Для специальности 1-31 01 01 – Биология рекомендуется учебная программа № ТД-G.005/тип., составленная доктором медицинских наук профессором Ю.К.Фомичевым, доктором биологических наук профессором В.А.Прокулевич и кандидатом биологических наук доцентом Р.А.Желдаковой; для специальности 1-33 01 01 Биоэкология и 1-02 04 04-01 – Биология. Химия используется программа «Основы биотехнологии»для студентов биологических факультетов университетов, разработаная заведующим кафедрой химии Витебского государственного университета им. П.М. Машерова доктором биологических наук, профессором Чиркиным А.А.
ЗАДАЧИ ПРЕПОДАВАНИЯ КУРСА
В результате изучения основ биотехнологии студент должен:
знать
- биологические агенты, используемые в биотехнологии;
- принципы культивирования клеток;
- сущность методов молекулярной генетики, а также технологии рекомбинантных ДНК;
- принципы работы с иммобилизованными ферментами;
- этапы выделения целевых продуктов и возможные пути загрязнения внешней среды
уметь
-пользоваться языком молекулярной биотехнологии и справочными руководствами;
- выбрать биологический объект, составить алгоритм биотехнологических работ, обосновать метод наиболее эффективной очистки целевого продукта;
- применить методы спектрофотометрии, тонкослойной и колоночной хроматографии, определения активности и количества ферментов, выделения и очистки целевого продукта.
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
История молекулярной биотехнологии. Молекулярная биотехнология как разделы молекулярной биологии, молекулярной генетики бактерий, энзимологии, с одной стороны, и промышленной микробиологии и химической инженерии, с другой. Цели молекулярной биотехнологии: повышение урожайности сельскохозяйственных культур, создание микроорганизмов, продуцирующих различные химические соединения, создание пород сельскохозяйственных и других животных с улучшенными наследуемыми признаками, переработка отходов, загрязняющих окружающую среду, получение продуктов питания и повышение биологической ценности пищи, получения низкомолекулярных биорегуляторов и биополимеров для применения в фармации и медицине. Возможные негативные эффекты развития молекулярной биотехнологии.
Ферменты в молекулярной биотехнологии. Иммобилизованные ферменты.
I. Биологические системы, используемые в молекулярной биотехнологии: прокариоты, эукариоты; бактерии Escherichia coli, дрожжи Saccharomyces cerevisiae, культуры эукариотических клеток (насекомых, растений, млекопитающих). Ферменты. Требования, предъявляемые к биообъектам. Культивирование, основные компоненты питательных сред. Принципы селекции микроорганизмов. Биотехнологическое сырье, учитывая побочные продукты производства. Источники минерального питания. Комплексные обогатители сред. Среды для культивирования микроорганизмов. Кислород и вода. Пенообразователи и пеногасители. Значение асептики в биотехнологии.
Матричные синтезы: репликация, транскрипция, трансляция. Особенности регуляции транскрипции у бактерий и эукариот. Представления о технологии рекомбинантных ДНК. Оптимизация экспрессии генов, клонированных в прокариотические клетки. Получение рекомбинантных белков с помощью эукариотических систем. Дрожжевые системы экспрессии. Системы экспрессии с использованием культур клеток насекомых (рекомбинантные бакуловирусы). Системы экспрессии для работы с клетками млекопитающих.
II. Биотехнологический процесс культивирования микроорганизмов. Рост и развитие микроорганизмов. Основные показатели процесса ферментации. Оновные факторы среды, определяющие рост и биосинтетическую активность продуцентов. Оценка процесса ферментации. Промышленный синтез белков при участии рекомбинантных микроорганизмов. Этапы роста культуры – латентная, ускорения, логарифмическая, замедления, стационарная, отмирания (преимущественный синтез белков в логарифмической фазе, а низкомолекулярных продуктов – во время стационарной фазы). Типы биореакторов: с механическим перемешиванием, барботажные колонны, эрлифтные.
Инженерная энзимология. Строение ферментов, катализ, выделение ферментов. Источники ферментов (животного происхождения, растительного происхождения). Иммобилизованные ферменты.
