Совершенствование биообъектов методами генной инженерии. Создание новых биообъектов методами генетической инженерии

5.1.5 Инженерная энзимология. Иммобилизованные биообъекты в биотехнологическом производстве .

Инженерная энзимология и повышение эффективности биообъектов (индивидуальных ферментов, ферментных комплексов и клеток продуцентов) в

условиях производства. Иммобилизованные (на нерастворимых носителях)

биообъекты и их многократное использование. Ресурсосбережение.

Экологические преимущества.

Экономическая целесообразность. Повышение качества препаратов

лекарственных веществ (гарантия высокой степени очистки, отсутствия белковых

примесей).

Нерастворимые носители органической и неорганической природы. Микроструктура носителей.

Иммобилизация за счет образования ковалентных связей между ферментом и носителем. Предварительная активация носителя. Механизм активации. Влияние иммобилизации на их субстратный спектр и кинетические характеристики фермента.
Адсорбция ферментов на инертных носителях и ионообменниках. Причины частичных ограничений использования этого метода иммобилизации
Иммобилизация ферментов путем включения в ячейки геля. Органические и неорганические гели. Микрокапсулирование ферментов как один из способов их иммобилизации. Размеры и состав оболочки микрокапсул.
Иммобилизация целых клеток микроорганизмов и растений. Моноферментные биокатализаторы на основе целых клеток. Проблемы диффузии субстрата в клетку и выхода продукта реакции. Пути повышения проницаемости оболочки у иммобилизуемых клеток. использование ростового цикла для иммобилизации клеток в наиболее продуктивной фазе. Особенности физиологии клеток, находящихся в ячейках геля. Проблемы иммобилизации продуцентов при локализации целевого продукта внутри клетки. Пути решения этих проблем.
Ферменты как промышленные биокатализаторы. Использование иммобилизованных ферментов при производстве полусинтетических β-лактамных антибиотиков, трансформации стероидов и разделении рацематов аминокислот на стереоизомеры.
Создание биокатализаторов второго поколения на основе одновременной иммобилизации продуцентов и ферментов.
Производственные типы биореакторов для иммобилизованных ферментов и клеток продуцентов.
Иммобилизованные ферменты и лечебное питание. Удаление лактозы из молока с помощью иммобилизованной β-галактозидазы. Превращение глюкозы во фруктозу с помощью иммобилизованной глюкоизомеразы.

5.1.6. Геномика и протеомика. Их значение для современной биотехнологии.

Основные этапы развития генетики. Формальная генетика (генетика признаков). Молекулярная генетика (установление молекулярной структуры гена, дифференциация оперона и открытой рамки считывания, установление функций индивидуальных генов). Геномика (установление молекулярной структуры – последовательности пар нуклеотидов в целостном геноме и общих принципов его структурно-функциональной организации). Значение международного проекта «Геном человека» в медико-биологическом аспекте.
Протеомика. Белки и их взаимодействие в живых организмах. Методы протеомики. Совершенствование методов двухмерного электрофореза и «визуализация» протеома. Значение протеомики для фармации.
Техника секвенирования. Международные базы данных геномных исследований. Биоинформатика. Базы данных по структурной, сравнительной и функциональной геномике.
Значение геномики для целей фармации. Новые подходы к созданию лекарств. Целенаправленный поиск лекарственного агента, начиная с выбора гена, при взаимодействии с продуктами экспрессии которого, предполагается испытувать ряды природных и синтетических соединений как потенциальных лекарств.
Понятие жизненной необходимости (существенности) гена. Дифференциация генов патогенных микроорганизмов на “house keeping” и “ivi”-гены. Выявление у патогенов новых мишеней для антимикробных лекарственных агентов.

5.1.7. Биосинтез. Молекулярные механизмы внутриклеточной регуляции и управление биосинтезом.
Управление биосинтезом первичных и вторичных метаболитов

Индукция и репрессия синтеза ферментов. Функциональные участки оперона . Механизмы регуляции действия генов и их использование в биотехнологических процессах. Схема Жакоба и Мано.
Ингибирование активности ферментов по принципу обратной связи (ретроингибирование). Аллостерические ферменты. Значение этого механизма в регуляции жизнедеятельности клетки и пути преодоления ограничений биосинтеза целевых продуктов у суперпродуцентов. Создание мутантов с нарушением аллостерического центра у ключевых ферментов биосинтетических путей. Оптимизация подбора сред (среды с уменьшенным содержанием конечных продуктов биосинтетических путей).
Строгий (stringent ) аминокислотный контроль метаболизма. Гуанозинтетрафосфат как биорегулятор. Рибосома как сенсорная органелла. Ассоциированная с рибосомой пирофосфаттрансфераза. Rel А+-и Rel А-штаммы. Видовая специфичность структуры гуанозинфосфатных регуляторов. Биосинтез различных целевых биотехнологических продуктов и роль системы регуляции метаболизма, обусловленной гуанозинтетрафосфатом.

Защита рекомбинантных нуклеиновых кислот и белков от нуклеаз и протеаз продуцента.

Регуляция усвоения азотсодержащих соединений. Глутамин, глутамат, аспартат и их роль в ключевых реакциях обеспечения клетки-продуцента азотом. Глутамин-синтаза – главная мишень для регуляторных воздействий применительно к конкретным целям биотехнологии. Понятие кумулятивного ретроингибирования . Ингибирование активности глутамин-синтазы за счет аденилирования. Деаденилирование и состав среды. Ион аммония как регрессор синтеза глутамина и его метаболитов.
Катаболитная регрессия (глюкозный эффект) и подавление синтеза катаболических ферментов. Транзиентная репрессия. Исключение индуктора. Механизм катаболитной репрессии. Циклический 3"5"-аденозинмонофосфат (цАМФ). Аденилатциклаза. Биологические эффекты цАМФ. Мутанты, устойчивые к катаболитной репрессии, и их использование в биотехнологии. Противодействие этому эффекту за счет подбора сред: физиологический уровень или уровень конструирования устойчивых к катаболитной репрессии мутантов – генетический уровень.
Регуляция усвоения азотсодержащих соединений. Ключевые соединения в биосинтезе азотсодержащих соединений. Ферменты синтеза глутамата и глутамина. Понятие кумулятивного ретроингибирования. Мутанты с измененной регуляцией азотного метаболизма и возможности интенсификации биосинтеза ряда первичных, вторичных метаболитов и некоторых ферментов.
Явление ограниченного протеолиза и возможности его использования.
Защита клетки-продуцента от образуемых метаболитов с «суицидным» эффектом. Компартментация. Временная (обратимая) ферментативная инактивация с реактивацией при выбросе из клетки.
Защита в клетке рекомбинанта чужеродных генов и кодируемых этими генами белков от нуклеаз и протеаз хозяина.

Внутреклеточный транспорт и секреция биотехнологических продуктов у микроорганизмов.

Структура и видовая специфичность оболочки. Роль клеточной стенки, внешней и внутренней мембраны. Биосинтез полимеров оболочки. Литические ферменты.мембранные систему транспорта ионов и низкомолекулярных метаболитов.
Классификация систем транспорта. Регуляция их функций. Биотехнологические аспекты транспорта низкомолекулярных соединений в клетку и из клетки. Механизмы секреции высокомолекулярных биотехнологических продуктов.
Фосфорный обмен и энергообеспечение.

Сохранение свойств промышленных штаммов микроорганизмов – продуцентов лекарственных средств.

Проблемы стабилизации промышленных штаммов. Причины нестабильности суперпродуцентов. Способы поддержания их активности.
Международные и национальные коллекции культур микроорганизмов и их значение для развития биотехнологии. Банки данных о микроорганизмах, растительных и животных клетках и отдельных штаммах микроорганизмов.

5.1.8. Рекомбинантные белки и полипептиды. Получение путем микробиологического синтеза биорегуляторов с видоспецифичностью для человека.

Белковые и полипептидные гормоны. Факторы роста тканей и врожденного иммунитета. Иммуногенность препаратов, получаемых из тканей сельскохозяйственных животных.
Генно-инженерный инсулин. Технология его получения. Источники получения инсулина из животного сырья .
Технология получения инсулина человека на основе использования рекомбинантных штаммов.
Контроль за концентрацией инсулина в крови человека. Радиоиммунный анализ.
Эритропоэтин. Фактор созревания эритроцитов. Клонирование гена эритропоэтина человека. Технология получения. Лекарственные формы.
Интерфероны. Клонирование гена интеферона в клетках E. Coli и дрожжах.
Рекомбинантные вакцины. Актуальность их создания.

5.2. Биотехнологические производственные системы.
5.2.1. Слагаемые биотехнологического процесса производства лекарственных препаратов.

Основные "варианты" биотехнологий. Биотехнологический процесс как базовый этап, обеспечивающий сырье для получения лекарственных, профилактических или диагностических препаратов.
Различная степень сложности производственных биотехнологических процессов. Ее зависимость от природы биообъекта, целевого продукта, его назначения и лекарственной формы.
Ферментация определяющий этап биотехнологического процесса. Ферментационное оборудование. Цех ферментации. Конструкция ферментеров.
Подготовительные операции для проведения биосинтеза. Стерилизация ферментеров и трубопроводов. Проблемы гермитизации оборудования и коммуникаций. Питательные среды и методы их стерилизации. Критерий дейндорфера – Хемфри. Сохранение биологической полноценности сред при их стерилизации. Очистка и стерилизация технологического воздуха. Барботажное устройство. Многоэтапность подготовки посевного материала и контроль чистоты культуры.
Комплексные и синтетические питательные среды. Концентрация отдельного расходуемого компонента питательной среды и скорость размножения биообъекта. Уравнение Моро.
Критерии подбора ферментов. Классификация ферментационных процессов по технологическим параметрам (периодический, полупериодический, непрерывный). Глубинная и поверхностная ферментации.
Выделение и очистка целевого продукта. Методы отделения биопродуцента от целевого продукта. Методы отделения целевого продукта от культуральной жидкости. Методы разрушения клеток продуцента и извлечения целевого продукта при его внутриклеточной локализации.
Сорбционная и ионообменная хроматография. Аффинная хроматография для ферментов. Мембранные технологии разделения. Методы сушки.
Методы создания лекарственных форм препаратов, полученных биотехнологическим путем.
Стандартизация лекарственных средств, получаемых методами биотехнологии. Фасовка.

5.2.2. Контроль и управление биотехнологическими процессами.

Основные параметры контроля и управления биотехнологическими процессами. Общие требования к методам и средствам контроля . Современное состояние методов и средств автоматического контроля в биотехнологии.
Контроль состава технологических растворов и газов. Потенцио-метрические методы контроля рН и ионного состава. Датчики рН и ионоселективные электроды.
Газочувствительные электроды. Стерилизуемые датчики растворенных газов.
Контроль концентрации субстратов и биотехнологических продуктов. Титригметрические методы. Оптические методы. Биохимические (ферментативные) методы контроля.
Электроды и биосенсоры на основе иммобилизованных клеток.
Высокоэффективная жидкостная хроматография при решении задач биотехнологического производства.
Основные теории автоматического регулирования. Статические и динамические характеристики биотехнологических объектов. Классификация объектов управления в зависимости от динамических характеристик.
Компьютеризация биотехнологического производстве лекарственных препаратов. Создание автоматизированных рабочих мест. Разработка автоматизированных систем управления. Пакеты прикладных программ.
Применение компьютерной техники на различных этапах производства и получения биотехнологических продуктов. Принципы и этапы анализа данных и математического моделирования биотехнологических систем. Планирование и оптимизация многофакторных экспериментов.
Кинетические модели биосинтеза и биокатализа.
Организация автоматизированных банков данных по биотехнологическим процессам и продуктам.

5.3. Биобезопасность и государственный контроль. Единая система GLP-GCP И GMP для производства и контроля качества лекарственных средств, полученных биотехнологическими методами.

Основы законодательства в области здравоохранения. Порядок оказания лекарственной помощи; производство и качество лекарственных средств; «Федеральный закон о лекарственных средствах».
Связь медико-биологических требований (эффективность и безопасность) с качеством лекарственных веществ. Терминология: качество, уровень качества.

Стандартизация лекарственных средств, нормативная документация (НД): Государственная фармакопея, общие фармакопейные статьи (ОФС), фармакопейные статьи (ФС), фармакопейные статьи предприятий (ФСП). Законодательный характер фармакопейных статей. Общая характеристика НД (требования, нормы и методы контроля). Роль НД в повышении качества лекарственных средств.

Международные и региональные сборники унифицированных требований и методов испытания лекарственных средств, их роль и влияние на развитие фармацевтической химии и стандартизации лекарственных средств: Международная фармакопея ВОЗ, Европейская фармакопея и другие региональные и национальные фармакопеи.

Предклинические испытания лекарств в соответствии с правилами good laboratory practice (GLP): тесты in vitro и in vivo , стандартизация реагентов, линейные животные и их содержание.
Клиническое изучение лекарств в соответствии с требованиями good clinical practice (GCP). Информация для лиц, получающих испытываемые лекарства. Правила повышения достоверности результатов клинических испытаний.
Правила GMP при производстве и контроле качества лекарственных препаратов и их субстанций. Причины и история введения правил GMP. Международная организация по сертификации и удостоверению качества лекарств.
Правила GMP и меры безопасности для биотехнологических производств. Карантин.
Международная законодательная база по биобезопасности и ее реализация.
Законодательная база России по биобезопасности.

5.4. Биотехнология и проблемы экологии.

Преимущества биотехнологии в экологическом аспекте перед традиционными технологиями.
Охрана окружающей среды и пути совершенствования биотехнологических процессов. Малоотходные технологии.
Отходы биотехнологических производств и пути их утилизации.
Очистка жидких отходов. Биологический способ. Аэтотенки. Активный ил. Штаммы-деструкторы.
Уничтожение или переработка твердых отходов. Стерилизация биомассы. Биологические, физико-химические и термические методы обезвреживания мицелиальных отходов. Использование стерилизованной биомассы как подкормки для сельскохозяйственных животных. Использование биомассы при производстве строительных материалов и пеногасителей.
Методы уничтожения газообразных отходов. Биологические, физико-химические и термические методы рекуперации и обезвреживания выбросов в атмосферу.

5.5. Биомедицинские технологии

Определение понятия "биомедицинские технологии". Решение кардинальных проблем медицины на основе достижений биотехнологии. Международный проект "Геном человека" и его цели. Этические проблемы.
Антисмысловые нуклеиновые кислоты, пептидные факторы роста тканей и другие биологические продукты новых поколений - молекулярные механизмы их биологической активности и перспективы практического применения.
Коррекция наследственных болезней на уровне генотипа (генотерапия) и фенотипа.
Биопротезирование. Репродукция тканей. Трансплантация тканей и органов. Поддержание гомеостаза. Гемосорбция. Диализ.
Оксигенация. Перспективы использования гормонов, продуцируемых вне эндокринной системы.
Состояние и направления развития биотехнологии лекарственных форм - традиционных и инновационных.

5.6. ЧАСТНАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ.
5.6.1. Биотехнология первичных метаболитов .
5.6.1.1. Биотехнология аминокислот.

Биологическая роль аминокислот и их применение в качестве лекарственных средств.
Химический и химико-энзиматический синтез аминокислот. Проблемы стереоизомерии. Разделение стереоизомеров с использованием ферментативных методов (ацилаз микроорганизмов).
Микробиологический синтез аминокислот. Создание суперпродуцентов аминокислот. Особенности регыляции и схемы синтеза различных аминокислот у разных видов микроорганизмов. Мутанты и генно-инженерные штаммы-продуценты аминокислот.
Получение аминокислот с помощью иммобилизованных клеток и ферментов.
Основные пути регуляции биосинтеза и его интенсификация.
Механизмы биосинтеза глутаминовой кислоты, лизина, треонина.

5.6.1.2. Биотехнология белковых лекарственных веществ.

Биотехнология белковых лекарственных веществ. Рекомбинантные белки, принадлежащие к различным группам физиологически активных веществ.
Инсулин. Источники получения. Видовая специфичность. Иммуногенные примеси. Перспективы имплантации клеток, продуцирующих инсулин.
Рекомбинантный инсулин человека. Конструирование плазмид. Выбор штамма микроорганизма. Выбор лидерной последовательности аминокислот. Отщепление лидерных последовательностей. Методы выделения и очистки полупродуктов. Сборка цепей. Контроль за правильным образованием дисульфидных связей. Ферментативный гидролиз проинсулина. Альтернативный путь получения рекомбинантного инсулина; синтез А- и В-цепей в разных культурах микробных клеток. Проблема освобождения рекомбинантного инсулина от эндотоксинов микроорганизмов-продуцентов. Биотехнологическое производство рекомбинантного инсулина. Экономические аспекты. Создание рекомбинантных белков "второго поколения" на примере инсулина.
Интерферон (Интерфероны). Классификация, α-, β-, у- Интерфероны. Интерфероны при вирусных и онкологических заболеваниях. Видоспецифичность интерферонов Ограниченные возможности получения α- и γ-интерферонов из лейкоцитов и Т-лимфоцитов. Лимфобластоидный интерферон. Методы получения β-интерферона при культивировании фибробластов. Индукторы интерферонов. Их природа. Механизм индукции. Промышленное производство интерферонов на основе природных источников.
Синтез различных классов интерферона человека в генетически сконструированных клетках микроорганизмов. Экспрессия генов, встроенных в плазмиду. Вариации в конформации синтезируемых в клетках микроорганизмов молекул интерферонов за счет неупорядоченного замыкания дисульфидных связей. Проблемы стандартизации. Производство рекомбинантных образцов интерферона и политика различных фирм на международном рынке.
Интерлейкины. Механизм биологической активности. Перспективы практического применения. Микробиологический синтез интерлейкинов. Получение продуцентов методами генетической инженерии. Перспективы биотехнологического производства.
Гормон роста человека. Механизм биологической активности и перспективы применения в медицинской практике. Микробиологический синтез. Конструирование продуцентов.

5.6.1.3. Ферментные препараты

Ферменты в качестве лекарственных средств. Протеолитические ферменты. Амилолитические и липолитические ферменты. L-аспарагиназа.

Механизм каталитического действия, общие свойства и области применения медицинских ферментов (L-аспарагиназы, β-галактозидазы, α-амилазы, солизим, террилитин, стрептокиназы, трипсин, химотрипсин, пепсин, урокиназы, бромелин, папаин, фицин).
Микробиологический синтез ферментов для медицинских целей.

5.6.1.5. Иммунология как один из разделов биотехнологии.

