baz_immobiliz_kletki_i_fermenty_mikroorganizmov

Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
________________ А.Л. Толстик
« 15 » апреля 2014 г.
Регистрационный № УД - 987 /баз.
Иммобилизованные клетки и ферменты микроорганизмов
Учебная программа учреждения высшего образования
по учебной дисциплине для специальности:
1-31 01 03 Микробиология
2014 г.
СОСТАВИТЕЛИ:
Ольга
Валентиновна
Фомина,
доцент
кафедры
микробиологии
биологического факультета Белорусского государственного университета,
кандидат биологических наук, доцент;
Владимир Васильевич Лысак, декан биологического факультета
Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук,
доцент
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Анатолий Николаевич Евтушенков, заведующий кафедрой молекулярной
биологии биологического факультета Белорусского государственного
университета, доктор биологических наук, профессор;
Светлана
Леонидовна
Василенко,
заведующий
лабораторией
микробиологических
исследований
и
коллекции
промышленных
микроорганизмов отдела биотехнологий Республиканского унитарного
предприятия «Институт мясо-молочной промышленности», кандидат
биологических наук.
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:
Кафедрой микробиологии Белорусского государственного университета
(протокол № 16 от 26 февраля 2014 г.);
Научно-методическим советом Белорусского государственного университета
(протокол № 4 от 1 апреля 2014 г.)
Ответственный за редакцию: Ольга Валентиновна Фомина
Ответственный за выпуск: Ольга Валентиновна Фомина
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Многие процессы биотехнологии и, в особенности, процессы
технической микробиологии предполагают использование таких важных
объектов, как микробные клетки и ферменты. Применение по отношению к
данным объектам методов иммобилизации позволило получить
технологически удобные формы, характеризующиеся рядом существенных
достоинств по сравнению с исходным, традиционно использующимся
материалом. Иммобилизованные биообъекты (индивидуальные ферменты,
ферментные комплексы и клетки продуцентов) позволяют значительно
повысить эффективность и обеспечивают большую рентабельность
процессам промышленного получения хозяйственно ценных соединений и
другим технологиям, широко применяемым в различных областях народного
хозяйства, медицине и др.
Целью данной учебной дисциплины является рассмотрение
иммобилизованных клеток и ферментов микроорганизмов как одних из
важнейших объектов биотехнологии, а также основных принципов и
подходов, применяющихся для их создания и эффективного использования в
различных технологиях.
В задачи учебной дисциплины «Иммобилизованные клетки и
ферменты микроорганизмов» входит изучение методов иммобилизации и
характеристики основных носителей, свойств иммобилизованных микробных
ферментов и клеток, а также возможностей их практического использования.
Программа дисциплины составлена с учетом межпредметных связей и
программ по смежным учебным дисциплинам («Микробиология»,
«Биотехнология», «Биохимия», «Биофизика», «Структурная организация
клеток микроорганизмов», «Физиология микроорганизмов» и др.).
В результате изучения учебной дисциплины студент должен:
знать:
- методы, используемые для иммобилизации микробных ферментов и
клеток;
- характеристики носителей для иммобилизации с учетом их
химической природы и возможностей использования в конкретных условиях;
- основные направления использования иммобилизованных клеток и
ферментов микроорганизмов в промышленных технологиях;
уметь:
- сравнивать различные принципы иммобилизации клеток и ферментов;
- анализировать возможности использования определенных методов и
носителей для достижения поставленных целей;
- оценивать существующие производственные процессы и предлагать
возможные пути их усовершенствования;
владеть:
- теоретическими и практическими знаниями о микробных
биообъектах, которые можно иммобилизовать.
Программа учебной дисциплины «Иммобилизованные клетки и
ферменты микроорганизмов» рассчитана на 38 часов, в том числе 26 часов
аудиторных: 16 – лекционных, 6 – лабораторных занятий, 4 – управляемой
самостоятельной работы.
