|
|
Скачати 332.77 Kb.
|
|
Біотехнологія харчової промисловості. Питання забезпечення населення нашої планети продуктами харчування є одним з найактуальніших в даний час. За даними ООН більше половини населення Землі є незабезпеченим достатньою кількістю продуктами харчування, приблизно 500 млн. людей голодають. Проблема харчування людей полягає у нестачі білка. Ефективним джерелом білка можуть бути водорості. Збільшення кількості харчового білка можна і за рахунок мікробіологічного синтезу. Мікроорганізми дуже багаті на білок, а швидкість синтезу приблизно в 10-100 тисяч разів перевищує швидкість синтезу тваринних білків. Застосовуючи звичайні технологічні лінії по виробництву синтетичних волокон, можна отримати з штучних білків довгі нитки, які після просочування формоутворюючими речовинами, надають їм відповідного смаку, кольору, запаху можуть імітувати будь-який білковий продукт. В такий спосіб вже отримані штучне м’ясо, молоко, сири та інші продукти [Кузьмина Н.А.]. 2) Генетична інженерія Вважають, що генетична інженерія виникла на межі 70-х років нашого століття. Це пов’язано з досягненнями в галузі генетики та хімії нуклеїнових кислот: створення методів хімічного і фізико-хімічного синтезу генів, відкриття явища реструкції-модифікації ДНК [Фогель, Мотульски, Т.1, 1989; Т.3, 1990; Ткачова, 2000]. (слайд 7) Нині під генетичною інженерією розуміють систему експериментальних засобів, які дають змогу сконструювати лабораторним шляхом штучні генетичні структури у вигляді так званих рекомбінантних молекул ДНК. Суть генетичної інженерії полягає в переміщенні окремих генів з одного організму (клітини) в інший, що призводить до різних фенотипових змін організмів (клітин) [Кучук, 1998]. Сьогодні вчені можуть в умовах in vitro розрізати молекули ДНК у потрібному місці, ізолювати і очистити окремі її фраґменти, синтезувати їх з чотирьох дезоксирибонуклеотидів, можуть зшивати такі фраґменти [Голубев, 1988]. Техніка рекомбінантних ДНК, що лежить в основі генетичної інженерії, має велике значення не тільки для практики, але й значно розширює можливості пізнання фундаментальних основ організації й функціонування геномів. (слайд 8 ) Генетична інженерія здійснюється через ряд послідовних операцій: з’ясування локалізації гена (генів), що визначає прояв ознаки, що цікавить дослідника; підбір ферментів рестриктаз, які б “вирізали” потрібний ген (гени) з геному організму “донора”; підбір плазміди (вектора) для вмонтовування в неї потрібного гена (генів), вмонтовування, та “зшивання” генетичної інформації з використанням відповідних ферментів лігаз, отримання рекомбінантної молекули ДНК; клонування гена (генів) у плазміді (векторі); перенесення генетичної інформації в межах плазміди (вектора) в геном організму-“реципієнта”; дослідження експресії вмонтованої генетичної інформації в організмі-“реципієнті”. Одержання гена може відбуватись різними шляхами. Ще в 60-х р. Г. Корана запропонував методологію хімічного синтезу ДНК. Ним була синтезована спочатку кодуюча частина аланінової т-РНК, а в 1976 р. - ген тирозинової т-РНК Еscherichia coli, який діяв при введенні в бактеріофаг. Наймолодшою і найбільш привабливою, але це ще поки не здійсненною галуззю використання генної інженерії можна вважати терапію генів. У жовтні 1985р. в США після семимісячних дискусій були прийняті правила, яких повинні дотримуватися дослідники, які займаються питаннями терапії генів. При цьому дозволяється лише соматична терапія і забороняються операції, які можуть привести до спадкових змін. У широкому розумінні терапія генів включає в себе як попередження, так і лікування генетичних хвороб. З генно-інженерних позицій терапія генетичних захворювань пропонує введення у генетичний апарат людини, який містить пошкоджений ген (або гени), нормальної генетичної