ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ Лекция 2

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ. Лекция 2

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОДУКТ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ

Биотехнологическая система ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ. Лекция 2

Биотехнологическая система Совокупность компонентов и условий биотехнологии Аппаратура, технология БИООБЪЕКТБИООБЪЕКТ Режим культивирования Питательныйсубстрат Питательныйсубстрат Продуктбиотехнологии Продуктбиотехнологии

Биотехнологический процесс ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ. Лекция 2

Стадии I.Подготовительнаястадия I. Подготовительная стадия II. Стадия культивирования III. Стадия получения продукта Биотехнологический процесс совокупность последовательных этапов в реализации биотехнологической задачи

1. Подготовительная стадия экспериментальный этап, осуществляется в лабораторных условиях цель – модификация биообъекта; разработка условий и режимов культивирования экспериментальный этап, осуществляется в лабораторных условиях цель – модификация биообъекта; разработка условий и режимов культивирования

Основные этапы подготовительной стадии

2. Стадия культивирования этап «работы» биообъекта разрабатывается в лабораторных условиях, осуществляется – в промышленных цель – поддержание оптимальных условий выращивания (культивирования) биообъекта этап «работы» биообъекта разрабатывается в лабораторных условиях, осуществляется – в промышленных цель – поддержание оптимальных условий выращивания (культивирования) биообъекта

Основные этапы стадии культивирования

Аппаратура биореакторы биореакторы (ферментеры) – специальная аппаратура в биотехнологических производствах

Среды, параметры, режимы Компонентный состав среды физико- химические параметры Компонентный состав среды и физико- химические параметры определяются потребностями биообъекта и задаются согласно разработанному техническому регламенту. Режимы культивирования Режимы культивирования – контролируются биореакторами. Компонентный состав среды физико- химические параметры Компонентный состав среды и физико- химические параметры определяются потребностями биообъекта и задаются согласно разработанному техническому регламенту. Режимы культивирования Режимы культивирования – контролируются биореакторами.

Микроорганизмы Естественные Синтетические Клеткирастений Обязательные компоненты: индолуксусная кислота, кинетин и гибберилиновая кислота Клеткиживотных Обязательные компоненты: ростовые вещества, незаменимые аминокислоты Основной принцип рецептуры сред: сбалансированность по компонентному составу для полной ассимиляции ингредиентов среды Среды для культивирования

УСЛОВИЯЭФФЕКТ 1. состав и концентрация питательных веществ обеспечивает метаболизм 2. температура влияет на скорость биохимических реакций 3. осмотическое давление определяет границы жизни 4. кислород для аэробов обеспечивает аэробный метаболизм, а для анаэробов является ингибирующим фактором 5. двуокись углерода источник углерода для автотрофов 6. вязкость среды определяет диффузию питательных веществ Параметры при культивировании

Режимы культивирования

Периодический режим: последовательность этапов 1. стерилизация реакционной среды и оборудования 2. внесение питательной среды и биообъекта 3. культивирование биообъекта 4. отделение и очистка целевого продукта, после чего проводится подготовка к новому процессу

I – лаг-фаза II – фаза ускорения роста III – фаза экспоненциального роста IV – фаза замедления роста V – фаза стационарная VI – фаза отмирания культуры I – лаг-фаза II – фаза ускорения роста III – фаза экспоненциального роста IV – фаза замедления роста V – фаза стационарная VI – фаза отмирания культуры Периодический режим: кривая роста микроорганизмов при периодическом культивировании

ХЕМОСТАТНЫЙ РЕЖИМ ТУРБИДОСТАТНЫЙ РЕЖИМ рН-СТАТНЫЙ РЕЖИМ ОКСИСТАТНЫЙ РЕЖИМ основан на регулировании оптической плотности культуры для процессов, в которых имеется связь между приростом биомассы и изменениями рН для аэробных микроорганизмов лимитирование роста внешним фактором, например, недостатком субстрата Непрерывный режимы экспоненциальной Биообъект поддерживается в экспоненциальной фазе роста