Утилизация крахмала и сахаров, повышение эффективности производства фруктозы и этанола. Бродильные производства (алкогольные напитки, пиво, вино, спирт, сидр, уксус). Мультиплазмидные организмы, способные утилизировать несколько соединений. Утилизация целлюлозы через выделение прокариотических и эукариотических целлюлазных генов. Повышение образования силоса с использованием Lactobacillus plantarum. Белок одноклеточных организмов (БОО) – белковые продукты, синтезируемые монокультурой микробных клеток и используемые в качестве пищевых добавок или корма для скота (подкислители, аминокислоты, витамины и пигменты, усилители вкуса, жиры и масла, растительный клей и загустители, подсластители, пищевые кислоты – уксусная, лимонная, молочная).
Пищевые аспекты биотехнологии: получение пищевого белка, молочные продукты (казеины, казеинат натрия, казецит и копреципитаты, концентраты сывороточных и других белков, методы приближения молочных смесей к женскому молоку, брожение лактозы и коагуляция казеина, производство кисломолочных продуктов, сычужное свертывание молока и производство сыра), хлебопродукты, бродильные производства, пищевые добавки, консервированные овощи (продукты из сои, применение ферментов при выработке фруктовых соков).
Границы применения биотехнологии в пищевой промышленности. Перспективы использования продукции биотехнологии: аминокислоты, олигопептиды, ферменты, витамины, терпены и родственные соединения, органические кислоты, полисахариды.
Представление о биогеотехнологии (обогащение полезных ископаемых и удаление мешающих и опасных веществ, увеличение добычи нефти) и о биоконверсии энергии (биофотолиз воды, биогаз, биологические топливные элементы).
Бактерии, стимулирующие рост растений: непосредственно путем поставки фиксированного азота, хелатированного железа, фитогормонов, фосфатов (штаммы Rhizobium, симбиоз с растениями, клубеньки на корнях) и опосредованно через подавление роста фитопатогенных микроорганизмов.
Микробные инсектициды. Токсины, синтезируемые Bacillus thuringiensis, клонирование генов токсинов и возможность их экспрессии. Бакуловирусы как инсектицидные агенты (введение гена нейротоксина, смертельного для насекомых).
Методы иммунодиагностики: ферментный иммуносорбентный анализ (ELISA). Микробиологическое производство лекарственных средств: интерфероны, соматотропин, моноклональные антитела как лекарственные средства, производство антител с помощью E.coli, перспективы лекарств против ВИЧ. Вакцины – субъединичные, аттенуированные, «векторные».
Использование рекомбинантных микроорганизмов для получения низкомолекулярных соединений – витаминов, аминокислот, антибиотиков и др. Микробиологический синтез каучука.
Биодеградация токсичных соединений и утилизация биомассы. Метаболические пути биодеградации ксенобиотиков.
III. Культуры растительных клеток и тканей. Фертильные растения, все клетки которых несут чужеродный(е) ген(ы) (трансгенные растения). Получение трансгенных растений не содержащих маркерных генов. Выведение растений, устойчивых к насекомым-вредителям, вирусам и гербицидам. Получение растений, противостоящих неблагоприятным воздействиям и старению. Изменение свойств растений: окраски цветков, пищевой ценности, вкуса, внешнего вида плодов. Трансгенные растения, способные синтезировать ценные для промышленности и сельского хозяйства белки и химикаты.
Трансгенные животные (молочная железа – «биореактор», наследуемая устойчивость к бактериальным, вирусным инфекциям и паразитарным инвазиям); трансгенные овцы, козы и свиньи (синтез человеческого гемоглобина); трансгенные птицы, рыбы. ПЦР как метод обнаружения трансгена, перспективы и потенциальные опасности.
IV. Контроль применения биотехнологических методов: экспериментов с рекомбинантными ДНК, производства и потребления пищевых продуктов и пищевых добавок, высвобождения генетически модифицированных организмов в окружающую среду. Общее представление о правилах добротного и безопасного производства (GMP – Good Manufacturing Practice), доклинического испытания (GLP – Good Laboratory Practice) и клинического испытания (GCP – Good Clinical Practice) продуктов молекулярной биотехнологии, применяемых для улучшения качества жизни человека.
Количество часов по дисциплине
| Название факультета | Се- местр | Всего часов | Всего ауди- торных часов | Лек- ции | Лабора- торные занятия | КСР | Экза-мен, зачет |
| Биологический ДО, ЗО | Зачет |
Примечание: КСР – контролируемая самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя.
