Лекция 1. Предмет и задачи биотехнологии 1. Биотехнология: формирование понятия ……. ..
реклама
Лекция 1. Предмет и задачи биотехнологии 1. Биотехнология: формирование понятия и научные основы…………………………. 2. История развития биотехнологии.............. 1 Биотехнология: формирование понятия и научные основы Структурно-семантический анализ термина Биотехнология bios – живой, жизнь techne - сделать что-либо, мастерство, производство logos – слово, учение, наука Современное определение: Биотехнология область научных знаний о применении биологических систем и биологических процессов для производства разнообразных продуктов и биологически активных веществ. Технология – совокупность способов по обработке сырья с целью производства какого-либо продукта. Современное понятие биотехнологии, являясь абстрактным по содержанию, охватывает огромное количество направлений человеческой деятельности, в которой в той или иной степени используются живые организмы (биологические объекты) или воспроизводятся в искусственных условиях происходящие в них биологические процессы, главными из которых являются биосинтез белка и репликация ДНК. Но для современного понимания сущности жизни наука проделала огромный путь через ряд крупных открытий, позволивших превратить живые системы в средства производства современной мировой экономики Первоначальное определение: «… Биотехнология – все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Карл Эреки, 1917 Появление термина обязано животноводству и связано с зарождением первых крупных откормочных свинокомплексов. Венгерский инженер Карл Эреки в 1917 г. впервые ввел термин «биотехнология» для описания крупномасштабного производства свинины с использованием дешевых отходов сахаросвекловичного производства. Сырьё Ферментация и биотрансформация Конечный продукт Европейская ассоциация по биотехнологии, 1984 г.: Биотехнология – интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук с целью достижения технологического (промышленного) применения микроорганизмов, культуры клеток ткани и их частей. В 1961 г. по предложению шведского микробиолога Карла Г. Хедена научный журнал «Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии» переименован в «Биотехнология и биоинженерия». Из паспорта научной специальности 03.00.23 Биотехнология Биотехнология – область науки об использовании живых организмов, культур клеток и биологических процессов в производстве с целью получения полезных продуктов для народного хозяйства, медицины и ветеринарии, целенаправленно улучшающих воздействие на окружающую среду и формирование экологически доброкачественной среды обитания человека и животных. Биотехнологический процесс процесс производства какого-либо продукта с участием биообъектов или их частей Очистка нужного вещества от компонентов культуральной среды, клеточной массы Конечная обработка Конечный продукт Ферментация и биотрансформация Сырьё Исходная обработка Цель – сделать сырьё доступным в качестве источника питательных веществ для микроорганизмов Биотехнология –интеграция разных наук МИКРОБИОЛОГИЯ ФИЗИОЛОГИЯ МИКРОРГАНИЗМОВ ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ БИОХИМИЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ ЦИТОЛОГИЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА ИНЖЕНЕРНЫЕ НАУКИ Основные «средства производства» современной биотехнологии Молекулярная биотехнология Генетическая инженерия Инженерная энзимология Клеточные биотехнологии Промышленная микробиология (микробиотехнология) Направления биотехнологии Техническая Б И О Т Е Х Н О Л О Г И Я Экологическая Производство биоэнергетика, химических веществ,, Деструкция нефтепродуктов, очистка сточных вод Медицинская Производство лекарств (инсулин, гормон роста, интерферон, тимозин, антибиотики, вакцины ) Пищевая Производство продуктов питания (хлеб, сыр, пиво, вино, кисломолочные продукты), пищевых добавок Сельскохозяйственная Средства защиты растений ЭМ-технологии Кормовые добавки Ветеринарные препараты Сельскохозяйственная биотехнология Клеточные биотехнологии Трансплантация эмбрионов Генетическая инженерия Генетически модифицированные организмы Клонирование Микроклональное размножение растений Кормовые добавки Антибиотики ДНК-маркеры в селекции Вакцины ДНК-диагностика Средства защиты растений Соматическая гибридизация Моноклональные антитела Промышленная микробиология Генотерапия наследственных болезней Стимуляторы роста Трансгенные животные с геном GFP (green fluorescent protein) медузы 2 История развития биотехнологии Этапы развития биотехнологии 1. Эмпирический этап (8000 лет до н.