3. Стадия получения продукта отрабатывается в лабораторных, реализуется в промышленных условиях цель – достижение результата биотехнологии отрабатывается в лабораторных, реализуется в промышленных условиях цель – достижение результата биотехнологии

Основные этапы стадии получения продукта

III. Стадия получения продукта стадия биотехнологического процесса на которой достигается решение биотехнологической задачи Культура клеток сепарация биомасса Культуральная жидкость Гомогенат клеток дезинтеграция Целевой продукт Отделение, концентрирование, обезвоживание, модификация, стабилизация

Продукт биотехнологии ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ. Лекция 2

Продукт биотехнологии ОБЪЕКТ (биообъекты с заданными свойствами: промышленные продуценты, трансгенные организмы и пр.) ЭФФЕКТ (ремедиация, фиторемедиация, биоиндикация и пр.) ПРОДУКТ (фармакологические препараты, генно-инженерные вакцины и пр.)

Продукт биотехнологии: ФЕРМЕНТЫ продукт микробного синтеза продуценты: мицелиальные грибы, актиномицеты и бактерии ВИТАМИНЫ, ПРОВИТАМИНЫ, КОФЕРМЕНТЫ витамин B12, витамин B2, каротиноиды продуценты витамина B12: пропионовокислые бактерии, актиномицеты, метанобразующие бактерии

Продукт биотехнологии: АНТИБИОТИКИ продукт микробного синтеза продуценты: актиномицеты, мицелиальные грибы и бактерии АМИНОКИСЛОТЫ продукт микробного синтеза продуценты лизина и глутаминовой кислоты: бактерии (Brevibacterium и Micrococcus) продукт микробного синтеза продуценты лизина и глутаминовой кислоты: бактерии (Brevibacterium и Micrococcus)

Биообъекты биотехнологии ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ. Лекция 2

Биотехнологические объекты живые организмы, их части или производные живых систем, применяемые в биотехнологиях

КЛЕТКА: основа биологических систем

Типы переноса информации в клетках Общий перенос – процесс, который обязательно осуществляется в клетках любого типа Специальный перенос – процесс осуществляется в клетках только при наличии особенных условий ДНК РНК БЕЛОК

отбор биообъекта идет как на всех уровнях организации живой материи, так и внутри отдельных ступеней иерархии Разнообразие биообъектов

Классификация биообъектов по уровням организации Уровни организации (Суб)молекулярный Клеточный/ тканевой Организменный Популяционный ДНК, РНК Белки Вирусы Культуры клеток и тканей растений, насекомых, животных человека Микроорганизмы, нативные и трансгенные растения, животные Сообщества микро- организмов, водорослей и насекомых, ассоциации

Примеры биообъектов: (Суб)молекулярный уровень Вирусы: ретровирусы, аденовирусы, вирус герпеса 1 типа HSV; вирус SV-40 и др. Вирусы: ретровирусы, аденовирусы, вирус герпеса 1 типа HSV; вирус SV-40 и др. Adenoviridae Нуклеиновые кислоты: ДНК и РНК Нуклеиновые кислоты: ДНК и РНК Белки: ферменты, транспортные белки, иммуноглобулины и др. Белки: ферменты, транспортные белки, иммуноглобулины и др.