інформації. (слайд 9) Ця операція може бути здійснена із заплідненою яйцеклітиною із наступною пересадкою її так званій прийомній матері, щоб введена генетична інформація успадковувалася. Але при цьому виникла така кількість проблем, щоб говорити про реальне використання цього методу в медицині поки що рано. Терапія соматичних клітин полягає у введення у самостійні клітини нової генетичної інформації. Введена інформація виправляє відхилення лише у даного індивідуума і не передається по спадковості. Така терапія висуває ряд вимог. По-перше, тканина, яка вражена хворобою, має бути доступною і легко заміщуватися, вона повинна містити достатню кількість клітин, що діляться (стовбурових). Цим вимогам відповідає кістковий мозок. Друга обов`язкова умова – дефект єдиного гена, який відомий. Наступна проблема полягає у виборі методу введення ДНК в пересаджену клітину[Свердлов, 1989]. Спрямоване втручання в геном статевих клітин вважається тепер недопустимим, це відкинено у “Конвекції про права людини в біомедицині”, прийнятій Радою Європи у 1996 р. Однак з накопиченням знань ризик проведення подібних маніпуляцій знизиться, отже почне здійснюватися корекція спадковості у випадку найважчих спадкових хвороб, особливо викликаних дефектом одного гена [Спирин, 1997; Чазов, 1999; Зеленин, 1999]. Метод соматичної генної терапії вже успішно застосовується для лікування багатьох важких хвороб [Спирин, 1997; Чазов, 1999]. В Україні дослідження в галузі генної інженерії розпочато з деяким запізненням, порівняно із західними країнами. Все ж на даний час одержано клони гібридних клітин, що виробляють моноклональні антитіла, які використовуються у діагностиці лейкозів і лімфозів, планується одержати нові моноклональні антитіла для діагностики алергічних, інфекційних, злоякісних захворювань. Розширюються роботи з клітинної біології та клітинної інженерії рослин. На високому рівні ведуться роботи з соматичної (нестатевої) гібридизації шляхом злиття ізольованих протопластів. Розроблено технологію генетичної трансформації шляхом мікроін’єкцій ДНК у культивовані клітини і зародки. 3) Біотехнологія мікроорганізмів Основою біотехнології як науки у процесі її формування стала мікробіологічна промисловість. (слайд 10 ) Мікроорганізми, порівняно з іншими об’єктами, мають такі переваги: висока швидкість росту; використання для життєдіяльності дешевих субстратів; стійкість до зараження чужою мікрофлорою. Саме завдяки таким ознакам мікроорганізмів за останні роки мікробіологічна промисловість набула принципово нових рис: мікроорганізми стали використовувати не тільки як засіб підвищення інтенсивності біохімічних процесів, але і як мініатюрні синтетичні фабрики, що здатні виробляти, синтезувати цінні й складні хімічні сполуки. Ключовим моментом у розвитку біотехнології мікроорганізмів було відкриття і початок виробництва антибіотиків [Герасименко, 1989]. На сьогоднішній день завдяки біотехнології мікроорганізмів отримані такі сполуки: алкалоїди, амінокислоти, антибіотики, антиметаболіти, антиоксиданти, білки, вітаміни, гербіциди, інгібітори ферментів, інсектициди, іонофори, коферменти, ліпіди, нуклеїнові кислоти, нуклеозиди і нуклеотиди, окисники, органічні кислоти, пігменти, поверхнево активні речовини, полісахариди, антипухлинні агенти, розчинники, фітогормони, ферменти тощо [Сассон, 1997]. Однак, незважаючи на суттєві досягнення, природні мікроорганізми, як правило, володіють низькою продуктивністю тих речовин, виробництво яких необхідне. Для біотехнології важливим є використання високопродуктивних штамів мікроорганізмів. Їх створюють направленим відбором спонтанних або індукованих мутагенів. Отримання таких штамів займає іноді багато років. У результаті селекції продуктивність продуцентів може зростати у сотні-тисяч разів. (слайд 11 ) Наприклад, у