1
Министерство образования и науки Российской Федерации
––––––––––––––––––––––
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Калмыцкий государственный университет»
ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ
Учебник для студентов высших учебных заведений
основной образовательной программы
020400.62 «Биология», профиль «Биоэкология»
Элиста 2013
Стр.1
2
УДК615.К075.8)
ББК 30.16я73 С148
Рецензенты:
Арилов А.Н. д.с/х. н., профессор, директор Калмыцкого НИИ сельского
хозяйства РАСХН
Моисейкина Л.Г. – д.б.н., профессор ФГБОУ ВПО «Калмыцкий
университет»
Биотехнология: Учебник. Сост.: Г.Э.Настинова; ФГБОУ ВПО
«КалмГУ» Элиста, Изд-во:КалмГУ 2013 - с (илл.)
В учебнике представлены основные направления биотехнологии, её значение в
жизни человека, достижения, проблемы и перспективы. Учебное пособие ставит своей
целью раскрыть научные, социальные и этические аспекты развития биотехнологии,
способствовать формированию собственного мнения о фактах биотехнологического
внедрения в повседневную жизнь. Пособие предназначено для студентов высших учебных
заведений основной образовательной программы 020400.62 «Биология», профиль
«Биоэкология»
Утверждено методической комиссией факультета педагогического
образования и биологии
Стр.2
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Биотехнология проникает во все области хозяйства: сельское
хозяйство, пищевая промышленность, медицина, биоэнергетика, охрана
окружающей среды и т.д. и оказывает все большее влияние на многие
стороны жизни человека.
В связи с эти в классических университетах биотехнологию следует
рассматривать как специальную дисциплину при подготовке биологов,
профессиональная деятельность которых может быть связана как с работой в
образовательных учреждениях, так и в различного рода лабораториях
сельскохозяйственной, медицинской, пищевой направленности.
Введение Государственного образовательного стандарта
профессионального образования (ФГОС 3) ориентирует на активизацию роли
студентов в образовательном процессе путем увеличения его
самостоятельной и творческой работы, подлежащей оценке в рамках
учебного процесса. Настоящие методические указания будут способствовать
лучшему пониманию дисциплины, умению разобраться в большом
многообразии учебников, учебных пособий и специальной литературы и
отражают методику преподавания и контроля знаний по курсу
Биотехнологии в Калмыцком госуниверситете.
Дисциплина «Биотехнология» имеет своей целью дать студенту
целостные представления о современном состоянии и перспективах развития
биотехнологии как направления практической деятельности человека,
имеющем в своей арсенале биотехнологические объектов (клетки
микроорганизмов, растений, животных и т.п.) или молекул (нуклеиновые
кислоты, белки-ферменты, углеводы, липиды в индивидуальном виде или в
виде их смеси, комплексов и пр.) для использования в промышленном
производстве, здравоохранении, экологической защите. При этом
предполагается, что студенты имеют подготовку по разделам химии,
биохимии и молекулярной биологии, общей биологии и микробиологии.
Программа дисциплины составлена так, что в ходе изучения предмета,
студент не только знакомиться с содержанием дисциплины, но, и закрепляет
свои знания по фундаментальным наукам. Описание основных направлений
применения биотехнологических методов в конкретной деятельности
человека должно дать студенту целостное представление в практическом
значении изучаемого предмета. Данное пособие включает в себя основные
разделы биотехнологии, задания для самостоятельной работы и тесты,
позволяющие контролировать степень усвоения материала студентами.
Предполагается, что студенты самостоятельно более глубоко изучат
различные вопросы биотехнологии, представят их в виде сообщений и
презентаций, используя дополнительную специальную литературу,
Интернет-ресурсы, а также современные информационные технологии.
Стр.3
4
Раздел 1
ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ БИОТЕХНОЛОГИИ
1.1. Предмет биотехнологии
Биотехнология – это название одной из древнейших сфер деятельности
человека, в современном понимании – это наука о практическом
использовании достижений биологии.
