Биообъекты растительного происхождения в биотехнологии

РОСОБРАЗОВАНИЕ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ”

(ПГТА)

Кафедра Биотехнология и биосферная безопасность

Дисциплина  “Введение в специальность”

КУРСОВАЯ  РАБОТА

на  тему: Биообъекты растительного происхождения в биотехнологии

     тема  курсовой работы

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 

ПГТА 1.240901.04.ПЗ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент группы 10БТ Выпирайло Д.А.

Руководитель: к.б.н., доцент Черкасова Г.Н.

Работа  защищена с оценкой:____________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пенза, 2010

Утверждаю:

зав. каф. ТИСЗОС

д.т.н., профессор

Таранцева К. Р.

“15”ноября 2010г. 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине “Введение в специальность”

студенту  Выпирайло Дмитрию группа 10БТ

Тема  работы:

Биообъекты растительного происхождения в биотехнологии

1. Введение: определение понятия «биотехнология», цель и  задачи биотехнологии (БТ), виды биотехнологических процессов, преимущества биотехнологических процессов по сравнению с традиционными технологиями, перечислить объекты биотехнологии и области их применения (продукты, получаемые при их использовании)
2. Краткая характеристика растительных клеток (водоросли, клетки высших растений), используемых в биотехнологических процессах
3. Культивирование клеток растений в глубинных условиях
4. Аппаратурное оснащение производств, использующих в качестве биообъектов растительные клетки
5. Привести примеры биотехнологических процессов, в которых используется биообъекты растительного происхождения

Руководитель  к.б.н., доцент Черкасова Г.Н.

Задание получил  “15” ноября 2010 г.

Студент Выпирайло  Д.А.  
 
 
 
 
 
 

1.Введение

1.1 Определение понятия «биотехнология»

       Биотехнология-это целенаправленное получение ценных для народного хозяйства и различных областей человеческой деятельности продуктов, в   процессе которого используется биохимическая деятельность микроорганизмов, изолированных клеток или их компонентов.

     В этом определении скрыты некоторые  «подводные камни»,  поэтому рассмотрим его более подробно на примерах.

     Наиболее  часто биотехнологию путают с  растениеводством или животноводством.

     Например, получение пшеницы из воды и удобрений на первый взгляд – биотехнология. Однако здесь используется биохимическая деятельность не изолированных клеток, а целого растения, макроорганизма, относящегося к высшим, многоклеточным организмам. Это - не биотехнология, а растениеводство.

     Точно так же получение лекарства из корня женьшеня – не биотехнология. А вот когда из этого корня берут отдельные клетки, отделяя их с помощью ферментов от многоклеточной растительной ткани, и разводят эти отдельные, изолированные клетки на специальном питательном растворе, как дрожжи, получая  биомассу изолированных клеток женьшеня, из которой путем настаивания можно получить столь ценное лекарство, как из целого корня, - это уже биотехнология.

     Другой  пример – производство молока. Молоко получают от коровы, овцы или другого млекопитающего животного, т.е. это – работа макроорганизма. Значит, это не биотехнология. А вот получение из молока кефира, йогурта или другого кисло-молочного продукта основано на биохимической деятельности молочно–кислых бактерий-это вполне легитимная  биотехнология.

Во всех приведенных  примерах в качестве основания для  отнесения процесса к биотехнологии  или к химической технологии мы рассматривали  то, посредством каких воздействий осуществляется обработка продукта.

     Иногда  обращают внимание на другое: какое сырье обрабатывается -химическое или биологическое.

Например, очень  часто производство мясных продуктов  относят к биотехнологии, обосновывая  это тем, что исходное сырье-туши забитых животных, сырое мясо и  так далее-являются продуктами биологического происхождения.

С этой точки  зрения, например, приготовление котлет- это биотехнология, хотя рабочий  процесс заключается в  измельчении  мяса и затем в его тепловой обработке, т.е. нет биохимической  деятельности микроорганизмов или  клеток, а значит, это не биотехнология. А обработка мясного фарша определенными заквасками и последующий режим созревания, используемый при приготовлении дорогих сортов колбас,- это, конечно, биотехнология.

