История, предмет, цели и задачи биотехнологии.

Требования к уровню знаний экзаменуемого

Экзаменуемый соискатель должен:

иметь представление

Знать

• 
  структурно-функциональные особенности объектов биотехнологии;
• 
  основные характеристики генетического аппарата у акариот, про- и эукариот;
• 
  основные этапы генно-инженерных работ (получение генов, включение генов в состав вектора, перенос генов в клетки-реципиенты, амплификация и экспрессия клонируемых гомологичных и гетерологичных генов);
• 
  основные практически значимые метаболиты микроорганизмов;
• 
  основные этапы технологии получения этилового спирта, пива, вина, молочной кислоты, уксуса и др. продуктов;
• 
  основные этапы технологии получения ферментных препаратов, основные методы иммобилизации ферментов и полиферментных систем;
• 
  основные этапы технологии культивирования молочнокислых бактерий и получения профилактических и лечебных препаратов. Использование молочнокислых бактерий в процессах силосования кормов, квашения овощей, сыроварении,
• 
  современные способы обезвреживания отходов биотехнологических производств, схемы биологической очистки сточных вод, утилизации отходов биотехнологических производств

уметь

История, предмет, цели и задачи биотехнологии.

Биотехнология как научная дисциплина. Предмет, цели и задачи биотехнологии. Основные этапы развития биотехнологии. Роль Луи Пастера в становлении и развитии общей, промышленной, медицинской, химической и санитарной микробиологии. Работы Коха, Мечникова, Гамалеи, Ивановского, Заболотного, Стенли, Клюйвера и Перкина, Виноградского, Кребса, Моно, Берга, Уотсона и Крика, Костычева, Шапошникова, Буткевича Основные достижения и перспективы развития биотехнологии. Современные направления биотехнологии. Возникновение и становление биотехнологической науки и промышленности в Беларуси.

2. Объекты биотехнологии.

^ 2.1. Основные биологические объекты, используемые в биотехнологии.

Вирусы, бактерии, грибы, водоросли, клетки высших растений, клетки животных. Культура тканей и клеток высших растений. Культуры клеток животных и человека.

^ 2.2. Микроорганизмы, используемые в биотехнологии.

Требования, предъявляемые к промышленным штаммам микроорганизмов и др. биотехнологическим объектам. Современные методы создания и усовершенствования промышленных штаммов микроорганизмов.

3. Сырье и питательные среды.

^ 3.1 Основные компоненты питательных сред.

Источники углерода: углеводы, целлюлоза и гидролизаты полисахаридов, побочные продукты производств, органические кислоты, спирты, углеводороды. Источники минерального питания, минеральный азот, минеральные соли. Ростовые факторы. Кислород и вода. Рецептуры питательных сред для культивирования микроорганизмов. Среды для выращивания клеток растений и животных.

^ 3.2. Значение асептики в биотехнологических процессах.

Методы стерилизации жидких и твердых питательных сред. Термическая стерилизация. Химическая стерилизация. Стерилизация фильтрованием. Стерилизация ионизирующим излучением.

4. Инженерная энзимология.

^ 4.1. Структура, биосинтез и свойства ферментов.

Номенклатура и классификация ферментов. Структура и принцип действия ферментов. Источники ферментов. Особенности биосинтеза ферментов микроорганизмами. Механизмы регуляции синтеза ферментов: индукция и репрессия синтеза ферментов. Катаболитная репрессия, циклический 3’,5’-аденозинмонофосфат и белок-рецептор ц-АМФ.. Регуляция активности ферментов. Аллостерия. Регуляция активности ферментов по принципу обратной связи.

Основные методы выделения и очистки ферментов. Способы определения и выражение активности ферментов. Стационарная кинетика ферментативных реакций, уравнение Михаэлиса-Ментен. Влияние температуры, рН, ингибиторов и активаторов на скорость ферментативных реакций.

^ 4.2. Иммобилизованные ферменты.

Иммобилизованные ферменты. Органические и неорганические носители для иммобилизации ферментов. Иммобилизация ферментов путем адсорбции на нерастворимых носителях, путем включения в полимерные структуры. Инкапсулированные и поперечно сшитые ферменты. Иммобилизация с использованием полупроницаемых мембран, двухфазных систем. Химические методы иммобилизации. Преимущества и недостатки методов иммобилизации. Стабильность иммобилизованных ферментов. Ферментативный катализ в органических растворителях.

^ 4.3. Иммобилизованные клетки микроорганизмов.

Способы иммобилизации клеток микроорганизмов. Приемы использования иммобилизованных клеток микроорганизмов, преимущества перед другими биокатализаторами.

5. Изменчивость организмов и ее значение в биотехнологии.

^ 5.1. Мутации и модификации.