роботі з Penicillium методами селекції вихід пеніциліну був збільшений приблизно у 10 тис. разів, порівняно з вихідним штамом. Відбору високопродуктивних штамів передують тонкі маніпуляції селекціонера з вихідним генетичним матеріалом. (слайд 12 )При цьому використовують весь спектр природних способів рекомбінації генів, відомих у бактерій, а саме: кон’югацію, трандукцію та інші генетичні процеси. Наприклад, кон’югація (обмін генетичним матеріалом між бактеріями) була успішно використана при створенні штаму Pseudomonas putida, що здатний утилізувати парафіни нафти [Герасименко, 1989]. (слайд 13 ) Дуже часто використовують трансдукцію (перенесення гена від однієї бактерії до іншої за допомогою бактеріофагів), та ампліфікації, тобто збільшення числа копій потрібного гена. У багатьох мікроорганізмів гени біосинтезу антибіотиків та їх регулятори знаходяться не в основній хромосомі, а в плазмідах. Завдяки ампліфікацій можна збільшити кількість плазмід у клітинах та суттєво збільшити виробництво антибіотиків [Герасименко, 1989]. Наступним підходом в генетико-селекційній роботі є отримання генетичних рекомбінант шляхом злиття різних штамів бактерій, позбавлених клітинних стінок. Так, завдяки злиттю клітин 2-х штамів Streptomyсes був сконструйований новий високоефективний штам-продуцент рифампіцину С. На мікробіологічній основі намагаються виробляти паливо: метан і спирт. Спирт, отриманий мікробіологічним шляхом, конкурує з бензином за своїми властивостями, а також за важливими з точки зору охорони природи показниками: продукти згоряння спирту не забруднюють навколишнє природне середовище. Мікроорганізми використовують для виробництва білків одноклітинних організмів, які є кормом для тварин. Перспективність мікробіологічного виробництва полягає в тому, що по-перше, немає необхідності у великих площах – один апарат для отримання кормових дріжджів з парафінів нафти дає стільки ж білка, скільки міститься в урожаї гороху з 18 тис. га. Таке виробництво не залежить від кліматичних умов, його обслуговує невелика кількість робочої сили [Смирнов, Иванов, 1986]. При вирощуванні мікроорганізмів (переважно дріжджів) для цих цілей як живильний субстрат для їх росту використовують відходи інших галузей промисловості. Мікробна біомаса деяких культур використовується у вигляді заквасок, наприклад, для випікання хліба, виробництва пива, вин, спирту, оцту, кисломолочних продуктів, сирів. Мікробний білок (зруйновані клітини дріжджів чи бактерій) використовується як добавки в живильне середовище при вирощуванні мікроорганізмів для наукових і практичних цілей. Ще одним важливим напрямком біотехнології мікроорганізмів є використання продуктів їх життєдіяльності. Продукти життєдіяльності за природою і за призначенням можна розділити на три групи. До першої групи належать різні ферменти (целюлози, протеази, ліпази) і полісахариди. Сфера використання тих чи інших речовин надзвичайно широка — від харчової і текстильної промисловості до нафтодобувної. Другу групу утворюють первинні метаболіти, тобто речовини, які необхідні для росту і розвитку самої клітини: амінокислоти, пуринові і піримідинові нуклеотиди, вітаміни. До третьої групи належать вторинні метаболіти — речовини, які не потрібні для росту мікроорганізмів. Їх синтез спостерігається після вичерпання мікробними клітинами джерела вуглецю і енергії. У цю групу входять антибіотики, токсини, алкалоїди, фактори росту [Герасименко, 1989]. Мікроорганізми вирощують з використанням двох методів – періодичне і неперервне культивування. При періодичному методі культуру засівають у живильне середовище і культивують за умов відповідної температури, аерації, перемішування. Культура росте спочатку повільно, поступово її ріст прискорюється і досягає максимуму (логарифмічна фаза росту). Концентрація