Основные составляющие и пути функционирования иммунной системы.
Иммуномодулирующие агенты: иммуностимуляторы и иммуносупрессоры (иммунодепрессанты).
Усиление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Вакцины на основе рекомбинантных протективных антигенов или живых гибридных носителей. Антисыворотки к инфекционным агентам, к микробным токсинам.
Неспецифическое усиление иммунного ответа. Рекомбинантные интерлейкины, интерфероны и др. Механизмы биологической активности. Подавление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Рекомбинантные антигены. IgE - связующие молекулы и созданные на их основе толерогены. Иммунотоксины. Антиидиотипическне антитела в качестве мишени для аутоантител. Специфическая плазмоиммуносорбция. Неспецифическое подавление иммунного ответа. Моноклональные антитела против цитокинов. Неспецифичная гемосорбция и иммуноплазмофорез.
Медиаторы иммунологических процессов. Их функциональная совокупность. Обеспечение гомеостаза. Технология рекомбинантной ДНК и получение медиаторов иммунологических процессов.

5.6.1.6. Производство моноклоналъных антител и использование соматических гибридов животных клеток.

Механизмы иммунного ответа на конкретный антиген. Разнообразие антигенных детерминантов. Гетерогенность (полнклональность) сыворотки. Преимущества при использовании монеклональных антител. Клоны клеток злокачественных новообразований. Слияние с клетками, образующими антитела. Гибридомы.
Криоконсервирование. Банки гибридом. Технология производства моноклональных антител.
Области применения моноклинальных антител. Методы анализа, основанные на использовании моноклональных (в отдельных случаях поликлональных) антител
Иммуноферментный анализ (ИФА). Метод твердофазного иммуноанализа (EL1SA - enzyme linked immunosorbentassay).
Радиоиммунный анализ (РИА). Преимущества перед традиционными методами при определении малых концентраций тестируемых веществ и наличии в пробах примесей с близкой структурой и сходной биологической активностью.
ДНК- и РНК-зонды как альтернатива ИФА и РИА при скрининге продуцентов биологически активных веществ (обнаружение генов вместо продуктов экспрессии генов).
Моноклональные антитела в медицинской диагностике. Тестирование гормонов, антибиотиков, аллергенов и т.д. Лекарственный мониторинг. Ранняя диагностика онкологических заболеваний. Коммерческие диагностические наборы на международном рынке.
Моноклональные антитела в терапии и профилактике. Перспективы высокоспецифичных вакцин, иммунотоксинов. Включение моноклональных антител в оболочку липосом и повышение направленности транспорта лекарств.
Типирование подлежащих пересадке тканей. Обязательное тестирование препаратов моноклональных антител на отсутствие онкогенов.
Моноклональные антитела как специфические сорбенты при выделении и очистке биотехнологических продуктов.

5.6.2. Биотехнология вторичных метаболитов.
5.6.2.1. Плантационные и дикорастущие лекарственные растения.

Лекарственные растения – традиционный источник лекарственных средств. Применение вторичных метаболитов высших растений для медицинских целей. Основные классы вторичных метаболитов (эфирные масла, фенольные соединения, алкалоиды, стероиды, сердечные гликозиды).
Биотехнологические методы повышения продуктивности лекарственных растений. регуляторы роста растений. Фитогормоны.
Трудности со сбором лекарственного сырья. Проблемы нестандартности.

5.6.2.2 . Вторичные метаболиты растений. Культуры растительных клеток и тканей как источник получения лекарственных средств.

Разработка методов культивирования растительных тканей и изолированных клеток как достижение биотехнологической науки.
Культивирование растительных клеток и тканей на искусственной питательной среде в биореакторах различных конструкций.
Каллусные и суспензионные культуры. Особенности роста и метаболизма растительных клеток в культурах. Питательные среды для культивирования растительных клеток. Макроэлементы, микроэлементы, источники железа и углерода, витамины. Фитогормоны-специфические регуляторы роста (ауксины, цитокинины). Проблемы стерильности.
Биореакторы.
Примеры лекарственных средств, полученных на основе каллусных и суспензионных культур клеток растений.
Иммобилизация растительных клеток и ее использование в биотехнологическом производстве. Нерастворимые носители, используемые при иммобилизации растительных клеток.
Применение иммобилизованных растительных клеток для целенаправленной биотрансформации лекарственных веществ. Преимущество ферментативной трансформации по сравнению с химической .
Методы контроля и идентификации (цитофизиологические, химические, биохимические и биологические) биомассы и препаратов, полученных методами клеточной биотехнологии.
Возможность изменения состава и повышения выхода вторичных метаболитов (потенциальных лекарственных средств) из клеток трансгенных растений.

5.6.2.3 Биотехнология витаминов и коферментов.

Биологическая роль витаминов. Классификация витаминов. Традиционные методы получения (выделение из природных источников и химический синтез).
Микробиологический синтез витаминов и конструирование штаммов-продуцентов методами генетической инженерии.
Витамин В2 (рибофлавин). Основные продуценты. Схема биосинтеза и пути интенсификации процесса
Коферменты как производные витаминов. Механизм каталитической активности витаминов.
Микробиологический синтез витаминов группы В. Витамин В 12 . Его продуценты – пропионовокислые бактерии. Схема и пути регуляции биосинтеза. Продуценты витамина В 12 , получаемые методом генной инженерии.
Микробиологический синтез пантотеновой кислоты, витамина РР.
Витамин В 2 (рибофлавин) и его продуценты из родов Eremothecium и Ashdea . Конструирование генно-инженерного штамма – промышленного продуцента витамина В 2 .
Микробиологический синтез витамина РР (никотиновая кислота).
Биотехнологическое производство аскорбиновой кислоты (витамина С). Технология производственного процесса. Микроорганизмы-продуценты. Различные схемы биосинтеза в промышленных условиях . Химический синтез аскорбиновой кислоты и стадия биоконверсии в производстве витамина С.
Витамины группы D. Эргостерин – провитамин D 2 в клетках дрожжей и плесневых грибов.
Витамин А. микробиологический синтез β-каротина
Убихиноны (коферменты Q). Источники получения: растительные ткани и микробная биомасса. Методы генной инженерии применительно к созданию продуцентов убихинонов Q 9 и Q 10

Биотехнология стероидных гормонов

Традиционные источники получения стероидных гормонов. Проблемы трансформации стероидных структур. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией. Штаммы микроорганизмов, обладающие способностью к трансформации (биоконверсии) стероидов. Конкретные реакции биоконверсии

стероидов. Подходы к решению селективности процессов биоконверсии.

Микробиологический синтез гидрокортизона и получение из него путем биоконверсии преднизолона

5.6.2.5. Вторичные микробные метаболиты. Биотехнология антибиотиков.

Почвенные биоценозы и разнообразие составляющих их видов микроорганизмов. Поиск и первичная оценка вторичных метаболитов. Методы скрининга продуцентов.
Биологическая роль антибиотиков как вторичных метаболитов. Происхождение антибиотиков и эволюция их функций.
Основные группы микророрганизмов, образующих антибиотики: плесневые грибы (низшие эукариоты), актиномицеты и споровые эубактерии (прокариоты). Особенности структуры их клеток и физиологии.
Полусинтетические антибиотики. Биосинтез и оргсинтез при создании новых антибиотиков.
Биологическая роль антибиотиков как фактор преодоления стрессовых ситуаций для своего продуцента (ингибиторы роста других микроорганизмов и сигнальные молекулы при перестройке метаболизма в случае дефицита питательных веществ).
Молекулярный механизм антимикробного действия различных групп антибиотиков и системы защиты продуцентов от образуемых ими антибиотиков.
β-Лактамные антибиотики (пенициллины, цефалоспорины и др.) – ингибиторы синтезапептидогликана клеточной стенки.
Гликопептидные антибиотики
Антибиотики полиеновой структуры (амфотерицин В, нистатин и др.) и нарушение молекулярной организации цитоплазматической мембраны плесневых грибов и дрожжей.
Антибиотики – ингибиторы белкового синтеза (на уровне рибосимно-матричных систем).
Аминогликозиды (стрептомицин, канамицин и др.)
Летальные белки как результат нарушения считувания генетического кода при трансляции. Тетрациклины.
Макролиды (эритромицин и др.).
Антибиотики – ингибиторы белкового синтеза на дорибосомной стадии процесса (мупироцин и др.)
Антибиотики – ингибиторы синтеза и превращений нуклеиновых кислот (суперскручивание ДНК).
Анзамицины (рифампицин и др.)
Хинолоновые (фторхонолоновые структуры).
ДНК-тропные антибиотики, применяемые в онкологической практике (антрациклины, блеомицин, митомицины и др.).
Суперпродуценты антибиотиков, используемые в биотехнологическом производстве. Сборка углеродного скелета антибиотиков из первичных метаболитов. Схема биосинтеза β-лактамных антибиотиков (пенициллинов и цефалоспоринов) из аминокислот. Схема биосинтеза стрептомицина,
Направленный биосинтез. Получение бензилпенициллина при внесении в среду фенилуксусной кислоты.

5.6.2.6. Молекулярные механизмы резистентности бактерий к антибиотикам.

Генетические основы антибиотикоресистентности Хромосомная и плазмидная резистентность. Транспозоны. Целенаправленная биотрансформация и химическая трансформация β-лактамных структур.
Новые поколения цефалоспоринов, пенициллинов, эффективные в отношении резистентных микроорганизмов. Карбапенемы. Монобактамы. Комбинированные препараты: амоксиклав, уназин. Полусинтетические пенициллины используемые в клинике.
Полусинтетические пенициллины (ампициллин, азлоциллин, мезлоциллин, пиперациллин, карбенициллин и т.п.) используемые в клинике. Получение из бензилпеницилина 6-АПК методом ферментативного гидролиза. Получение полусинтетических пенициллинов методами ферментативного синтеза (биотрансформация 60АПК).
Четыре генерации цефалоспоринов, внедренных в кленическую практику. Схема превращения бензилпенициллина в 7-фенилацетамидооксицефалоспорановую кислоту. Полусинтетические цефалоспорины (цефалексин идр.). полусинтетические цефалоспорины на основе 7-аминодезаацетоксицефалоспорановой кислоты (7-АЦК). Цефалоспорины четвертого поколения – цефипим, цефпиром. Сочетание биосинтеза, органического синтеза, биологической и химической трансформации при получении новых, перспективных для клинической практики цефалоспоринов.
Механизмы резистентности к аминогликозидным антибиотикам. Целенаправленная трансформация аминогликозидов. Амикацин как полусинтетический аналог природного антибиотика бутирозина.
Новые полусинтетические макролиды и азалиды - аналоги эритромицина, эффективные в отношении внутриклеточной локализованных возбудителей инфекций.
Природные источники генов резистентности к антибиотикам. Организационные мероприятия как путь ограничения распространения генов антибиотикорезистентности.

Понятие «инфекционная резистентность» и «госпитальные инфекции».
Противоопухолевые антибиотики. Механизм действия. Ферментативная внутриклеточная активация некоторых противоопухолевых антибиотиков. Механизмы резистентности опухолевых клеток к противоопухолевым препаратам. Р-170 гликопротеин и плейотропная резистентность. Пути преодоления плейотропной антибиотикорезистентности.

5.6.2.7. Вторичные микробные метаболиты – ингибиторы сигнальной трансдукции. Иммуносупрессоры.

Множественность механизмов, обеспечивающих распознавание клеткой внешних воздействий и каскад ответных реакций на них.
Циклоспорин А – ингибитор иммунного ответа на уровне кальцийнейрина. Применение циклоспорина А в трансплантологии и для лечения аутоиммунных болезней. Молекулярный механизм действия циклоспорина. Возможность применения циклоспорина А и его производных MDR фенотипа в комбинированной противоопухолевой химиотерапии.
Новые иммуносупрессоры природного происхождения (рапамицин, FK 506 и др.). Перспективы применения в трансплантологии, при лечении аутоиммунных и онкологических заболеваний.

6. ПЛАН ЛЕКЦИЙ

	Тема лекции	Количество часов, лектор
1.	Предмет и содержание биотехнологии, ее взаимосвязь с химическими, медико-биологическими и техническими дисциплинами. История развития. Особенности и основные достижения современного этапа развития биотехнологии. Связь биотехнологии с фундаментальными науками второй половины ХХ века. Биомедицинские технологии. Основные объекты биотехнологии. Биообъекты как средство производства лекарственных, профилактических и диагностических средств. Макро- и микроорганизмы. Ферменты как промышленные биокатализаторы	2 (Курапов)
2.	Метаболизм. Основные процессы клеточного метаболизма. Понятие о первичных и вторичных метаболитах. Механизмы регуляции биосинтеза первичных метаболитов процессов. Теоретические основы получения первичных метаболитов. Анаэробные процессы (получение этанола, глицерина, молочной кислоты). Аэробные процессы. Методы промышленного получения кислот цикла Кребса и их производных (лимонной, итаконовой, кетоглутаровой, пировиноградной кислот).	2 (Курапов)
3.	Теоретические основы получения вторичных метаболитов. Методы регуляции биосинтеза антибиотиков и стероидов. 6-АПК. Полусинтетические антибиотики. Производство аминокислот и витаминов.	2 (Курапов)
4.	Биотехнология вторичного метаболизма растений. Культуры растительных клеток и тканей как источник получения лекарственных средств. Лекарственные средства, полученных на основе каллусных и суспензионных культур клеток растений. Иммобилизация растительных клеток и ее использование в биотехнологическом производстве. Биорегуляция продуктивности вторичного метаболизма растений. Трансгенные растения и перспективы их использования в качестве источника фармацевтических препаратов.	2 (Курапов)
5.	Слагаемые биотехнологического процесса. Структура биотехнологического производства. Культивирование клеток продуцентов – центральное звено биотехнологического процесса. Поверхностное и глубинное культивирование. Подготовка сырья, воздуха и посевного материала. Стерилизация и поддерживание асептических условий. Технологическое и аппаратурное оформление процесса глубинного культивирования (непрерывное и периодическое, по схеме идеального смешения или вытеснения, хемостатический и турбидостатический режим). Достоинства и недостатки этих схем.	2 (Курапов)
6.	Основное технологическое оборудование биотехнологиических производств. Особенности биотехнологических производств, по сравнению с аналогичными химическими. Методы аэрирования, перемешивания, теплоотвода и пеногашения. Проблемы и методы предварительной стерилизации технологического оборудования и поддержания асептических условий во время протекания процесса. Контроль и управление биотехнологическими процессами. Методы выделения и очистки продуктов биотехнологических производств. Экзо- и эндомета- болиты. Особенности и основные технологические приемы выделения продуктов белковой природы.	2 (Курапов)
7.	Инженерная энзимология. Применение ферментов. Достоинства и недостатки использования чистых ферментов по сравнению с клетками и неорганическими катализаторами. Иммобилизованные ферменты и клетки. Основные носители и методы иммобилизации. Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток. Инженерная энзимология и медицинские технологии (биосенсоры, лекарственные препараты на основе свободных и иммобилизованных ферментов и их комбинаций с другими лекарственными препапаратами.	2 (Курапов)
8.	Особенности технологии культивирования клеток и тканей растений и животных. Протопласты и гибридомы. Основы клеточной инженерии. Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии. Мутагенез. Совершенствование биообъектов методами мутагенеза и селекции.	2 (Курапов)
9.	Основы генетической инженерии. Преимущества и отличия генноинженерных методов совершенствования биообъектов по сравнению с классическими методами мутагенеза и селекции. Создание принципиально новых биообъектов методами генетической инженерии (технология рекомбинантных ДНК). Последовательность операций, осуществляемых биотехнологом – генным инженером. Контроль экспрессии. Проблемы и сложности . Направленный мутагенез.	2 (Курапов)
10.	Наночастицы в биотехнологическом производстве лекарств – рекомбинантных белков человека.	2 (Кузнецов)
11.	Биологически активные пептиды в биотехнологическом производстве лекарств.	2 (Кузнецов)
12.	Рекомбинантные белки и полипептиды (инсулин, гормон роста, интерфероны). Традиционные и генноинженерные методы получения. Использование рекомбинантных микроорганизмов для получения коммерческих продуктов (аминокислоты, витамины, антибиотики, природные биополимеры). Использование трансгенных животных и растений как биореакторы для получения лекарственных и других биологически активных веществ. Потенциальные опасности при работе с рекомбинантными и трансгенными организмами. Изотопно-модифицированнык культуральные среды. Новый подход к повышению продуктивности биотехнологического производства нуклеозидных антибиотиков, пептидов и рекомбинантных белков.	2 (Кузнецов)
13.	Моноклональные антитела. Технология получения. Применение моноклональных антител в иммунной диагностике (ферментный имуносорбентный анализ) и в качестве лекарственных препаратов и высокоспецифических катализаторов (“каталитические антитела”). Имунобиотехнология. Иммунные сыворотки и вакцины. Рекомбинантные вакцины (субъединичные, аттенуированные, ”векторные”).	2 (Курапов)
14.	Методы ДНК-диагностики. Молекулярная генетика человека. Генная терапия ex vivo и in vivo. Лекарственные препараты на основе “антисмысловых олигонуклеотидов”. Рибозимы как лекарственные средства.	2 (Курапов)
15.	Адъюванты и наноадъюванты в биотехнологическом производстве вакцин	2 (Кузнецов)
16.	Биотехнологическое производство лекарственных средств для генной терапии	2 (Меркулов)
17.	“Medicinal chemistry”- симбиоз химии и биотехнологии в “постгеномную эру”. Стратегия рационального drag-дизайнa лекарственных препаратов. Поиск соединений лидеров (hit- и led-compaunds). Комбинаторная химия и HTS-скрининг. Оптимизация соединений лидеров (докинг, QSAR-метод). Методы создания лекарственных препаратов на основе соединений – лидеров (пролекарства, биоизостеры, пептидомиметики, двойные лекарства).	2 (Курапов)

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Основная литература

Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чакалева И.И. Биотехнология. Учебное пособие. М.: Академия. 2008, 256 с.
Орехов С.Н. Фармацевтическая биотехнология. Руководство к практическим занятиям. М.: ГЕОТАР-МЕДИА, 2012, 384 с.

Дополнительная литература

Загоскина Н.В., Назаренко Л.В., Калашникова Е.А., Живухина Е.А. Биотехнология. Теория и практика. М.: Оникс., 2009, 496 с.
Курапов П.Б., Бахтенко Е.Ю. Многообразие вторичных метаболитов высших растений и их лечебные свойства. М.: Изд. РГМУ, 2012, 200 с.
Егорова Т.А. Основы биотехнологии / Т.А. Егорова, С.М. Клунова, Е.А. Живухина. – М. : Издат. центр Академия, 2003. – 208 с.
Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б. Глик, Дж. Пастернак. – М. : Мир, 2002. – 589 с.
Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках / Н.С. Егоров. – М. : Наука, 2004. – 525 с.

8. ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЧЕТОВ, ЭКЗАМЕНОВ И РЕФЕРАТОВ.

