[ «ТЕХНИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ Республика Казахстан 1 Алматы 2014 УДК 663.18 ББК 30.16 я 7 Б 59 Бияшев К.Б., Тулемисова Ж.К., Орынтаев К.Б. Б59 Техническая микробиология – Алматы, 2014г. ISBN 978-601-241-184-4 Техническая ...»
Работая на перспективу, ученые-биотехнологи Казахстана совместно с селекционерами, ветврачами и другими специалистами решают приоритетные проблемы животноводства. Важнейшими из них являются получение трансгенных животных: крупного рогатого скота, овец, свиней и птицы, отличающихся устойчивостью к опасным инфекционным заболеаниям.
животноводстве является получение трансгенных особей – доноров органов и тканей, используемых для лечения человека.
Разработаны и применяются на практике основные принципы хирургического разделения ранних эмбрионов. Вместе с тем ученым и специалистам предстоит усовершенствование технологию трансгеноза животных, направленную на создание генетически устойчивых организмов и их клонирование в целях формирования стад с повышенной устойчивостью к инфекционным и другим заболеваниям.
биотехнологии в животноводстве является разработка и получение принципиально новых биостимуляторов рекомбинантного бычьего гормона роста – самотропина.
Для повышения продуктивности животных путем дачи полноценного корма, микробиологическая промышленность в настоящее время выпускает кормовые белки на базе различных микроорганизмов-бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белковая биомасса одноклеточных усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет получить 0,4—0,6 т свинины, до 1,5 т мяса птиц, 25— сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.
10.3 Растениводство. В области биоинженерии наметилось три наиболее существенных направления: 1) изучение генетических основ повышения эффективности использования клубенковых и свободно живущих в почве азотфиксирующих микроорганизмов; 2) создание новых высокоэффективных и экологически безопасных микробиологических препаратов для защиты растений и животных от вредителей и болезней; 3) получение новых штаммов азотсодержащих и продуцирующих белок.
Биотехнологические методы и приемы направлены на сохранение и улучшение вкусовых и других качеств продукции, основанных на применении биологических компонентов-добавок — консервантов и пищевкусовых соединений растительного и синтетического происхождения; мембранной технологии, трансгенных микроорганизмов, обеспечивающих надежную и длительную сохранность продукции. Современная промышленность, производящая витамины, аминокислоты, кормовые и пищевые добавки, почти полностью основана на современных методах биотехнологии. Объем их производства пока не удовлетворяет потребности заинтересованных отраслей депрессивном состоянии: не проводится своевременное обновление технологического оборудования; в два раза сокращено поступление сельскохозяйственного сырья.
Предстоит большая работа по восстановлению и развитию перерабатывающих предприятий — заводов по переработке продукции растениеводства и животноводства, широкому применению на них современных биотехнологических методов.
Около половины валовой продукции растениеводства - солома и ботва сельскохозяйственных растений, около 300 млн. т навоа ют органические отходы сельскохозяйственного производства.Только половина соломы и не более 30 % ботвы используется на корм скоту. Остальная солома и ботва практически не используется, сгнивает на полях, в местах временного хранения.
Около половины навоза используется на удобрения, вторая половина— попадает в овраги, лесополосы, водостоки и загрязняет окружающую среду.
Главная задача по использованию органических отходов состоит в том, чтобы они вносились в почву для повышения их плодородия.
Одновременно биотехнологи и инженеры предложили способы их биоконверсии — преобразования в биогаз. Из одной тонны сухого вещества навоза можно получить в специальных конверсионных установках до 400 м3 метана. Каждый кубометр метана при сжигании дает тыс. мгДж энергии. Оставшиеся после биоконверсии навоза органические отходы содержат углерод, фосфор, калий, кальций, микроэлементы и могут быть использованы в виде органического удобрения. Биоконверсия навоза и других органических отходов может быть постоянным возобновляемым источником энергии и давать до 5 % от общего количества потребляемой энергии в сельском хозяйстве.
Массовое производство биогаза из навоза и других органических отходов на мелких биоконверсионных установках имеет место в индивидуальных сельскохозяйственных предпрприятиях. Получаемый биогаз (метан) используется на бытовые и производстенные нужды. В используется.
биотехнологии и медицине добились микробиологии при решении терапевтических и профилактических задач по защите различных видов скота и птицы от болезней, обеспечении условий для ветеринарной безопасности животноводноводства.
Учеными ведется поиск новых антибиотиков, что связано с токсичностью существующих препаратов, аллергическими реакциями, вызываемые ими, нарастанием устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым препаратам, а также с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, против которых недостаточно эффективны известные антибиотики.
Основными направлениями поиска в решении этой проблемы являются:
продуцирующих большое количество антимикробных агентов;
- химическая модификация антибиотиков в целях снижения их токсичности для человека (например, амфотерицин В, используемый по жизненным показаниям при тяжелых микозах, вызывает необратимые поражения почек, получены метиловые эфиры амфотерицина, менее иммобилизованные ферменты);
блокирован синтез отдельных фрагментов молекул антибиотиков, аналоги которых вносят в среду культивирования, микроорганизмы используют модифицированный интибиотик;
- применение методов клеточной инженерии и получение гибридных антибиотиков, например с новыми комбинациями агликона сахаров;
- использование методов генетической инженерии - введение в геном микроорганизма информации о ферменте, необходимом для модификации продуцируемого антибиотика, например, его метилирование при помощи метилаз.
Важной задачей является повышение эффективности биосинтеза известных антибиотиков. Значительных результатов ученым и практикам удалось добиться в селекции штаммов-продуцентов с применением индуцированного мутагенеза и многоступенчатого отбора.
Перспективным подходом является инкапсулирование антибиотиков, в частности их включение в липосомы, что позволяет прицельно доставлять препарат к определенным органам и тканям, повышает его эффективность и снижает побочное действие. Этот подход применим и для других лекарственных препаратов.
В настоящее время широко применяют продукты жизнедеятельности восстановлению пищеварения, биологического статуса, иммунного ответа у продуктивных животных, повышают эффективность вакцинации..
Совместно с ветеринарными специалистами разработаны методы получения и организовано промышленное производство одновалентных и поливалентных сывороток профилактического и препаратов терапевтиеского действия, полученных генно-инженерными методами.
Созданы и применяются в производстве высокочувствительные диагностические препараты на основе метода ИФА (иммуноферментного анализа), ДНК-зондов, внедрения полимеразной цепной реакции (ПЦР). Используются моноклональные антитела, полученные методом гибридомной технологии. На культуре клеток нарабатывается антиген и производится диагностика лейкоза крупного рогатого скота.
Большое значение в связи с интенсификацией животноводства сельскохозяйственных животных с применением рекомбинантных живых вакцин и генно-инженерных вакцин-антигенов, ранней диагностики этих заболеваний с помощью моноклональных антител и ДНК/РНК-проб.
Современные биотехнологические разработки предусматривают создание многочисленных вариантов вакцинных препаратов, наибольший интерес из которых представляют рекомбинантные вакцины и вакцины антигены. Вакцины обоих типов основаны на генно-инженерном подходе.
Для получения рекомбинантных вакцин обычно используют хорошо известный вирус, к примеру, коровьей оспы (осповакцины). В его ДНК различных возбудителей: до 5 антигенов.
К достоинствам вакцин, полученных генно-инженерными методами, относится возможность создания поливалентных препаратов на основе объединения участков ДНК различных патогенов «под эгидой» ДНК вируса осповакцины. Открывается возможность одномоментной комплексной иммунизации крупного рогатого скота и других видов животных против всех опасных инфекций данной местности.
Вакцины - антигены, получают, клонируя гены возбудителя болезни в Е.coli, дрожжах, клетках насекомых и млекопитающих. В настоящее нремя (сывороточного гепатита), ген белка оболочки VPI - вируса ящура. Вирус ящура существует в виде многих серотипов. Методом белковой инженерии удалось скомбинировать иммуногенные компоненты различных серотипов в рамках одной вакцины-антигена.
Вакцины-антигены высокостабильны при хранении и перевозке, крупномасштабном производстве, содержат минимальное количество белка и поэтому малоопасны как аллерген. Они гарантированы от остаточной вирулентности - способности вызвать инфекционную болезнь вместо того, чтобы предохранять от нее. К сожалению, пока остается проблема низкой иммуногенности вакцин-антигенов. Одной из ее причин может быть то, что вакцина не включает всех компонентов возбудителя, необходимых для создания иммунитета к нему. Так, вирус, покидая клетку, часто «одевается» ее мембраной. Компоненты этой мембраны, иммуногенными свойствами. Повышению иммуногенности вакцинантигенов способствуют добавление адъювантов, иммобилизация вакцин на носителях или их включение в липосомы. Большинство экспериментальных подходов или направлений в биотехнологических исследованиях связаны с медициной и ветеринарией.
В настоящее время для профилактики инфекционных болезней животных получены генно-инженерные вакцины против ящура, бешенства, диареи свиней и других вирусных болезней. Разработаны препараты против бактериальных инфекций. Например, в США открыт белок, токсичный для стафилококков, которые в 55 % случаев являются причиной мастита у КРС. Лабораторные исследования показали, что этот белок действует в течение нескольких минут и убивает клетки антибиотико-резистентных штаммов.
Задача конструирования и производства генно-инженерных вакцин будущего может быть решена лишь как составная часть фундаментальной проблемы - создание методами генной инженерии искусственных белков с заранее заданными свойствами и структурой.
Рекомбинантные ДНК могут быть широко использованы для выявления возбудителей методом молекулярной гибридизации. Этот метод позволяет быстро и точно диагностировать инфекционные болезни, может использоваться для пренатального диагноза генетических дефектов, выявления животных — носителей возбудителя. Метод основан на использовании зондов — ДНК, меченных радиоактивными соединениями или биочипами, с последующей гибридизацией зондов с образцами ткани животного — носителя возбудителя болезни. Это особенно ценно для выявления скрытых инфекций (хламидиозы, медленные инфекции).
Использование молекулярных зондов на основе ДНК позволяет идентифицировать близких по своим свойствам возбудителей.
Как в медицине, в ветеринарной науке в перспективе возможно применение генно-терапевтических методов лечения наследственных заболеваний. Искусственное исправление генома особо ценных животных может и должно быть осуществлено. Принципиальная схема такой технологии и ее экспериментальная проверка в медицине проводится.
Пересадка определенного количества клеток с нормальным геномом может при определенных условиях дать положительный конечный результат. Эти условия изучаются и проверяются в медицинской практике.
Применение биотехнологии и прежде всего генетической инженерии в ветеринарной медицине открывает широкие возможности для более эффективного решения главной задачи - обеспечения санитарного благополучия в животноводстве и получения безопасной для человека животноводческой продукции.
10.5 Перспективы развития биотехнологии. Центральная проблема биотехнологии - интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине и ветеринарии.
В основе промышленного использования достижений биологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами. В частности, возможно управление процессом фиксации атмосферного азота и перенос соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном растительной клетки.
В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение будут приобретать воспроизводимые ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза), органических удобрений.
Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей растениеводства и животноводства с одной Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является изучения участия микроорганизмов в биосферных процессах и направленная регуляция их жизнедеятельности с целью сельскохозяйственных и бытовых загрязнений.
С этой проблемой тесно связаны исследования по выявлению роли микроорганизмов в плодородии почв (гумусообразовании и пополнении запасов биологического азота), борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации пестицидов и др. химических соединений в почве. Имеющиеся в этой области знания свидетельствуют о том, что изменение стратегии хозяйственной деятельности человека от экономической, так и с экологической точек зрения. В данном регенерации ландшафтов.
Ведутся работы по созданию биополимеров, которые будут способны существенное преимущество перед традиционными материалами, так как нетоксичны и подвержены биодеградации, то есть легко разлагаются после их использования, не загрязняя окружающую среду.
наиболее экономически эффективны при комплексном их применении и создании безотходных производств, не нарушающих экологического равновесия. Их развитие позволит заменить многие огромные заводы химической промышленности экологически чистыми компактными производствами.
Важным и перспективным направлением биотехнологии является разработка способов получения экологически чистой энергии. Получение биогаза и этанола были рассмотрены выше, но есть и принципиально новые экспериментальные подходы в этом направлении. Моделирование процессов фотосинтеза, происходящих в хлоропластах, позволило бы запасать энергию Солнца в ценном топливе - водороде. Преимущества такого способа получения энергии очевидны: наличие избытка субстрата, воды; нелимитируемый источник энергии - Солнце; продукт (водород) можно хранить, не загрязняя атмосферу; водород имеет высокую теплотворную способность (29 ккал/г) по сравнению с углеводородами (3. ккал/г); процесс идет при нормальной температуре без образования токсических промежуточных продуктов; процесс циклический, так как при потреблении водорода регенерируется субстрат - вода.
Вопросы для самопроверки Биобезопасность обьектов биоинженерии Применение биоинженерии в животноводстве Применение биоинженерии в растеневодстве Применение биоинженерии в ветеринарии Литература 1.Альберт Сассон. Биотехнология: свершения и надежды. М., «Мир», 2. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки.
Т. 1. М.: Мир, 1994.
3. Артамонов В.И. Занимательная физиология растений. М.: Агропромиздат, 1991. 336 с.
4. Биотехнология (под редакцией А.А.Баева) М., «Наука», 1984.
5..Биотехнология. Принципы и применение. М., «Мир», 6. Бакай С.М. Биотехнология обогащения кормов мицелиальным белком — Киев: Урожай, 1987.
7. Биотехнология кормопроизводства и переработки отходов.— Рига:
Зинатне, 1987.
8. Биотехнология. Принципы и применение.— М.: Мир, 1988.
9. Быков В. А. и др. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов.— М.: Высшая школа, 1987.
10.Безбородов А.М. Ферменты микроорганизмов и их применение // Биотехнология. М.: Наука, 1984.
11 Березин И.В., Клесов А.А., Швядас В.К. и др. Инженерная энзимология.
М.: Высшая школа, 1987. 144 с.
12. Березин И.В., Клячко Н.Л., Левашев А.В. и др. Иммобилизованные ферменты. М.: Высшая школа, 1987. 160 с.
13. Биология наших дней. Вып. 2. – М.: Знание, 1987. 160 с.
14. Биотехнология. Принципы и применение /Хиггинс И., Бест Д., Джонс Дж. М.: Мир, 1988. 480 с.
15. Биотехнология сельскохозяйственных растений. М.: Агропромиздат, 1987. 301 с.
16. Биотехнология - сельскому хозяйству /Лобанок А.Г., Залашко М.В., Анисимова Н.И. и др. Минск: Урожай, 1988. 199 с.
17. Биотехнология растений: культура клеток. М.: Агропромиздат, 1989. 280 с.
18. Быков В.А., Крылов И.А., Манаков М.Н. и др. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов. М.: Высшая школа, 1987. 142 с.
19. Л.И. Воробьёва. Техническая микробиология. Изд. МГУ, 20. Варфоломеев С.Д., Панцхава Е.С. Биотехнология преобразования солнечной энергии. Современное состояние, проблемы, перспективы // Биотехнология.
М.: Наука, 1984.
21. Гаврилова Н.Н. Липиды микроорганизмов для кормовых целей.