Современная биотехнология – это интеграция естественных и
инженерных наук позволяющая наиболее полно реализовать возможности
живых организмов для производства продуктов питания, лекарственных
препаратов, решения проблем в области энергетики и охраны окружающей
среды.
Современная биотехнология тесно стыкуется с рядом научных
дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их
основным инструментом (рис. 1).
Физиология – наука о функциях растительного и животного
организмов. Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены
только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут
служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды,
сапонины и др.
Генетика – наука о законах и механизмах наследственности. Ее
достижение используется в области генной инженерии. Клетки животных и
человека также продуцируют ряд биологически активным соединений.
Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и
соматотропин - гормон, регулирующий рост.
Экология – наука о связях живых организмов с окружающей
среды.
Микробиология – наука, изучающая микроорганизмы, их строения,
функции, взаимосвязи; позволяет улучшать традиционные технологии и
создавать новые. Достижения в области микробиологии лежат в основе
развития двух разделов биотехнологии: генной и биологический инженерии.
Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи
штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они
улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это
позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.
Молекулярная биология и биохимия – науки, изучающие
молекулярные основы структуры и функций клеток. Данные этих наук
используется во всех разделах биотехнологии. В молекулярной биологии
использование биотехнологических методов позволяет определить структуру
генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные
мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных
генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять
Стр.4
5
наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и
микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека
свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.
Иммунология – наука, изучающая биологические механизмы
самозащиты организма от любых чужеродных веществ. Благодаря
достижениям в области иммунологии создаются новые технологии для
диагностики и лечения заболеваний, производства и применения
лекарственных препаратов.
биохимическая технология
химическая технология
механическая технология
БИОТЕХНОЛОГИЯ
электроника
технология пищевой промышленности
микробиология
биохимия
Рис.1 Связь биотехнологии с другими науками
1.2. История биотехнологии
Технологии приготовления пищевых продуктов с использованием
биологических объектов были известны с глубокой древности. Человек
использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались
пивоварением, пекли хлеб. Усовершенствовались способы хранения и
переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса,
соевого соуса), производилось мыло из жиров, изготавливались простейшие
лекарства, спиртные напитки, перерабатывались отходы. Термин
"биотехнология" становится общепринятым примерно с конца 70-х годов 20
века, а до этого, для обозначения наиболее тесно связанных с биологией
разнообразных технологий, использовали такие названия, как прикладная
микробиология, прикладная биохимия, технология ферментов,
биоинженерия, прикладная генетика и прикладная биология.
История развития биотехнологических процессов
III тыс. до
н.э.
1857 г.
1865 г.
1875 г.
использование дрожжей для получения хлеба, пива, вина;
Луи Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в
процессах брожения, и показал, что в образовании разных продуктов
участвуют разные микроорганизмы;
Грегор Мендель открыл законы наследственности;
Роберт Кох разработал метод чистых культур, гарантирующий, что в
посевном материале будут содержаться только клетки определенного вида;
генетика
Стр.5
6
1925 г.
1940 г.
1953 г.
1961 г.
1963 г.
1970 г.
1972 г.
1975 г.
1976 г.
1977 г.
1978 г.
1980 г.
1983 г.
1996 г.
1997 г.
1977 г.
1988 г.
1990 г.
1990 г.
1994-1995
гг.
1997 г.
2003 г.
2004 г.
2005 г.