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
№
п/п
I
II
III
IV
V
Наименование разделов, тем
Введение
Принципы иммобилизации клеток и
ферментов
Носители для иммобилизации
Иммобилизованные
микробные
ферменты
Иммобилизованные
микробные
клетки
ИТОГО:
Количество часов
Аудиторные
Самост.
работа
Лекции
Лаб.
занятия
УСР
–
6
–
–
–
2
–
2
2
4
2
2
2
–
2
4
4
2
–
4
16
6
4
12
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
I. ВВЕДЕНИЕ
История развития представлений о возможностях иммобилизации
изолированных ферментов и микробных клеток. Микроорганизмы как
объекты иммобилизации, их общая характеристика и сферы использования.
Основные понятия и термины.
II. ПРИНЦИПЫ ИММОБИЛИЗАЦИИ КЛЕТОК И ФЕРМЕНТОВ
Общие принципы иммобилизации различных биообъектов.
Особенности и возможности, достоинства и недостатки физической и
химической
иммобилизации
микробных
биообъектов.
Влияние
иммобилизации на основные характеристики биообъекта.
Физические методы иммобилизации. Адсорбции на инертных
нерастворимых
носителях.
Способы,
достоинства и
недостатки
адсорбционной иммобилизации.
Иммобилизация путем включения в поры поперечно сшитого геля.
Способы, достоинства и недостатки данного метода иммобилизации.
Иммобилизация клеток микроорганизмов. Проблемы диффузии субстрата в
клетку и выхода продукта реакции. Пути повышения проницаемости
оболочки у иммобилизуемых клеток. Сложность иммобилизации
продуцентов при локализации целевого продукта внутри клетки.
Пространственное отделение фермента от остального объема
реакционной системы с помощью полупроницаемой структуры (мембраны).
Типы используемых мембран. Особенности метода. Микрокапсулирование
как один из способов иммобилизации. Достоинства и недостатки данного
метода иммобилизации.
Включение в двухфазную среду, где препарат находиться только в
одной из фаз. Преимущества и недостатки данного метода.
Химические методы иммобилизации. Особенности химической
иммобилизации. Методические приемы для обеспечения ковалентной
иммобилизации
ферментов.
Классификация
методов
химической
иммобилизации в зависимости от природы реакционной группы носителя,
вступающей во взаимодействие с молекулой фермента. Достоинства и
недостатки препаратов иммобилизованных ферментов, полученных с
применением химических методов.
III. НОСИТЕЛИ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ
Нерастворимые носители органической и неорганической природы.
Требования,
предъявляемые
к
носителям
для
иммобилизации.
Микроструктура носителей. Выбор оптимальных вариантов носителей для
иммобилизации.
Природные органические полимерные носители. Классификация
носителей в зависимости от их химической природы и строения.
Преимущества и недостатки природных носителей.
Синтетические полимерные носители: классификация в зависимости от
химической природы. Преимущества и недостатки синтетических
полимерных носителей.
Носители неорганической природы. Материалы для изготовления
носителей. Их достоинства и недостатки.
IV. ИММОБИЛИЗОВАННЫЕ МИКРОБНЫЕ ФЕРМЕНТЫ
Ферменты
как
промышленные
биокатализаторы.
Причины
иммобилизации ферментов. Источники получения ферментов для
иммобилизации. Преимущества использования гетерогенных катализаторов.
Недостатки иммобилизованных ферментов. Влияние иммобилизации на
состояние фермента. Стабильность иммобилизованных ферментов. Примеры
использования
гетерогенных
катализаторов
при
производстве
полусинтетических β-лактамных антибиотиков, трансформации стероидов и
разделении рацематов аминокислот на стереоизомеры и т. п. Возможности и
перспективы использования иммобилизованных ферментов в различных
областях народного хозяйства, биологии, медицине и др.