вуглецю і енергії поступово знижується, починають накопичуватися продукти обміну. Відтак настає період, коли приріст клітин припиняється, а згодом клітини відмирають. Від’ємно-доливний спосіб полягає в тому, що з посудини, в якій культивуються мікроорганізми вилучають частину клітин та продукти обміну і вносять відповідний об’єм живильного середовища. Якщо процедуру виконувати часто з певною періодичністю, то можна перейти до неперервного способу культивування мікроорганізмів [Герасименко, 1989]. (слайд 14 ) Мікроорганізми використовують як біогенні агенти для трансформації деяких речовин, очистки вод, ґрунтів, повітря. Для добування металів із простих і складних руд (біотехнологія металів) використовують тіонові бактерії. Важлива роль мікроорганізмів у створенні, підтримці і збереженні ґрунтового плодоношення. Мікроорганізми беруть участь в утворенні гумусу, трансформують отруйні речовини в неотруйні або детоксикують їх. У біотехнології мікроорганізмів завдяки широкому спектру досліджень виділяють ґрунтову біотехнологію, одним із напрямків якої є використання мікроорганізмів для інокуляції (обробки насіння) рослин з метою створення симбіозу між азотофіксуючим мікроорганізмом і рослиною. Завдяки цьому можна зменшити внесення мінеральних азотних добрив або не вносити їх взагалі. Ще одним напрямком є використання мікроогранізмів для боротьби з хворобами рослин: рослини обробляють певними бактеріями, які зменшують розмноження патогенних форм мікроорганізмів [Смирнов, Иванов, 1986]. 4) Біотехнологія рослин Біотехнологія рослин є самостійною дисципліною, хоча за своїми теоретичними і методологічними принципами може розглядатися як частина загальної біотехнології. Специфіка біотехнології рослин визначена особливостями рослин як певного царства живого світу. Жива рослинна клітина на відповідному живильному середовищі проявляє властивості тотипотентності і дає цілий організм - рослину-регенерат. Тотипотентність -це властивість клітин повністю реалізувати свій генетичний потенціал з утворенням цілої рослини [Катаева, Бутенко, 1983; Валиханова, 1996]. Основним методом, який використовується у біотехнології рослин, є метод культивування ізольованих клітин, тканин, органів. (слайд 15 ) Культури клітин вищих рослин мають дві сфери застосування: 1.Вивчення біології клітин, що існують поза межами організму, обумовлюють провідну роль у фундаментальних дослідженнях по генетиці та фізіології, молекулярній біології та цитології рослин. Популяціям рослинних клітин присутні специфічні особливості: генетичні, епігенетичні (залежать від диференційної активності генів) та фізіологічні. При тривалому культивуванні гетерогенної по цим ознакам популяції проходить розмноження клітин, фенотип і генотип, яких відповідає даним умовам вирощування, відповідно популяція еволюціонує.Все це дозволяє вважати, що культури клітин є новою експериментально створеною біологічною системою, особливості якої мало вивчені. 2. Культури клітин вищих рослин можуть розглядатись, як типові мікрооб’єкти, достатньо прості в культурі, що дозволяє застосовувати до них не тільки апаратуру та технологію, а й логіку експериментів, що застосовуються в мікробіології. Можна виокремити декілька напрямків створення нових технологій на основі культури тканин та клітин рослин: 1. Отримання біологічно активних речовин рослинного походження. традиційні продукти вторинного метаболізма (токсинів, гербіцидів, регуляторів росту, алкалоїдів, стероїдів, що мають медичне застосування ); синтез нових сполук, що можливий завдяки вихідній неоднорідності кітинних популяцій, генетичній мінливості культури клітин та селективному відбору клітинних ліній із стійкими модифікаціями. культивуючі в суспензіях клітини можуть застосовуватись, як мультиферментні ситеми, здатні до широкого спектру біотрансформацій хімічних речовин (реакції окислення, відновлення, гідроксилювання, метилування, ізомеризації). В результаті біотрансформації отримують унікальні біологічно активні продукти на основі синтетичних сполук або речовин проміжного обміну рослин інших видів. 