Биотехнология (от греч. вios – жизнь, teken – искусство, мастерство, logos – наука, умение, мастерство) – это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов. Термин впервые ввел в обиход венгерский инженер Карл Эреки 1917 год
организмы животных и человека (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) культуры тканей (получение лекарственных препаратов)
Клетки - «биофабрики», способны к биосинтезу ценных БАВ Клетки обладают быстрыми темпами воспроизведения Биосинтез сложных веществ (белков, антибиотиков, антигенов, антител и др.) экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез
Эмпирический или доисторический период – 8000 лет. изготовление пива, хлеба и др. продуктов уксус первая дистилляция вина осуществлена в ХII в. получение кисломолочных продуктов, квашенной капусты и др.
Этиологический период 1856 – 1933 гг. исследования Луи Пастера микробная природа брожения опроверг самопроизвольное зарождение жизни основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии новый метод стерилизации (пастеризацию) выделение микробов в виде чистых культур начато изготовление пищевых прессованных дрожжей, продуктов обмена, ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот создание первых биоустановок для микробиологической очистки сточных вод
Биотехнический период начался в 1933 г. публикация работы А. Клюйвера и Л.Х.Ц. Перкина «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов» глубинное культивирование грибов проведение процессов в стерильных условиях конструирование, создание и внедрение в практику биореактора
Геннотехнический период начался с 1972 г. П. Берг с сотрудниками создали первую рекомбинантную молекулу ДНК Рекомбинация Молекулярное клонирование
человеческий инсулин, выработанный генно-модифицированными кишечными палочками генно-инженерные препараты: интерфероны, интерлейкины, соматотропин производство моноклональных антител диагностика и профилактика инфекционных и неинфекционных заболеваний антибиотики культуры животных и растительных клеток
Вектор – любая плазмида или фаг, в которые может быть встроена чужеродная молекула ДНК с целью клонирования. Плазмида – кольцевая внехромосомная ДНК, способная к автономной репликации. Репликация – самоудвоение молекулы ДНК путем образования её копии при помощи набора ферментов (ДНК-полимераз, лигаз и т.п.). Гибридизация – процесс образования или получения гибридов, в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке. Клон – совокупность клеток или особей, произошедших от общего предка путем бесполого размножения. Штамм – чистая культура микроорганизма, выделенного из определенного источника или полученного в результате мутаций.
Генетическая инженерия – целенаправленное искусственное создание определенных комбинаций генетического материала, способных нормально функционировать в клетке, размножаться и контролировать синтез конечных продуктов выделение из клеток отдельных генов или синтез генов вне клеток направленная перестройка, копирование и размножение выделенных или синтезированных генов, их перенос и включение в подлежащий изменению геном синтез измененными бактериями важных для человека соединений
короткие, самостоятельно размножающиеся в клетках бактерий кольцевые молекулы ДНК с помощью рестриктаз и лигаз в векторы встраивают необходимый ген, добиваясь в последствии его включения в геном клетки-хозяина. Вектор Рестриктаза Лигаза разрезает молекулу ДНК в строго определенных участках сшивает определенные участки различных молекул ДНК друг с другом
Генная инженерия : целенаправленное использование перестроек естественного генома, осуществляемых in vivo и in vitro, для изменения генетических характеристик известных вирусов и клеток, прямое манипулирование рДНК, включающими отдельные гены. Хромосомная инженерия связана с переносом изолированных хромосом от клетки-донора одного организма в клетку-реципиент другого организма. Геномная инженерия : целенаправленная глубокая перестройка генома акариот, прокариот и эукариот, вплоть до создания новых видов, т.е. перенос всего или большей части генетического материала от одной клетки к другой. При геномной инженерии возможно получение половых (слиянием гамет) и соматических (слиянием неполовых клеток) гибридов.
Под клеточной инженерией понимают метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции эритропоэтин (гормон, стимулирующий образование красных кровяных тел) активатор плазминогена (используется для предотвращения образования тромбов) фактор свертывания крови III (используется при гемофилии) инсулин (для лечения диабета), поверхностный белок вируса гепатита В интерлейкины
Соединение клеток с хромосомными наборами систематически далеких форм Впервые гибриды соматических клеток обнаружил в 1960 г. биолог Ж. Барский. В культуре ткани клеток двух линий мышей он выявил третий тип клеток. Клетки оказались гибридными и содержали хромосомы клеток обеих исходных линий. Морфологические и биохимические признаки гибридных клеток были промежуточными между признаками исходных. Однако спонтанное слияние клеток наблюдается редко. В связи с этим разработана техника гибридизации соматических клеток с использованием вируса Сендай. Вирус инактивируют УФЛ или алкилирующим мутагеном. Инактивированный вирус вносят в культуру двух типов клеток. Некоторые клетки при этом сливаются с образованием одной с двумя ядрами. После митоза из двухъядерной клетки формируются две одноядерные гибридные соматические клетки. В каждой гибридной клетке содержится по одному набору хромосом каждого типа родительских клеток
Получены гибриды клеток многих далеких видов (мыши и курицы, мула и мыши, кролика и обезьяны, человека и курицы, коровы и норки и др.) для изучения локализации и характера действия тех или иных генов для картирования хромосом для изучения регуляции действия генов для дифференцировки клеток в онтогенезе и механизма взаимодействия ядра и цитоплазмы Моноклональные антитела — это иммуноглобулины, синтезируемый одним клоном клеток. Моноклональное антитело связывается только с одной антигенной детерминантой на молекуле антигена.
