животных одного вида, выделенные из разных источников (мест обитания). Различия между штаммами не выходят за пределы вида. В мире не существует общепризнанной номенклатуры названия штаммов, и используемые названия достаточно произвольны. Как правило, они состоят из отдельных букв и цифр, которые записываются после видового названия. Например, один из самых известных штаммов кишечной палочки - E. coli K-12.
Представители всех царств используются в биотехнологии, являются биологическими объектами. Традиционная биотехнология базировалась на использовании микроорганизмов. Микроорганизмы - это биологические объекты микроскопического размера, невидимые невооруженным глазом. Термин «микроорганизмы» не имеет таксономического значения, представители микромира есть во всех царствах. Вирусы, бактерии и грибы - все являются микроорганизмами, в царстве растений микроорганизмами являются водоросли, а в царстве животных - простейшие. Основным преимуществом микроорганизмов является их быстрый рост, связанный с высоким отношением поверхности клетки к объему, т.е. с высокой скоростью взаимодействия с внешней средой.
Отличительной особенностью микроорганизмов является способность к быстрому размножению. Например, время удвоения клеток кишечной палочки Escherichia coli составляет 20 мин. Подсчитано, что потомство одной клетки в случае неограниченного роста уже через 48 ч превысило бы массу Земли в 150 раз.
Современная биотехнология все чаще рассматривает в качестве биологических объектов не только микроорганизмы, но и клетки (ткани) растений, животных и человека и их метаболиты, в частности биополимеры.
Биологические объекты продуцируют (производят) важные целевые продукты (все их разнообразие представлено на Рис.1), поэтому их называют продуцентами, наиболее важными из которых в настоящее время являются бактерии и грибы.
Известно множество способов классификации живых организмов по различным признакам. Для промышленной биотехнологии наиболее важной является классификация по способам питания (по трофике) (Табл.1), поскольку вклад исходных продуктов (субстратов) в цену производимых продуктов в биотехнологии является определяющим.
С позиций сегодняшней экономики наиболее рентабельны продуценты, использующие в качестве источников энергии, углерода и доноров электронов соответственно свет и неорганические вещества, т.е. - фотолитоавтотрофы. К этой подгруппе относятся растения и бактерии, например цианобактерии - значительная группа крупных грамотрицательных бактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода, и азотфиксации. Рассматривается возможное применение цианобактерий, в частности спирулины, в создании замкнутых циклов жизнеобеспечения, а также как массовой кормовой или пищевой добавки. К фотоорганогетеротрофам относятся зеленые бактерии (хлоробактерии) - фотосинтетические анаэробные организмы, способны жить в отсутствии атмосферного кислорода. К хемолитоавтотрофам относятся аэробные тиобациллы рода Thiobacillus, они окисляют сульфиды, серу и некоторые из них железо(II), используя углекислый газ в качестве источника углерода. Эти бактерии осуществляют бактериальное выщелачивание металлов из сульфидных руд. Фотолитоавтотрофы и хемолитоавтотрофы растут на доступных питательных неорганических средах, однако применение их ограничено, они не способны продуцировать полезные продукты, кроме биомассы и ограниченного ряда веществ. Большинство продуцентов важнейших биотехнологических продуктов являются хемоорганогетеротрофами, т.е. способны расти на сложных органических питательных средах. Многие из них используют в качестве источника углерода и энергии сахара, органические кислоты, спирты и др. Такие питательные среды дороги, поэтому в биотехнологии часто используются отходы пищевой, целлюлозо-бумажной и других отраслей промышленности, а также сельского хозяйства.
2.2 Вирусы
Вирусы - образующиеся биологическим путем надмолекулярные комплексы, способные к самовоспроизведению в клетках-хозяевах. Вирусы - облигатные паразиты. Их воспроизведение возможно только в клетках-хозяевах. Вне клеток вирусы (вирионы) являются неживыми, имеют правильную форму (Рис.), состоят из молекулы нуклеиновой кислоты (или ДНК, или РНК) и окружающей ее белковой оболочки - капсида. Вирусы специфичны в отношении хозяев. По природе клетки-хозяина вирусы делят на вирусы бактерий - бактериофаги (ДНК, РНК); вирусы растений (РНК); вирусы животных и человека (ДНК, РНК) (Рис.3,4). Внутри клетки вирусная частица становится внутриклеточным паразитом