2. Прискорення клонального розмноження рослин, що дозволяють з експлантата отримати від 10000 до 1000000 рослин в рік, причому вони будуть генетично ідентичні. 3. Отримання безвірусних рослин. 4. Эмбріокультура та запліднення in vitro часто застосовуються для продовження постгамної несумісності зародку, для отримання рослин після віддаленої гібридизації. При цьому запліднена яйцеклітина вирізається із зав’язі з невеликою частиною перикарпа та поміщається в живильне середовище. В таких культурах можна спостерігати стадії розвитку зародка.. 5. Антерні культури – культури пиляків та пилку використовуються для отримання гаплоїдів та диплоїдів. 6. Клітинний мутагенез та селекція. Культури тканин можуть виробляти регенеранти, фенотипічно та генотипічно різних від вихідного матеріалу внаслідок соматоклонального варіювання. 7. Кріоконсервація та інші методи збереження генофонду 8. Іммобілізація рослинних клітин. 9. Соматична гібридизація на основі зливання рослинних протопластів. 10.Конструювання клітин шляхом введення різноманітних органел. 11.Генетична трансформація на хромосомному та генному рівнях. 12. Вивчення системи «господар-паразит» з використанням вірусів, бактерій, грибів та комах. (слайд 16 ) Одним із методів біотехнології рослин, є мікроклональне розмноження. Це безстатеве вегетативне розмноження, у результаті якого отримують генетично ідентичні форми, що забезпечує збереження генетично однорідного посадкового матеріалу. Це найбільш ефективний метод для отримання вегетативного потомства рослин [Катаева, Бутенко, 1983; 1986], що дозволяє в 3-4 рази пришвидшити темпи розмноження багаторічних рослин, рідкісних, елітних рослин і нових сортів, які важко розмножувати у звичайних умовах. Мікроклональне розмноження має ряд переваг порівняно з іншими методами вегетативного розмноження: високий коефіцієнт розмноження; одночасно з мікророзмноженням відбувається оздоровлення рослини від вірусів і патогенних мікроорганізмів; пришвидшення селекційного процесу; розмноження рослин, які важко або зовсім не розмножуються вегетативно (наприклад, пальма); економність — при мікророзмноженні економиться площа теплиць; омолодження старих особин; ріст рослин можна підтримувати цілий рік [Валиханова, 1996]. (слайд 17 ) Мурасіге розділив весь процес мікроклонального розмноження на три стадії: 1) ініціація асептичної культури; 2) індукція численних пагонів при повторних пасажах на середовище для розмноження; 3) підготовка сформованих in vitro рослин до висадки в грунт. Методи мікроклонального розмноження: (слайд 18) - Активація вже існуючих в рослині меристем (апекс стебла, пазушних та сплячих бруньок) (слайд 19) Індукція виникнення бруньок та ембріоїдів de novo:
На сьогодні розроблені рентабельні біотехнології отримання посадкового матеріалу господарсько-цінних оздоровлених сортів картоплі, винограду, овочів, плодових, декоративних рослин і лісових порід. Таким шляхом створюється система безвірусного рослинництва. (слайд 23) Першою трансгенною харчовою рослиною, дозволеною в комерційному використанні, став помідор Flav savr (США, 1989 р.). За останні роки отримано багато інших трансгенних сільськогосподарських рослин ( капуста, виноград, кукурудза, банани тощо) [Дудов и др., 1999]. Відомо, що культивовані клітини рослин зберігають притаманну вихідному виду здатність синтезувати широкий спектр речовин вторинного метаболізму: алкалоїдів, терпеноїдів, глікозидів, сапонінів, полісахаридів, ефірних олій, дубильних речовин, флавонів, вітамінів, рослинних гормонів, мікроелементів, органічних