№ п/п	Перечень вопросов
1	История биотехнологии. Определения. Основные разделы биотехнологии. Проблемы и перспективы медицинской биотехнологии.
2	Характеристика продуцентов, применяемых в биотехнологических производствах (антибиотики, интерфероны, аминокислоты).
3	Основные методы хранения продуцентов, применяемых в фармацевтической промышленности.
4	Методы культивирования продуцентов, применяемые в фармацевтической промышленности.
5	Особенности культивирования клеток животных, получение вакцин медицинского назначения.
	Кинетические характеристики продуцентов, определяемые в производственных условиях при непрерывном культивировании.
	История генетической инженерии и основные этапы генно-инженерных исследований.
	Биотехнология вторичного метаболизма растительных клетоток.
	Получения классических эргоалкалоидов спорыньи биотехнологическими методами. Гормональная регуляция в системе гриб - растение.
	Трансгенные растения и перспективы их использования в качестве источника фармацевтических препаратов.
	Особенности образования целевого продукта (биологически активного вещества) популяции продуцента.
	Основные понятия генетической инженерии.
	Клеточная инженерия. Процессы каллусообразования. Тотипотентность растительных клеток.
	Производство дрожжей на углеводсодержащих и целлюлозных субстратах
	Производство аминокислот медицинского и пищевого назначения.
	Особенности культивирования растительных клеток. Суспензионные культуры.
	Методы получения моноклональных антител. Массовая наработка и их очистка. Основные направления применения.
	Ферменты, применяемые в генно-инженерных проектах .
	Основные этапы генно-инженерных проектов.
	Особенности конструкции и типы биореакторов, применяемых в производстве биотехнологической продукции.
	Методы получения генов.
	Источники ДНК для клонирования.
	Химико-ферментативный синтез гена.
	Метод обратной транскрипции
	Лекарственные препараты, получаемые из культур клеток женьшеня, родиолы розовой, воробейника, стевии, наперстянки, табака и др.
	Векторы, применяемые в генетической инженерии.
	Методы получения рекомбинантных молекул ДНК. Отжиг и лигирование. Соединение тупых концов. Коннекторная техника.
	Введение рекомбинантных ДНК в клетки реципиента. Идентификация клонов, содержащих чужеродный ген.
	История развития метода культур клеток. Каллусогенез - основа создания пересадочных клеточных культур.
	Культивирование отдельных клеток. Протопласты растительных клеток как объект биологического конструирования. Слияние протопластов и гибридизация соматических клеток.
	Иммуноферментный анализ и его применение. mbf -> Методические указания к разработке рабочей программы При разработке рабочей программы учебной дисциплины патология в основу положены: фгос впо по направлению подготовки mbf -> Рабочая программа учебной дисциплины общая патология направление подготовки (специальность) 060609 Медицинская кибернетика

Схема последовательно реализуемых стадий превращения исходного сырья в лекарственное средство. Оптимизация биообъекта, процессов и аппаратов как единого целого в биотехнологическом производстве.

Подготовительные операции при использовании в производстве биообъектов микроуровня. Многоэтапность подготовки посевного материала. Инокуляторы. Кинетические кривые роста микроорганизмов в закрытых системах. Связь скорости изменения количества микроорганизмов в экспоненциальной фазе роста с концентрацией клеток в системе.

Комплексные и синтетические питательные среды. Их компоненты. Концентрация отдельно расходуемого компонента питательной среды и скорость размножения биообъекта в техногенной нише. Уравнение Моно.

Методы стерилизации питательных сред. Критерий Дейндорфера - Хэмфри. Сохранение биологической полноценности сред при их стерилизации.

Стерилизация ферментационного оборудования. «Слабые точки» внутри стерилизуемых емкостей. Проблемы герметизации оборудования и коммуникаций.

Очистка и стерилизация технологического воздуха. Схема подготовки потока воздуха, подаваемого в ферментатор. Предварительная очистка. Стерилизующая фильтрация. Предел размера пропускаемых частиц. Эффективность работы фильтров. Коэффициент проскока.

Критерии подбора ферментаторов при реализации конкретных целей. Классификация биосинтеза по технологическим параметрам. Принципы организации материальных потоков: периодический, полупериодический, отъемно-доливной, непрерывный. Глубинная ферментация. Массообмен. Поверхностная ферментация.

Требования к ферментационному процессу в зависимости от физиологического значения целевых продуктов для продуцента, т. е. первичные метаболиты, вторичные метаболиты, высокомолекулярные вещества. Биомасса как целевой продукт. Требования к ферментационному процессу при использовании рекомбинантных штаммов, образующих чужеродные для биообъекта целевые продукты.

Выделение, концентрирование и очистка биотехнологических продуктов. Специфические особенности первых стадий. Седиментация биомассы. Уравнение скорости осаждения. Коагулянты. Флокулянты. Центрифугирование. Выделение из культуральной жидкости клеток высших растений, микроорганизмов. Отделение целевых продуктов, превращенных в твердую фазу. Сепарирование эмульсий. Фильтрование. Предварительная обработка культуральной жидкости для более полного разделения фаз. Кислотная коагуляция. Тепловая коагуляция. Внесение электролитов.

Методы извлечения внутриклеточных продуктов. Разрушение клеточной стенки биообъектов и экстрагирование целевых продуктов.

Сорбционная и ионообменная хроматография. Аффинная хроматография применительно к выделению ферментов. Мембранная технология. Классификация методов мембранного разделения. Общность методов очистки продуктов биосинтеза и оргсинтеза на конечных стадиях их получения (из концентратов). Сушка.

Стандартизация лекарственных средств, получаемых методами биотехнологии. Фасовка.

2.2. КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Основные параметры контроля и управления биотехнологическими процессами. Общие требования к методам и средствам контроля. Современное состояние методов и средств автоматического контроля в биотехнологии. Контроль состава технологических растворов и газов. Потенциометрические методы контроля рН и ионного состава. Датчики рН и ионоселективные электроды. Газочувствительные электроды. Стерилизация датчиков растворенных газов.

Контроль концентрации субстратов и биотехнологических продуктов. Титриметрические методы. Оптические методы. Биохимические (ферментативные) методы контроля. Электроды и биосенсоры на основе иммобилизованных клеток. Высокоэффективная жидкостная хроматография при решении задач биотехнологического производства.

Основные теории автоматического регулирования. Статические и динамические харак-

теристики биотехнологических объектов. Классификация объектов управления в зависимости от динамических характеристик.

Применение ЭВМ при биотехнологическом производстве лекарственных препаратов. Создание автоматизированных рабочих мест. Разработка автоматизированных систем управления. Пакеты прикладных программ. Структура исследований в области биотехнологии микробного синтеза. Применение ЭВМ на различных этапах производства и получения биотехнологических продуктов. Принципы и этапы анализа данных и математического моделирования биотехнологических систем. Планирование и оптимизация многофакторных экспериментов. Кинетические модели биосинтеза и биокатализа. Организация автоматизированных банков данных по биотехнологическим процессам и продуктам.

2.3. БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Биотехнология как наукоемкая («высокая») технология и ее преимущества в экологическом аспекте перед традиционными технологиями. Направления дальнейшего совершенствования биотехнологических процессов применительно к проблемам охраны окружающей среды. Малоотходные технологии. Итоги и перспективы их внедрения на биотехнологических производствах. Особенности биотехнологических производств применительно к их отходам.

Рекомбинантные продуценты биологически активных веществ и проблемы объективной информации населения. Организация контроля за охраной окружающей среды в условиях биотехнологического производства.

Классификация отходов . Соотношение различных видов отходов. Очистка жидких отходов. Схемы очистки. Аэротенки. Активный ил и входящие в него микроорганизмы.

Создание методами генетической инженерии штаммов микроорганизмов-деструкторов со способностью к деструкции веществ, содержащихся в жидких отходах. Основные характеристики штаммов деструкторов. Их неустойчивость в природных условиях. Сохранение штаммов на предприятиях. Нормы внесения биомассы штаммов при пиковых нагрузках на очистные сооружения.

Уничтожение или утилизация твердых (мицелиальных) отходов. Биологические, физикохимические, термические методы обезвреживания мицелиальных отходов. Утилизация мицелиальных отходов в строительной промышленности. Использование отдельных фракций мицелиальных отходов в качестве пеногасителей и др.

Очистка выбросов в атмосферу. Биологические, термические, физико-химические и другие методы рекуперации и обезвреживания выбросов в атмосферу.

Единая система GLP, GCP и GMP при предклиническом, клиническом испытании лекарств и их производстве. Особенности требований GMP к биотехнологическому производству. Требования к условиям хранения сырья для комплексных питательных сред. Карантин. Правила GMP применительно к производству бета-лактамных антибиотиков.

Причины проведения валидации при замене штаммов-продуцентов и изменении составов ферментационных сред.

Вклад биотехнологии в решение общих экологических проблем. Замена традицион-

ных производств. Сохранение природных ресурсов источников биологического сырья. Разработка новых высокоспецифичных методов анализа. Биосенсоры.

Перспективы получения, модификации и использования в защите окружающей среды феромонов, кайромонов, алломонов как природных сигнальных и коммуникативных молекул в надорганизменных системах.

2.4. БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Определение понятия «биомедицинские технологии». Решение кардинальных проблем медицины на основе достижений биотехнологии. Международный проект «Геном человека» и его цели. Этические проблемы. Антисмысловые нуклеиновые кислоты, пептидные факторы роста тканей и другие биологические продукты новых поколений: молекулярные механизмы

их биологической активности и перспективы практического применения. Коррекция наследственных болезней на уровне генотипа (генотерапия) и фенотипа. Биопротезирование. Репродукция тканей. Трансплантация тканей и органов. Поддержание гомеостаза. Гемосорбция. Диализ. Оксигенация. Перспективы использования гормонов, продуцируемых вне эндокринной системы.

Состояние и направления развития биотехнологии лекарственных форм: традиционных и инновационных.

3. Частная биотехнология

Биотехнология белковых лекарственных веществ. Рекомбинантные белки, принадле-

жащие к различным группам физиологически активных веществ.

Инсулин. Источники получения. Видовая специфичность. Иммуногенные примеси. Перспективы имплантации клеток, продуцирующих инсулин.

Рекомбинантный инсулин человека . Конструирование плазмид. Выбор штамма микроорганизма. Выбор лидерной последовательности аминокислот. Отщепление лидерных последовательностей. Методы выделения и очистки полупродуктов. Сборка цепей. Контроль за правильным образованием дисульфидных связей. Ферментативный пиролиз проинсулина. Альтернативный путь получения рекомбинантного инсулина; синтез А- и В-цепей в разных культурах микробных клеток. Проблема освобождения рекомбинантного инсулина от эндотоксинов микроорганизмов-продуцентов. Биотехнологическое производство рекомбинантного инсулина. Экономические аспекты. Создание рекомбинантных белков «второго поколения» на примере инсулина.

Интерферон (интерфероны). Классификация, α-, β- и γ-интерфероны. Интерфероны при вирусных и онкологических заболеваниях. Видоспецифичность интерферонов. Ограниченные возможности получения α- и β-интерферонов из лейкоцитов и Т-лимфоцитов. Лимфобластоидный интерферон. Методы получения β-интерферона при культивировании фибробластов.

Индукторы интерферонов. Их природа. Механизм индукции. Промышленное производство интерферонов на основе природных источников.

Синтез различных классов интерферона человека в генетически сконструированных клетках микроорганизмов. Экспрессия генов, встроенных в плазмиду. Вариации в конформации синтезируемых в клетках микроорганизмов молекул интерферонов за счет неупорядоченного замыкания дисульфидных связей. Проблемы стандартизации. Производство рекомбинантных образцов интерферона и политика различных фирм на международном рынке.

Интерлейкины. Механизм биологической активности. Перспективы практического применения. Микробиологический синтез интерлейкинов. Получение продуцентов методами генетической инженерии. Перспективы биотехнологического производства.

Гормон роста человека . Механизм биологической активности и перспективы применения в медицинской практике. Микробиологический синтез. Конструирование продуцентов.

Производство ферментных препаратов . Ферменты, используемые как лекарственные средства. Протеолитические ферменты. Амилолитические, липолитические ферменты, L- аспарагиназа. Проблемы стандартизации целевых продуктов.

Ферментные препараты как блокатализаторы в фармацевтической промышленности. Ферменты трансформации β-лактамных антибиотиков. Ферментные препараты, используемые в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы п т. д.).

Биотехнология аминокислот . Микробиологический синтез. Продуценты. Преимущества микробиологического синтеза перед другими способами получения. Общие принципы конструирования штаммов микроорганизмов-продуцентов аминокислот как первичных метаболитов. Основные пути регуляции биосинтеза и его интенсификации. Механизмы биосинтеза глутаминовой кислоты, лизина, треонина. Конкретные подходы к регуляции каждого процесса.

Получение аминокислот с помощью иммобилизованных клеток и ферментов. Химикоэнзиматический синтез аминокислот. Получение оптических изомеров аминокислот путем использования амилаз микроорганизмов.

Биотехнология витаминов и коферментов . Биологическая роль витаминов. Традиционные методы получения (выделение из природных источников и химический синтез). Микробиологический синтез витаминов и конструирование штаммов-продуцентов методами генетической инженерии. Витамин В2 (рибофлавин). Основные продуценты. Схема биосинтеза и пути интенсификации процесса.

Микроорганизмы-прокариоты, т. е. продуценты витамина В12 (пропионовокислые бактерии и др.). Схема биосинтеза. Регуляция биосинтеза.

Микробиологический синтез пантотеновой кислоты, витамина РР.

Биотехнологическое производство аскорбиновой кислоты (витамина С). Микроорганиз- мы-продуценты. Различные схемы биосинтеза в промышленных условиях. Химический синтез аскорбиновой кислоты и стадия биоконверсии в производстве витамина С.

Эргостерин и витамины группы D. Продуценты и схема биосинтеза эргостерина. Среды и пути интенсификации биосинтеза. Получение витамина D из эргостерина.

Каротиноиды и их классификация. Схема биосинтеза. Среды для микроорганизмовпродуцентов и регуляция биосинтеза. Стимуляторы каротинообразования, β-каротин. Образование из β-каротина витамина А. Убихиноны (коферменты Q). Источник получения: дрожжи и др. Интенсификация биосинтеза.

Биотехнология стероидных гормонов. Традиционные источники получения стероидных гормонов. Проблемы трансформации стероидных структур. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией. Штаммы микроорганизмов, обладающие способностью к трансформации (биоконверсии) стероидов. Конкретные реакции биоконверсии стероидов, Подходы к решению селективности процессов биоконверсии. Микробиологический синтез гидрокортизона, получение из него путем биоконверсии преднизолона.

Культуры растительных клеток и получение лекарственных веществ. Разработка ме-

тодов культивирования растительных тканей и изолированных клеток как достижение биотехнологической науки. Биотехнологическое производство и ограниченность или малая доступность ряда видов растительного сырья как источника лекарственных веществ. Понятие тотипотентности растительных клеток. Каллусные и суспензионные культуры. Особенности роста растительных клеток в культурах. Среды. Фитогормоны. Проблемы стерильности. Особенности метаболизма растительных клеток in vitro. Биореакторы. Применение растительных клеток для трансформации лекарственных веществ. Получение дигоксина. Иммобилизация растительных клеток. Методы иммобилизации. Проблемы экскреции целевого продукта из иммобилизованных клеток.

Методы контроля и идентификации (цитофизиологические, химические, биохимические, биологические) биомассы и препаратов, полученных методом клеточной биотехнологии.

Лекарственные препараты, получаемые из культур клеток женьшеня, радиолы розовой, воробейника, стевии, наперстянки, табака и др.

Антибиотики как биотехнологические продукты. Методы скрининга продуцентов.

Биологическая роль антибиотиков как вторичных метаболитов. Происхождение антибиотиков и эволюция их функций. Возможность скрининга низкомолекулярных биорегуляторов при отборе по антибиотической функции (иммунодепрессантов, ингибиторов ферментов животного происхождения и др.).

Причины позднего накопления антибиотиков в ферментационной среде по сравнению с накоплением биомассы. Биосинтез антибиотиков. Мультиферментные комплексы. Сборка углеродного скелета молекул антибиотиков, принадлежащих к β-лактамам, аминогликозидам, тетрациклинам, макролидам. Роль фенилуксусной кислоты при биосинтезе пенициллина. Фактор А и биосинтез стрептомицина.

Пути создания высокоактивных продуцентов антибиотиков. Механизмы зашиты от собственных антибиотиков у их «суперпродуцентов». Плесневые грибы - продуценты антибиотиков. Особенности строения клетки и цикла развития при ферментации.

Актиномицеты - продуценты антибиотиков. Строение клетки. Антибиотики, образуемые актиномицетами.

Бактерии (эубактерии) - продуценты антибиотиков. Строение клетки. Антибиотики, образуемые бактериями.

Полусинтетические антибиотики . Биосинтез и оргсинтез в создании новых антибиотиков.

Механизмы резистентности бактерий к антибиотикам. Хромосомная и плазмидная резистентность. Транспозоны. Целенаправленная биотрансформация и химическая трансформация β-лактамных структур. Новые поколения цефалоспоринов и пенициллинов, эффективные в отношении резистентных микроорганизмов. Карбапенемы. Монобактамы. Комбинированные препараты: амоксиклав, уназин.

Иммунобиотехнология как один из разделов биотехнологии. Основные составляющие

и пути функционирования иммунной системы. Иммуномодулирующие агенты: иммуностимуляторы и иммуносупрессоры (иммунодепрессанты).

Усиление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Вакцины на основе рекомбинантных протективных антигенов или живых гибридных носителей. Антисыворотки к инфекционным агентам, к микробным токсинам. Технологическая схема производства вакцин

и сывороток.

Неспецифическое усиление иммунного ответа. Рекомбинантные интерлейкины, интерфероны и др. Механизмы биологической активности. Тимические факторы. Трансплантация костного мозга.

Подавление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Рекомбинантные антигены. IgЕ - связующие молекулы и созданные на их основе толерогены. Технология рекомбинантной ДНК и получение медиаторов иммунологических процессов.

Производство моноклональных антител и использование соматических гибридов животных клеток. Механизмы иммунного ответа на конкретный антиген. Разнообразие антигенных детерминантов. Гетерогенность (поликлональность) сыворотки. Преимущества при использовании моноклональных антител. Клоны клеток злокачественных новообразований. Слияние с клетками, образующими антитела. Гибридомы. Криоконсервирование. Банки гибридом. Технология производства моноклональных антител.