э. – первая половина XIX в.) 2. Этиологический (1856 – 1933 гг.) 3. Биотехнический (1933 – 1972 гг.) 4. Генотехнический (с 1972 – по настоящее время) Эмпирический этап (8000 лет до н.э. – первая половина XIX в.) 1. 6000 - 4000 лет до н.э. - древняя, античная биотехнология В книге Бытия упоминается, что Ной был рад напитку, который по всем признакам напоминает вино. Способность дрожжей вырабатывать спирт использовалась шумерами Двуречья (территория между Тигром и Евфратом) в 7-ом тысячелетии до н.э. Шумер, Аккад, Ассирия - древнейшие государства Месопотамии (Междуречья), где зародилась «первобытная» микробиотехнология Родившись в долинах полноводных рек, главным образом между реками Тигром и Евфратом, земледелие дало человеку один из первых продуктов для биотехнологии — зерно, из которого в Месопотамии варили пиво. Древний Египет Около 4 тыс. лет до н.э. египтяне обнаружили способность углекислого газа, образуемого дрожжами, разрыхлять тесто при его выпечке Пиво в Древнем Египте называлось пелузийским напитком по имени города Пелузий в устье Нила, где варилось лучшее пиво. Осирис – бог пивоварения Древний Рим и Греция - культ бога виноделия Диониса (Вакха) Средневековая Европа Виды пива 1. С использованием закисшего теста; 2. Из солода хлебных злаков; 3. Из смеси солода с непророщенными зернами Средневековая пивоварня (с гравюры) 2. ХIV – XVI вв. н. э. создаются цехи пивоваров зерно сбраживают и перегоняют в спирт культивирование бактерий для производства уксуса, молочнокислых микроорганизмов для получения йогуртов разведение бактерий и плесеней для производства сыра 1.3. ХVII в. – Изобретение микроскопа Антони ван Левенгук (1632– 1723) - голландский натуралист. • открытие мира микробов • открытие эритроцитов, сперматозоидов • описал гладкую и поперечнополосатую мускулатуру. Антони ван Левенгук портрет работы Яна Верколье 1686 г. Микроскоп Левенгука: Общий вид Работа с микроскопом Изображение микробов В микроскопе А.Левенгука была одна линза с наибольшим увеличением в 300 раз; исследуемый объект помещался на кончике иглы, перемещался при микроскопировании, в то время как в современных микроскопах перемещается объектив. Микроскопирование было затруднено и потому, что в качестве источника света использовался огонь свечи, от которого исходил жар и слезились глаза. Из «Тайны природы, открытые Антони Ван Левенгуком» «…..24 апреля 1676 г. я посмотрел на воду под микроскопом и с большим удивлением увидел в ней огромное количество мельчайших живых существ. Некоторые из них в длину были раза в 34 больше, чем в ширину, хотя они и не были толще волосков, покрывающих тело вши… Другие имели правильную овальную форму. Был там еще и третий тип организмов – наиболее многочисленный – мельчайшие существа с хвостиками». А.В. Левенгук 2. Этиологический этап (1856 — 1933 гг). Пастеровская эпоха биотехнологии : в связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822—1895) - основоположника микробиологии, стереохимии и иммунологиии. Луи Пастер – основоположник микробиологии Луи Пастер (1822 - 1895 гг.) Франция Изучение физиологии микроорганизмов, что послужило базой для научного развития микробиотехнолгии Доказательство роли микроорганизмов (дрожжей) в брожении в противовес мнению химиков, считавших процесс химическим. Открытие молочнокислого брожения Установление факта –каждый тип брожения вызывается определенным видом микроорганизмов Брожение –неизвестная ранее форма облигатно-анаэробной жизни на планете (жизнь без воздуха) Рисунки микроорганизмов, выполненные Луи Пастером Эдуард Бюхнер – зарождение биохимии Эдуард Бюхнер (1860–1917) Германия