Наследственность, изменчивость и отбор как факторы эволюции. Формы изменчивости организмов. Факторы, вызывающие мутации. Молекулярные механизмы спонтанного мутагенеза. Кето-енольная и амино-иминная таутомерия азотистых оснований. Классы мутагенов (физические, химические, биологические). Действие ультрафиолетовых лучей, ионизирующих излучений, химических соединений. Биологические мутагены. Мутагены окружающей среды и методы их тестирования. Антимутагены. Процессы репарации ДНК.

^ 5.2. Селекция.

Традиционные способы увеличения продуктивности штаммов микроорганизмов. Основные подходы, используемые в селекции. Методы выделения мутантов. Селективные среды.

6. Генетическая инженерия.

6.1. Генная инженерия in vivo.

Основные характеристики генетического аппарата у акариот, прокариот и эукариот. Понятия о генной, геномной и хромосомной инженерии. Плазмиды и коньюгация. Трансформация. Бактериофаги и трансдукция (генерализованная и специализированная). Применение транспозонов. Получение и слияние протопластов.

6.2. Генная инженерия in vitro (технология рекомбинантных ДНК).

Ферменты генной инженерии. Основные этапы генно-инженерных работ (получение генов, включение генов в состав вектора, перенос генов в клетки-реципиенты, амплификация и экспрессия клонируемых гомологичных и гетерологичных генов. Локализованный и сайт-специфический мутагенез. Суперпродуценты и проблема стабильности векторов. Секреция чужеродных белков. Конструирование штаммов – продуцентов первичных и вторичных метаболитов.

7. Микробиотехнология.

7.1. Общая характеристика микробной биотехнологии.

Принципы культивирования микроорганизмов. Твердофазное, поверхностное и глубинное культивирование Периодическая культура. Непрерывная культура. Отъёмно-доливной метод. Дробное дозирование субстрата. Способы получения посевного материала для поверхностного и глубинного культивирования. Основные типы ферментационной аппаратуры для поверхностного и глубинного культивирования. Устройство типичного ферментёра. Влияние условий культивирования на рост микроорганизмов. Хемостат и турбидистат. Получение посевного материала. Требования, предъявляемые к посевному материалу. Предферментация.

7.2. Технические средства для реализации процессов ферментации.

Основы асептики в биотехнологических производствах. Системы подготовки стерильного сжатого воздуха и очистки отработанного воздуха. Пенообразование и пеногашение. Системы контроля и управления процессом ферментации.

7.3. Выделение конечных продуктов ферментации.

Экзо- и эндометаболиты как целевые продукты биотехнологии. Дезинтеграция. Сепарация. Осаждение. Флотация. Упаривание. Современные методы выделения метаболитов из растворов: мембранные процессы (ультрафильтрация и обратный осмос), ионный обмен, гельпроникающая и аффинная хроматография, экстракция, кристаллизация, вымораживание, сорбция, кристаллизация, микрофильтрация и т.д. Аппаратурное оформление процессов выделения и очистки продуктов ферментации.

7.4. Оценка процесса ферментации.

Оценка продуктивности по биомассе для периодического и непрерывного процессов. Определение продуктивности по целевому продукту. Расчет удельной скорости роста, удельной скорости образования целевого продукта и скорости потребления субстрата. Расчет величин экономического коэффициента и выхода целевого продукта.

7.5. Методы контроля микробиологических процессов.

Методы определения концентрации микроорганизмов. Методы и приборы для контроля технологических параметров процесса культивирования – температуры, рН, содержания растворенных газов. Применение методов планирования эксперимента при исследовании биотехнологических процессов. Использование компьютерной техники для управления биотехнологическими процессами.

7.6. Микробиотехнологические процессы.

Общая характеристика брожения. Характеристика процессов получения этилового спирта, пива, вина. Ацетоно-бутиловое брожение. Биотехнологические процессы получения органических кислот. Бродильные процессы получения молочной и пропионовой кислот. Использование молочнокислых бактерий в процессах силосования кормов, квашения овощей, сыроварении, приготовлении профилактических и лечебных препаратов. Окислительные процессы. Получение уксуса. Получение лимонной кислоты. Получение микробных препаратов – биоудобрений, стимуляторов и регуляторов роста растений. Технология получения препаратов для биологического метода борьбы с вредителями и болезнями растений. Научные основы применения таких препаратов.

8. Ферментная биотехнология.

Производство ферментных препаратов. Схема получения технических и очищенных препаратов ферментов: ГХ, ПХ, Г2Х, П2Х, П3Х, Г3Х, Г10Х, П10Х, Г20х, П20Х. Товарные формы ферментных препаратов. Применение ферментных препаратов.

9. Фитобиотехнология.