Обратим внимание еще на одно важно слово в определении  биотехнологии - «целенаправленно». Действительно, с точки зрения человека микроорганизмы работают  в природе не всегда целенаправленно.

     Например, многие болезни вызываются действием  микроорганизмов, и наоборот, многие микроорганизмы, населяющие человеческое тело ( их масса достигает 2-3 кг), полезны.

     Вспомним, что после лечения антибиотиками, когда эти полезные микроорганизмы уничтожаются наряду с вредными, возникает  такое заболевание  как дисбактериоз, которое приходится лечить введение в организм бактерий ( например, бифидобактерий или молочно-кислых бактерий). Это не биотехнология, а медицина.

     Из  всего выше сказанного можно подвести итог:

Биотехнология-это организованная человеком деятельность микроорганизмов, направленная на получение определенного продукта. 

1.2 Цель и  задачи биотехнологии 

       Однажды наступил момент, когда обществу потребовались  менее дорогие продукты для народного  хозяйства, включая медицину. Тогда-то, на основе микробиологии, генной инженерии, молекулярных и других наук, сформировалось понятие биотехнологии.

     Биотехнология использует одноклеточные микроорганизмы, либо клетки растений или животных. Объясняется это довольно легко.

     Во-первых, в процессе жизнедеятельности клетками выделяются различные важные вещества, такие как белки, жиры, углеводы, аминокислоты, ферменты, и пр. Получение этих веществ, к сожалению, пока возможно исключительно биотехнологическим путем, так как небиотехнологические методы требуют больших затрат и сложных рабочих механизмов.

     Во-вторых, деление клеток происходит крайне быстро, а это означает возможность использовать весьма недорогие и несложные механизмы питания для производства биомассы даже в производственных масштабах.

     Третий, но не менее важный нюанс заключается  в том, что биологический синтез сложных веществ получается гораздо более доступным в плане технологий, а соответственно - значительно дешевле, нежели химический.

     Биотехнология является механизмом, который, используя  вышеназванные продукты жизнедеятельности  в качестве сырья, помогает получать огромное количество очень важных веществ, а именно:

• В области  медицины: витамины, аминокислоты, ферменты, вакцины, антибиотики, антитела, иммуномодуляторы, и другие не менее важные вещества. 
• В области ветеринарии и сельского хозяйства: инсектициды, вакцины, гормоны, липиды, спирты и пр. 
• В химической промышленности: бутанол, ацетон. 
• В энергетической промышленности: этанол, биогаз.

     Какие же основные цели и задачи стоят  перед биотехнологами ?   Во-первых, поддержание и активация путей обмена клеток, ведущих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций обмена у культивируемого организма;         Во-вторых, получение клеток или их составных частей (преимущественно — ферментов) для направленного изменения сложных молекул (например, рестриктазы, изомеразы и т. д.);          В-третьих, углубление и совершенствование рДНК-биотехнологии и клеточной инженерии на предмет получения особо ценных результатов в фундаментальных и прикладных разработках;         В-четвертых, создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов;          В-пятых, совершенствование и оптимизация аппаратурного оформления биотехнологических процессов с целью достижения максимальных выходов конечных продуктов при культивировании естественных видов с измененной наследственностью методами клеточной и генной инженерии;     В-шестых, повышение технико- экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими. 
 

1.3 Виды биотехнологических процессов 

       Наращивание клеточной массы, которая и представляет собой продукт. К такому классу технологий относится получение пекарских дрожжей, кормовых дрожжей, многих вакцин.

     Образование (биосинтез) в процессе роста и  развития клеток ценных биохимических продуктов — некоторые из них выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе (внутриклеточные продукты). В этих случаях производство существует ради получения таких продуктов, а не самой биомассы, которая часто является балластом.

     Биотрансформация — процесс,   в результате  которого  под воздействием биохимической деятельности микроорганизмов или ферментов происходит изменение химического состава исходного химического вещества. Отличие от рассмотренного процесса биосинтеза состоит в том, что при этом обычно происходят относительно небольшие изменения в химической структуре вещества, оно не синтезируется заново из относительно более простых веществ. Кроме того, в процессе биотрансформации используют обычно уже готовый биологический агент — клетки микроорганизмов или ферменты, в ходе самого процесса биотрансформации они не образуются.

