Биотехнология

     Теория  хемостата.

     Автоселекция  в хемостате. Полунепрерывные (fed batch culture) и периодические процессы культивирования. Кинетическое описание периодического культивирования. 
Удельные скорости роста биомассы, биосинтеза продукта и потребления субстратов. Влияние затрат субстрата на поддержание жизнедеятельности, на величину кажущегося экономического коэффициента. Модели кинетики биосинтеза продуктов метаболизма в зависимости от удельной скорости роста, возраста культуры, концентрации субстратов и метаболитов в среде.

     Принципы  масштабирования процессов ферментации. Критерии масштабного перехода. Особенности  получения иммобилизованных биообъектов и их применение в биотехнологии. Диффузионные ограничения при использовании иммобилизованных ферментов и клеток.

     Методы  контроля специфических параметров процесса ферментации. 
Типовые технологические приемы стадии выделения и очистки продуктов биосинтеза.  
Флотация клеток и белковых продуктов из культуральной жидкости. Экстрагирование продуктов биосинтеза из биомассы микроорганизмов жидкостями и суперкритическими жидкостями. Центробежная экстракция лабильных продуктов из культуральной  жидкости. Сушка лабильных биопродуктов и живых биопрепаратов. Вопросы надежности и безопасных условий эксплуатации, контроля биопроцесса, охраны окружающей среды. Современные подходы к созданию ресурсо- и энергосберегающих биотехнологий.

     Области применения современной биотехнологии

      -Биотехнологии для пищевой промышленности

     а) Микробиологическое производство индивидуальных органических кислот (лимонная,       яблочная,    аспарагиновая  кислоты). 
б)Микробиологическое производство ферментных препаратов. в)Использование ферментов микробного происхождения для пищевой промышленности и т.д.

     - Биотехнология производства и применение пищевых добавок, белковых препаратов, биологически активных веществ

     а) Методы получения пищевых биологически активных веществ (из сырья растительного, животного и микробиологического  происхождения) и на основе органического  синтеза.

     б) Специфика получения и переработки  генетически- модифицированных источников и его биологическая безопасность. Токсиколого-гигиеническая оценка.

     в) Иммуностимуляторы и иммуномодуляторы; биотехнология продуктов адаптогенного  назначения и т.д.

     - Биотехнология пищевых продуктов (из сырья растительного происхождения)

     а) Виды растительного сырья, особенности использования для биотехнологии пищевых продуктов. Физические, биохимические, биологические и химические процессы, протекающие в сырье при переработке его в промежуточные и конечные продукты, а также при хранение.

       б)Факторы, влияющие на биотехнологические процессы, отражающиеся на интенсификации, качестве и технологических свойствах пищевых продуктов.

     в)Вода, состав и свойства. Основные требования, предъявляемые к качеству воды технологического назначения.

     -Биотехнологии  получения энергоносителей для энергетики

     а) Микробиологическое производство возобновляемых источников энергии. б)Микробиологическое производство водорода.

     - Биотехнологии для нефте- и  горнодобывающей и обогатительной  промышленности

     а) Геомикробиология и экология нефте- и угледобычи.

       б) Повышение нефтеотдачи.

     в) Производство био- и фоторазлагаемых конструкционных пластмасс для промышленной энергетики.

       Биотехнологические методы защиты  окружающей среды (экологическая  биотехнология)

     а)Биологическая  очистка сточных вод. Принципиальные схемы очистных сооружений. Основные принципы работы, методы и сооружения аэробной и анаэробной биологической очистки сточных вод и переработки промышленных отходов.

     б)Создание технологий для восстановления окружающей среды с использованием генно-инженерно-модифицированных микроорганизмов. в)Разработка биотехнологических способов уничтожения химического оружия. г)Биологическая переработка твердых отходов.  

     2.Фундаментальные  основы биотехнологий,  основанных на  использовании бактериальной ДНК

     Интенсивное развитие фундаментальных исследований в биологии во второй половине ХХ столетия привело к существенному прогрессу в таких разделах биологии, как молекулярная биология и генетика, биохимия и энзимология, нейрофизиология и биофизика. Использование методологии точных наук (физики, химии, математики) позволило исследователям характеризовать различные жизненно важные процессы на уровне межмолекулярных взаимодействий. Расшифровка структуры ДНК и РНК, процесса реализации генетической информации привело к разработке так называемой ДНК-технологии, которая предоставила возможность исследователю работать с отдельными генами - конкретными участками генетического материала.