установил, что спиртовое брожение может происходить без участия клеток – в дрожжевом экстракте. Это открытие положило начало выделению и изучению ферментов – энзимов (en – “в”, zyme “закваске”, “Fermento” – брожение) впервые удалось осуществить брожение и ряд других биологических процессов в бесклеточных системах и показать, что происходящие при этом превращения органических веществ вызваны именно химическими процессами, а не мистической «жизненной силой» Нобелевская премия по химии (1907) за эксперименты по проведению ферментативных процессов в бесклеточных системах Зарождение микробиотехнологического производства (начало ХХ века) Производство глицерина Карл Нойберг (1877 – 1956) немецкий биохимик Карл Нойберг обнаружил свойство образовывать глицерин дрожжами во время спиртового брожения при добавлении в бродящую среду бисульфита натрия, что нарушало обычный ферментационный баланс и увеличивало выход глицерина до 20 – 30% от сброженного сахара. Промышленное производство глицерина микробиологическим путем позволяло получать до 1000 т глицерина в месяц и продолжалось до конца войны. Производство ацетона Во время 1-й мировой войны Х. Вейцман изобрел новый способ получения ацетона, путем микробиологическое производство ацетона за счет ацетонбутанолового брожения, вызываемого анаэробами вида Clostridium acetobutilicum. ВЕЙЦМАН Хаим (1874 – 1952) - химик, первый президент государства Израиль Clostridium acetobutylicum – используется при производстве бутанол, ацетона, в перспективе – источник биотоплива Производство биомассы дрожжей Макс Людвиг Дельбрюк (1906-1981), немецко-американский молекулярный биолог Производство биомассы дрожжей в промышленных масштабах было налажено Максом Дельбрюком в Германии. Дрожжи содержат 48-52% белка, 13-16% углеводов, 2-3% жира. Подобное производство биомассы дрожжей и ее использование было возобновлено в Германии во время второй мировой войны (19411945гг). Дрожжи – представители класса аскомицетов– безмицелиальные, не образующие хлорофилла одноклеточные грибы. Внешне они представляют довольно крупные (до 10 мкм) овальные или округлые клетки с дифференцированным ядром. В их цитоплазме находятся однадве вакуоли, гликоген, волютин, капли жира, митохондрии. Дрожжи широко распространены в природе, они встречаются на плодах и листьях растений. Александер Флеминг - открытие пенициллина • 1908 г. - степень магистра и бакалавра наук в Лондонском университете, сотрудник лаборатории патологии профессора А.Райта больницы св. Марии • 1914 г. – работа в лаборатории исследований ран • 1922 г. - открытие лизоцима (антибиотик животного происхождения) • 1928 г. – открытие пенициллина • 1945 г. – Нобелевская премия Александер Флеминг (1881 - 1955 гг. ) «…Для разгрома фашизма и освобождения Франции он сделал больше целых дивизий…» (Из французских газет 1945 г.) Главной проблемой при лечении раненых в Первую мировую войну стала борьба против газовой гангрены ран, вызываемой гнилостными бактериями. Перевязочный пункт Госпиталь Внешний вид Penicilliym notatum, Зона вокруг гриба Penicilliym notatum, свободная от роста бактерий 3. Биотехнический этап (1933 – 1972 гг.) В 1933 году А. Клюйвер и Л. Перкин изложили основные технические приемы культивирования микроскопических грибов • Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего проведение процессов в стерильных условиях Альберт Ян Клюйвер (1888 — 1956) • Становление и развитие производства антибиотиков 3.2. Развитие промышленного производства пенициллина (1928 -1944 гг.) 1929-1938 гг. – Безуспешные попытки английских химиков выделить антибиотик из питательной среды из-за его нестабильности. 1939 г. Получение стабильной формы пенициллина учеными Оксфордского университета (Говард В. Флори, Эрнст Б. Чейн ), и демонстрация антибактериальной активности пенициллина на животных и человеке. 1940 г. Получение кристаллического пенициллина. 1941 г. Обращение английских ученых за помощью к Америке в связи с невозможностью создания нового производства в Англии (идет вторая мировая война). 