Понятие о биотехнологии, цели и задачи

Кабаргина Аксиния Игоревна.

Проверила:

ассистент кафедры микробиологии,

вирусологии, иммунологии с курсом клинической микробиологии

Млечко Е.А.

Волгоград, 2013.

Содержание

Введение. 3

Понятие о биотехнологии, цели и задачи. 4

Отрасли биотехнологии. 6

Краткая история развития биотехнологии. 8

Микроорганизмы, клетки и процессы, применяемые в биотехнологии. 9

Технология получения продуктов микробного или клеточного синтеза. 10

Генетическая инженерия и область ее применения в биотехнологии. 14

Биологические препараты, полученные методом генетической инженерии из рекомбинантных штаммов микроорганизмов. 18

Понятие о гене. 23

Методы получения генов. 25

Химический синтез. 25

Рестрикционный метод. 25

Ферментативный синтез генов. 26

Химико-ферментативный синтез. 28

Заключение. 29

Список использованной литературы.. 30

Введение

Генетическая инженерия – область молекулярной биологии и генетики, которая ставит перед собой задачи конструирования генетических структур по ранее намеченному плану, создание организмов с новой генетической программой. Генно-инженерные исследования вносят уникальный вклад в изучение структурно-функциональной организации геномов различных организмов. Методология генной инженерии постоянно совершенствуется, и все больше исследователей используют ее при решении самых разных задач биологической науки.

Возможности, открываемые генетической инженерией перед человечеством, как в области фундаментальной науки, так и во многих других областях, весьма велики и нередко даже революционны. Так, она позволяет осуществлять индустриальное массовое производство нужных белков, значительно облегчает технологические процессы для получения продуктов ферментации – энзимов и аминокислот, в будущем может применяться для улучшения растений и животных, а также для лечения наследственных болезней человека.

Таким образом, генетическая инженерия, будучи одними из магистральных направлений научно-технического прогресса, активно способствуют ускорению решения многих задач, таких, как продовольственная, сельскохозяйственная, энергетическая, экологическая.

Но особенно большие возможности генетическая инженерия открывает перед медициной и фармацевтикой, поскольку ее применение может привести к коренным преобразованиям медицины. Многие болезни, для которых в настоящее время не существует адекватных методов диагностики и лечения (раковые, сердечнососудистые, вирусные и паразитные инфекции, нервные и умственные расстройства), с помощью генетической инженерии станут доступны и диагностике, и лечению.

Отрасли биотехнологии

Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, которое в результате технологической обработки превращается в конечный продукт. С помощью биотехнологии получают множество продуктов, используемых в различных отраслях:

Ø медицине (антибиотики, витамины, ферменты, аминокислоты, гормоны, вакцины, антитела, компоненты крови, диагностические препараты, иммуномодуляторы, алкалоиды, пищевые белки, нуклеиновые кислоты, нуклеозиды, нуклеотиды, липиды, антиметаболиты, антиоксиданти, противоглистные и противоопухолевые препараты);

Ø ветеринарии и сельском хозяйстве (кормовой белок: кормо-1 вые антибиотики, витамины, гормоны, вакцины, биологические средства защиты растений, инсектициды);

Ø пищевой промышленности (аминокислоты, органические кислоты, пищевые белки, ферменты, липиды, сахара, спирты, дрожжи);

Ø химической промышленности (ацетон, этилен, бутанол);

Ø энергетике (биогаз, этанол).

Следовательно, биотехнология направлена на создание диагностических, профилактических и лечебных медицинских и ветеринарных препаратов, на решение продовольственных вопросов (повышение урожайности, продуктивности животноводства, улучшение качества пищевых продуктов – молочных, кондитерских, хлебобулочных, мясных, рыбных); на обеспечение многих технологических процессов в легкой, химической и других отраслях промышленности. Необходимо отметить также все возрастающую роль биотехнологии в экологии, так как очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов, их деградация (фенол, нефтепродукты и другие вредные для окружающей среды вещества) осуществляются с помощью микроорганизмов.

В настоящее время в биотехнологии выделяют медико-фармацевтическое, продовольственное, сельскохозяйственное и экологическое направления. В соответствии с этим биотехнологию можно разделить на медицинскую, сельскохозяйственную, промышленную и экологическую. Медицинская в свою очередь подразделяется на фармацевтическую и иммунобиологическую, сельскохозяйственная – на ветеринарную и биотехнологию растений, а промышленная – на соответствующие отраслевые направления (пищевая, легкая промышленность, энергетика и т.д.).