Области применения моноклональных антител. Методы анализа, основанные на использовании моноклональных (в отдельных случаях поликлональных) антител. Иммуноферментный анализ (ИФА). Метод твердофазного иммуноанализа (ELISA - enzyme linked immunosorbentassay). Радиоиммунный анализ (РИА). Преимущества перед традиционными методами при определении малых концентраций тестируемых веществ и наличии в пробах примесей с близкой структурой и сходной биологической активностью. ДНК- и РНК-зонды как альтернатива ИФА и РИА при скрининге продуцентов биологически активных веществ (обнаружение генов вместо продуктов экспрессии генов).

Моноклональные антитела в медицинской диагностике. Тестирование гормонов, антибиотиков, аллергенов и т. д. Лекарственный мониторинг. Ранняя диагностика онкологических заболеваний. Коммерческие диагностические наборы на международном рынке.

Моноклональные антитела в терапии и профилактике. Перспективы высокоспецифичных вакцин, иммунотоксинов. Включение моноклональных антител в оболочку липосом и повышение направленности транспорта лекарств. Типирование подлежащих пересадке тканей.

Обязательное тестирование препаратов моноклональных антител на отсутствие онкогенов. Моноклональные антитела как специфические сорбенты при выделении и очистке биотехнологических продуктов.

Нормофлоры (пробиотики, микробиотики, эубиотики) - это препараты на основе жи-

вых культур микроорганизмов, т. е. симбионтов. Общие проблемы микроэкологии человека. Понятие симбиоза. Различные виды симбиоза. Резидентная микрофлора желудочно-кишечного тракта. Причины дисбактериоза. Нормофлоры в борьбе с дисбактериозом. Бифидобактерии, молочно-кислые бактерии: непатогенные штаммы кишечной палочки, образующей бактериоцины как основа нормофлоров. Механизм антагонистического воздействия на гнилостные бактерии. Получение готовых форм нормофлоров. Монопрепараты и препараты на основе смешанных культур. Лекарственные фирмы бифидумбактерина, колибактерина, лактобактерина.

II. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Биотехнология. История развития. Биотехнология лекарственных средств

дать представление о биотехнологии как специфической области научной и практической деятельности человека, в основе которой лежит использование биообъектов. Познакомить с историей и основными путями развития биотехнологии.

Рассматриваемые вопросы:

Что такое биотехнология? История развития биотехнологии.

Основные достижения и перспективы развития биотехнологии в различных отраслях деятельности.

Главные проблемы биотехнологии и пути их решения на современном этапе развития науки.

Биологическая технология

Биотехнология как наука - это наука о методах и технологиях создания и использования природных и генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения, в том числе и лекарственных средств.

Биотехнология как сфера производства - это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и объекты для целенаправленного воздействия на человека и окружающую среду, а также в интересах получения полезных человеку продуктов.

«Биотехнология - наука, изучающая методы получения полезных для жизни и благосостояния людей веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клетки биологические структуры».

Беккер , 1990 г.

________________________________

Связь биотехнологии с другими науками:

История развития биотехнологии

Третий съезд Европейской ассоциации биотехнологов в Мюнхене (1984 г.) по предложению голландского ученого Хаувинка выделил 5 периодов развития биотехнологии.

_______________________________

Периоды развития биотехнологии

________________________________

Человечество неумолимо придет к истощению энергетических, минеральных и земельных ресурсов.

На смену старым технологиям идет биотехнология.

В XXI в. биологизация станет одним из ведущих направлений ускоренного развития всего мирового хозяйства и условий жизни людей.

Эффективность биотехнологических методов

Сравнение способности образовавыть новый белок животными (корова), и микробами (дрожжи). Каждый из этих организмов на 500 кг своей массы за 1 сутки производит следующие количества новообразованного белка: корова - 0,5 кг, т. е. примерно это масса хомяка; соя 5 кг, т. е. масса кошки; дрожжи 50000 кг, т. е. масса десяти взрослых слонов. Если бы корова обладала производительностью дрожжей, то ее привес за одни единственные сутки, по всей вероятност, был равен массе десяти слонов

Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биофабрики. -

М.: Мир, 1991. - 112 с.

Клетки биологических объектов являются своего рода биофабриками по синтезу различных веществ (белков, жиров, углеводов, витаминов, аминокислот, нуклеиновых кислот, антибиотиков, гормонов, антител, ферментов, спиртов и т.д.), не требуют больших энергетических затрат и чрезвычайно быстро воспроизводятся (бактерии - за 20–60 мин, дрожжи - за 1,5–2 часа, тогда как животная клетка

За 24 часа).

Биосинтез таких сложных веществ, как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез.

________________________________

Название	Наиболее существенные
		достижения
		достижения

Допастеров-	Использование спиртового броже-
	ния в производстве пива и вина.
	Использование		молочнокислого
	брожения при переработке молока.
	Получение хлебопекарных и пив-
	ных дрожжей.
	Использование		уксуснокислого
	брожения в производстве уксусной


	Производство этанола.
пастеровский	Производство бутанола и ацетона.
	Производство бутанола и ацетона.
	Внедрение в практику вакцин, сы-

	Аэробная			канализацион-

	Производство		кормовых дрожжей
	на основе углеводов.

Антибиотиков	Производство		пенициллина
	антибиотиков.
	Культивирование			растительных

	Получение вирусных вакцин.
	Микробиологическая трансформа-
	ция стероидов.

Управляемо-	Производство аминокислот с по-
го биосинте-	Производство аминокислот с по-
го биосинте-	мощью микробных мутантов.
	мощью микробных мутантов.
	Производство витаминов.
	Производство витаминов.
	Получение чистых ферментов.
	Промышленное			использование
	иммобилизованных			ферментов

	Анаэробная очистка сточных вод.
	Получение биогаза.
	Производство		бактериальных
	лисахаридов.

Новой и но-	Внедрение	клеточной			инженерии
вейшей био-	Внедрение	клеточной			инженерии
вейшей био-	для получения целевых продуктов.
технологии	для получения целевых продуктов.
технологии	Получение гибридом и монокло-
	Получение гибридом и монокло-
	нальных антител.
	Использование				инженерии
	для производства белков.
	Трансплантация эмбрионов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

ФГАОУ ВПО «Северо-восточный федеральный университет

им. М.К. Аммосова»

Медицинский институт

Кафедра фармакологии и фармации

Курсовая работа по биофармацевтической технологии

«Биотехнологическое производство лекарств и проблемы биобезопасности»

Выполнила: студентка V курса

группы ФАРМ-501/2 Афанасьева Е.К.

Проверила: доцент, к.ф.н., Абрамова Я.И.

Якутск, 2013г.

Введение

1. Современная биотехнология в создании и производстве лекарственных средств

1.1 Роль биотехнологии в современной фармации

1.2 Определение понятия биотехнологии

1.3 Краткая историческая справка по развитию биотехнологии в мире

1.4 Биосинтез биологически активных веществ (БАВ) в условиях биотехнологического производства (общие положения)

2. Определения понятий GLP , GCP, GMP

3. Вклад биотехнологии в окружающую среду

3.1 Экологические проблемы промышленной биотехнологии

3.2 Общие показатели загрязненности сточных вод

3.3 Методы очистки сточных вод

3.4 Факторы определяющие биоценоз активного ила

3.5 Основные параметры биологической очистки

Заключение

Использованная литература

В ведение

Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая зародилась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики, цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники позволили получить новые сведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрый рост численности населения нашей планеты, увеличение потребления природных ресурсов при постоянном уменьшении площадей агросферы привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека.

Биотехнология призвана сыграть значительную роль при создании безотходных технологий и, конечно, при разработке различных схем очистки производственных стоков и твердых отходов.

Однако нельзя забывать, что биотехнологические производства сами по себе могут быть опасными как для обслуживающего персонала, так и для потребителей продукции. Таких примеров можно привести много.

Поэтому, с целью обеспечения защиты жизни и здоровья граждан, животных, растений, а также охраны окружающей среды и обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия созданы и утверждены документы (стандарты GLP, GCP, GMP и GPP и пр.), регламентирующие деятельность предприятий фармацевтического профиля, в т.ч. микробиологических и биотехнологических, по проведению исследований, производству, хранению, перевозке, использованию, утилизации и уничтожении их продукции.

1. Современная биотехнология в создании и производстве лекарственных средств

1.1 Роль биотехнологии в современной фармации

Номенклатура лекарственных препаратов, полученных на основе биообъектов в силу объективных причин имеет тенденцию к своему расширению. В категорию таких лекарственных препаратов входят:

1. лекарственные средства для лечения, в число которых входят аминокислоты и препараты на их основе, антибиотики, ферменты, коферменты, кровезаменители и плазмозаменители, гормоны стероидной и полипептидной природы, алкалоиды;

2. профилактические средства, в число которых входят вакцины, анатоксины, интерфероны, сыворотки, иммуномодуляторы, нормофлоры;

3. диагностические средства, в число которых входят ферментные и иммунные диагностикумы, препараты на основе моноклональных антител и иммобилизованных клеток.

Это далеко не полный перечень лекарственных препаратов, которые имеются в современной фармации, в основе производства которых используются биообъекты.

1.2 Определение понятия биотехнология

Что касается определения самого понятия биотехнологии, то оно следует из понятия самой технологии. Технология - это наука о развитии естественных процессов в искусственных условиях. Если эти процессы относятся к биосинтетическим или биокаталитическим, присущих клеткам прокариот и эукариот, когда в качестве элементной базы используются биообъекты для получения целевого (конечного) продукта, то такое производство называют биотехнологическим. Если же в роли целевого (конечного) продукта выступает лекарственное средство, то такая биотехнология называется «биотехнология лекарственных средств».

В настоящее время фармацию характеризует как минимум третья часть лекарственных средств от общего объема производимых лекарств, которая использует современные биотехнологии. Суммируя все позиции определения биотехнологии, указанные выше, можно сказать, что «Биотехнология - это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также для промышленного получения полезных для человека продуктов, в том числе лекарственных средств».

Биотехнология - комплексная наука, это и наука и сфера производства со своим специфическим аппаратным оформлением. Биотехнология какьсфера производства - это наукоемкая технология.

Биообъект - это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

Биотехнология использует либо продуценты - микроорганизмы, растения, высшие животные, либо использует изолированные индивидуальные ферменты. Фермент иммобилизируется (закрепляется) на нерастворимом носителе, что позволяет его использовать многократно.

Современная биотехнология использует такие достижения, как искусственные культуры клеток и тканей. Особое достижение биотехнологии - это генноинженерные продуценты, микроорганизмы,

имеющие рекомбинантные ДНК. Ген четко изолируется и вводится клеткам микроорганизма. Этот микроорганизм будет продуцировать вещество, структура которого закодирована во введенном гене.

1.3 Краткая историческая справка по развитию биотехнологии в мире

В истории развития биотехнологии можно выделить три основных

1. эмпирическая биотехнология (тысячелетия). Самый первый

биотехнологический процесс, осуществленный человеком - получение

пива, был изобретен шумерами приблизительно 5 тысяч лет назад;

2. научная биотехнология (с Пастера);

3. современная биотехнология.

Биотехнологию можно условно разделить на три категории по получаемым продуктам:

1. природны е биотехнологические продукты, вырабатываемые

собственно микроорганизмами (например, антибиотики);

2. биотехнологические продукты второго поколения , полученные с помощью генноинженерных штаммов (например, человеческий инсулин);

3. биотехнологические продукты третьего поколения - продукция XXI века, основана на изучении взаимодействия биологически активных

веществ и рецепторов клеток и создании принципиально новых препаратов. Примером таких препаратов могут быть антисмысловые нуклеиновые кислоты . В клетке человека приблизительно 100 тысяч генов. Используя принцип комплементарности можно создать цепь нуклеиновых кислот, которые могут выключать тот или иной ген, что позволяет с помощью антисмысловых нуклеиновых кислот управлять генами, корректируя обмен.

Биотехнология в зарубежных странах .

Первое место в мире по выпуску биотехнологической продукции занимает США, которая ежегодно выделяет 3 млрд. долларов на поддержку фундаментальных исследований в области медицины, из которых 2,5 млрд. долларов относится к области биотехнологии. Второй страной по выпуску биотехнологической продукции является Япония, третье место за Израилем.

Современная биотехнология - это наука, которая на практике использует достижения современных фундаментальных наук, таких как:

1. молекулярная биология

2. молекулярная генетика

3. биоорганическая химия.

Начиная с первых шагов и до наших дней технология изготовления лекарственных средств предусматривает использование субстанций, получаемых из разных источников. Это:

Ткани животных или растений;

Неживая природа;

Химический синтез.

Первый путь (использование тканей животных или растений) предполагает сбор дикорастущих лекарственных растений. Это, прежде всего, плантационное культивирование растений. Это также выращивание каллусных и суспензионных культур. Это наиболее современные методы культивирования клеток, в геном которых встроены опероны, ответственные за биосинтез лекарственной субстанции, то есть генная инженерия.

Можно привести пример такого растения как женьшень при извлечении из него панаксозидов, как биологически активного вещества:

В естественных условиях, в дикорастущем виде, сбор такого растения может производится только на шестидесятом году его роста;

В условиях его выращивания на плантациях - на шестом году его

произрастания;

В каллусной культуре, то есть в культуре клеток растительной ткани панаксозиды можно извлекать в достаточном количестве, обеспечивая рентабельность производства уже на 15-25-тый день роста культуры ткани.

Второй и третий путь получения лекарственных субстанций из неживой природы или путем химического синтеза раньше рассматривали в качестве конкурентного пути для биотехнологии. Жизнь внесла коррективы в это положение. Например, если мы говорим о возможностях перевода сорбита в сорбозу, или ситостерина в 17-кетоандростаны, или фумаровой кислоты в аспарагиновую и т.д., то в этих случаях биотехнология успешно конкурирует с тонкими химическими технологиями на отдельных этапах изготовления лекарственных средств, а в ряде случаев, например, при синтезе витаминав В12 биотехнология может обеспечить всю последовательность сложных химических реакций, необходимых для превращения исходного предшественника (5,6 диметилбензимидазола), в конечный продукт - цианокобаламин.

Конечно, в последнем случае, когда всю технологическую цепочку осуществляет биообъект, находящийся в искусственных условиях, то он должен иметь условия наибольшего (максимального) благоприятствования (комфорта), что в свою очередь, предполагает обеспечение биообъекта необходимыми источниками питания, защиту от внешних неблагоприятных воздействий. Не менее важную роль в работе биообъекта играет и инженерно-техническая база, то есть процессы и аппараты биотехнологических производств.

В заключение можно сказать, что современная биотехнология

функционирует с одной стороны на достижениях:

Биологии,

Генетики,

Физиологии,

Биохимии,

Иммунологии и, конечно, биоинженерии, а с другой стороны, на совершенствовании самой технологии получения лекарственных средств, имея в виду:

Способы подготовки сырья,

Способы стерилизации оборудования и всех потоков системы, обеспечивающий - процесс получения биологически активных веществ,

Способы оперативного контроля и управления биотехнологическими процессами.

Сегодня бизнес в области лекарственных средств, чтобы выстоять в конкуренции огромного числа производителей лекарственных средств,

предполагает знания специалиста в области не только применения, но и

получения медицинских препаратов на основе как тонкой химической

технологии, так и биотехнологии.

Сферой интересов специалиста, работающего на рынке лекарственных средств являются следующие разделы биотехнологии:

1. Общая биотехнология лекарственных средств

1.1.биообъекты как средства производства

1.2.особенности процессов биосинтеза

2. Основные процессы и аппараты биотехнологического производства.

3. Частная биотехнология лекарственных средств

3.1.получение наиболее распространенных групп лекарственных средств,

3.2.новейшие биотехнологии с использованием генной инженерии

4. Экономические, правовые и экологические аспекты биотехнологического производства лекарственных средств.

1.4 Биосинтез биологически активных веществ (БАВ) в условиях биотехнологического производства (общие положения)

Биосинтез БАВ (биологически активные вещества) в условиях производства.

1. Создание стерильных условий для биосинтеза

Биосинтез БАВ - это многостадийный процесс. Для успешного осуществления биосинтеза необходимо использовать простерилизованный воздух, стерильную питательную среду и оборудование.

> Стерильное оборудование

БИОСИНТЕЗ > Стерильная питательная среда

> Стерильный воздух

Биосинтез осуществляется с использованием жидкой питательной среды, т.е. используется глубинное культивирование.

Биосинтез микроорганизмов осуществляется в ферментерах различной емкости от 100 литров(1м. куб.) до 10000 литров (100 м. куб.).

Стерилизация воздуха осуществляется методом фильтрации, т.е. из воздушного потока удаляют микроорганизмы с помощью фильтров.

Стерилизация питательных сред осуществляется термическим способом прямо в ферментере или в отдельной емкости.

Продуцент может храниться разными способами, например, на скошенном агаре, с поверхности которого он переносится в колбы с жидкой питательной средой. После накопления биомассы и проверки культуры на чистоту 0,5-1% посевного материала переносится в инокулятор. В нем происходит рост и деление микроорганизмов. Из инокулятора 2-3% материала переносится в посевной аппарат. Из посевного аппарата 5-10% посевного материала переносится в ферментер.

2. Параметры, влияющие на биосинтез (физически, химические,

биологические)

1. Температура

Бактерии - 28°

Актиномицеты 4~-- 26-28°

Грибы -- 24°

2. Число оборотов мешалки (для каждого м/о (микроорганизмы) -- разное число оборотов, разные 2х, 3х, 5-ти ярусные мешалки).

3. Расход подаваемого на аэрацию воздуха.

4. Давление в ферментере

5. рН среды

6. Парциальное давление растворенного в воде кислорода (количество кислорода)

7. Концентрация углекислого газа при выходе из ферментера

8. Биохимические показатели (потребление питательных веществ)

9. Морфологические показатели (цитологические) развитее клеток м/о, т.е. надо следить в процессе биосинтеза за развитием м/о

10. Наличие посторонней микрофлоры

11. Определение в процессе ферментации биологической активности

Для проведения ферментации необходимо добавлять пеногасители -- жиры (рыбий жир, синтетические жиры. В процессе ферментации в результате метаболизма м/о образуется пена.

3. Виды процессов биосинтеза.

Процесс биосинтеза подразделяют на:

*. периодический,

*. полупериодический,

*. непрерывный,

*. многоциклический.

1. Периодический процесс - это такой процесс, когда в ферментер подается посевной материал, задаются определенные технологические параметры (температура, рН, обороты мешалки) и процесс проходит самостоятельно с образованием целевого продукта. Этот процесс экономически не выгоден, т.к. образуется мало целевого продукта.

2. Полупериодический процесс или регулируемая ферментация .

Отличается от периодического процесса тем, что в процессе ферментации в ферментер добавляются различные питательные вещества (источники углеводов, азота), регулируется рН в процессе ферментации, добавляется предшественник в определенный момент ферментации. Полупериодический процесс является экономически выгодным, имея большой выход продукции.