     Наследственная  изменчивость стала формироваться  целенаправленно по воле и желанию  человека, и были получены организмы, обладающие таким сочетанием генов (и соответственно, признаков), которые отсутствуют в природе.

     Основная  масса клеточной ДНК бактерий содержится в хромосоме. Однако кроме хромосом бактерии содержат большое число очень маленьких кольцевых молекул ДНК длиной несколько тысяч пар оснований они   называются плазмидами. Как правило, плазмиды имеют в своем составе гены устойчивости к антибиотикам. Эти гены находятся в плазмидах, а не в главной хромосоме, поскольку в этом случае они представлены гораздо большим числом копий. Высокая копийность плазмид обеспечивает клетке  синтез большого количества  ферментов, химически нейтрализующих антибиотики, что и обеспечивает устойчивость к последним.

     Некоторые  плазмиды, называемые эписомами, могут  интегрировать в главную хромосому и передаваться от одной бактерии к другой при конъюгации, когда копия «мужской» хромосомы переходит в «женскую» клетку. Такие плазмиды называются трансмиссибельными, и они легко передают свои гены. Поскольку плазмидная ДНК значительно меньше хромосомной, её довольно легко выделить в чистом виде. Однако бактериальная клетка обычно может содержать в своём составе плазмиды одного типа.

     Число копий плазмиды в клетке может  существенно варьировать. Это зависит  от генетических особенностей как клетки, так и плазмиды. Плазмиды, находящиеся «под ослабленным контролем», могут размножаться до тех пор, пока их число не достигнет 10-200 копий на клетку. Если же плазмида находиться «под строгим конролем», она реплицируется с той же скоростью, что и главная хромосома. Такие плазмиды содержаться в клетке в одной или нескольких копиях.

     В качестве вектора впервые плазмида была использована в 1973 г. Экспе-   ременты проводились с маленькой плазмидой E. coli Psc 101, поскольку она содержит только один сайт расщепления Eco R1.Под действием фермента плазмида превращалась в линейную молекулу с липкими концами .Такую плазмидную ДНК смешивали в оптимальных концентрациях и отношениях с фрагментами чужеродной ДНК, также обработанной Eco R1 и имеющей такие же липкие концы. Фрагменты сшивали ферментом ДНК-лигазой из фага Т4.В результате получились новые гибридные плазмиды, содержащие в своем составе фрагменты чужеродной ДНК. Затем бактериальные клетки трансформировали гибридными плазмидами и по способности расти в присутствии антибиотика  отбирали клоны, содержащие рекомбинантные молекулы ДНК. Стало ясно, что можно проводить дальнейшие эксперименты, в которых эти плазмиды будут встраиваться в самые разнообразные чужеродные  ДНК.

     Использование  векторов общего назначения методически не сложно, так как не требует специального  оборудования, и в связи с этим они получили широкое  распространение во многих лабораториях мира. Вектор даёт возможность детектировать только те клоны бактерий, которые содержат  рекомбинантную плазмиду.

     Создание  рекомбинантных молекул дало возможность  анализа ДНК растений и животных. Теперь путём случайного встраивания  множества рестрикционных фрагментов  ДНК в подходящие бактериальные  плазмиды (эта процедура была названа  «методом дробовика») можно с большей вероятностью получить клон, содержащий интересующий нас ген или какую-либо регуляторную последовательность. При этом нужно уметь из множества клонов отобрать интересующий исследователя.

     Методы  генной и клеточной инженерии  в настоящее время позволяют проводить работы, направленные на улучшение существующих продуцентов и продуктов Bt. Сегодня известно, что гены, контролирующие синтез кристаллов, локализованы на небольшом числе плазмид значительной молекулярной массы.

     К настоящему времени на основе бактериальной ДНК созданы многие  препараты (в основе лежат штаммы Bacillus thuringiensis (Bt)),  используемых для борьбы с различными вредителями – гусеницами, комарами, мошкой.