Области применения молекулярное клонирование: конструирование векторов на основе ДНК и РНК, создание рДНК, получение трансгенных организмов НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ молекулярное клонирование: конструирование вирусных векторов, получение трансгенных организмов ВИРУСЫ белковая инженерия: получение модифицированных белков для медицины, сельского хозяйства, промышленности и др. БЕЛКИ

Примеры биообъектов: Клеточный и тканевой уровень Культуры клеток и тканей растений: каллусы, клеточные суспензии, соматические гибриды и др. Культуры клеток и тканей растений: каллусы, клеточные суспензии, соматические гибриды и др. Культуры клеток и тканей животных и человека: стволовые клетки, реконструированные зиготы, эмбриональные клетки, клеточные суспензии, соматические гибриды

Области применения микроклонирование: оздоровление посевного материала, клеточные технологии и др. КУЛЬТУРЫ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ РАСТЕНИЙ научные цели: культуры для выращивания вирусов насекомых КУЛЬТУРЫ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ НАСЕКОМЫХ клеточная трансплантология и терапия КУЛЬТУРЫ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ ЖИВОТНЫХ

Примеры биообъектов: Организменный уровень Нативные и трансгенные растения, животные, микроорганизмы

Области применения растения с повышенной продуктивностью растения устойчивые к насекомым- вредителям, вирусам, гербицидам, неблагоприятным условиям среды растения, синтезирующие несвойственные вещества ТРАНСГЕННЫЕ РАСТЕНИЯ животные с улучшенными свойствами по накоплению биомассы животные устойчивые к болезням животные способные к синтезу новых, не свойственных данному организму веществ ТРАНСГЕННЫЕ ЖИВОТНЫЕ

Примеры биообъектов: Организменный уровень Бактерии: Thiobacillus, Aeromonas, Lactobacillus, Leuconastoc, Streptococcus, Rhizobium, Azotobacter, Bacillus, Corynebacterium, Fibrobacter, Simomonas Pseudomonas Escherichia coli Дрожжи: Candida, Saccharomyces Saccharomyces

Области применения молочно-кислые бактерии: Lactobacillus, Leuconastoc, Streptococcus фиксаторы азота: Rhizobium, Azotobacter источник бактериальных инсектицидов: Bacillus антибиотикообразователи (грамицидин С, бацитроцин) Bacillus источник витаминов (В12): Propionibacterium, Bacillus биосинтез аминокислот (лизин): Corynebacterium источник амилаз и протеиназ: Bacillus БАКТЕРИИ

Примеры биообъектов: Организменный уровень Актиномицеты: Streptomyces, Micromonospora Мицелиальные грибы: Aspergillus, Penicillum, Cephalosporium Мицелиальные грибы: Aspergillus, Penicillum, Cephalosporium Streptomyces ПЕНИЦИЛЛИН (белая точка). Видно его угнетающее влияние (темное кольцо) на рост колонии стафилококков (полосы).

Области применения источник ферментов: Saccharomyces источник белка и витаминов: Candida дрожжи используют в пищевой промышленности для получения пива, вина, хлебопродуктов, а также в молочной промышленности для получения ацидофиллина и др. ДРОЖЖИ главные продуценты антибиотиков: Streptomyces – стрептомицин, эритромицин, тетрациклины и др., Micromonospora – гентамицин. АКТИНОМИЦЕТЫ

Примеры биообъектов: Организменный уровень Водоросли: Clorella, Spirullina

Области применения источник органических кислот (лимонной, итаконовой, гибберелиновой, глюконовой): Aspergillus антибиотикообразователи: Penicillum –пенициллин, Cephalosporium – цефалоспорин С. для приготовления специальных сыров: Рenicillum candidum – камамбер, Penicillium roqueforti – рокфор МИЦЕЛИАЛЬНЫЕ ГРИБЫ источник белка и витаминов: Clorella и Spirullina ВОДОРОСЛИ

Ассоциация бактерий на эпителии желудка Примеры биообъектов: Популяционный уровень Сообщества микроорганизмов, водорослей и насекомых, ассоциации микроорганизмов

Области применения источник энергии: ассоциации анаэробных бактерий (метанообразующие – Methanobacterium) и др. выщелачивание металлов: Thiobacillus, Sulfolobus биоремедиация: использованием метаболического потенциала растений, грибов, насекомых и др. АССОЦИАЦИИ И СООБЩЕСТВА