1944 г. Начало промышленного производства пенициллина на основе родственного Penicillium notatum гриба Penicillium chrysogenum. Производство пенициллина начато при содержании его всего 50 ед./мл. Примечание: в настоящее время в промышленности используются штаммы, которые образуют антибиотик в количестве 10.000 ед./мл среды. Развитие промышленного производства пенициллина (1928 -1944 гг.) Эрнст Борис Чейн (1906 - 1979) английский биохимик Ховард Вальтер Флори (1898 –1968) австралиский фармаколог Удостоены в 1945 Нобелевской премии по физиологии и медицине совместно с А. Флемингом за открытие и синтез пенициллина Пенициллин спас жизнь 95 процентов всех раненых, считавшихся еще несколько лет назад безнадежными". Уличная реклама пенициллина в США, 1940-е гг. Зелман Ваксман – открытие стрептомиицина Зелман Абрахам Ваксман (Соломон Яковлевич Ваксман) (1888 - 1973) — американский микробиолог и биохимик. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1952) за "открытие стрептомицина, первого антибиотика, эффективного при лечении туберкулёза Колонии стрептомицетов - продуцентов антибиотиков Зинаида Виссарионовна Ермольева - основоположник отечественного учения об антибиотиках Ермольева Зинаида Виссарионовна (1898–1974) советский ученый-микробиолог, создатель ряда отечественных антибиотиков, действительный член Академии медицинских наук Другие виды микробиотехнологических производств (1960-70-е гг.) - «белок одноклеточных» 1960–е гг. – разработан способ получения биомассы дрожжей Candida lypolitca, Candida utilis на субстратах углеводородов нефти и газа. За эти разработки в СССР ученым присуждена высшая награда – Государственная премия • • Производство бактериального белка «прутин» Methylophilus methhylotrophus на основе метана из 4. Генотехнический этап (с 1972 г.) • 1972 г. - создание первой рекомбинантной молекулы ДНК (Пол Берг) • 1973 г. - клонирование первого фрагмента ДНК в составе рекомбинантной плазмиды (Герберт Бойер, Стенли Коэн) • 1976 г. – создание первой генноинженерной компании Genetech • 1982 г. - поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенный ген инсулина человека - «Хумулин» Рождение генетической инженерии Пол Берг – американский биохимик Родился в Нью-Йорке. Окончил университет штата Пенсильвания. В 1980 г. удостоен Нобелевской премии по химии за исследования нуклеиновых кислот. В лаборатории П. Берга разработан коннекторный метод соединения фрагментов ДНК в единую рекомбинантную молекулу. С его помощью была создана первая молекула ДНК, объединяющая в себе части геномов разных организмов: вируса SV40, бактериофага λ и E. coli. Эти работы послужили началом генетической инженерии, или технологии рекомбинантных ДНК. Герберт Бойер Стенли Коэн Сотрудничество С.Коена и Г. Бойера привело к созданию технологии клонирования изолированных генов в клетках бактерий в составе плазмид, выполняющих роль векторов, или переносчиков. Ген в плазмиду встраивался рестриктазно-лигазным методом. Реплицируясь в цитоплазме бактериальной клетки, плазмида в большом количестве воспроизводила встроенный в неё ген. Компания “Genentech” В 1976 г. Герберт Бойер и Роберт Свонсон создали Genentech Inc. - одну из первых в мире биотехнологических компаний, разрабатывающую терапевтические средства, основанные на технологии рекомбинантных ДНК. Компания производит гормон роста и лекарства для лечения рака, сердечных заболеваний, фиброза мочевого пузыря и других болезней. В настоящее время только в США биотехнологический сектор экономики насчитывает почти 1300 компаний. 2.4.3. Объемы биотехнологического производства в мире •В конце XX века в мире ежегодно с помощью микробиотехнологии производится: •100 млн. т. хлеба •100 млн. т пива •40 млн. т. вина •10 млн. т чистого спирта •8 млн. т сыра •более 1 млн. т пекарских дрожжей •800 тыс.т уксусной эссенции •1,4 млн.т уксусной кислоты •1270 т ферментов (протеаза, глюкоамилаза, ά-амилаза, глюкозоизомераза) •40 000т аминокислоты лизина •40 000т молочной кислоты •30 0000 т глутаминовой кислоты в виде мононатриевой соли (МНГ) •175 000 т лимонной кислоты •Антибиотики •Витамины •Продукция микробного синтеза с/х назначения Конец