3. Непрерывный процесс

Сущность которого в том, что из ферментера в процессе биосинтеза берется определенное количество культуральной жидкости и вносится в другой ферментер, в котором тоже начинается биосинтез. Культуральная жидкость выполняет функции посевного материала. В ферментер, из которого взяли часть культуральной жидкости, добавляется такое же количество воды и процесс биосинтеза в нем продолжается. Эта операция постоянно повторяется. Используя необходимое количество ферментеров и постоянно перенося часть культуральной жидкости из одного ферментера в другой достигается замкнутый цикл. Преимущество непрерывного процесса в том, что сокращается стадия выращивания посевного материала.

4. Многоциклический процесс

Заключается в том, что в конце ферментации 90% культуральной жидкости сливается из ферментера, а оставшаяся часть выполняет роль посевного материала.

2. Определения понятий GLP , GCP, GMP

GLP - (Good Laboratory Practice) - хорошая лабораторная практика - правила организации лабораторных направлений.

GCP - (Good Сlinical Practice) - хорошая клиническая практика - правила организации клинических испытаний.

GMP - (Good Manufacturing Practice) - хорошая производственная практика - правила организации производства и контроля качества лекарственных средств, это единая система требований к производству и контролю.

Правила GMP - это руководящий, нормативный документ, которому и производство и фирма обязаны подчиняться.

Правила GMP обязательны для всех предприятий, выпускающих готовые лекарственные формы (ГЛФ), продукцию медицинского назначения, а также субстанции.

Самые жесткие требования предъявляются к инъекционным лекарственным препаратам.

В 1969 году около 100 государств в мире заключили многостороннее соглашения между собой. «Система удостоверения качеств фармацевтических препаратов в международной торговле». Система была введена под эгидой Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ). Эта система была введена для оказания помощи органам здравоохранения импортирующих стран в оценке технического уровня производства и качества закупаемых ими лекарственных препаратов. В последующие годы эта система многократно пересматривалась.

Система дает выгоды импортерам. Эта система дает преимущества и экспортерам (высокоразвитые страны), когда препараты идут на экспорт без лишних препятствий.

К экспортерам лекарственных средств предъявляются следующие требования:

1. В стране должна быть государственная регистрация лекарственных средств.

2. В стране должно быть государственное инспектирование фармацевтических предприятий.

3. В стране должны быть приняты правила GMP.

Подобно Фармакопеям правила GMP неоднородны. Имеются:

* Международные правила GMP , принимает и разрабатывает Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ),

* Региональные - страны европейского экономического сообщества (ЕЭС),

* Правила GMP ассоциации стран Юго-Восточной Азии,

* Национальные правила GMP приняты в 30 странах мира.

Международные правила GMP по строгости требований усреднены, в ряде стран правила более либеральные (в соответствии с техническим уровнем производства). В Японии национальные правила GMP строже международных.

Правила GMP имеют 8 разделов:

I Терминология

II. Обеспечение качества

III. Персонал

IV Здания и помещения

V Оборудование

VI Процесс производства

VII Отдел технического контроля (ОТК)

VIII Валидация (утверждение)

1-вый раздел: терминология состоит из 25 пунктов (определений).

Определения, что такое:

Фармацевтическое предприятие

Лекарственное вещество

Лекарственное средство

Карантин на сырье

Определение чистоты помещений, асептических условий и т.д.

2-ой раздел: обеспечение качества

Гарантию качества дает руководитель и квалифицированный персонал.

Условия обеспечения качества продукции на производстве:

Четкая регламентация всех производственных процессов

Квалифицированный персонал

Чистые помещения

Современное оборудование

Регистрация всех этапов производства и всех проводимых анализов

Соблюдение и регистрация порядка возврата неудачных серий

3-тий раздел: персонал

Руководящий персонал должен иметь профильное образование и практический опыт по производству лекарственных средств

Каждый специалист и руководящий работник на предприятии должен иметь строго определенные функции

Неруководящий персонал должен иметь график подготовки и переподготовки и график должен быть зарегистрирован

Требования соблюдения личной гигиены, гигиена и поведение

регламентируются

4-тый раздел: здания и помещения

Производство должно располагаться вне жилых зон

Требуется исключить пересечение технологических линий

Производство беталактамных антибиотиков должно осуществляться в отдельном помещении (для исключения аллергических реакций)

Классификация помещений по степени загрязненности механическими и микробными частицами

Помещения должны быть сухими

Помещения для производства и контроля качества должны иметь гладкие поверхности, доступные для мытья и дезинфекции, должны быть ультрафиолетовые установки (УФ), стационарные и переносные)

Для производства стерильных лекарственных средств соединения между стенами и потолками должны быть закругленными

Давление внутри помещений должно быть выше, чем снаружи на несколько мм ртутного столба

Должен быть минимум открытых коммуникаций

Не должно быть скользящих дверей, двери должны быть загерметизированы

Помещения для хранения сырья должны быть отделены от цехов производства.

5-ый раздел: оборудование

Оборудование должно быть адекватно технологическому процессу

Оборудование должно размещаться та, чтобы его можно было легко эксплуатировать

Все регистрирующие приборы должны быть откалиброваны

Поверхность оборудования должна быть гладкой, не коррозирующей, не должна реагировать с веществами, задействованными в производстве

Должно быть рациональное и продуманное размещение оборудования - у персонала не должно быть лишних переходов в процессе работы

Оборудование должно регулярно проходить профилактический осмотр, что регистрируется в журналах

Оборудование для производства беталактамных антибиотиков должно быть отдельным.

6-ой раздел: процесс производства

Должен быть сертификат качества на сырье

Перед отправлением на производство партия сырья проверяется

Выдача сырья регистрируется

Сырье подвергается проверке на микробную кантаминацию или стерильность

Производственный процесс должен быть так построен, чтобы все было согласовано и безаварийно

Постадийный контроль процесса производства и его регистрация в журналах (сырье -полупродукты - рабочее место - операции технологический режим и т.д.). Порядок регистрации регламентируется, все записи делаются сразу после контроля и результаты хранят не менее 1 года.

7-ой раздел: отдел контроля качества (ОТК) - обязательный для

фармацевтических предприятий

ОТК руководствуется государственными и отраслевыми документами, регламентирующими его деятельность

Задачи ОТК:

Не допускать выпуска брака

Укреплять производственную дисциплину

ОТК контролирует сырье и полупродукты, участвует в планировании и проведении постадийного контроля и хранит образцы каждой серии продукции не менее 3-х лет.

8-ой раздел: валидация

Валидация - это оценка и документальное подтверждение соответствия производственного процесса и качества продукции установленным требованиям.

Директор предприятия специальным приказом назначает руководящего сотрудника или специалиста со стороны для проверки качества работы какого- либо цеха, технологической линии и т.д.

Валидация может быть:

Периодическая, (проводится постоянно)

Внеплановая (при чрезвычайных происшествиях, при изменении технологии).

Валидация позволяет установить:

Соответствует ли технологический процесс регламенту

Соответствует ли качество готовой продукции требованиям нормативной технологической документации

Соответствует ли оборудование производственным целям

Каков предел возможности производственного процесса

Валидация оценивает:

Сам процесс

Предел возможных отклонений

При этом составляется отчет, если имеются какие либо не соответствия или нарушения - то производственный процесс прерывается.

На биотехнологическом производстве внеплановая валидация проводится если:

Производство меняет штамм продуцента

Изменена питательная среда (так как изменяется метаболизм продуцента и он может давать примеси).

GLP - правила организации лабораторных исследований

Новое лекарственное средство необходимо подвергнуть лабораторным испытаниям, прежде чем приступать к проведению клинических испытаний.

Лабораторные испытания (in vitro, in vivo) проводятся на клетках,

бесклеточных системах и животных.

При испытании на животных можно получить различные результаты, поэтому важна правильная организация исследований.

Животные должны быть гетерогенны (разные), корм должен быть постоянным, одинаковым; требуется определенная планировка вивария, чтобы исключить стресс у животных; животные должны быть жизнеспособны.

GCP - правила организации клинических испытаний

Лекарственное средство допускается к клиническим испытаниям только после проведения лабораторных испытаний.

В правилах GCP изложены права больных и добровольцев:

Испытуемые должны быть информированы о том, что им вводится новый лекарственный препарат и о его свойствах

Больные имеют право на финансовое вознаграждение

Должен быть контроль за ходом испытаний со стороны медиков.

В Европе, Соединенных Штатах Америки (США) и России введены общественные комитеты по контролю за клиническими испытаниями лекарственных препаратов. В эти комитеты входят священники, представители смилиции и прокуратуры, медицинской общественности, которые наблюдают за испытаниями лекарственных препаратов.

Цель клинических испытаний - получение достоверных результатов: лекарство лечит, оно безвредно и т.д.

3. Вклад биотехнологии в окружающую среду

3.1 Экологические проблемы промышленной биотехнологии

Экологические проблемы промышленной биотехнологии связаны с огромными технологическими выбросами воды и воздуха

Экологическая опасность определяется присутствием в выбросах живых или убитых клеток микроорганизмов:

1. живые клетки продуцентов могут изменить структуру экологических ниш в окружающей заводы почве, воде и т.д. и как результат - нарушить сообщества микроорганизмов .

2. прямое или косвенное воздействие на человеческий организм , (обслуживающий персонал и окружающее население).

3.2 Общие показатели загрязненности сточных вод

Под качеством воды понимают совокупность ее характеристик и свойств, обусловленных природой и концентрацией содержащихся в ней примесей.

Общие показатели загрязненности - характеризуют общие свойства воды:

1. органолептические,

2. физико-химические, содержание нерастворимых примесей (взвешенных веществ или зольность),

3. концентрацию растворенных веществ (общее содержание органических и неорганических примесей, «органический» углерод),

4. перманганатную и дихроматную окисляемость (химическое потребление кислорода - ХПК),

5. биохимическое потребление кислорода (БПК).

Совокупность этих показателей позволяет оценить общее состояние сточных вод и предложить наиболее эффективный способ их очистки.

Определение органических загрязнений

Химическое потребление кислорода (ХПК). дихроматный способ Методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25 % раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 ч в 50 % (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ применяется катализатор - сульфат серебра. Большинство органических соединений окисляются до воды и углекислого газа, (кроме: пиридина, бензола и его гомологов, нафталина).

Биохимическое потребление кислорода (БПК).

Измеряется количеством кислорода, которое расходуется микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени. Определение БПК требует применения специальной аппаратуры.

Манометрический способ основан на измерении уменьшения давления в аппарате за счет потребления кислорода. Определение проводят в аппарате Варбурга или в специальном респираторе: в герметичный ферментер помещают аликвоту исследуемой сточной воды, засевают микроорганизмами, и в процессе культивирования регистрируют изменение количества кислорода (или кислорода воздуха), пошедшего на окисление присутствующих соединений.

Кулонометрический способ более сложен в аппаратурном оформлении, основан на компенсации объема кислорода, потребленного микроорганизмами, за счет электролиза соответствующего количество воды, при этом объем выделившегося кислорода определяется по затратам электричества.

Определение органических загрязнений

Для стандартизации условий проведения эксперимента:

в зависимости от длительности культивирования различают биохимическое потребление кислорода за 5, 20 сут и полное окисление (БПК5, БПК20, БПКп):

БПК5 - для стоков, содержащих легкоусвояемые загрязнения - углеводы, низшие спирты.

Для стоков химических производств БПКп.

Кислые и щелочные стоки перед определением БПК нейтрализуют.

Высококонцентрированные стоки перед анализом разбавляют, для предотвращения ингибирования

Для определения БПК оптимально использование микрофлоры из уже работающих биологических систем, адаптированной к данному спектру загрязнений. Количество соответствует ее концентрации в работающих очистных сооружениях.

Определение одного из показателей качества сточной воды (ХПК или БПК) не достаточно для оценки возможности ее биологической очистки.

3.3 Методы очистки сточных вод

Целью очистки сточных вод является удаление из них взвешенных и растворенных органических и неорганических соединений до концентраций, не превышающих регламентированные (ПДК).

В зависимости от характера загрязнений и их концентраций применяют различные способы очистки сточных вод:

1. механические (отстаивание, фильтрация);

2. механофизические (коагуляция, нейтрализация с последующим отстаиванием);

3. физико-химические (ионный обмен, сорбция);

4. Термические;

5. биохимические методы

Каждый из перечисленных способов имеет свои области применения, преимущества и недостатки, поэтому пользуются несколькими способами очистки.

Достоинства биохимической очистки сточных вод

1. Возможность удаления из сточной воды широкого спектра органических соединений;

2. Самоподстраиваемость системы к изменению спектра и концентраций органических загрязнений;

3. Простота аппаратурного оформления;

4. Относительно невысокие эксплуатационными затратами.

Недостатки биохимической очистки сточных вод

1. Высокие капитальные затраты идущие на сооружение очистных систем;

2. Необходимость строгого соблюдения технологических режимов очистки;

3. Токсичность некоторых органических соединений для штаммов-деструкторов и биоценозов;

4. Необходимость предварительно разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды.

Способы биохимической очистки сточных вод

А) аэробные:

Экстенсивные (поля орошения, поля фильтрации, биопруды);

Интенсивные (активный ил, биопленка в специальных сооружениях).

Б) анаэробные.

Аэробные процессы биохимической очистки

1. экстенсивные основаны на использовании природных биоценозов водоемов и почвы;

2. интенсивные основанные на деятельности активного ила или биопленки , т.е. естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Формирование биоценоза - процесс достаточно длительный и идущий постоянно в ходе очистки сточной воды в промышленных аппаратах - аэротенках или биофильтрах.

Биоценоз активного ила

Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров; содержит 70 % живых микроорганизмов и 30 % твердые неорганические частицы.

Живые организмы с твердым носителем образуют зооглей - симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой оболочкой.

зооглей формируется за счет флокуляции или адгезии клеток на поверхности носителя

Соотношение капсульных и бескапсульных форм клеток в иле называется коэффициентом зооглейности kz .

Состав : Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfotomaculum, Miсrоcoccus, Pseudomonаs, Sarcina и др.

Pseudomon а s - окисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, углеводы и другие соединения.

Bacterium (выделено более 30 видов) - осуществляют деградацию нефти, парафинов, нафтенов, фенолов, альдегидов и жирных кислот.

Bacillus - алифатические углеводороды.

Состав постоянен практически на протяжении всех очистных сооружений

В зависимости от состава очищаемой воды, та или иная группа бактерий может преобладать, а остальные становятся ее спутниками в составе биоценоза.

На взаимоотношения микроорганизмов ила влияют и продукты биосинтеза различных групп: возможен не только симбиоз или антагонизм микроорганизмов, но также и взаимодействие их по принципу аменсализма, комменсализма, нейтрализма.

Существенная роль в создании и функционировании биоценоза принадлежит простейшим. Функции простейших :

1. регулируют видовой и возрастной состав микроорганизмов в активном иле (не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ),

2. способствуют выходу значительного количества бактериальных экзоферментов участвующих в деструкции загрязнений (поглощают большое количество бактерий).

В активных илах высокого качества на 1 млн. бактерий должно быть 10-15 простейших, это соотношение называется коэффициентом протозойности kp.

Скорость биохимического окисления растет с увеличением с увеличением коэффициентов зооглейности и протозойности.

Простейшие очень чувствительны к присутствию в сточных водах небольших концентраций фенола и формальдегида которые угнетают их развитие.

3.4 Факторы , определяющие биоценоз активного ила

На формирование ценозов активного ила влияют:

1. сезонные колебания температуры (ведущие к преобладанию психрофильных форм микроорганизмов в зимний период);

2. обеспеченность кислородом;

3. присутствие в сточных водах минеральных компонентов.

Роль всех этих параметров при формировании активного ила обуславливает сложным и практически невоспроизводимым: даже для стоков, имеющих одинаковый состав, но возникающих в разных регионах, невозможно получить одинаковые биоценозы активного ила

Биоценоз активной пленки

Биоценоз в биофильтре . На поверхности загрузочного материала биофильтра образуется биологическая пленка: микроорганизмы прикрепляются к носителю и заполняют его поверхность.

На разных уровнях биофильтра создаются количественно и качественно различные биоценозы, поскольку по мере прохождения сточной воды через биофильтр за счет предыдущего ценоза меняется состав воды, попадающей на следующий уровень:

1. сначала потребляются более легкоусвояемые загрязнения, и развивается микрофлора, усваивающая эти соединения с большей скоростью сточная вода обогащается продуктами жизнедеятельности этого ценоза.

2. по мере продвижения воды происходит потребление все более трудно усвояемых веществ и развиваются другие микроорганизмы, способные их усваивать.

3. в нижней части биоценоза в большом количестве скапливаются простейшие, потребляющие биопленку, оторвавшуюся с носителя, такой биоценоз способен практически полностью извлечь из сточной воды все органические примеси.

биотехнология загрязненность биоценоз

3.5 Основные параметры биологической очистки

1. температура,

3. концентрация растворенного О2,

4. уровень перемешивания,

5. концентрация и возраст циркулирующего в очистных системах активного ила,

6. наличие в воде токсичных примесей.

Температура

Большинство очистных сооружений аэробного типа работают под открытым небом и не предусматривают регулирования температуры.

Изменение температуры зависит от времени года и климата в диапазоне от 2-5 до 25-35 0С.

При понижением температуры до 10-15 0С

Преобладают психрофильные микроорганизмы,

Снижается общее количество представителей микрофлоры и микрофауны

Уменьшается скорость очистки

Снижается и флокулирующая способность микроорганизмов, что приводит к вымыванию активного ила из систем вторичных отстойников.

Можно уменьшить аэрирование сточных вод

Необходимо повысить концентрацию активного ила в сточных водах, и увеличить время пребывания сточных вод в системе очистки.

При повышении температуры от 20 до 37 0С

Возрастает скорость и полнота очистки в 2-3 раза.

Преобладают мезофильные и термофильные микроорганизмы, возрастает очистки.

Снижается растворимость кислорода в воде, необходимо усилить аэрацию.

Оптимальный диапазон рН для систем биологической очистки от 5,5 до 8,5.

рН как правило не регулируется, поскольку:

1. объемы очищаемой воды очень большие;

Обычно используют сточные воды с различными значениями рН так, чтобы при смешении суммарное значение рН оказалось близкой к оптимуму.

оптимальное количество растворенного кислорода от 1 до 5 мг/л.

Скорость растворения кислорода в сточной воде не должна быть ниже скорости его потребления микроорганизмами активного ила.

Это требование обусловлено тем, что для кислорода, как и для всякого субстрата, наблюдается влияние его концентрации на скорость роста микроорганизмов, описываемое зависимостью, аналогичной уравнению Моно.