ГМО - организм, генотип которого был искусственно изменён при помощи методов генной инженерии. Определение может применяться для растений, животных и микроорганизмов. Генетические изменения производятся в научных или хозяйственных целях. Генетическая модификация отличается целенаправленным изменением генотипа организма в отличие от случайного, характерного для естественного и искусственного мутационного процесса. Основным видом генетической модификации в настоящее время является использование трансгенов для создания трансгенных организмов.
1. Получение изолированного гена. 2. Введение гена в вектор для переноса в организм. 3. Перенос вектора с геном в модифицируемый организм. 4. Преобразование клеток организма. 5. Отбор генетически модифицированных организмов и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.
Генно-инженерный человеческий инсулин, получаемый с помощью генетически модифицированных бактерий Синтез гормонов роста человека Факторы свертывания крови ( лечение гемофилии). Эритропоэтины (лечение серповидной анемии, анемии других этиологий). Стволовые клетки (получение лекарств против рака, иммунодефицитов, для искусственного продления молодости). Ферментные препараты – лидаза, панкреатин, мезим и пр. Вакцины против полиомиелита, вирусного гепатита, комплексная вакцина АКДС Препараты для лечения тромбозов и тромбофлебитов Получение тканей, пригодных для трансплантации
1982 г. – человеческий инсулин (лечение диабета) 1985 г. – человеческий соматостатин (лечение карликовости) 1986 г. - интерферон-альфа-2а (лечение некоторых типов лейкемии) 1987 г. - тканевый активатор плазминогена для удаления тромбов у пациентов с острым инфарктом миокарда 1990 г. - интерферон-гамма- альфа (для лечения хронической грануломы) 1990 г. - тканевый активатор плазминогена при острой эмболии легких 1990 г. - вакцины против гепатита В 1993 г. - гормон роста для лечения нарушений в росте у детей с хронической почечной недостаточностью 1996 г. – пульмозим (для лечения запущенных форм муковисцидоза) 1997 г. - ритуксан (для лечения пациентов с лимфомой Ходжкина) 1997 г. - гормон роста (для лечения дефицита гормона роста у взрослых) 1998 г. - моноклональные антитела для терапии пациентов с определенным типом метастазируюшего грудного рака.
С 1996 года, когда началось выращивание ГМ-растений Площади, занятые ГМ-культурами выросли до 175 млн гектаров в 2013 году (более 11 % от всех мировых посевных площадей) ГМ-растения выращиваются в 27 странах, особенно широко — в США, Бразилии, Аргентине, Канаде, Индии, Китае Начиная с 2012 года производство ГМ-сортов развивающимися странами, превысило производство в промышленно развитых государствах Из 18 миллионов фермерских хозяйств, выращивающих ГМ-культуры, более 90 % приходится на малые хозяйства в развивающихся странах.
Селекция (от лат. selectio, seligere – отбор) – это наука о методах создания высокопродуктивных сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Задачи современной селекции - Создание новых и совершенствование старых сортов, пород и штаммов с хозяйственно-полезными признаками. - Создание технологичных высокопродуктивных биологических систем, максимально использующих сырьевые и энергетические ресурсы планеты. - Повышение продуктивности пород, сортов и штаммов с единицы площади за единицу времени. - Повышение потребительских качеств продукции. - Уменьшение доли побочных продуктов и их комплексная переработка. - Уменьшение доли потерь от вредителей и болезней.
1) учение об исходном сортовом, видовом и родовом потенциалах; 2) учение о наследственной изменчивости (закономерности в изменчивости, учение о мутациях); 3) учение о роли среды в выявлении сортовых признаков (влияние отдельных факторов среды, учение о стадиях в развитии растений применительно к селекции); 4) теория гибридизации как в пределах близких форм, так и отдаленных видов; 5) теория селекционного процесса (самоопылители, перекрестноопылители, вегетативно и апогамно размножающиеся растения); 6) учение об основных направлениях в селекционной работе, таких, как селекция на иммунитет, на физиологические свойства (холодостойкость, засухоустойчивость, фотопериодизм), селекция на технические качества, химический состав; 7) частная селекция растений, животных и микроорганизмов.
Н.И. Вавилов - закон гомологических рядов (1920 г.): Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. 3. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство.
