Биотехнология

Биотехнология СГБОУ ПО «Севастопольский медицинский колледж имени Жени Дерюгиной» Преподаватель Смирнова З. М.

Биотехнология Биотехнология – это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов. С развитием биотехнологии связывают решение проблем обеспечения населения продовольствием, лекарствами, минеральными ресурсами и энергией (биогаз), охраны окружающей среды (биологическая очистка воды) и др.

Микробиологический синтез Генная инженерия Клеточная инженерия Хромосомная инженерия Методы биотехнологии

Микробиологический синтез – промышленный способ получения химических соединений и продуктов (например, белков, антибиотиков, витаминов), осуществляемый благодаря жизнедеятельности микробных клеток. Микробиологический синтез Селекция микроорганизмов (бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов) производится с целью получения продуктивных штаммов и последующего их использования в промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Штамм – по­пу­ля­ция мик­ро­ор­га­низ­мов, ха­рак­те­ри­зу­ю­ща­я­ся сходными на­след­ствен­ны­ми осо­бен­но­стя­ми и опре­делёнными при­зна­ка­ми, по­лу­чен­ная в ре­зуль­та­те ис­кус­ствен­но­го от­бо­ра. Их выращивают на питательных средах в биореакторах-ферментерах.

Геном бактерий гаплоидный, любые мутации проявляются уже в первом поколении. Генетический аппарат бактерий представлен одной хромосомой (1n) – гигантской кольцевой молекулой ДНК и мелкие кольцевые молекулы ДНК – плазмиды. Очень высокая интенсивность размножения обеспечивает наличие неограниченного количества материала для работы. Особенности микроорганизмов Плазмиды Нуклеоид с генофором

Индуцированный (искусственный) мутагенез Искусственный отбор: по скорости роста; по продуктивности; по окраске и др. Выявление продуктивного штамма Результаты микробиологического синтеза Методы селекции микроорганизмов Продуктивность штаммов гриба пеницилла была повышена в 1000 раз. С помощью микробиологического синтеза получают антибиотики, аминокислоты, белки, гормоны, ферменты, витамины и другое. Продукты микробиологической промышленности используются в пищевой промышленности. Микроорганизмы используют для биологической очистки сточных вод, улучшений качеств почвы.

Успешно реализуются два направления: Пересадка природных генов в ДНК бактерий или грибов; Встраивание искусственно созданных генов, несущих заданную информацию, в плазмиды. В настоящее время основным объектом биотехнологии являются прокариоты. Генная инженерия Генная инженерия – совокупность методик, позволяющих выделять нужный ген из генома одного организма и вводить его в геном другого организма.

Генная инженерия Растения и животные, в геном которых внедрены «чужие» гены, называются трансгенными, бактерии и грибы – трансформированными, Классическим объектом генной инженерии является кишечная палочка.

Процесс создания трансформированных бактерий включает в себя следующие этапы: Рестрикция – «вырезание» нужных генов. Проводится с помощью специальных «генетических ножниц», ферментов – рестриктаз. 2. Создание вектора – специальной генетической конструкции, в составе которой намеченный ген будет внедрен в геном другой клетки. Ген "вшивают" в вектор – плазмиду, с помощью которого ген вводится в бактерию. "Вшивание" осуществляется с помощью другой группы ферментов – лигаз. 3. Трансформация – внедрение вектора в бактерию. 4. Скрининг – отбор тех бактерий, в которых внедренные гены успешно работают. 5. Клонирование трансформированных бактерий. Генная инженерия

Выделение требуемого белка Синтез второй цепи кДНК Встраивание в бактерию Синтез кДНК Выделение иРНК Клетки, вырабатывающие требуемый белок иРНК Искусственная ДНК-затравка для синтеза комплементарной ДНК (кДНК) Гибридизация Гибрид ДНК-РНК Удаление РНК Одночепочечная кДНК Двухцепочечная кДНК – ген требуемого белка «Сшивка» ДНК-лигазой Разрезание плазмиды Рекомиби-нантная плазмида Бактерии Колонии бактерий Рестрикция Трансформация Клонирование (вектор) Процесс создания трансформированных бактерий Внехромосомная ДНК (плазмида)

Достижения генной инженерии Более 350 препаратов и вакцин, разработанных с помощью биотехнологий, широко используются в медицине, например: - соматотропин – гормон роста, применяют при лечении карликовости; - инсулин – гормон поджелудочной железы, используется для лечения сахарного диабета; - интерферон – антивирусный препарат, используется для лечения некоторых форм раковых заболеваний; Создание генномодифицированных растений. Лидером среди ГМО растений является соя – дешевый источник масла и белка; ген азотфиксации перенесен в генотип ценных с/х растений;

Из бактерии выделили этот ген и ввели его в плазмиду почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens. Этой бактерией были заражены растительной ткани, выращиваемой на питательной среде. Получение трансгенных растений с геном bt, несущим устойчивость к насекомым Бактерия Bacillus thuringiensis вырабатывает эндотоксин, токсичный для насекомых и безвредный для млекопитающих.