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДИСЦИПЛИНЫ «ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИ» ДЛЯ СТУДЕНТОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ»
| № | СОДЕРЖАНИЕ | Часы |
| Введение в молекулярную биотехнологию | ||
| Биологические системы, используемые в молекулярной биотехнологии | ||
| Технология рекомбинантных ДНК, экспрессия генов | ||
| Биотехнологическая энзимология | ||
| Биотехнологические основы культивирования микроорганизмов | ||
| Молекулярная биотехнология микробиологических систем в экологии и диагностике | ||
| Молекулярная биотехнология микробиологических систем и питание | ||
| Бродильное производство | ||
| Продукты питания на основе молока и хлеб | ||
| Молекулярная биотехнология микробиологических систем и производство коммерческих продуктов | ||
| Трансгенные растения | ||
| Трансгенные животные | ||
| Контроль применения биотехнологических методов |
ИТОГО: Лекции 32 часов.
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ ДИСЦИПЛИНЫ «ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ»
| № | Наименование раздела, темы, элемента | К-во часов | Примечание |
| Белки. Качественные и количественные методы определения аминокислот и белков. Методы изучения физико-химических свойств белков. | |||
| Ферменты. Определение специфичности ферментов. Иммобилизация ферментов. Методы выделения и количественного определения количества и активности ферментов. Методы изучения кинетических свойств ферментов. | |||
| Биохимическая оценка продуктов питания: физико-химические свойства, содержание витаминов. |
Литература
Основная литература
Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. М.: «Академия», 2003.
Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М.: “Мир”, 2002.
Голубев В.Н., Жиганов И.Н. Пищевая биотехнология. М.:ДеЛи принт, 2001.
Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. Санкт-Петербург: ГИОРД, 2003.
Евтушенков А.Н., Фомичев Ю.К. Введение в биотехнологию. Минск: БГУ, 2004.
Кислухина О., Кюдулас И. Биотехнологические основы переработки растительного сырья. Каунас: «Технология», 1997.
Кислухина О.В. Ферменты в производстве пищи и кормов. М.: ДеЛи принт, 2002. – 336 с.
Семак И.В. Инженерная энзимология. Минск: БГУ, 2006.
Фомичев Ю.К., Прокулевич В.А., Желдакова Р.А. Основы биотехнологии. Учебная программа для высших учебных заведений по специальности 1-31 01 01 Биология. Минск, 2006.
Чиркин А.А. Практикум по биохимии. Минск: ООО «Новое знание», 2002.
Чиркин А.А. Введение в биотехнологию. Витебск: Издательство УО «ВГУ им. П.М.Машерова», 2004.
Чиркин А.А. Основы генной инженерии: методы рекомбинантных ДНК. Витебск: Издательство УО «ВГУ им. П.М.Машерова», 2005.
Дополнительная литература
Бейли Д., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, в 2-х частях. М.: "Мир", 1989.
Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райнулис Е.П. Биотехнология. М.: "Агропромиздат", 1990.
Биотехнология, в 8-ми томах. Под ред. Н.С.Егорова, В.Д.Самуилова. М.: "Высшая школа", 1987-1988.
Гриневич А.Г., Босенко А.М. Техническая микробиология. Мн.: "Вышэйшая школа", 1986.
Елинов Н.П. Основы биотехнологии. СПБ: "Наука", 1995.
Варфоломеев С.Д., Калюжный С.В. Биотехнология. Кинетические основы микробиологических процессов. М.: «Высшая школа», 1990.
Виестур У.Э., Шмите И.А., Жилевич А.В. Биотехнология: биотехнологические агенты, технология, аппаратура. Рига: "Зинатне", 1987.
Кулаковская Т.В. Лабораторный практикум по биотехнологии: Учеб. пособие. Мн.: БГПУ им. М.Танка, 2001. – 45 с.
Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ. М.:Минздрав РФ, ЗАО «ИИА Ремедиум», 2000.
Рыбчин В.Н. Основы генетической инженерии. СПб: СПбГТУ, 2002.
Юрченко Е.О., Синявская М.Г. Основы молекулярного маркирования грибной ДНК. Минск: ИООО «Право и экономика», 2007.
Harvey W. Blanch, Douglas S. Clark. Biochemical Engineering. N.-Y.:Marcel Dekker, 1997.
Wong C.H., White G.M. Enzymes in Synthetic Organic Chemistry. Trowbridge: Pergamon, 1995.