Бобовые культуры и симбиотическая фиксация азота. Дедифференцировка и каллусогенез как основа создания пересадочных клеточных культур. Вегетативное размножение растений методом культуры тканей. Культивирование клеток растений в глубинных условиях. Микроклональное размножение растений. Использование культуры тканей для получения безвирусного посевного материала и оздоровления растений. Использование протопластов в селекции растений. Цитопласты. Цибридизация. Использование методов генетической инженерии в фитобиотехнологиии. получение трансгенных растений Использование протопластов в селекции растений. Технология микробиологического производства биогаза и удобрений.

10. Зообиотехнология.

Возможности и перспективы использования культур тканей животных и человека в биотехнологии. Использование эмбриональных тканей для репродукции вирусов и получения вирусных вакцин. Трансплантация эмбрионов животных. Получение трансгенных животных; Гибридомы.

11. Биотехнология и медицина.

11.1. Получение антимикробных веществ.

Биотехнологическое получение антисептиков, дезинфектантов и химио-терапевтических средств. Классификация антибиотиков. Производство b-лактамных, О-, S- и N-гликозидных, пептидных, полиеновых и др. антибиотиков. Получение аминокислот и витаминов. Использование трансформирующей активности микроорганизмов при производстве стероидных гормонов.

11.2. Получение вакцин.

Получение вакцин на основе живых и убитых клеток патогенных микробов. Вакцины из клеточных компонентов патогенных микробов. Генно-инженерные вакцины. ДНК-вакцины.

11.3. ^ Проблема качества биотехнологической продукции.

Системы GLP (Good Laboratory Practice; «хорошая лабораторная практика») и GMP (Good Manufacturing Practice; «хорошая производственная практика») в связи с качеством биотехнологических продуктов. Цель функционирования систем GLP и GMP, их распространение и основные требования.

11.4. ^ Применение методов молекулярной генетики и технологии рекомбинантных ДНК в медицинской диагностике и лечении патологий.

Пренатальная диагностика наследственных болезней. Использование ферментов в процессах получения лекарственных препаратов. Получение интерферонов и моноклональных антител. Иммунизация нуклеиновыми кислотами (ДНК-вакцинация). Иммунотерапия рака с помощью рекомбинантной ДНК. Полимеразная цепная реакция и ее использование в научной и практической медицине. Антисмысловые олигонуклеотиды в качестве лекарственных средств. Направленное введение лекарственных препаратов. Радиоиммунологический (РИА) и иммуноферментный (ИФА) анализ. Теломераза и старение. Перспективы использования теломеразы в медицине будущего.

12. Биогеотехнология (получение ископаемых с использованием микроорганизмов).

Обогащение руд и угля. Обессеривание угля. Удаление метана из угольных пластов. Увеличение добычи нефти.

13. Технологическая биоэнергетика.

Биоконверсия энергии; получение водорода, этанола, метана и др. видов топлива из возобновляемого природного сырья; повышение эффективности фотосинтетических систем; биотопливные элементы.

14. Экологические аспекты биотехнологии.

Представления о круговороте веществ в природе. Характеристика процессов круговорота углерода, азота, фосфора, железа, марганца. Особенности реакций, осуществляемых в аэробных и анаэробных условиях. Воздействия микроорганизмов на нефть, торф, уголь. Участие микроорганизмов в деструкции органических остатков в почве (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов лигнина и т.д.). Обезвреживание отходов биотехнологических производств. Схема биологической очистки сточных вод. Утилизация отходов биотехнологических производств. Роль биотехнологии в защите и оздоровлении биосферы. Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде. Понятие о малоотходных и безотходных технологиях.

Литература

1. 
   Ермишин А.П. и др. Биотехнология. Биобезопасность. Биоэтика / под. ред. А.П.Ермишина. Мн.: Тэхналогiя, 2005.
2. 
   Елинов Н.П. Основы биотехнологии. СПБ: "Наука", 1995.
3. 
   Бокуть С.Б., Герасимович Н.В., Милютин А.А. Курс лекций по молекулярной биологии клетки. Мн.: "Вышэйшая школа", 2005.
4. 
   Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология: Учеб пособие.-Мн.: Книжный дом, 2004.
5. 
   Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия: Учеб-справ. пособие. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004.
6. 
   Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райнулис Е.П. Биотехнология. М.: "Агропромиздат", 1990.
7. 
   Бейли Д., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, в 2-х частях. М.: "Мир", 1989.
8. 
   Биотехнология, в 8-ми томах. Под ред. Н.С.Егорова, В.Д.Самуилова. М.: "Высшая школа", 1987-1988.
9. 
   Виестур У.Э., Шмите И.А., Жилевич А.В. Биотехнология: биотехнологические агенты, технология, аппаратура. Рига: "Зинатне", 1987.
10. 
    Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. М. «Мир», 2002.
11. 
    Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М.: "Просвещение", 1987.
12. 
    Грачева И.М. Технология ферментных препаратов. М.: "Агропромиздат", 1987.
13. 
    Гриневич А.Г., Босенко А.М. Техническая микробиология. Мн.: "Вышэйшая школа", 1986