Экспериментальное получение мутаций у растений и микроорганизмов и их использование в селекции Получают : высокопродуктивные штаммы микроорганизмов (продуцентов антибиотиков) карликовые сорта растений с повышенной скороспелостью Используют : физические мутагены (гамма-излучение, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение) химические супермутагены (например, N-метил-N-нитрозомочевина). У животных мутации практически всегда приводят к снижению жизнеспособности и/или бесплодию. К исключениям относится тутовый шелкопряд, с которым велась интенсивная селекционная работа с использованием авто- и аллополиплоидов (Б.Л. Астауров, В.А. Струнников).
В результате индуцированного мутагенеза часто получают частично мутантные растения ( химерные организмы). В этом случае говорят о соматических (почковых) мутациях. Многие сорта плодовых растений, винограда, картофеля являются соматическими мутантами. Эти сорта сохраняют свои свойства, если их воспроизводят вегетативным путем, например, прививая обработанные мутагенами почки (черенки) в крону немутантных растений; таким путем размножают, например, бессемянные апельсины.
Автополиплоидия представляет собой многократное повторение в клетке одного и того хромосомного набора (генома). Автополиплоидия часто сопровождается увеличением размеров клеток, пыльцевых зерен и общих размеров организмов. триплоидная осина гигантских размеров, долговечна, её древесина устойчива к гниению триплоиды (бананы, чай, сахарная свекла) тетраплоиды (рожь, клевер, гречиха, кукуруза, виноград, а также земляника, яблоня, арбузы) Автополиплоиды отличаются повышенной сахаристостью, повышенным содержанием витаминов. Положительные эффекты полиплоидии связаны с увеличением числа копий одного и того же гена в клетках, и, соответственно, в увеличении дозы (концентрации) ферментов. Автополиплоиды менее плодовиты по сравнению с диплоидами.
Аллополиплоидия – это объединение в клетке разных хромосомных наборов (геномов). Часто аллополиплоиды получают путем отдаленной гибридизации, то есть при скрещивании организмов, принадлежащих к различным видам. Такие гибриды обычно бесплодны (их образно называют «растительными мулами»), однако, удваивая число хромосом в клетках, можно восстановить их фертильность (плодовитость). Таким путем получены гибриды пшеницы и ржи (тритикале), алычи и терна, тутового и мандаринового шелкопряда. Полиплоидия
Объектом селекции служили разнообразные плодово-ягодные культуры: семечковые, косточковые создано свыше 300 сортов культурных растений И.В. Мичурин: «Мы не можем ждать милостей от природы, взять их у неё – наша задача». обосновал эффект смены доминирования : в зависимости от почвенно-климатических условий, характера подвоя и привоя генотип может проявиться в фенотипе, а может и не проявиться использовал метод ментора, основанный на различных комбинациях прививок использовал эколого-географические скрещивания – если родители происходят из разных географических районов, то гетерозис проявляется наиболее сильно установил, что селекцию сорта нужно вести в тех условиях, в которых планируется его дальнейшая эксплуатация
в анафазе, когда хромосомы расходятся к полюсам клетки, каждая из них ищет свою гомологичную пару у особей, у которых слияние происходило от разных родительских форм, возможность встречи подобных структур минимальна или невозможна поэтому происходит случайное комбинирование признаков и в результате особи становятся бесплодными либо нежизнеспособными несовместимость участков ДНК из ядра клетки и митохондрий приводит к отсутствию конъюгации хромосом в мейотическом процессе
А) работа с каллусной тканью Б) введение плазмид в бактериальные клетки В) гибридизация соматических клеток Г) трансплантация ядер клеток Д) получение рекомбинантной ДНК и РНК клеточная инженерия генная инженерия
А) получение полиплоидов Б) метод культуры клеток и тканей В) использование дрожжей для производства белков и витаминов Г) метод рекомбинантных плазмид Д) испытание по потомству Е) гетерозис МЕТОДЫ ОТРАСЛИ селекция биотехнология
Полимеразная цепная реакция способна амплифицировать (увеличить во много раз) необходимый участок ДНК возбудителя в исследуемом материале для определения отцовства для клонирования генов для выявления наследственных заболеваний для диагностики возбудителя инфекционных заболеваний ПЦР диагностика – современный метод исследования в области молекулярной биологии
Многие химические элементы представляют собой смесь изотопов. Изотопы одного и того же элемента отличаются друг от друга числом содержащихся в ядре нейтронов, т. е. по массе, а химические свойства элементов зависят от числа и расположения электронов, окружающих ядро. Все изотопы данного элемента, обладают одинаковыми химическими свойствами. Вследствие этого изотопы можно использовать в качестве меченых атомов. Соединение, меченое изотопом, вводят в растение, а затем определяют наличие меченых атомов в тканях растения по их радиоактивности или специальными приборами — масс-спектрометрами. Применяют при изучении фотосинтеза, дыхания, минерального питания и других процессов. азот N13 имеет период полураспада меньше 10 минут фосфор Р32 — 14,3 дня сера S35 — 87,1 дня водород Н3—12,3 года углерод С14 — 5600 лет
Хроматография
конец