Однодольные растения: злаки, банановые. Трансгенные растения, созданные при помощи агробактерий Устойчивость к гербицидам; Устойчивость к болезням и вредителям; Изменение морфологии растений; Изменение размера, формы и количества плодов; Повышение эффективности фотосинтеза; Устойчивость к воздействию климатических факторов, засолению почв. Первый трансгенный продукт (томаты) поступил на рынок в 1994 г. Сегодня в мире более 150 сортов ГМ растений допущено к промышленному производству. Результаты генетической модификации: Двудольные растения: пасленовые (картофель, томаты), бобовые (соя), крестоцветные (капуста, редис, рапс), и т.д.

Хромосомная инженерия – совокупность методик, позволяющих осуществлять манипуляции с хромосомами. Одна группа методов основана на введении в генотип растительного организма пары чужих гомологичных хромосом, контролирующих развитие нужных признаков (дополненные линии), или замещении одной пары гомологичных хромосом на другую (замещенные линии). В полученных таким образом замещенных и дополненных линиях собираются признаки, приближающие растения к «идеальному сорту». Хромосомная инженерия

основан на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например, из пыльцевых зерен кукурузы выращивают гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом (n = 10), затем хромосомы удваивают и получают диплоидные (n = 20), полностью гомозиготные растения всего за 2–3 года вместо 6–8-летнего инбридинга. Хромосомная инженерия. Метод гаплоидов Сюда же можно отнести и метод получения полиплоидных растений

Клеточная инженерия Клеточная инженерия – конструирование клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Методы клеточной инженерии Культивирование – метод сохранения (in vitro) и выращивания в специальных питательных средах клеток, тканей, небольших органов или их частей Гибридизация – метод получения гибридов соматических клеток неродственных и филогенетически отдаленных видов Клонирование (реконструкция) – методы внедрения в соматическую клетку отдельных клеточных органоидов, ядра, цитоплазмы (частичная гибридизация)

Метод микроклонирования растений Этапы выращивания растений из клеток: Разделение дифференцированных клеток растения и помещение в питательную среду. Интенсивное размножение и развитие клеток и возникновение каллуса – недифферинцированные клетки. Помещение каллуса на другую питательную среду с добавлением гормонов стимулирующих развитие и образование побега. Пересадка нового побега в почву. Метод культуры клеток и тканей – выращивание вне организма в искусственных условиях кусочков органов, тканей или отдельных клеток; Например, выращивание женьшеня в искусственных условиях за 6 недель, на плантациях – 6 лет, в естественной среде – 50 лет.

Метод гибридизации соматических клеток Метод гибридизации соматических клеток При определённых условиях происходит слияние двух разных клеток в одну гибридную, содержащую оба генома объединившихся клеток. Гибриды между опухолевыми клетками и лимфоцитами (гибридомы) способны неограниченно долго делиться (т.е. они «бессмертны»), как раковые клетки и, как лимфоциты, могут вырабатывать антитела. Такие антитела применяют в лечебных и диагностических целях. В ходе гибридизации образуются клетки с безграничным временем жизни Опухолевая Клетка Лимфоцит 7 дней слияние Гибридная клетка (гибридом) антитела Посев на питательную среду, где образуются антитела

Клонирование (реконструкция) В 1997 Ян Уилмат и др. клонировали ягнёнка из клетки молочной железы овцы. Культивируя эти клетки в специальной питательной среде, не дававшей им выполнять свои функции, ученые добились дедифференциации этих клеток до эмбрионального состояния. Затем клетка была соединена с лишённой ядра яйцеклеткой другой овцы и имплантирована в матку третьей самки.

Схема клонирования (реконструкции) Клонирование – точное воспроизведение какого-либо объекта. Объекты, полученные в результате клонирования, называются клонами (см. «Селекция животных).

1962 1997 1987 1998 2000 2001 2002 2005 2007 Клоны ?