Снижение концентрации растворенного кислорода приводит:

1. к снижению скорости роста ила и, следовательно, к снижению скорости очистки;

2. к ухудшению потребления органических загрязнений;

3. К накоплению продуктов жизнедеятельности микроорганизмов;

4. к развитию нитчатых формы бактерий Sphaerotilus nataus, концентрация которых при нормальный работе очистных сооружений невелика

Конвекция (перемешивание)

Этот процесс обеспечивает поддержание активного ила во взвешенном состоянии, создает благоприятные условия для массопереноса компонентов питания и кислорода

Биогенные элементы

Кроме С микроорганизмам для нормального функционирования необходимы N и P , а такжеMg , K , Na

Недостаток N и P резко снижает эффективность процесса очистки и приводит к накоплению нитчатых форм бактерий. Количество их, необходимое микроорганизмам для нормального функционирования, определяется видом органических соединений, присутствующих в сточных водах, его можно рассчитать теоретически.

Mg , K , Na - как правило, присутствуют в сточных водах в достаточном количестве, при недостатке добавляют водорастворимые соли.

В качестве добавок биогенных элементов при очистке производственных стоков используют фекальные сточные воды, содержащие N и P в большом избытке, при этом снижается концентрация синтетических органических загрязнений.

Доза и возраст активного ила

В обычных очистных сооружениях типа аэротенка текущая концентрация активного ила не превышает 2--4 г/л.

Увеличение концентрации активного ила в сточной воде приводит к росту скорости очистки, но требует усиления аэрации.

Чем меньше возраст активного ила тем эффективнее очистка воды «молодой» активный ил более рыхлый, имеет хлопья меньшего размера, с низким содержанием простейших; одновременно с этим осаждаемость «молодого» активного ила в системах вторичных отстойников несколько лучше.

Возраст активного ила Т - время его рециркуляции в системе очистных сооружений, вычисляется формуле:

V - объем аэратенка, м3 ;

Хср - средняя концентрация активного ила, кг/м3 ;

Q ст - расход сточной воды, м3/ч ;

Wn - скорость прироста активного ила, кг/(м3ч).

Техническая реализация аэробных способов очистки

Аэробный способ очистки сточной воды основан на использовании системы аппаратов аэротенк -- вторичный отстойник.

Выбор конкретной схемы определяется:

1. расходом сточной воды,

2. составом и концентрацией загрязнений,

3. требованиями к качеству очищенной воды и т. п.

Аэротенк

Открытое железобетонное сооружение, через которое пропускается сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом.

В зависимости от способа смешения суспензии активного ила с очищаемой водой и гидродинамического режима движения суспензии активного ила аэротенки делятся

Аэротенк-вытеснитель

Свежая порция активного ила и очищаемая вода одновременно подаются в аппарат и далее происходит движение суспензии активного ила по аппарату в режиме, приближающемся к идеальному вытеснению.

Развитие микроорганизмов в этом объеме определяется законами периодического роста.

«+» полностью извлекаются все загрязнения.

«-« длительно, сточная вода с низкими концентрациями (ХПК не более 200-400 мг/л);

Аэротенк-смеситель

Активный ил и очищаемая сточная вода поступают по всей длине аппарата одновременно и в аппарате создается режим, близкий к полному смешению, одновременно из аппарата отводится суспензия активного ила.

Развитие популяции микроорганизмов происходит как в хемостате все микрооргнизмы в фазе лимитированного роста;

аэротенк сложного типа

на разных этапах очистки одновременно реализуются оба режима:

1. смешения на первой стадии,

2. вытеснения на второй.

Схема аэробной биологической очистки

А) усреднение и осветление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, отстойники);

Б) аэробная биологическая очистка осветленных сточных вод (аэротенки, регенераторы активного ила, вторичные отстойники);

В) доочистка сточных вод (биологические пруды, фильтровальные станции);

Г) обработка осадков (иловые площадки, сушилки, печи и т. д.).

Биофильтр

Биопленка представляет собой уникальны по качественному и количественному составу и различающийся в зависимости от места его нахождения консорциум микроорганизмов, иммобилизованный поверхности пористого носителя.

Нельзя проконтролировать содержание кислорода на каждом уровне биофильтра, поэтому нельзя с определенностью говорить о строго аэробном способе очистки.

«+» формирование конкретного биоценоза на определенных этапах очистки приводит к полному удалению всех органических примесей.

1. нельзя использовать стоки с высоким содержанием органических примесей (начальное значение по ХПК не более 500--550 мг/л, т.к. можно уничтожить активную пленку);

2. необходимо равномерно орошать поверхность биофильтра сточными водами, с постоянной скоростью;

3. перед подачей на биофильтры сточные воды необходимо очистить от взвешенных частиц, т.к. забьются капиллярные каналы и произойдет заиливание.

Наполнитель биофильтра : керамику, щебень, гравий, керамзит, металлический или полимерный материал с высокой пористостью.

Биофильтры подразделяются в зависимости от способа и вида загрузочного материала и от режима подачи жидкости.

По режиму аэрации: с принудительной и естественной циркуляцией.

В обоих случаях в биофильтрах наблюдается режим противотока воды, которая поступает сверху вниз, и воздуха, который поступает снизу вверх.

Технологические схемы с использованием биофильтров мало отличаются от схем очистки с применением аэротенков, однако, оторвавшиеся частицы биопленки после отделения их во вторичном отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а отводятся на иловые площадки.

Принцип вытеснения жидкости с одновременной фиксацией клеток микроорганизмов в иммобилизованном состоянии положен и в основу работы аэротенков-вытеснителей с применением стеклоершей. Стеклоерши погружают в аэрируемую воду и на их поверхности происходит накопление биоценоза активного ила, который как и в биофильтре, развивается на каждом участке ершей неодинаково и изменяется по количественному и качественному составу.

«+» системы с иммобилизованными на стеклоершах клетками от биофильтров является возможность интенсификации аэрации.

Это позволяет получать в биологических системах очистки биоценозы микроорганизмов, адаптированные именно к данному узкому спектру загрязнений, при этом скорость очистки и ее эффективность резко возрастают.

Экстенсивные способы очистки сточных вод

Пруды с искусственной или естественной аэрацией также под воздействием биоценоза активного ила происходит окисление органических примесей.

Состав определяется глубиной нахождения данной группы микроорганизмов: в верхних слоях - аэробные культуры, в придонных слоях - факультативные аэробы и анаэробы, способные осуществлять процессы метанового брожения или восстановление сульфатов.

Chlorella, Scenedesmus, Ankistrodesmus, эвгленовые, вольвоксовые - насыщают воду О2 за счет фотосинтеза; микро и макрофауна: простейшие, черви, коловратки, насекомые и другие организмы.

В биопрудах осуществляется:

1. доочистка стоков после очистных сооружений, когда остающиеся примеси осложняют процесс дальнейшей утилизации вод -это позволяет практически полностью удалять остаточные количества многих соединений.

2. полная очистка, качество очистки воды и в этом случае очень высоко; хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие органические соединения из воды.

«-» полная неуправляемость процесса, низкая скорость окисления органических соединений, время пребывания воды в биологических прудах несколько суток, занимают огромные площади.

Поля фильтрации - служат только для целей очистки, на них подается максимально возможное количество жидкости.

Поля орошения - предназначены для выращивания сельскохозяйственных культур, и вода на них подается по мере необходимости.

Процесс самоочищения воды осуществляется за счет жизнедеятельности почвенных организмов -- бактерий, грибов, водорослей, простейших, червей и членистоногих;

Состав почвенного биоценоза определяется структурой почвы, т.к. на поверхности почвенных комочков образуется биопленка.

О2 проникает в почву на 20--30 см, поэтому самая интенсивная минерализация органики происходит в поверхностных слоях.

Существенную роль в процессах очистки сточных вод на полях фильтрации и орошения играют нитрифицирующие бактерии. В летний период на 1 га площади образуется до 70 кг нитратов, которые с током жидкости поступают в нижние горизонты, где господствуют анаэробные условия. Кислород нитратов у денитрифицирующих бактерий идет на окисление сохранившихся в воде органических соединений.

Анаэробные процессы переработки отходов

Анаэробные способы очистки применяются для сбраживания высококонцентрированных стоков и осадков, содержащих большое количество органических веществ.

Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах -- метантенках.

Процесс брожения состоит из двух стадий -- кислой и метановой. Каждая из этих стадий осуществляется определенной группой микроорганизмов:

Кислая -- органотрофами,

Метановая -- литотрофами.

Обе группы присутствуют в метантенке одновременно, поэтому кислото- и газообразование протекают параллельно. В нормально работающем метантенке появляющиеся при кислом брожении продукты успевают переработаться бактериями второй фазы, и в целом процесс протекает в щелочной среде.

Формирование микрофлоры происходит за счет микроорганизмов, попавших вместе со сточными водами или осадком.

Состав биоценозов метантенков беднее аэробных биоценозов

первую стадию (кислотообразования) осуществляют: Вас. cereus , Вас. megaterium . Вас. subtilis , Ps. aeruginosa , Sarcina . Наряду с облигатными анаэробами в метантенке могут встречаться и факультативные анаэробы. Общее количество бактерий в осадке колеблется от 1 до 15 мг/мл. Конечным продуктом процесса брожения этой группы микроорганизмов являются низшие жирные кислоты, СО2 , +NH4, H2S.

вторую стадию (метанообразования ) осуществляют строгие анаэробы метанобразующие бактерии - Methanococcus , Methanosarcina , Methanobacterium .

В результате жизнедеятельности биоценоза метантенка происходит снижение концентрации органических загрязнений в отходах или сточных водах с одновременным образованием биогаза. В состав биогаза входят СН4 и С02 .

при распаде 1 г жиров образуется 1200 мл газа (в %): СН4-68, С02-32.

при распаде 1 г углеводов образуется 800 мл газа (в %): СН4-50, СО2-50.

предел сбраживания: жиры - 70%, углеводы - 62,5%, дальнейшее разложение органического вещества не приводит к образованию биогаза.

Особенности процессов анаэробной очистки

Концентрация токсичных компонентов не должна ингибировать процессы брожения.

Конвекция - 3 - 5 об/мин.

Температура

мезофильный режим(30--35°С)

термофильный режимы (50--60°С) - скорость распада органических соединений увеличивается, возрастает доза суточной загрузки в метантенк.

1. как и всякий анаэробный процесс, практически неуправляем

2. низкая скорость,

3. расход энергии, потребляемой клеткой на биосинтез, практически постоянен как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Метантенк - строго герметичный ферментер объемом до нескольких кубических метров с перемешиванием и рубашкой для обогрева, оборудован газоотделителями с противопламенными ловушками, работает в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка по мере завершения процесса.

С осадком из метантенка удаляется и часть имеющихся в нем микроорганизмов, что ведет к увеличению времени сбраживания следующей порции.

Обеспечение задержки клеток в объеме аппарата при его разгрузке позволяет значительно интенсифицировать процесс и увеличить выход газа.

назначение:

Для сбраживания осадков, избыточного активного ила,

В качестве первой ступени очистки высококонцентрированных стоков, с последующей их аэробной доочисткой.

В целом, активное использование метаногенеза при сбраживании органических отходов является, одним из наиболее перспективных путей совместного решения экологических и энергетических проблем, который позволяет, например, агропромышленным комплексам перейти на практически полностью самостоятельное энергоснабжение.

Заключение

Деятельность любого биотехнологического производства может привести к возникновению экологических проблем общего и частного характера:

1)истощению и гибели естественных экосистем вокруг биотехнологических предприятий или неадекватному популяционному давлению одних видов живых существ на другие (например, разрастание цианобактерий в водохранилищах);

2)возрастанию стрессовых нагрузок на людей, проживающих вблизи крупных биотехнологических предприятий (выхлопные газы, шум, испарения, корпускулярные аллергены в атмосфере и пр.);

...

Подобные документы

Характеристика современной очистки сточных вод для удаления загрязнений, примесей и вредных веществ. Методы очистки сточных вод: механические, химические, физико-химические и биологические. Анализ процессов флотации, сорбции. Знакомство с цеолитами.

реферат , добавлен 21.11.2011

Мировая экологическая ситуация и роль биотехнологии в ее улучшении. Характеристика стоков перерабатывающей промышленности. Роль биотехнологии в защите и оздоровлении биосферы. Аэробные и анаэробные системы очистки стоков. Метановое сбраживание.

статья , добавлен 23.10.2006

Экологические проблемы Балтийского моря. Общая характеристика предприятия, социально-экологических аспектов функционирования. Деятельность терминала. Природоохранные технологии. Проблемы очистки сточных вод от соединений марганца и железа, пути решения.

дипломная работа , добавлен 02.05.2016

Организмы активного ила, биохимическое окисление загрязняющих веществ сточных вод как его функция. Типы активного ила, понятие его возраста. Индикаторные организмы активного ила. Массовые виды аэротенков в пробах. Индикаторы высокой степени очистки вод.

контрольная работа , добавлен 02.12.2014

Физико-химическая характеристика сточных вод. Механические и физико-химические методы очистки сточных вод. Сущность биохимической очистки сточных вод коксохимических производств. Обзор технологических схем биохимических установок для очистки сточных вод.

курсовая работа , добавлен 30.05.2014

Анализ экологической обстановки в крупнейших индустриальных центрах и крупных портовых городах Украины. Характеристика проблем загрязненности воздуха промышленными предприятиями, транспортом, состояния канализационного хозяйства и очистки сточных вод.

реферат , добавлен 25.03.2010

Характеристика экологических проблем и оценка их особенностей в выявлении критериев взаимодействия человека и окружающей среды. Факторы экологических проблем и периоды влияния общества на природу. Анализ взаимосвязи экологических и экономических проблем.

контрольная работа , добавлен 09.03.2011

Характеристика предприятия как источника образования загрязнённых сточных вод. Цех производства обувной кожи. Характеристика сточных вод, поступающих на локальную систему очистки от цехов производства кожи. Расчет концентраций загрязняющих веществ.

курсовая работа , добавлен 09.05.2012

Состав сточных вод. Характеристика сточных вод различного происхождения. Основные методы очистки сточных вод. Технологическая схема и компоновка оборудования. Механический расчет первичного и вторичного отстойников. Техническая характеристика фильтра.

дипломная работа , добавлен 16.09.2015

Загрязнение водных ресурсов сточными водами. Влияние выпуска сточных вод металлургических предприятий на санитарное и общеэкологическое состояние водоемов. Нормативно-правовая база в области очистки сточных вод. Методика оценки экологических аспектов.

Кафедра микробиологии и биохимии

Методические указания

К выполнению контрольной работы

по теме: «Применение методов генной инженерии в биотехнологии»

По дисциплине: Введение в биотехнологию

для направления 020200.62 «Биология

Форма обучения: очная

Мурманск

Составитель – Елена Викторовна Макаревич, канд. биолог. наук, профессор кафедры микробиологии и биохимии Мурманского государственного технического университета

Методические указания к выполнению контрольных работ рассмотрены и одобрены на заседании кафедры-разработчика «____»_________________2013 г., протокол № _____.

Рецензент – Ольга Юрьевна Богданова, канд. биол. наук, профессор кафедры микробиологии и биохимии Мурманского государственного технического университета

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.. 4

2. Методические указания к выполнению контрольной работы 5

3. Вопросы для самопроверки... 6

6. ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ…………………….………..22

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Контрольная работа представляет собой одну из форм текущего контроля знаний студентов, и его выполнение является обязательным для всех студентов. Если работа не зачтена, студент должен иметь возможность ее исправить, путем повторного выполнения контрольной работы. Студенты, не выполнившие контрольную работу, к экзамену не допускаются.

Целью выполнения контрольной работы является углубление и закрепление знаний студентов, полученных при теоретическом изучении дисциплины и позволяет студенту продемонстрировать знания и навыки, приобретенные за время обучения по теории, а также возможность их применения в практической деятельности.

Студенты выполняют контрольную работу в сроки, установленные графиком. Выполнение контрольной работы является завершающим этапом в изучении отдельных тем дисциплины «Введение в биотехнологию».

Методические указания к выполнению контрольной работы

на тему « Применение методов генной инженерии в биотехнологии» .

Для выполнения контрольной работы необходимо:

1. Изучить теоретические данные по курсу;

3. Ответить на вопросы по данной теме;

4. Решить предоставленные в методическом пособии тестовые задания;

Генетические основы совершенствования биообъектов.

Пути и методы, используемые при получении более продуктивных биообъектов и биообъектов с другими качествами, повышающими возможность их использования в промышленном производстве (устойчивость к инфекциям, рост на менее дефицитных средах, большее соответствий требованиям промышленной гигиены и т.д.).

Традиционные методы селекции. Вариационные ряды. отбор спонтанных мутаций. Мутагенез и селекция. Физические и химические мутагены и механизм их действия. Классификация мутаций. Проблемы генетической стабильности мутантов по признаку образования целевого биотехнологического продукта.

Клеточная инженерия и использование ее методов в создании микроорганизмов и клеток растений - новых продуцентов биологически активных (лекарственных) веществ. Протопластирование и слияние (фузия) протопластов микроорганизмов. Возможность межвидового и межродового слияния. Гибриды, получаемые после слияния протопластов и регенерации клеток. Слияние протопластов и получение новых гибридных молекул в качестве целевых продуктов. Протопластирование и активация "молчащих" генов. Возможности получения новых биологически активных веществ за счет активации "молчащих генов". Методы клеточной инженерии применительно к животным клеткам. Гибридомы. Значение гибридом для производства современных диагностических препаратов.

Генетическая инженерия и создание с помощью ее методов продуцентов новых лекарственных веществ. Основные принципы технологии рекомбинантной ДНК. Внехромосомные генетические элементы - плазмиды и их функции у микроорганизмов, используемых в биотехнологических процессах. Основные физико-химические характеристики плазмид. Взаимодействие плазмид с геномом хозяина. Роль плазмидной и фаговой ДНК в генетическом конструировании продуцентов биологически активных веществ. Транспозоны и их использование в конструировании продуцентов. Направленный мутагенез (ин витро) и его значение при конструировании продуцентов.

Понятие вектора в генетической инженерии. Векторные молекулы на основе плазмидной и фаговой ДНК. Химический синтез фрагментов ДНК. Методы секвенирования (определения последовательности нуклеотидов). Химический синтез гена.

Ферменты, используемые в генетической инженерии. Рестриктазы. Классификация и специфичность. Формирование "липких концов». Рестриктаза E.coli R1 и распознаваемая ею последовательность нуклеотидов. Лигазы и механизм их действия.

Последовательность операций при включении чужеродного гена в векторную молекулу. Перенос вектора с чужеродным геном в микробную клетку.

Генетические маркеры. Методы идентификации и изоляции клонов с рекомбинантной ДНК.

Проблемы экспрессии чужеродных генов в микроорганизмах. Гены животной клетки; экзоны, нитроны. Обеспечение возможности экспрессии генов млекопитающих в микробной клетке. Обратная транскриптаза.

Способы преодоления барьеров на пути экспрессии чужеродных генов. Стабилизация чужеродных белков (целевых продуктов) в клетке. Генетические методы, обеспечивающие выделение чужеродных белков в среду.

Микроорганизмы различных систематических групп: дрожжи, эубактерии, актиномицеты и др. как хозяева при экспрессии чужеродных генов. Специфические проблемы генетической инженерии при создании новых продуцентов белковых веществ, первичных метаболитов как целевых биотехнологических продуктов.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Перечислите традиционные методы селекции.
Расскажите об использовании методов клеточной инженерии в создании микроорганизмов и клеток растений.
Каковы механизмы действия физических и химических мутагенов?
Назовите возможности получения новых биологически активных веществ за счет активации "молчащих генов".
Раскройте понятие гибридонов.
Перечислите методы идентификации и изоляции клонов с рекомбинантной ДНК.
В различие между экзонами и интронами?
Что такое экспрессия чужеродных генов?

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Выпишите правильный ответ:

1. Под термином «обратная генетика» понимают следующие манипуляции
1. ДНК - РНК - белок - модификация белка - клетка
2. белок - РНК - ДНК - модификация ДНК - клетка
3. РНК - модификация РНК - ДНК - белок
4. клетка - ДНК - РНК - белок - модификация белка

2. Трансгенные организмы получают путем ввода чужеродного гена в
1. соматическую клетку
2. яйцеклетку
3. сперматозоид
4. митохондрии

3. Акромегалия характерна для животных, содержащих чужеродный ген
1. инсулина
2. интерферона
3. соматостатина
4. соматотропина

4. Год, когда впервые показана роль нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации
1. 1940
2. 1944
3. 1953
4. 1957

5. Год, когда была создана модель двойной спирали ДНК
1. 1940
2. 1944
3. 1953
4. 1957

6. Первым объектом генной инженерии стала
1. E.coli
2. S.cerevisae
3. B.subtilis

7. Первыми объектами генной инженерии стали вирусы и плазмиды
1. S.cerevisae
2. B.subtilis
3. E.coli

8. В качестве вектора для введения чужого гена в животную клетку используют
1. плазмиды агробактерий
2. плазмиды бактерий
4. вироиды
5. вирус SV-40

9. В качестве вектора для введения чужого гена в животную клетку используют
1. ретровирусы
2. плазмиды бактерий
3. ДНК хлоропластов и митохондрий
4. вироиды

10. В качестве вектора для введения чужого гена в животную клетку не используют
1. вирус SV-40
2. ретровирусы
3. ДНК митохондрий
4. транспозоны
5. вироиды

11. В качестве вектора для введения гена в растительную клетку используют
1. вирус SV-40
2. вирус саркомы Рауса
3. плазмиды
4. вироиды

12. В качестве вектора для введения гена в растительную клетку используют
1. вирус SV-40
2. вирус саркомы Рауса
3. плазмиды агробактерий

13. В качестве вектора для введения гена в растительную клетку не используют
1. транспозоны
2. ДНК хлоропластов
3. плазмиды бактерий
4. вироиды

14. В состав вектора на основе вируса не входят последовательности, отвечающие за
1. вирулентность
2. способность к репликации
3. маркерный признак
4. патогенность

15. В состав вектора на основе вируса входят последовательности, отвечающие за
1. способность к передаче в клетку хозяина
2. способность к амплификации
3. маркерный признак
4. все перечисленные последовательности

16. Вектор должен быть
1. большим
2. небольшим
3. верны оба утверждения

17. В основе использования ДНК митохондрий и хлоропластов в качестве вектора лежит
1. кольцеобразная форма
2. объем
3. наличие гомологичных участков с ядерным геномом
4. верны все утверждения

18. Количество нуклеотидов, составляющих вироиды
1. 200 - 250
2. 270 - 300
3. 320 - 370
4. около 1000

19. Вироиды имеют форму
1. прямолинейную
2. кольцевую
3. спиралевидную

20. Транспозоны имеют форму
1. прямолинейную
2. кольцевую

21. Транспозоны впервые были открыты в
1. 30 - х годах
2. конце 40 -х годов
3. 1971 году

22. Транспозоны открыл
1. Поль Берг
2. Барбара Мак-Клинток
3. Фредерик Сэнгер

23. Год открытия вироидов
1. 1968
2. 1971
3. 1973
4. 1977

24. Вироидам представляют собой
1. 1 цепочечную ДНК
2. 1 цепочечную РНК
3. 2 цепочечную ДНК
4. 2 цепочечную РНК

25. Нуклеиновая кислота вироидов с белком
1. связана
2. не связана

26. Транспозоны играют важную роль в эволюции вилов
1. да
2. нет

30. При рестриктазно-лигазном методе происходит сшивание концов ДНК
1. тупой-липкий
2. липкий-липкий
3. тупой-тупой

31. При коннекторном методе происходит сшивание концов ДНК
1. тупой-липкий
2. липкий-липкий
3. тупой-тупой

32. Применение линкеров имеет смысл в том стучае, если при разрушении 2 типов ДНК рестриктазами образуются концы
1. одноименные липкие
2. разноименные липкие
3. тупые

33. Применение линкеров имеет смысл в том стучае, если при разрушении 2 типов ДНК рестриктазами образуются концы
1. одноименные липкие
2. тупой и липкий
3. тупые

34. Линкеры не применяют, если при разрушении 2 типов ДНК рестриктазами образуются концы
1. одноименные липкие
2. разноименные липкие
3. тупые
4. тупой и липкий

35. Фермент концевая трансфераза применяется при сшивании концов
1. одноименных липких
2. разноименных липких
3. тупых
4. тупого и липкого

36. Для сшивания тупых концов ДНК применяют лигазу в концентрациях
1. недостаточных
2. стандартных
3. избыточных

37. Для денатурации ДНК требуется
1. щелочной рН
2. кислый рН
3. кислый рН и высокая температура
4. щелочной рН и высокая температура

38. Температура денатурации ДНК (оС)
1. 37
2. 65
3. 100

39. Температура ренатурации ДНК (оС)
1. 37
2. 65
3. 100

40. При гибридизации спариваются фрагменты ДНК
1. одноцепочечные
2. двуцепочечные
3. одно- и двуцепочечные

41. При гибридизации возможно спаривание
1. ДНК - ДНК
2. ДНК - РНК
3. РНК - РНК
4. все перечисленные сочетания

42. Гибридизацию исследуемой нуклеиновой кислоты с ДНК-зондом проводят
1. в растворе
2. в геле
3. на нитроцеллюлозе

43. Чужеродная ДНК, попавшая в клетки в природе, как правило, не проявляет активности, так как разрушается ферментом
1. лигазой
2. метилазой
3. рестриктазой
4. транскриптазой

44. Год рождения генной инженерии
1. 1971
2. 1972
3. 1973
4. 1974

45. Первая гибридная ДНК содержала фрагменты ДНК
1. вируса и бактерии
2. 2-х вирусов и бактерии
3. бактерии, дрожжевой клетки и вируса
4. бактерии, вируса и животной клетки

46. Первая выделенная из бактериальной клетки эндонуклеаза расщепляла молекулы ДНК
1. в месте узнавания
2. на определнном расстоянии от места узнавания
3. в произвольном месте от места узнавания

47. Первую рестриктазу, которая расщепляла строго определенную последовательность ДНК выделили
1. Мезельсон и Юань
2. Мезельсон и Вейгл
3. Смит и Вилькокс

48. В состав полимеразы входит функциональных доменов
1. 1
2. 2
3. 3
4. 4

49. Фрагмент Кленова включает в себя
1. 5’-3’ полимеразу и 3’-5’ экзонуклеазу
2. 5’-3’ полимеразу и 3’-5’ полимеразу
3. 5’-3’ полимеразу и 5’-3’ экзонуклеазу
4. 3’-5’ экзонуклеазу и 5’-3’ экзонуклеазу

50. Диэфирную связь в неспаренных участках ДНК убирает
1. 5’-3’ полимераза
2. 3’-5’ экзонуклеаза
3. 5’-3’ экзонуклеаза
4. 3’-5’ полимераза

51. Диэфирную связь в двойных участках ДНК убирает
1. 5’-3’ полимераза
2. 3’-5’ экзонуклеаза
3. 5’-3’ экзонуклеаза
4. 3’-5’ полимераза

52. За удаление присоединенных во время репликации нуклеотидов отвечает
1. 5’-3’ полимераза
2. 3’-5’ экзонуклеаза
3. 5’-3’ экзонуклеаза
4. 3’-5’ полимераза

53. В процессах репарации ДНК, вырезая олигонуклеотиды дляной 10 н.п., участвует
1. 5’-3’ полимераза
2. 3’-5’ экзонуклеаза
3. 5’-3’ экзонуклеаза
4. 3’-5’ полимераза

54. Терминальная трансфераза катализирует присоединение нуклеотидов к концу молекулы ДНК
1. 5’ - ОН
2. 3’ – ОН

55. Узнают и расщепляют молекулы ДНК в произвольных точках нуклеазы
1. 1 класса
2. 2 класса
3. 3 класса
4. 1 и 3 класса
5. 2 и 3 класса

56. Узнают и расщепляют молекулы ДНК строко в сайте узнавания или на фиксированном расстоянии от него нуклеазы
1. 1 класса
2. 2 класса
3. 3 класса
4. 1 и 3 класса
5. 2 и 3 класса

57. За рестриктазную и метилирующую активность отвечает 1 белок у эндонуклеаз рестрикции
1. 1 и 3 класса
2. 2 и 3 класса
3. 1 и 2 класса
4. 2 класса
5. 3 класса

58. За рестриктазную и метилирующую активность отвечают разные белки у эндонуклеаз рестрикции
1. 1 и 3 класса
2. 2 и 3 класса
3. 1 и 2 класса
4. 2 класса
5. 3 класса

59. Ложными изошизомерами являются
1. Hpa I и Eco RI
2. Hind III и Eco RI
3. Hpa I и Hind III

60. При разгоне ДНК в агарозном геле ближе к стартовой линии окажутся фрагменты
1. короткие
2. длинные
3. короткие

62. Для построения рестрикционной карты необходимо фрагменты ДНК последовательно обработать
1. 1 рестриктазой, затем 2 рестриктазой
2. 1 рестриктазой и смесью 1 и 2 рестриктаз
3. 1 рестриктазой, 2 рестриктазой и их смесью

63. Первая рестрикционная карта была получена для
1. бактериофага
2. плазмиды pBR 322
3. вируса саркомы Рауса
4. вируса SV-40

64. Рестрикционные карты позволяют определить
1. полную нуклеотидную последовательность
2. степень гомологии участков ДНК
3. нарушения в работе гена
4. структуру гена

65. Химический сиквенс ДНК основан на
1. синтезе комплементарного участка ДНК
2. разрушении 1 нуклеотида
3. разрушении одного из 4 нуклеотидов в каждой реакционной смеси

66. Химический сиквенс ДНК предложили
1. Сэнгер и Гилберт
2. Сэвидж и Максам
3. Максам и Гилберт

67. Ферментативный сиквенс ДНК предложил
1. Максам
2. Гилберт
3. Сэнгер
4. Сэвидж

68. При химическом сиквенсе ДНК метится
1. с одного конца
2. с обоих концов
3. по всей длине

69. Модификация нуклеотидов при ферментативном сиквенсе предполагает изменение концов
1. 3’-ОН
2. 5’-ОН
3. 3’-ОН и 5’-ОН

70. При ферментативном сиквенсе модифицированные нуклеотиды добавляют по сравнению с нормальными в
1. избытке
2. равном соотношении
3. недостатке

71. Для недорестрикции эндонуклеазы добавляют
1. в недостатке
2. избытке

72. Недорестрикция обычно применяется при использовании рестриктаз
1. крупнощепящих
2. мелкощепящих
3. 1 класса
4. 3 класса

73. Для необратимого связывания ДНК с нитроцеллюлозой необходима температура (оС)
1. 65
2. 70
3. 80
4. 100

74. Для необратимого связывания ДНК с нитроцеллюлозой необходимы высокая температура и
1. обычное давление
2. высокое давление
3. низкое давление
4. вакуум

75. Перенос ДНК на нитроцеллюлозный фильтр называется
1. Северный блоттинг
2. Южный блоттинг
3. Западный блоттинг

76. Перенос РНК на нитроцеллюлозный фильтр называется
1. Северный блоттинг
2. Южный блоттинг
3. Западный блоттинг

77. Перенос белка на нитроцеллюлозный фильтр называется
1. Северный блоттинг
2. Южный блоттинг
3. Западный блоттинг

78. Фильтровальная бумага при блоттинге обеспечивает ток буферного раствора в направлении
1. электрофореза
2. обратном электрофорезу
3. перпендикулярном электрофорезу

79. Название «метод дробовика» применяется по отношению к библиотекам
1. геномным
2. клоновой ДНК

80. С синтеза ДНК на матрице РНК начинается создание библиотек
1. геномных
2. клоновой ДНК

81. При создании геномной библиотеки геном представлен
1. целиком
2. фрагментарно

82. Создание геномной библиотеки можно считать амплификацией ДНК
1. in vitro
2. in vivo

83. Создание клоновой библиотеки можно считать амплификацией ДНК
1. in vitro
2. in vivo

84. Полимеразную цепную реакцию можно считать амплификацией ДНК
1. in vitro
2. in vivo

85. При получении животных белков с помощью бактериальной клетки лучше использовать библиотеку ДНК
1. клоновую
2. геномную

86. Метод бесклеточного молекулярного клонирования был разработан в
1. 1973 году
2. 1976 году
3. 1977 году
4. 1985 году

87. Полимеразную цепную реакцию разработал
1. Берг
2. Гилберт
3. Саузерн
4. Маллис

88. Методику переноса ДНК на нитроцеллюлозный фильтр разработал
1. Берг
2. Гилберт
3. Саузерн
4. Маллис

89. При полимеразной цепной реакции количество ДНК от цикла к циклу увеличивается
1. на несколько фрагментов
2. в арифметической прогрессии
3. в геометрической прогрессии

90. Цикл амплификации ДНК in vitro занимает (в минутах)
1. 5
2. 10
3. 15
4. 20

91. Для целей медицинской диагностики чаще всего используют амплификацию ДНК с помощью клонирования
1. в вирусе
2. в плазмиде
3. бесклеточного молекулярного

92. Промотор b-лактамазы
1. сильный регулируемый
2. слабый нерегулируемый
3. слабый регулируемый
4. сильный нерегулируемый

93. Промотор, полученный из бактериофага l
1. сильный регулируемый
2. слабый нерегулируемый
3. слабый регулируемый
4. сильный нерегулируемый

94. Промотор, полученный из бактериофага l регулируется
1. триптофановым голоданием
2. лактозой
3. температурой

95. Наличие интронов и экзонов не характерно для ДНК
1. дрожжей
2. растений
3. животных
4. бактерий

96. Только для эукариотической клетки характерно наличие
1. аттенуатора
2. последовательности Шайна-Дальнарно
3. модулятора

97. Только для эукариотической клетки характерно наличие
1. аттенуатора
2. промотора
3. усилителя

98. При трансфекции лигирование маркерного признака с вводимым геном
1. обязательно
2. необязательно

99. Эффективность вхождения ДНК в клетки
1. высока
2. невысока

100. Частота трансформации ДНК клетки при трансфекции
1. высока
2. невысока

101. Стабильную трансформацию претерпевает при трансфекции 1 из
1. 10 клеток
2. 100 клеток
3. 1000 клеток

102. Метод микроинъекций был разработан
1. Максамом и Гилбертом
2. Мезельсоном и Юанем
3. Андерсеном и Диакумакосом

103. Стабильная трансформация клеток выше при
1. трансфекции
2. микроинъекции
3. достаточно высока в обоих случаях

104. При микроинъекциях трансформируется клеток (%)
1. 1
2. 10
3. 30
4. 50
5. 100

105. Реплицирует рибосомные гены промотор
1. Pol I
2. Pol II
3. Pol III

106. Реплицирует структурные гены белков промотор
1. Pol I
2. Pol II
3. Pol III

107. Реплицирует гены, кодирующие небольшие РНК промотор
1. Pol I
2. Pol II
3. Pol III

108. Для экспрессии эукариотических генов в клетке прокариот необходимо ставить их под контроль регуляторных элементов
1. эукариот
2. прокариот
3. прокариот и эукариот

109. Аттенуаторы располагаются между
1. 1 и 2 структурным геном
2. в конце структурного гена
3. между промотором и 1-м структурным геном
4. между промотором и 2-м структурным геном

110. В качестве маркера для бактериальных клеток используют ген фермента
1. тимидинкиназы
2. лактозы
3. антибиотика

111. В качестве маркера для животной клетки используют ген
1. тимидинкиназы
2. лактозы
3. антибиотика

112. При коннектором методе с использование концевой трансферазы бессмысленные последовательности образовываться
1. могут
2. не могут

113. Метод, наиболее часто используемый при построении гибридных ДНК
1. рестриктазно-лигазный
2. коннекторный
3. с применение линкеров

114. При рестриктазно-лигазном методе бессмысленные последовательности образовываться
1. могут
2. не могут

115. Номенклатуру рестриктаз предложили
1. Смит и Натанс
2. Мезельсон и Юань
3. Смит и Вилькокс

116. Сайты узнавания рестриктазами относительно поворота на 180оС
1. симметричны
2. не симметричны

Закончить предложение:

117. На изменении проницаемости мембраны при пропускании высоковольных импульсов основан метод _____________.
118. Обрабатывая ультразвуком водные эмульсии фосфолипидов, получают _______.
119. На образовании пор в цитоплазматической мембране основан метод _________
120. Для защиты экзогенного генетического материала при введении его в клетку применяют __________
121. ДНК спермы лосося, добавленная к специфическому гену - _________
122. Введение ДНК с помощью преципитата кальция - ______________
123. Регуляторная последовательность, способная понизить уровень транскрипции даже при наличии сильного промотора ___________.
124. Двуцепочечный фрагмент ДНК, необходимый для начала работы полимеразы, называется ___________
125. Вектор, способный к репликации и в бактеральной, и животной клетке - _______
126. Последовательность из 6-8 нуклеотидов, отвечающая за связывание РНК с рибосомой - __________ _____________.
127. Регулируемый промотор называется ____________.
128. Последовательность ДНК, с которой начинается считывание информации - ________
129. Рестриктаза, выделенная из Streptomyces albus, называется _____
130. Рестриктаза, выделенная из Escherichia coli, называется _____
131. Рестриктаза, выделенная из Streptcoccus aureus, называется _____
132. Метилаза, выделенная из Streptomyces albus, называется _____
133. Метилаза, выделенная из Escherichia coli, называется _____
134. Метилаза, выделенная из Streptcoccus aureus, называется _____
135. Рестриктаза, выделенная из Haemophilus parahaemolyticus, называется _____
136. Ферментативный метод предполагает использование __________ ________
137. Фермент, отвечающий за миграцию определенных участков ДНК в пределах хромосомы - _______________.
138. В качестве вектора для введения генов в животную клетку используется ДНК-содержащий вирус ____________.
139. Генетические элементы клетки, способные к миграции в пределах хромосомы, называются _____________.
140. РНК-содержащие вирусы, способные менять геном клетки - __________.
141. Конструирование in vitro функциоонально активных генетических структур называется ________________ ____________.
142. Создание в пробирке рекомбинантных ДНК называется _______ ________.
143. Искусственные генетические структуры называются ______________.
144. Многократное удвоение плазмиды или фрагмента ДНК - ___________.
145. Удвоение гена в клетке или пробирке называется ____________.
146. Фермент, отвечающий за специфическое мечение ДНК в клетке - ________.
147. Фермент, отвечающий за восстановление фосфодиэфирной связи в молекуле ДНК - _____________.
148. Фермент, отвечающий за синтез комплементарной цепи ДНК - ____________.
149. Фермент, модифицирующий «тупые» концы ДНК - ______________.
150. Фермент, вносящий разрывы в двойную цепь ДНК - ____________.
151. За синтез ДНК на матрице РНК отвечает фермент __________ ____________.
152. Рестриктаза, выделенная из Bacillus subtilis, называется _____
153. Промотор, иниициирующий транскрипцию редко - ____________
154. Промотор, инициирующий транскрицию часто - _______________.
155. Небольшой олигонуклеотид, содержащий разноименные липкие концы называется ___________.
156. Белок, препятствующий связыванию полимеразы с ДНК - ____________
157. Этап полимеразной цепной реакции, когла образуются одноцепочечный фрагмент, связанный с праймером - _____________.
158. Введение ДНК в клетки с помощь. ДЭАЭ-декстрана - _______________.
159. Способ введения ДНК, основанныей на изменении проницаемости ЦПМ путем обработки электроимрульсами называется

п\п	Название учебников, учебных пособий и других источников	Авторы (под ред.)	Издательство	Год издания

Основная:
1.	Основы биотехнологии: учебное пособие	Т. А. Егорова, С. М. Клунова, Е. А. Живухина	М.: Академия
2.	Современная биотехнология	Елдышев Ю.Н.	М:Тайдекс Ко
3.	Гидромикробиологический анализ сточных вод. Методические указания.	Макаревич Е.В. Литвинова М.Ю.	Мурманск МГТУ
4.	Экология микроорганизмов	Нетрусов А.И.	М.: Академия
	Промышленная микробиология и биотехнология	Макаревич Е.В.	МГТУ
	Основы промышленной биотехнологии: учеб. пособие для вузов	Бирюков, В. В.	М. : Колос
	Молекулярная биотехнология: Принципы и применение / пер. с англ. Н. В. Баскаковой	Глик, Б.	М. : Мир
	Теоретические основы биотехнологии и практические аспекты их использования при производстве ряда биологически активных веществ из сырья животного, водного и растительного происхождения в народном хозяйстве России и медицине. Ч.1,2	Семенов, Б. Н.	КГТУ. - Калининград
	Микроорганизмы заквасок кисломолочных продуктов. Методические указания.	Макаревич Е.В., Литвинова М.Ю.	Мурманск МГТУ	2009.
	Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Ведение в биотехнологию»	Литвинова М.Ю.	Мурманск МГТУ
Дополнительная:
	Введение в биотехнологию	Бекер М.Е.	М.: Пищевая пром
	Определитель бактерий Берджи. В 2 т.	Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Смита и др.	М.: Мир
	Промышленная микробиология.	Под ред. Егорова Н.С.	М.: Высшая школа
	Техническая микробиология рыбных продуктов.	Дутова Е.Н. и др. .	М.: Пищевая пром
	Микробиология пищевых производств.	Вербина Н.М., Каптерова Ю.В.	М.: Агропромиздат
	Основные питательные среды для культивирования микроорганизмов. Приготовление питательных сред. Методические указания к выполнению лабораторной работы.	Богданова О.Ю., Макаревич Е.В.	Мурманск МГТУ
	Микробиология продуктов животного происхождения	Мюнх Г.Д., Заупе Х., Шрайтер М.и др.	М.: Агропромиздат
	Микробиология в пищевой промышленности.	Жвирблянская А.Ю., Бакушинская О.А.	М.: Пищевая пром-сть

ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ ЗАДАНИЙ

Предпос-ледняя цифра шифра	Последняя цифра шифра

	1, 17, 29, 48, 134,80,127	2, 18, 31,49, 133,81,128	3, 19, 32,50, 132,82,129	4, 20, 33,51, 131,83,130	5, 21, 34,52, 130,84,131	6, 22, 35,53, 129,85,132	7, 23, 36,54, 128,86,133	8, 24, 37,55, 127,88,134	9, 25, 38,56, 126,89,135	10, 26, 30,57, 125,87,136
	11, 27, 40,52, 124,90 ,137	12, 28, 29,46, 123,91,138	13, 17, 31,45, 122,92,139	14, 18, 33,44, 121,93,140	15, 19, 40,43, 120,94,141	16, 20, 34,42, 119,95,142	1, 21, 39,41, 118,96,143	2, 22, 40,60, 117,97,144	3, 23, 30,59, 116,98,145	4, 24, 40,58, 115,99,146
	5, 25, 36,45, 114,70,147	6, 19, 26, 32, 113,71,148	7, 27, 29,51, 112,72,149	8, 28, 31,44, 111,73,150	9, 17, 37,58, 110,74,151	10, 18, 39,60, 109,75,152	11, 19, 34, 42, 108,76,153	12, 20, 30,50, 107,77,154	13, 21, 37,56, 106,78,155	14, 22, 38, 47, 105,79,156
	15, 23, 32,59, 135,43,157	16, 24, 38,49, 103,85,158	1, 25, 38,51, 102,72,159	2, 26, 58, 39, 101, 126,85	3, 27, 31,52, 100,94,127	4, 28, 37,44, 99,112,128	5, 17, 30, 56, 98,130,129	6, 18, 34, 55, 97,69,130	7, 19, 39,60, 96,123,131	8, 20, 33, 44, 95,110,132
	9, 21, 39,47, 94,127,133	10, 22, 40,51, 93,128,134	11, 23, 39, 47, 92,129,135	12, 25, 33, 44, 91,130,136	13, 26, 31,59, 90,131,137	14, 28, 30,58, 89,132,138	15, 27, 31,42, 88,133,139	16, 28, 36,45, 87,134,140	1, 17, 34, 56, 86,102,141	2, 18, 39,57, 85,103,142
	3, 19, 38,51, 84,104,143	4, 21, 38,53, 83,105,144	5, 20, 33,50, 82,106,145	6, 23, 29,57, 81,107,146	7, 22, 30,59, 80,108,147	8, 25, 29,60, 79,109,148	9, 24, 38,49, 78,110,149	10, 27, 31,54, 77,111,150	11, 25, 39,42, 76,112,151	12, 24, 34,52, 75,113,152
	13, 17, 32,41, 74,114,153	14, 18, 33,42, 73,115,154	15, 19, 40,59, 72,116,155	16, 20, 30,43, 71,117,156	1, 21, 30,44, 70,118,157	2, 22, 31,45, 69,119,158	3, 23, 29,46, 68,120,159	4, 24, 39,47, 67,121,127	5, 26, 31,60, 113,95,128	6, 27, 40,55, 66,122,129
	7, 28, 33,48, 65,123,130	8, 28, 32,49, 64,124,131	9, 17, 30,50, 73,125,132	10, 18, 38,51, 100,78,133	11, 19, 39,52, 101,77,134	12, 20, 32,52, 102,83,135	13, 21, 34,53, 103,84,136	14, 22, 29,54, 104,85,137	15, 28, 33,52, 105, 86,138	16, 23, 31,45, 106,87,139
	1, 27, 34, 55, 107,72,140	2, 26, 30,56, 108,74,141	3, 22, 40,57, 109,75,142	4, 25, 39,58, 110,76,143	5, 26, 40,59, 111,77,144	6, 17, 33,60, 112, 78,145	7, 18, 38,45, 113,79,146	8, 19, 35, 41, 114,90,147	9, 20,29,53, 115,134,	10,21,38,56,116, 133,149
	11,22,30,42,150 117,132	12, 23, 37,43, 153 118,131	13, 24, 32,44,154 119,57	14, 27, 40,68,155 120,93	15, 23, 38,66,156 121,84	16, 23, 30,51,157 122, 74	1, 22, 40,78,158 123, 59	2, 17, 39,99,159 124,55	3, 18, 33,41,160 125,96	4, 19, 29,45,143 126,87

Похожая информация.

Микроорганизмы как объекты биотехнологии. Классификация. Характеристика.

Бактерии чрезвычайно разнообразны по условиям обитания, приспособляемости, типам питания и биоэнергообразования, по отношению к макроорганизмам - животным и растениям. Наиболее древние формы бактерий - архебактерии способны жить в экстремальных условиях (высокие температуры и давления, концентрированные растворы солей, кислые растворы). Эубактерии (типичные прокариоты, или бактерии) более чувствительны к условиям окружающей среды.

По типу питания бактерии делятся по источнику энергии:

· фототрофы, использующие энергию солнечного света;

· хемоавтотрофы, использующие энергию окисления неорганических веществ (соединений серы, метана, аммиака, нитритов, соединений двухвалентного железа и др.);

По типу окисления вещества:

· органотрофы, получающие энергию при разложении органических веществ до минеральных веществ; эти бактерии - основные участники круговорота углерода, к этой же группе относятся бактерии, использующие энергию брожения;

· литотрофы (неорганические вещества);

По типу источников углерода:

· гетеротрофные – используют органические вещества;

· афтотрофные – используют газ;

Для обозначения типа питания используется:

1. природа источника энергии фото- или хемо-;

2. Доноры электронов лито- или органо-;

3. Источники углерода афто- и гетеро-;

И заканчивается термин словами трофия. 8 различных типов питания.

Высшие животные и растение склоны к 2 типам питания:

1) Хемоорганогетеротрофия (животные)

2) Фотолитоафтотрофия (растения)

У микроорганизму представлены все типы питания при чем они могут переходить с одного на другой в зависимости от существования

Существует отдельный вид питания:

Бактерии являются удобным объектом для генетических исследований. Наиболее изученной и широко применяемой в генно-инженерных исследованиях является кишечная палочка Escherichia coli (Е. coli), обитающая в кишечнике человека.

Организация и структура биотехнологических производств. Отличительные особенности биотехнологического производства от традиционных видов технологий. Преимущества и недостатки биотехнологических производств по сравнению с традиционными технологиями.

Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение, приводит к необходимости рассмотреть общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании любого биотехнологического производства. Процессы промышленной биотехнологии разделяют на 2 большие группы: производство биомассы и получение продуктов метаболизма. Однако такая классификация не отражает наиболее существенных с технологической точки зрения аспектов промышленных биотехнологических процессов. В этом плане необходимо рассматривать стадии биотехнологического производства, их сходство и различие в зависимости от конечной цели биотехнологического процесса.

Существует 5 стадий биотехнологического производства.

Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.

Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.

На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.

Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так должны быть стерильными.

Основная цель биотехнологии - промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологический процесс - включает ряд этанов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.

Биотехнологические процессы могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.

Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической.

1). Это, прежде всего, низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.

2). Биотехпологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипною оборудования. Однотипные ферменты применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.

3). Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Микроорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью микроорганизмов в ходе другого производства.

4). Безотходность биотехнологических производств делает их экологически наиболее чистыми

5). Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.

К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся -создание и широкое освоение:

1)новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);

2)микробиологических средств защиты растений от болезней и вредите

лей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений, новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;

3)ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для повышения продуктивности животноводства;

4)новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;

5)технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

Традиционная (обычная) технология представляет собой разработки, отражающие средний уровень производства, достигнутый большинством производителей продукции в данной отрасли. Такая технология не обеспечивает ее покупателю значительных технико-экономических преимуществ и качество продукции по сравнению с аналогичной продукцией ведущих производителей, и рассчитывать на дополнительную (сверх средней) прибыль в данном случае не приходится. Ее преимуществами для покупателя являются сравнительно невысокая стоимость и возможность приобретения проверенной в производственных условиях технологии. Традиционная технология создается, как правило, в результате устаревания и широкомасштабного распространения прогрессивной технологии. Продажа такой технологии обычно осуществляется по ценам, компенсирующим продавцу издержки на ее подготовку и получение средней прибыли.

Преимущества биотехнологических процессов по сравнению с химической технологией биотехнология имеет следующие основные преимущества:

·возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не удается получать путем химического синтеза;

·проведение биотехнологических процессов при относительно невысоких температурах и давлениях;

·микроорганизмы имеют значительно более высокие скорости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы

·в качестве сырья в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;

·биотехнологические процессы по сравнению с химическими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам;

·как правило, технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дешевы.

Биотехнологическая стадия

Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента происходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт.

Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества.

Биотехнологическая стадия включает в себя:

Ферментация - процесс, осуществляемый с помощью культивирования микроорганизмов.

Биотрансформация - процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов или готовых ферментов.

Биокатализ - химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов-ферментов.

Биоокисление - потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.

Метановое брожение - переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.

Биокомпостирование - снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.

Биосорбция - сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях.

Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворенное состояние под действием специальных микроорганизмов.

Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.

Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один - жидкостной. В случае, если процесс протекает в твердой фазе (например, созревание сыра или биокомпостирование отходов), выходом является поток переработанного твердого продукта.

Подготовительные стадии

Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии.

На стадии подготовки могут быть использованы следующие процессы.

Стерилизация среды - для асептических биотехнологических процессов, где нежелательно попадание посторонней микрофлоры.

Подготовка и стерилизация газов (обычно воздуха), необходимых для протекания биотехнологического процесса. Чаще всего подготовка воздуха заключается в очистке его от пыли и влаги, обеспечении требуемой температуры и очистке от присутствующих в воздухе микроорганизмов, включая споры.

Подготовка посевного материала. Очевидно, что для проведения микробиологического процесса или процесса культивирования изолированных клеток растений или животных необходимо подготовить и посевной материал - предварительно выращенное малое по сравнению с основной стадией количество биологического агента.

Подготовка биокатализатора. Для процессов биотрансформации или биокатализа необходимо предварительно подготовить биокатализатор - либо фермент в свободном или закрепленном на носителе виде, либо биомассу микроорганизмов, выращенную предварительно до состояния, в котором проявляется ее ферментативная активность

Предварительная обработка сырья. Если сырье поступает в производство в виде, непригодном для непосредственного использования в биотехнологическом процессе, то проводят операцию по предварительной подготовке сырья. Например, при получении спирта пшеницу сначала дробят, а затем подвергают ферментативному процессу "осахаривания", после чего осахаренное сусло на биотехнологической стадии путем ферментации превращается в спирт.

Очистка продукта

Задача этой стадии - убрать примеси, сделать продукт максимально чистым.

Хроматография - процесс, напоминающий адсорбцию.

Диализ - процесс, в котором через полупроницаемую перегородку могут проходить низкомолекулярные вещества, а высокомолекулярные остаются.

Кристаллизация. Этот процесс базируется на различной растворимости веществ при разных температурах.

Концентрирование продукта

Дальнейшая задача - обеспечить его концентрирование.

На стадии концентрирования применяют такие процессы, как выпаривание, сушка, осаждение, кристаллизация с фильтрацией получившихся кристаллов, ультрафильтрация и гиперфильтрация или нанофильтрация, обеспечивающие как бы "отжим" растворителя из раствора.

Очистка стоков и выбросов

Очистка этих стоков и выбросов - специальная задача, которая обязательно должна решаться в наше экологически неблагополучное время. По существу очистка стоков - это отдельное биотехнологическое производство, имеющее свои подготовительные стадии, биотехнологическую стадию, стадию отстаивания биомассы активного ила и стадию дополнительной очистки стоков и переработки осадка.

Виды биологических объектов применяемых в биотехнологии, их классификация и характеристика. Биологические объекты животного происхождения. Биологические объекты растительного происхождения.

К объектам биотехнологии относятся: организованные внеклеточные частицы (вирусы), клетки бактерий, грибов, простейшие организмы, ткани грибов, растений, животных и человека, ферменты и ферментные компоненты, биогенные молекулы нуклеиновой кислоты, лектины, цитокинины, первичные и вторичные метаболиты.

В настоящее время большинство биообъектов биотехнологии представляется представителями 3-х надцарств:

1) Acoryotac – акориоты или безъядерные;

2) Procaryotac – прокариоты или предъядерные;

3) Eucaryotac – эукариоты или ядерные.

Представляются 5-ю царствами: к акариотам относят вирусы (неклеточная организованная частица); к прокариотам относят бактерии (морфологическая элементарная единица); к эукариотам относят грибы, растения и животные. Тип кодирование генетической информации ДНК (для вирусов ДНК или РНК).

Бактрии имеют клеточную организацию, но при этом материал ядра не отделен от цитоплазмы ни какими мембранами и не связан ни с какими белками. В основном бактерии одноклеточные их размер не превышает 10 микрометров. Все бактерии делятся на архиобактерии и эубактерии.

Грибы (Mycota) являются важными биотехнологическими объектами и продуцентами ряда важнейших соединений пищевых продуктов и добавок: антибиотики, растительные гормоны, красители, грибной белок, сыры различных типов. Микромицеты неформируют плодового тела, а макромицеты формируют. Имеют признаки животных и растений.

Растения (Plantae). Известно около 300 тысяч видов растений. Это дифференцированные органические растения, составные части которых ткани (мериместентные, покровные, проводимые, механические, основные и секреторные). К делению способны только мириместентные ткани. Любой вид растения при определенных условиях может давать неорганизованную клеточную массу делящихся клеток – каллус. Важнейшими биообъектами являются протопласты растительных клеток. Они лишены клеточной стенки. Используются в клеточной инженерии. Часто используют водоросли. Из них получают агар-агар и альгинаты (полисахариды, используемые для приготовления микробиологических сред).

Животные (Animalia). В биотехнологии широко применяются такие биообъекты как клетки различных животных. Кроме клеток высших животных используются клетки простейших животных. Клетки высших животных используются для получения рекомбинантной ДНК и для проведения токсикологических исследований.