Биотехнологию также подразделяют на традиционную (старую) и новую. Последнюю связывают с генетической инженерией. Общепризнанное определение предмета «биотехнология» отсутствует и даже ведется дискуссия о том, наука это или производство.

Видимо, правильно будет определить биотехнологию как сферу деятельности, которая на основе изучения процессов жизнедеятельности живых организмов, главным образом клеток микроорганизмов, животных и растительных клеток, использует эти процессы и сами объекты для промышленного производства продуктов, необходимых в жизни человека, а также получения биоэффектов, ранее не встречавшихся в природе (например, получение рекомбинантных бактерий, трансгенных растений и животных).

В биотехнологии, как в никакой другой области знаний, тесно увязываются, интегрируются наука и производство.

Понятие о гене

Ген (от греч. genos-род, происхождение), участок молекулы ДНК (в неоторых случаях РНК), в котором закодирована информация о биосинтезе одной полипептидной цепи с определенной аминокислотной последовательностью. Ген – единица наследственного материала, обеспечивающая формирование какого-либо признака организма и его передачу в ряду поколений. Контролируют все клеточные процессы на молекулярном уровне, обеспечивая биосинтез белков, в первую очередь ферментов. Если белок состоит из более чем одной полипептидной цепи, синтез каждой из них контролируется самостоятельным геном.

Для гена характерна определенная последовательность нуклеотидов, образующих набор триплетов. Последние определяют порядок расположения аминокислот в молекуле белка. Сам ген не принимает непосредственного участия в его синтезе. ДНК служит лишь матрицей для построения (транскрибирования) молекулы матричной, или информационной, РНК, в которую передается код гена. В рибосомах осуществляется "перевод" кода мРНК в аминокислотную последовательность синтезируемого на них белка (трансляция). Благодаря биологическому действию синтезируемых белков осуществляется экспрессия гена, т.е. развитие определяемого им признака.

Ген функционирует в клетке в составе генной регуляторной системы. В зависимости от выполняемой функции различают структурные гены, кодирующие большое число белков клетки, и регуляторные, ответственные за синтез белков-регуляторов, контролирующих активность структурных генов. Механизм генетического контроля синтеза белка окончательно не выяснен. Предполагают, что у бактерий значительная часть генов объединена в группы, контролирующие отдельные метаболические пути (серии взаимосвязанных обменных реакций) и образующие единые функциональные блоки.

У бактерий гены содержатся в одной хромосоме и автономных генетических элементах - плазмидах и эписомах, представляющих собой замкнутые кольцевые молекулы ДНК. В отличие от плазмид, эписомы могут встраиваться в хромосомы и покидать их. Размер плазмид необычайно широко варьирует. Некоторые из них содержат 1-3 гена, тогда как размеры других составляют 10-20% от величины хромосомы и содержат сотни генов. В плазмидах расположены гены, обеспечивающие устойчивость бактерий к антибиотикам.

Бактериальные гены состоят в среднем из 900-1500 нуклеотидов, расположенных линейно. Молекулярная масса среднего по размеру гена для различных микроорганизмов колеблется в пределах от 0,5*10⁶ до 1*10⁶ .

Термин "ген" впервые предложил В. Иогансен в 1909 для обозначения дискретных наследственных факторов, открытых Г. Менделем в 1865. Значительный прогресс в изучении тонкой структуры и закономерностей функционирования генов связан с развитием методов генетической инженерии, позволяющих выделять индивидуальные гены и получать их в препаративных количествах. Разработка способов расшифровки первичной структуры РНК, а позднее и ДНК, а также познание основных механизмов биосинтеза нуклеиновых кислот в клетке открыли возможность искусственного синтеза генов.

Методы получения генов

Химический синтез

Расшифровав последовательность аминокислот в белке, и используя генетический код, определяют последовательность нуклеотидов ДНК на участке гена и производят его синтез из нуклеотидов при помощи фермента полимераза-1. Таким путем в 1969 г. Корана впервые синтезировал участок молекулы ДНК, кодирующий аланиновую т-РНК, а в 1977 г. Бойер синтезировал ген соматостатина человека, а затем и ген инсулина. В 1977 г. В. Гилбертом, а также Ф. Сэнгером был предложен метод секвенирования, т.е. распознавания последовательности нуклеотидов в фрагментах нуклеиновых кислот. Метод химического синтеза генов оказался трудоемким и малоэффективным. Затем появились быстрые и простые методы синтеза сравнительно длинных олигонуклеотидов с определенной, заранее заданной, последовательностью нуклеотидов. Теперь довольно легко можно синтезировать последовательность до 100 нуклеотидов. Автоматизация этих процессов еще более облегчает и ускоряет синтез.