     Пример  процесса биотрансформации — превращение  глюкозы во фруктозу под воздействием фермента глюкозоизомеразы. Оба сахара имеют одну формулу СбН₁₂О₆, но различную пространственную структуру молекулы.

Интересно, что  подобный процесс в природе осуществляют пчелы (если кормить их глюкозой). Но поскольку здесь в операции принимает участие макроорганизм — пчела, мы не можем данный процесс назвать биотехнологическим.

     Или другой пример. Глицерин, представляющий собой трехатомный спирт, под воздействием клеток глюконобактерий прекращается в диоксиацетон.

Небольшое изменение  в структуре молекулы (уходят два атома водорода, т.е. происходит дегидрирование) приводит к образованию нового вещества, по своим свойствам заметно отличающегося от исходного — глицерина.

Потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ, которые являются нежелательными примесями (загрязнениями). Здесь биомасса микроорганизмов служит промежуточным агентом, по окончании процесса она становится ненужной. Такие процессы применяют при биологической очистке сточных вод. 
Продуктом здесь является очищенная вода, а биомасса активного ила, которая потребляет загрязнения, все время отводится от системы и затем обезвреживается или перерабатывается для получения из нее других полезных продуктов.

Выщелачивание с помощью микроорганизмов, т.е. перевод  в растворенное состояние некоторых веществ, находящихся в твердых телах. Примером является микробиологическое выщелачивание ценных металлов из руд — меди, цинка, урана и др.

     Особым  случаем является использование  биохимической деятельности микроорганизмов с целью образования газов и за счет этого создания, например, пористых материалов. Так, для этого используют дрожжи при приготовлении хлеба. Одно из назначений дрожжей при получении пива или шампанского — также создать в среде высокую концентрацию растворенного диоксида углерода, 
чтобы вино или пиво хорошо пенилось.

 
По условиям проведения процесса различают  нестерильные (крупнотонажное производство кормовых дрожжей) и стерильные (получение антибиотиков, витаминов): аэробные и анаэробные. 
 
Процессы проводят в одном из 3 режимов: 
 
• периодическое 
 
• полунепрерывное; 
 
• непрерывное. 

Периодический процесс включает:

а) стерилизацию сред, биореактора и вспомогательного оборудования;

б) загрузку аппарата питательной средой;

в) внесение посевного материала (клеток, спор);

г) рост культуры, который может совпадать во времени со следующим этапом или предшествовать ему;

д) синтез целевого продукта;

е) отделение и очистку готового продукта.

Речь идет о временной последовательности этапов, по окончании последнего этапа проводится мойка биореактора и его подготовка к новому циклу.

 
При полунепрерывном режиме осуществляется отливно-доливной процесс, когда на "пике" биосинтеза какого-либо антибиотика отбирают 30-70% культуральной жидкости и одновременно (однократно) добавляют свежей питательной среды. 
 
При непрерывном режиме процессы рассчитаны на непрерывный отбор культуральной жидкости и непрерывное добавление свежей питательной среды. Применительно к фазовому состоянию ингридиентов на биотехнологических производствах различают твердофазные процессы (получение грубых кормов или производство сыра из белков молока) и газофазные процессы, которые основаны на использовании газа (метана для получения микробного белка). 
 
По условиям проведения процессов выделяют: 
 
1) одноступенчатые; 
 
2) двухступенчатые: 
 
3) многоступенчатые. 
 
Одноступенчатые процессы базируются на использовании клеток, находящихся в одном фазном состоянии. 
 
Двухфазном - в разном фазном состояниях. 
 
Многоступенчатые - присуще генетической инженерии. 
 

1.4 Перечислить объекты биотехнологии и области их применения

       Объектами биотехнологии могут  быть: микроорганизмы (вирусы, бактерии, грибы), клетки, ткани (животных, растений, человека),  вещества биологического происхождения, являющиеся клеточными метаболитами (ферменты, нуклеиновые кислоты, глюкоза). 