     Первый  отечественный препарат получен  на основе Bac. thuringiensis var. dalleriae – энтобактерин.

         Дендробациллин является препаратом  для защиты леса от сибирского шелкопряда на основе Bac. thuringiensis var. dendrolimus. Бактерия была выделена из гусениц сибирского шелкопряда – вредителя хвойных лесов.

     Этот  препарат также эффективен для защиты овощных, плодовых и технических культур от разных насекомых (совок, белянок, молей, пядениц и др.

        Соединение и клонирование белков  из различных энтомопатогенных штаммов позволило получить рекомбинантные штаммы с расширенным спектром активности.

     Новейшие  биотехнологические методы могут способствовать повышению эффективности бактериальных препаратов в результате изменения плазмид в бактериях, контролирующих синтез белка.

     3.  Бактериофаги и  перспективы   их  использования  в ветеринарии и медицине.

     БАКТЕРИОФАГ (от бактерии и греч, phagos — пожиратель), фаг, бактериальный вирус, вирус, способный инфицировать бактериальную клетку, размножаться в ней и лизировать её.

     Бактериофаг открыт в начале 20 в. английским бактериологом  Туортом (F. W. Twort, 1915) и канадским ученым Д'Эреллем (F. H. d'Herelle, 1917). Бактериофаги широко распространены в природе. Везде, где имеются  бактерии,     удается   обнаружить и паразитирующие в них бактериофаги. Фаги выделены также из грибов и микоплазм. Бактериофаги применяют для диагностики, профилактики и лечения некоторых инфекционных болезней. Их используют также в молекулярной генетике в качестве удобной экспериментальной модели. Система фаг - бактериальная клетка является идеальным объектом для исследования взаимоотношений вируса и клетки. 
Типичная фаговая частица похожа на головастика и состоит из головки и хвоста. Длина хвоста обычно в 2-4 раза больше диаметра головки. В головке содержится ДНК, окруженная белковой оболочкой - капсидом. Хвост представляет собой белковую трубку - продолжение белковой оболочки головки.. В зависимости от типа нуклеиновой к-ты бактериофаги, как и другие вирусы, делятся на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. 
 
Бактериофаги находят широкое практическое применение. Одним из методов внутривидовой идентификации бактерий, имеющих значение для обнаружения эпидемической цепочки заболевания, является фаготипирование. Бактериофаги применяют также для профилактики (фагопрофилактики) и лечения некоторых бактериальных инфекций. В последнее время интерес к ним возрос в связи с широким распространением лекарственно-устойчивых форм патогенных и условно-патогенных бактерий. Препараты бактериофагов выпускают в виде таблеток, мазей, аэрозолей, свечей, в жидком виде. Употребляют их для орошения, смазывания раневых поверхностей, вводят перорально, внутривенно и т. д. Существуют следующие лечебно-профилактические фаги: стафилококковый, стрептококковый, дизентерийный, брюшнотифозный, сальмонеллезный, колифаг; протейный синегнойный; имеются также комбинированные препараты. Применяют фаги при кишечных инфекциях, стрептококковой ангине, стафилококковой инфекции, ожогах, травмах, осложненных гнойным воспалением. Эффективным является лечение фагами в сочетании с антибиотиками.

     В медицине используют способность бактериофагов  разрушать клетки болезнетворных микроорганизмов. Литическое действие бактериофагов строго специфично.

     Бактериофаги  широко распространены в природе. Везде, где имеются бактерии, удается  обнаружить и паразитирующие в них  бактериофаги. Фаги выделены также  из грибков. Наиболее изучены бактериофаги Escherichia coli — коли-фаги.

     Бактериофаги  — удобная модель для расшифровки  генетического кода, изучения тонкой структуры гена, молекулярных механизмов мутагенеза, влияния ионизирующего  излучения и других факторов на наследственные структуры организма. Система фаг  — бактериальная клетка является идеальным объектом для изучения взаимоотношений вируса и клетки, в частности процессов онкогенеза. Бактериофаги используют в генетической инженерии, для диагностики и лечения различных инфекционных болезней. 
Преимущество использования бактериофагов: