Научные принципы обеспечения сверхпродукции. Получение ауксотрофных и регуляторных мутантов. Амплификация генов ферментов, отвечающих за синтез целевого продукта. Применение генной инженерии для получения сверхпродуцентов.
Ферментная технология
Продуценты ферментов, особенности их отбора и культивирование. Выделение и очистка ферментов. Применение ферментных препаратов в промышленности, медицине и быту.
Иммобилизованные системы в биотехнологии
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 пирогенных, аллергенных примесей).
Нерастворимые носители органической и неорганической природы. Микроструктура носителей.
Иммобилизация за счет образования ковалентных связей между ферментом и носителем. Предварительная активация носителя бромистым цианом. Механизм активации. Ковалентные связи с помощью бифункциональных реагентов между молекулами фермента, связанного с носителем. Влияние иммобилизации ферментов на их субстратный спектр и кинетические характеристики. Повышение стабильности. Расширение зоны оптимальной температуры. Причины указанных явлений.
Адсорбция ферментов на инертных носителях и ионообменниках. Причины частичных ограничений использования этого метода иммобилизации.
Иммобилизация ферментов путем включения в структуру геля. Органические и неорганические гели. Методы включения в альгинатный и полиакриламидный гель. Причины частичных ограничений использования метода при высокомолекулярных субстратах.
Микрокапсулирование ферментов как один из способов их иммобилизации. Размеры и состав оболочки микрокапсул.
Биокатализ в тонком органическом синтезе. Использование иммобилизованных ферментов при производстве полусинтетических бета-лактамных антибиотиков, трансформации стероидов, биокаталитическом получении простаноидов, разделении рацематов аминокислот.
Иммобилизованные ферменты и лечебное питание. Удаление лактозы из молока с помощью иммобилизованной бета-галактозидазы. Превращение глюкозы во фруктозу с помощью иммобилизованной глюкоизомеразы.
Ферментные электроды на основе иммобилизованных ферментов: глюкозооксидазы, лактатдегидрогеназы уреазы, пенициллиназы.
Иммобилизация целых клеток микроорганизмов и растений. Моноферментные биокатализаторы на основе целых клеток. Внутриклеточная регенерация коферментов. Проблемы диффузии субстрата в клетку и выхода продукта реакции. Повышение проницаемости оболочки у иммобилизуемых клеток.
Полный синтез целевого продукта иммобилизованными клетками продуцентов. Использование для иммобилизации клеток в наиболее продуктивной фазе ростового цикла. Особенности физиологии клеток, находящихся в ячейках геля. Перспективы использования "плюс" вариантов продуцентов после протопластирования и регенерации мицелия.
Создание биокатализаторов второго поколения на основе одновременной иммобилизации продуцентов и ферментов трансформации продукта биосинтеза. Объединение в одном реакторе процесса биосинтеза и реакции трансформации. "Открытые системы для усложнения". Биореакторы различных типов.
Генетическая инженерия в биотехнологии
Генетическая инженерия и технология рекомбинантных молекул. Основные открытия, теоретически обосновавшие технологический подход к наследственной информации. Общие понятия о матричных процессах: репликация, транскрипция, трансляция.
Инструменты генетической инженерии. Рестрицирующие эндонуклеазы, их основные характеристики и область применения. Способы “нарезания” и идентификации фрагментов ДНК. Гибридизационные зонды. Соединение фрагментов ДНК. Обратная транскриптаза и ее использование в генной инженерии. ДНК полимераза и ДНК лигаза. Метод создания гомополимерных окончаний при получении рекомбинантных молекул ДНК. Использование линкерных полинуклеотидов в технологии клонирования ДНК.
Понятие вектора. Общие свойства векторов. Специализированные векторные системы. Векторные системы, применяемые при молекулярном клонировании в клетках прокариотических организмов. Типы векторов: плазмидные и фаговые векторы природного и искусственного происхождения. Принципы конструирования векторов. Фаг лямбда и векторы, сконструированные на основе его генома. Фазмиды, космиды и их применение. Упаковочная система фага лямбда. Банки генов и клонотеки. Векторы на основе генома нитевидных фагов. Особенности трансформации грамотрицательных и грамположительных бактерий. Векторы для клонирования в грамположительных бактериях. Челночные векторы.
Векторные системы для клонирования в клетках дрожжей. Использование вирусных геномов в качестве векторов для введения генетической информации в клетки животных. Природные векторы для растений. Организация и “поведение” Ti-плазмиды.
Экспрессия чужеродной генетической информации в клетках бактерий, дрожжей, растений и животных. Особенности организации векторных систем для экспрессии генов. Сложная структура организации эукариотических генов и их экспрессия в прокариотических клетках. Получение продуцента человеческого гормона роста.
Стратегия клонирования на примере введения чужеродной ДНК в E.сoliс использованием pBR322. Методы отбора клеток, наследующих рекомбинантные молекулы с необходимым геном.
Получение вакцин и иммунобиологических препаратов.
Основы иммунологии. Общие сведения об иммунитете. Формы иммунитета. Понятия об антигенах и антителах. Классификация антител. Структура антител.
Моноклональные антитела как универсальные аналитические реагенты в биохимических исследованиях. Применение моноклональных антител в медицине. Гибридомная технология получения моноклональных антител.
Современная классификация вакцинных препаратов. Технологии получения вакцин на основе живых и мертвых клеток микроорганизмов. Вирусные вакцины. Анатоксины. Технология получения анатоксинов. Сывороточные препараты. Препараты на основе живых культур микроорганизмов. Требования к штаммам, используемым дл приготовления препаратов на основе живых культур микроорганизмов. Генно-инженерные вакцины.
Клеточная инженерия
Методы культивирования клеток высших растений. Тотипотентность растительных клеток. Каллусные и суспензионные культуры; методы получения и область использования. Протопласты растительных клеток; способы получения, методы культивирования и регенерации. Слияние протопластов растительных клеток и методы реверсии. Гибридизация соматических клеток растений.
Культивирование клеток и тканей животных. Приемы культивирования в суспензионной культуре и на плотных средах. Необходимые условия для культивирования клеток животных. Конструктивные особенности биореакторов.
Использование биотехнологии для решения экологических проблем
Особенности роста и культивирования микроорганизмов в очистных сооружениях. Очистка сточных вод и отходящих газов. Переработка твердых отходов с образованием биогаза. Очистка природных сред от техногенных загрязнений.
Примерное распределение часов по темам
| Nп/п | Наименование темы | Кол-во часов | В том числе | ||
| Лекций | Практи-ческие | Самост. | |||
| 1 | Предмет и задачи биотехнологии | 2 | 1 | 1 | |
| 2 | Экологическая биотехнология. Биологические источники энергии | 2 | 1 | 1 | |
| 3 | Методы культивирования микроорганизмов | 2 | 1 | 1 | |
| 4 | Продуценты ферментов, особенности их отбора и культивирования. Выделение и очистка ферментов. Применение микробных ферментов в пищевой промышленности и медицине | 2 | 2 | ||
| 5 | Микробиологический синтез органических кислот и аминокислот | 2 | 1 | 1 | |
| 6 | Биотехнология получения витаминов. Получение рибофлавина и витамина В 12 | 2 | 1 | 1 | |
| 7 | Антибиотики, классификация и основные стадии производства | 2 | 2 | ||
| 8 | Иммобилизованные ферменты. Методы получения и основные характеристики | 4 | 2 | 2 | |
| 9 | Применение иммобилизованных ферментов в биотехнологии | 4 | 2 | 2 | |
| 10 | Иммобилизация целых клеток и пути их использования. Биореакторы | 4 | 2 | 2 | |
| 11 | Генетические основы совершенствования биообъектов | 4 | 2 | 2 | |
| 12 | Технологии клонирования | 2 | 2 | ||
| 13 | Основные стадии метода ПЦР и сайт-специфического мутагенеза | 2 | 1 | 1 | |
| 14 | Моноклональные антитела. Гибридомная технология их получения | 2 | 1 | 1 | |
| 15 | Основы иммунологии. Производство вакцин | 2 | 2 | ||
| 16 | Агробиотехнология. Методы получения и пути использования генно-модифицированных растений | 2 | 1 | 1 | |
| 17 | Новые методы молекулярной диагностики в медицине | 4 | 2 | 2 | |
| 18 | Стволовые клетки и тканевый инженеринг | 4 | 2 | 2 | |
| Итого: | 48 | 24 | 24 | ||
ФОРМА ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ – ЗАЧЕТ
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ
1) Предмет и задачи современной биологической технологии. Объекты и методы биотехнологии
2) Основные особенности культивирования биообъектов. Питательные схемы и стадии биотехнологических процессов