Рестрикционный метод

Специфические эндонуклеазы – рестриктазы – были открыты в 1953 г. у бактерий. С помощью рестриктаз расщепляют ДНК бактерий другого штамма или клетки-хозяина. К настоящему времени из разных микроорганизмов выделено более тысячи различных рестриктаз; в генетической инженерии используется около 200. Рестриктазы гидролизируют ДНК строго по определенным специфическим последовательностям, называемым сайтами рестрикции. Каждая из рестриктаз узнает свой сайт рестрикции и разрезает ДНК либо внутри сайта, либо в непосредственной близости от него. Обозначение растриктаз складывается из начальных букв латинского названия вида бактерии, из которой выделен фермент, и дополнительного обозначения, т.к. из бактерий одного вида может быть выделено несколько различных рестриктаз: Escherichia coli – Eco R1, Eco RV; Thermus aguaticus – Tag 1. Из нескольких типов рестриктаз в генной инженерии часто используются рестриктазы двух типов, которые узнают определенную последовательность ДНК и гидролизуют ее внутри последовательности сайта рестрикции.

Фрагменты ДНК, имеющие одинаковые «липкие» концы, могут соединяться друг с другом с помощью ДНК-лигазы, при этом сайт рестрикции восстанавливается. Фрагменты с «липкими» концами наиболее удобны для создания рекомбинантных ДНК.

Однако рестриктазы не «выстригают» полностью ген и его нужно либо достраивать химическим путем, либо отщеплять лишние нуклеотидные последовательности.

Ферментативный синтез генов

Ферментативный синтез генов стал возможен после открытия фермента обратной транскриптазы или ДНК-ревертазы (Г. Тёмин, Мизутани, 1970), выделенной из онкогенных вирусов. Ревертазы могут синтезировать комплементарную цепь ДНК (к-ДНК) на РНК-матрице. При помощи ДНК-зонда (одноцепочечная меченая молекула ДНК, комплементарная какому-либо участку и-РНК) находят информационную (матричную) РНК. Практически все эукариотические и-РНК содержат на своем 3' конце последовательность, состоящую из остатков аденина (поли А-последовательность), которая присоединяется к и-РНК в результате сплайсинга. Для начала реакции синтеза ДНК-ревертазе нужна затравка в виде небольшого двухцепочечного отрезка. Эту функцию выполняют короткие олигонуклеотиды из 18-20 тиминовых остатков (поли д-Т), которые соединяются по принципу комплементарности с поли А-последовательностью и-РНК. В результате образуется гибридная и-РНК – к-ДНК молекула, причем на конце у нее будет синтезироваться короткий отрезок двухцепочечной ДНК – шпилька. Шпилька служит затравкой для синтеза второй комплементарной цепи ДНК, осуществляющегося уже ферментом ДНК-полимеразой (см. рис.). Цепь и-РНК гидролизуется РНК-азой, а шпилька (одноцепочечная ДНК) – эндонуклеазой S1. В результате получится двухцепочечная молекула к-ДНК, соответствуюшая структурному гену, с которого транскрибировалась исходная молекула и-РНК. К полученной ДНК присоединяют «липкие» концы для встраивания в плазмиду и размножения гена. Подобная схема была использована для получения генов, кодирующих инсулин, гормона роста, интерферона, альбумина, иммуноглобулинов и др. белков, производство которых уже налажено в промышленных масштабах. Возможно и соединение фрагментов ДНК с «тупыми» концами за счет действия ДНК-лигазы, но эффективность такого «сшивания» на порядок ниже.

Схема синтеза двуцепочечной к-ДНК на м-РНК (и-РНК)

Разработаны методы соединения фрагментов ДНК с «липкими» и «тупыми» концами, что позволяет создавать рекомбинантные молекулы ДНК и в тех случаях, если даже эти фрагменты были получены с использованием различных рестриктаз. Под рекомбинантными ДНК понимают ДНК, образованные объединением in vitro двух и более фрагментов ДНК, выделенных из различных биологических источников.