V. ИММОБИЛИЗОВАННЫЕ МИКРОБНЫЕ КЛЕТКИ
Общая характеристика иммобилизованных микроорганизмов и их
классификация по основным принципам действия. Подходы к выбору метода
иммобилизации
клеток
микроорганизмов.
Методы
оценки
их
физиологического
состояния
и
метаболической
активности
иммобилизованных клеток. Физиология клеток в иммобилизованном
состоянии. Иммобилизация клеток микроорганизмов как способ увеличения
выхода конечного продукта. Примеры промышленного использования
иммобилизованных микробных клеток. Применение иммобилизованных
клеток для утилизации отходов, в экологической биотехнологии, сельском
хозяйстве, медицине, пищевой. фармацевтической и химической
промышленности, биогеотехнологии и др.
ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Березин, И. П. Иммобилизованные ферменты / И.П. Березин Н.Л.
Клячко, А.В. Левашов и др. М.: Высш. школа, 1987.
2. Волова Т. Г. Биотехнология / Т. Г. Волова. Новосибирск: Из-во СО
РАН, 1999.
3. Егорова Т.А. Основы биотехнологии: Учеб. пособие для высш. пед.
учеб. заведений / Т.А. Егорова, С.М. Клунова, Е.А. Живухина. М.:
Издательский центр «Академия», 2006.
4. Иммобилизованные клетки и ферменты. Методы / Под ред. Дж.
Вудворда. М.: Мир, 1988.
5. Синицин, А. П. Иммобилизованные клетки микроорганизмов / А.II.
Синицин, Е.И Райнина, В.И. Лозинский, С.Д. Спасов. М.: Изд-во Моск. ун-та,
1994.
6. Юрин, В. М. Иммобилизованные клетки и ферменты: курс лекций /
В.М. Юрин. Минск: БГУ, 2006.
Д о п о л н и т е л ь н а я:
1. Безбородов, А. М. Ферментативные процессы в биотехнологии / А. М.
Безбородов, Н. А. Загустина, В. О. Попов. М.: Наука, 2008.
2. Зубов, В. П. Молекулярное конструирование полимерных материалов
для биотехнологии и медицины / В.П. Зубов, А.Е. Иванов, Л.С. Жигис и др.//
Биоорганическая химия. 1999. Т.25. №11. С.868-880.
3. Корочинский, А. В. Исследование возможности создания
иммобилизованных структур на базе пробиотиков // А.В. Корочинский, В.В.
Верниковский, Э.Ф. Степанова // Успехи современного естествознания. 2010.
№5. С. 34-38.
4. Рогов, И. А. Пищевая биотехнология / И. А. Рогов, Л. В. Антипова, Г.
П. Шуваева. М.: КолосС, 2004.
5. Скрябин, Г. К. Иммобилизованные клетки микроорганизмов
Биотехнология / Г.К. Скрябин, К.А. Кощеенко. М.: Наука, 1984.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Для организации самостоятельной работы студентов по учебной
дисциплине
следует
использовать
современные
информационные
технологии: разместить в сетевом доступе комплекс учебных и учебнометодических материалов (программа, курс лекций, мультимедийные
презентации, методические указания к лабораторным занятиям, список
рекомендуемой литературы и информационных ресурсов, задания в тестовой
форме для самоконтроля и др.).
Эффективность самостоятельной работы студентов целесообразно
проверять в ходе текущего и итогового контроля знаний. Для общей оценки
качества усвоения студентами учебного материала рекомендуется
использование рейтинговой системы.
ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМЫХ СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ
Учебным планом специальности 1-31 01 03 Микробиология в качестве
формы итогового контроля по учебной дисциплине рекомендован зачет. Для
текущего контроля качества усвоения знаний студентами можно
использовать следующий диагностический инструментарий:
- защита индивидуальных заданий при выполнении лабораторных работ;
- защита подготовленного студентом реферата;
- устные опросы;
- письменные контрольные работы по отдельным темам курса;
- компьютерное тестирование.