1.4.1  Вирусы. Среди микробов вирусы характеризуются наименьшей величиной — они измеряются в нанометрах (нм.), и облигатным паразитизмом. Последний признак положен в основу классификации их на вирусы бактерий, или бактериофаги, вирусы растений и вирусы животных; имеются также и вирусы грибов. Как уже было сказано, структурно вирусы представляют собой организованные частицы, содержащие один какой-либо тип нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК), не обладающие собственным

обменом веществ, но способные к репликации в клетках  организ- ма-хозяина или интеграции с его геномом, ведя при этом "скрытое существование".

       Область применения:

     Создание  различных вакцин.

1.4.2 Бактерии — существа клеточной организации, у которых ядерный материал не отделен от цитоплазмы элементарными мембранами и не связан (!?) с какими-либо основными белками. Цитоплазма в них с нерегулярно разбросанными рибосомами (70S-THna) неподвижна, клетки не обладают способностями к эндо- и экзоцитозу. В большинстве своем бактерии одноклеточны, наименьший диаметр их 0,2 — 10,0 мкм.

       Область применения:  очистка сточных  водбиофильтры; биологические пруды — здесь в очистке сточных вод принимает участие все водное население; и аэротен- ки.Это огромные бетонные резервуары.          

Рис. 1. Бактериофаг Т2(А): 1 — капсомеры, покрывающие головку, 2— воротничок, 3 — шейка, 4 — полый стержень, 5 — чехол, 6 — нити, 7 — икосаэдрическая головка; мендсикуты Б (а- д): галобактерии (а), метанобактерии (б), вегетативные формы (в) и покоящиеся формы (г); термоацидофилы (д); тенерикуты (е): микоплаз- мы (ж), спироплазмы (з). 

      Поступающие сюда сточные воды продуваются снизу мощным потоком мельчайших пузырьков воздуха. Очищающим началом в аэротенке является активный ил — совокупность микроскопических растений и животных.

     При избытке кислорода (пузырьки воздуха) и притоке органических веществ (сточные воды) в активном иле бурно развивается бактериальное население и микрофауна. Бактерии склеиваются в хлопья, обладающие огромной рабочей поверхностью — около 1 200 м² в одном кубическом метре ила, и выделяют ферменты, расщепляющие органические загрязнения до простых минеральных молекул. Происходит так называемая минерализация органики, Поглощая в избытке органические вещества, бактерии активно делятся, их масса непрерывно увеличивается.

     Благодаря тому, что бактерии склеены в хлопья, активный ил быстро оседает и отделяется от чистой уже воды. Отстоявшаяся вода готова к дальнейшему использованию, а ил вновь включается в процесс очистки. 
 

1.4.3  Г р и б ы. К царству низших эукариот — Mycota относятся микромицеты, то есть микроскопические грибы (например, дрожжи, пенициллы, аспергиллы и др.) и макромицеты, формирующие в процессе своего роста и развития визуально наблюдаемые плодовые тела — трутовики, агариковые грибы и др. Микро- и макромицеты могут быть объектами биотехнологии.

     Примечательно, что грибы имеют сходство и с растениями (верхушечный, или апикальный рост, прочная клеточная стенка, наличие вакуолей и поперечных перегородок у многих из них) и с животными (гетеротрофный тип питания, большая или меньшая потребность в витаминах, наличие хитина или хитозана, синтез гликогена). Следовательно, грибы эволюционно произошли раньше — до дивергенции растений и животных в самостоятельные царства. В то же время лишь грибам присуще мицелиальное строение и, как следствие, абсорбционный способ питания

       Область применения:

     Например  дрожжи - используются при приготовлении  хлеба. Одно из назначений дрожжей при получении пива или шампанского — также создать в среде высокую концентрацию растворенного диоксида углерода, чтобы вино или пиво хорошо пенилось. 
 