— М., ВНИИСЭНТИ, 1985.
22. Глемжа А.А. и др. Микробные ферменты в народном хозяйстве.
— Вильнюс: Мокслас, 1985.
23. Голубовская Э.К. Биологические основы очистки воды.
М.: Высшая школа, 1978. 270 с.
24. Грачева И.М., Гаврилова Н.М., Иванова Л.А. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и жиров. М.: Пищевая промышленность, 1980. 448 с.
25. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках. М.: Высшая школа, 1986. 448 с.
26. Т.А.Егорова, С.М.Клунова,,Е.А.Живухина Основы биотехнологии:
Учеб. пособие для педвузов/- М.: Изд. центр «Академия», 27. Иммобилизованные клетки и ферменты. Методы / Под ред. Дж. Вудворта.
М.: Мир, 1988. 215 с.
28. Казанская Н.Ф., Ларионова Н.И., Торчилин В.П. Ферменты и белковые препараты в медицине // Биотехнология. М.: Наука, 1984.
29. Каравайко Г.И. Биогеотехнология металлов // Биотехнология. М.: Наука, 1984.
30.Кефели В.И., Дмитриева Г.А. Биотехнология: курс лекций. Пущино,1989.96 с.
31. Клесов А.А. Применение иммобилизованных ферментов в пищевой промышленности//Биотехнология. М.: Наука, 1984.
32. Микробные ферменты и биотехнология.— М.: Агропромиздат, 1986.
33. Мартинек К. Иммобилизованные ферменты // Биотехнология. М.: Наука, 1984.
34. Методы культивирования клеток. Л.: Наука, 1988. 313 с.
35. Методы общей бактериологии. /Под ред. Ф Герхардта. М., 1983, т. 1б с. 535.
36. Наумова Г.В. Торф в биотехнологии.— Минск: Наука и техника, 1987.
37. Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биофабрики. М.: Мир, 1991.112 с.
38.Рычков Р.С., Попов В.Г. Биотехнология перспективы развития // Биотехнология. М.: Наука, 1984.
39. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир, 1987. 411 с.
40. Скрябин Г.К., Кощеенко К.А. Иммобилизованные клетки микроорганизмов // Биотехнология. М.: Наука, 1984.
41. Сидякина Т. М. Консервация микроорганизмов, Пущино, 1985.
42. Н.С.Простаков, Т.Н. Борисова Основы биотехнологии: Учебное пособие – М., Изд. РУДН,1992.
43 Н.С.Простаков, Т.Н. Борисова Основы биотехнологии: Учебное пособие – М.,Изд РУДН, 44. Печуркин Н.С., Брильков А.В., Марченкова Т.В. Популяционные аспекты биотехнологии. Новосибирск: Наука, 1990. 173 с.
45 Пирузян Л.А., Михайловский Е.М. Сапротрофная микрофлора в качестве продуцента биологически активных веществ для целей микробной сапротрофной фармакотерапии // Изв. АН Серия биологическая, 1992.
№ 6. С. 860 - 866.
46. Основы биохимической инженерии.— М.: Мир, 1989.
47.Технология биоконверсии свекловичной мелассы.-Киев: НПО «Сахар», 1987.
48. Тривен М. Иммобилизованные ферменты. М.: Мир, 1983. 213 с. 27.
49. Удалова Э.В. и др. Энзиматическая конверсия растительного сырья и отходов сельскохозяйственного производства.— М.: ВНИИ систем управления, экологических исследований и научно-технической информации, 1990.
50. Хазин Д.А. Производство кормового микробного белка и его использование в кормлении сельскохозяйственных животных.— М.: ВНИИТЭИ, 1987.
51 Хотянович А.В. Методы культивирования азотфиксирующих бактерий, способы получения и применение препаратов на их основе (методические рекомендации). Л., 1991. 60 с.
52. Г. Шлегель. Общая микробиология. М., «Мир», ОГЛАВЛЕНИЕ
«