Министерство образования и науки Российской Федерации
_____
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Калмыцкий государственный университет»
ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ
Учебное пособие
Элиста 2014
1
Стр.1
ББК Ж16(2Рос.Калм)я73+Ж16я73+Е07(2Рос.Калм)я73+Е07я73+Е04я73
УДК 60(075.8)
В 240
Введение в биотехнологию [Текст]: учеб. пособие / сост. Г.Э. Настинова.
– Элиста: Изд-во Калм. ун-та, 2014. – 170 с.: ил.
В учебном пособии 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».
Рецензенты:
доктор
с.-х. наук, профессор,
директор Калмыцкого НИИ сельского хозяйства РАСХН А.Н. Арилов;
доктор биологических наук, профессор ФГБОУ ВПО
«Калмыцкий государственный университет» Л.Г. Моисейкина
© ФГБОУ ВПО «Калмыцкий государственный университет», 2014
2
Стр.2
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. Настоящее
учебное пособие будет 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
«Введение в биотехнологию» 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.
3
Стр.3
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 активных 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 наследственностью и
жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать
организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися
в природе.
4
Стр.4
· 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.
III тыс.
до н.э.
История развития биотехнологических процессов
использование дрожжей для получения хлеба, пива, вина;
1857 г. Луи Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую
роль в процессах брожения, и показал, что в образовании разных
продуктов участвуют разные микроорганизмы;
1865 г. Грегор Мендель открыл законы наследственности;
1875 г. Роберт Кох разработал метод чистых культур, гарантирующий,
что в посевном материале будут содержаться только клетки определенного
вида;
5
генетика
Стр.5