Надсон Г.А., Филиппович Г.С. установили возможность искусственного
мутагенеза микроорганизмов (грибов) под влиянием рентгеновского
облучения;
учрежден журнал «Biotechnology and Bioengineering»;
выделена первая рестрикционная эндонуклеаза;
- осуществлён синтез ДНК;
Флеминг, Флори, Чейни организовали промышленное производство
антибиотиков;
Джеймс Уотсон и Фредерик Крик открыли структуру ДНК в виде двойной
спирали; установлена структура инсулина;
Ниренберг расшифровал генетический код, который оказался одинаковым и
для бактерий, и для человека; осуществлён синтез биополимеров по
установленной структуре;
Берг разработал технологию рекомбинантных ДНК; синтезирован
полноразмерный ген транспортной РНК;
получены моноклональные антитела;
разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК;
Гилберт У., Максам А. опубликовали метод быстрого определения
последовательности ДНК;
фирма «Genentech» выпустила человеческий инсулин, полученный с
помощью Е. соli;
- синтезированы фрагменты нуклеиновых кислот;
- разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных,
полученная по технологии рекомбинантных ДНК;
Гордон Дж. получил первую трансгенную мышь (был введен ген
тимидинкиназы вируса герпеса);
гибридные Ti - плазмиды применены для трансформации растений;
ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина)
превысил 1 млрд долларов;
Уильмут Я. клонировал первое млекопитающее – овцу Долли.
Исследования генома человека:
секвенирован первый ген человека (ген, кодирующий белок хорионный
соматотропин);
создание международного проекта «Геном человека», поставившего своей
целью полное секвенирование ДНК человека, в СССР научный совет по
геномной программе возглавил академик А.А. Баев;
международную организацию «Геном человека» возглавил российский
академик А.Д. Мирзабеков;
официально начаты работы над проектом «геном человека»;
опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом
человека;
клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки;
расшифрован геном (набор генов, присущий организму) человека,
содержащий приблизительно 30 тысяч генов и три миллиарда «букв»
молекул ДНК.
британские ученые заявили о клонировании человека;
полностью расшифрован геном человека.
1.3. Области применения современной биотехнологии
Возможности использования биологических технологий в современном
мире гораздо больше, чем с древности. В настоящее время можно обозначить
Стр.6
7
ряд отраслей народного хозяйства и деятельности человека, потребности
которых обеспечиваются биотехнологией.
В таблице 1 указаны направления, развивающиеся на основе
биотехнологии и продукты, получаемые с ее помощью.
Таблица 1
Отрасль
Сельское хозяйство
Основные направления биотехнологии
Примеры
Производство белково-витаминных концентратов.
Селекция, клонирование и генетическая инженерия
животных и растений.
Использование антибиотиков для лечения животных и птиц.
Производство вакцин.
Производство биоинсектицидов.
Применение гормонов и других стимуляторов роста
Получение новых штаммов микроорганизмов.
Сохранение генофонда растений и животных с помощью
замораживания клеток в жидком азоте.
Материаловедение
Производство
химических веществ
Энергетика
Контроль за состоянием
окружающей среды
Выщелачивание руд, дальнейшее изучение и контроль
биоразложения. Производство биополимеров.
Получение органических кислот, аминокислот,
антибиотиков. Производство ферментов для использования
в составе моющих средств. Культивирование
микроводорослей в качестве продуцентов химических
веществ – внеклеточных метаболитов.
Увеличение потребления биогаза, крупномасштабное
производство этанола как жидкого топлива
Очистка отходов различных производств, токсических
веществ. Улучшение методов тестирования,
прогнозирование превращения отходов с помощью
микроорганизмов. Создание биологических фильтров из
корней растений, очищающие сточные воды от тяжелых
металлов.
Пищевая
промышленность
Медицина
Создание новых методов переработки и хранения пищевых
продуктов, получение пищевых добавок, использование
белка, синтезируемого одноклеточными организмами.
Применение ферментов для усовершенствования
диагностики, создание датчиков на основе ферментов,
использование микроорганизмов и ферментов при
производстве сложных лекарств (например, стероидов),
синтез новых антибиотиков, применение ферментов в
терапии. Получение вторичных метаболитов, в первую
очередь лекарственных препаратов;
1.4. Основные разделы биотехнологии
Стр.7