кислот, мінеральних солей тощо [Катаева, Бутенко, 1986]. І тому для отримання цінних біологічно активних речовин, поряд з традиційними технологіями, в основі яких лежить використання цілих організмів (мікроорганізмів, рослин, тварин), використовують біотехнологічні методи, що ґрунтуються на культивуванні вільних та іммобілізованих клітин [Рахимбаев и др., 1993]. Отримання нових сортів ґрунтується на 4-ох еволюційних принципах: гібридизація, рекомбінація, мутація, відбір. Всі ці принципи успішно реалізуються in vitro. Метод культури тканин відкриває нові можливості для покращення рослин [Герасименко, 1989]. Для отримання мутантних форм рослин з певними господарсько-цінними ознаками, поряд з традиційною, використовують клітинну селекцію, що завдяки тотипотентності рослинної клітини дозволяє проводити направлений відбір in vitro [Мусієнко, 2001]. Прийоми культури клітин та регенерації з них рослин уже сьогодні дозволяють реалізувати можливості клітинної селекції, зокрема на стійкість до стресових факторів, гербіцидів, різних захворювань [Мусієнко, 2001]. . (слайд 24) Таким чином, біотехнологія, застосовуючи традиційні знання фізіології рослин і сучасну технологію, може зробити вагомий внесок для того, щоб: – збільшити виробництво, поживні якості і строки зберігання продуктів харчування і фуражу; – підвищити стійкість сільськогосподарських культур до хвороб і шкідників з метою зниження потреби у хімічних пестицидах; – розробити безпечні та ефективні методи біологічної боротьби з комахами-переносниками хвороб, особливо стійких до пестицидів; – підвищити родючість ґрунту та ступінь засвоєння рослинами поживних речовин; – використовувати фототрофні керовані біосинтези для виробництва ліків, продуктів харчування і сировини, – впроваджувати нові нетрадиційні культури; – використовувати більш дешеві та ефективніші способи очищення стічних вод та обеззараження шкідливих відходів виробництва; – забезпечити відновлювальними джерелами енергії та сировини на основі розкриття фізико-хімічних механізмів фотосинтезу, використання органічних відходів та біомаси [Мусієнко, 2001]. |
| План Предмет і методи біофізики, зв’язок з іншими науками. Основні розділи біофізики. 2 Основні поняття механіки поступального та обертального рухів. Рівняння руху, закони збереження |
НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА для загальноосвітніх навчальних закладів АСТРОНОМІЯ Невпинно зростає практична значимість астрономічних досліджень, які суттєво сприяють розвитку фізики, хімії, інших природничих наук,... |
| Перелік питань для підготовки до підсумкового контролю Місце соціології в системі суспільствознавства, її зв’язок з іншими соціогуманітарними науками |
Ветеринарна медицина України Ветеринарна медицина Украины Державний науково-контрольний інститут біотехнології і штамів мікроорганізмів, ТОВ «ВЕТІНФОРМ» |
| 1. Економіко-ге Економічна і соцiальна географія в системі географічних дисциплін і наук. Зв’язок економічної й соціальної географії з іншими науками.... |
Модуль суб’єкти інфраструктури товарного ринку Змістовний модуль... Предмет дисципліни "Інфраструктура товарного ринку" та його взаємозв'язок з іншими дисциплінами |
| Питання до іспиту з курсу «Етнологія» Характеристика джерел для вивчення етнологічних проблем. Методи етнології. Зв'язок етнології з другими науками |
План-конспект лекції Професійний обов'язок, честь і совість основа моральних відносин у діяльності працівників ОВС |
| План-конспект лекції Професійний обов'язок, честь і совість основа моральних відносин у діяльності працівників ОВС |
План лекції Методи кореляційно-регресійного аналізу. Методи математичного... Ключові слова: модель, моделювання, кореляційний аналіз, регресійний аналіз, методи лінійного і динамічного програмування, прямий... |