1.4.4  Клетки высших растений. Высшие растения (порядка 300 ООО видов) — это дифференцированные многоклеточные, преимущественно наземные организмы. Способы их бесполого и полового размножения хорошо описаны в учебниках ботаники. В процессе дифференциации и специализации клетки растений группировались в ткани (простые — из однотипных клеток, и сложные — из разных типов клеток). Ткани, в зависимости от функции, подразделяют на образовательные, или меристемные (от греч. meristos—делимый), покровные, проводящие, механические, основные, секреторные (выделительные). Из всех тканей лишь меристематические способны к делению и за их счет образуются все другие ткани. Это важно для получения клеток, которые затем должны быть включены в биотехнологический процесс (см. специальную часть)

       Область применения:

     Есть мнение, что клетки высших растений приведут  к революции в сельском хозяйстве. В первую очередь речь идет о создании симбиоза между злаками и азотфиксирующими клубеньковыми бактериями, а это решит проблему азотных удобрений. Имеются уже доказательства того, что свободноживущие азотфиксирующие бактерии способны ассоциировать с корнями злаков, давая возможность растению-хозяину получать некоторое количество азота в результате бактериальной азотфиксации.

Культуру растительных клеток выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений — женьшеня, маслинной пальмы, малины, персиков и др. Так, при обычном разведении куст малины дает не более 50 отростков в год, а с помощью культуры клеток можно получить более 50 тыс. растений. При таком разведении иногда вырастают растения более продуктивные, чем исходный сорт. Так были выведены новые ценные сорта картофеля, грейпфрута и т. д. 
 

1.4.5 Клетки животных. Из царства Animalia биообъектами могут быть простейшие организмы — Protozoa и высшие животные. И если сегодня о биотехнологии Protozoa мало что-либо известно, то применительно к биотехнологии животных имеются внедренные развитые технологические процессы, написаны соответствующие монографии в нашей стране и за рубежом. Тем не менее, высокие дифференциация и специализация эукариотических клеток животных объясняют те трудности, с которыми приходится сталкиваться исследователям и практическим работникам, имея дело с подобным материалом. 

       Область применения:

     На сегодняшний день биотехнология  позволяет осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения ряда генетических болезней человека — сахарного диабета, некоторых видов злокачественных образований, карликовости.

Еще одна область применения биотехнологии -выведение трансгенных животных с улучшенной продуктивностью и более высоким качеством продукции, резистентностью к болезням, а также создание так называемых животных - биореакторов - продуцентов ценных биологически активных веществ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Краткая характеристика растительных клеток

2.1 Водоросли

       Водоросли (Algae), группа низших, автотрофных, обычно водных, растений; содержат хлорофилл и другие пигменты и вырабатывают органические вещества в процессе фотосинтеза. Цветков и семян нет. Споры, как правило, лишены твёрдой оболочки. Тело (слоевище, или таллом) по своему строению проще, чем у мхов, папоротников и других наземных растений; часто отсутствует дифференциация клеток на ткани; у самых примитивных (синезелёных) водорослей клетки лишены оформленных ядер  у части в клетках содержится помногу ядер; есть .неклеточного строения (ботридиум, сифоновые). Хроматофоры у бывают пластинчатые, звездчатые, лентовидные, сетчатые, мелкие дисковидные (последние характерны для высших представителей ряда типов водорослей).             У многих из них имеются плотные образования — пиреноиды и пиреноидообразные тельца; у высших водорослей. (почти всех бурых и большинства красных) они отсутствуют. Клеточные оболочки состоят из целлюлозы, пектиновых веществ, кремнийорганических соединений (диатомовые), альгина и фуцина (бурые). Запасные вещества: крахмал, гликоген, полисахариды, реже масло.          Насчитывается около 30 тыс. видов водорослей На основании различий в наборе пигментов, особенностей морфологии и биохимии (состав клеточных оболочек, запасные вещества) различают 10 типов (отделов) синезелёные (Cyanophyta), золотистые (Chrysophyta), пиррофитовые (Pyrrophyta), диатомовые (Bacillariophyta), разножгутиковые, или жёлтозелёные (Xanthophyta), эвгленовые (Euglenophyta), зелёные (Chlorophyta), харовые (Charophyta), бурые (Phaeophyta), красные (Rhodophyta). Все типы водорослей эволюционировали в основном независимо. (по-видимому, зелёные) дали начало наземным растениям.