Заключение

В медицине биотехнологические приемы и методы играют ведущую роль при создании новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, предназначенных для ранней диагностики и лечения различных заболеваний. Антибиотики — самый большой класс фармацевтических соединений, получение которых осуществляется с помощью микробиологического синтеза. Созданы генноинженерные штаммы кишечной палочки, дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и насекомых, используемые для получения ростового гормона, инсулина и интерферона человека, различных ферментов и противовирусных вакцин. Изменяя нуклеотидную последовательность в генах, кодирующих соответствующие белки, оптимизируют структуру ферментов, гормонов и антигенов (так наз. белковая инженерия). Важнейшим открытием явилась разработанная в 1975 Г. Келером и С. Мильштейном техника использования гибридом для получения моноклональных антител желаемой специфичности. Моноклональные антитела используют как уникальные реагенты, для диагностики и лечения различных заболеваний.

Дальнейший прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. Вместе с тем необходимо учитывать, что неконтролируемое распространение генноинженерных живых организмов и продуктов может нарушить биологический баланс в природе и представлять угрозу здоровью человека.

Список использованной литературы

1) «Генетика человека». Фогель Ф., Мотульски А. в 3-х томах, 1989-1990 гг.

2) «Микробиология». Воробьев А.В., Быков А.С., Пашков Е.П., Рыбакова А.М. Учебник. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицина, 2003. – 336 с.

3) «Биотехнология». Под ред. Егорова Н.С., Самуилова В.Д.. Учеб. Пособие для вузов. В. 8 кн./ Кн. 2. Современные методы создания промышленных штаммов микроорганизмов/ Дебабов В.Г., Лившиц В.А. – М.: Высш. Шк., 2000. – 208 с.: ил.

4) «Генетика человека: былое и грядущее». Гнатик Е.Н. / М.: Издательство ЛКИ, 2007

5) «Генетическая инженерия». Щелкунов С.Н. / Сибирское университетское издательство, Новосибирск, 2004

6) www.wikipedia.org

Кабаргина Аксиния Игоревна.

Проверила:

ассистент кафедры микробиологии,

вирусологии, иммунологии с курсом клинической микробиологии

Млечко Е.А.

Волгоград, 2013.

Содержание

Введение. 3

Понятие о биотехнологии, цели и задачи. 4

Отрасли биотехнологии. 6

Краткая история развития биотехнологии. 8

Микроорганизмы, клетки и процессы, применяемые в биотехнологии. 9

Технология получения продуктов микробного или клеточного синтеза. 10

Генетическая инженерия и область ее применения в биотехнологии. 14

Понятие о гене. 23

Методы получения генов. 25

Химический синтез. 25

Рестрикционный метод. 25

Ферментативный синтез генов. 26

Химико-ферментативный синтез. 28

Заключение. 29

Список использованной литературы.. 30

Введение

Понятие о биотехнологии, цели и задачи

Биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также в принципиально новых технологиях.

Биотехнология (от греч. bios – жизнь, teken – искусство, мастерство, logos – наука, умение, мастерство) – это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов. В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов). Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих

объектов обусловлен следующими причинами:

· клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты (белки, жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр.). Эти продукты, крайне необходимые в жизни человека, пока недоступны для получения «небиотехнологическими» способами из-за сложности технологии процессов или экономической нецелесообразности, особенно в условиях крупномасштабного производства;

· клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток;

· биосинтез сложных веществ (белков, антибиотиков, антигенов, антител и др.) значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. Коэффициент полезного действия «работы» клетки равен 70 %, а самого совершенного технологического процесса – значительно ниже;

· возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования и аппаратуры, доступность сырья, технологии переработки и др.

Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты, обладающие разнообразными физико-химическими свойствами и биологическим действием. Обычно продукты

жизнедеятельности одноклеточных делят на 4 категории:

· сами клетки как источник целевого продукта. Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи . как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.;

· крупные молекулы (макромолекулы), которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;

· первичные метаболиты . низкомолекулярные вещества, необходимые для роста клеток (аминокислоты, витамины, нук-леотиды, органические кислоты);

· вторичные метаболиты (идиолиты) . низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток (антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны).

Отрасли биотехнологии

Ø химической промышленности (ацетон, этилен, бутанол);

Ø энергетике (биогаз, этанол).

В биотехнологии, как в никакой другой области знаний, тесно увязываются, интегрируются наука и производство.