ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ К I РЕГИОНАЛЬНОМУ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ТУРНИРУ


1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Специальность 19.03.01 – «Биотехнология» направлена на подготовку научных и научно-педагогических кадров, а также высококвалифицированных специалистов, способствующих решению современных проблем медицины, сельского хозяйства, охраны и рационального использования природных ресурсов.

Объектами изучения являются многообразие биотехнологической продукции, современные методы биотехнологии, основные биотехнологические процессы получения различных веществ с помощью микробных, растительных и животных клеток. Особое внимание уделяется созданию и использованию новых биологических агентов методами генной, клеточной инженерии, иммобилизации клеток и ферментов, разработке биосенсоров, биочипов и экологическим аспектам биотехнологии.

Современная биотехнология представляет собой многопрофильную, комплексную область научно-технического прогресса. Она включает в себя разнообразный микробиологический синтез, инженерную энзимологию, генную и клеточную инженерию.

Биотехнология как направление научно-технического прогресса опирается на междисциплинарные знания из области биологии (генетика, биохимия, микробиология, вирусология, физиология клеток растений и животных и др.), химии (химическая технология, физическая (биофизическая) химия, органическая химия, биоорганическая химия, компьютерная и комбинаторная химия и др.), технических наук (процессы и аппараты, системы контроля и управления, автоматизированные комплексы, моделирование и оптимизация процессов и др.), использует технологические приемы получения модифицированных биообъектов с целью придания им новых свойств и/или способности производить новые вещества.

Цель турнира – знакомство школьников с основными принципами биотехнологии и популяризация современной динамично развивающейся науки – основы многих интенсивно развивающихся отраслей экономики.


2. СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

Главные слагаемые биотехнологических производств

Биологические объекты и продукты биотехнологических процессов. Принцип отбора биообъектов для производства. Первичные и вторичные метаболиты. Основные критерии оценки биотехнологических процессов. Способы усиления активности биообъектов. Сверхсинтез продуктов у биообъектов с измененным генотипом. Стабильность генетических свойств мутантов и рекомбинантов. Хранение биообъектов: методы и условия. Условия реактивации и определение жизнеспособности клеток.

Культивирование биологических объектов. Субстраты для культивирования биообъектов. Характеристика важнейших групп субстратов, используемых в биотехнологии, их экологическое значение. Составление рецептур питательных сред. Среды для выращивания клеток растений, животных, микроорганизмов. Обеззараживание питательных сред.


Биологические аспекты биотехнологии. Общая биология, микробиология и физиология клеток

Химический состав клетки (нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, липиды, нуклеопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды, пептидогликаны, полифосфаты, минеральные компоненты и вода). Строение и функции клетки (различия клеток прокариот и эукариот). Строение клеточной стенки бактерий.

Обмен веществ как совокупность пластического и энергетического обменов.

Молекулярные основы организации хромосом, гистонов, РНК в клеточном метаболизме.

Положение микроорганизмов среди других организмов. Сапрофиты, паразиты, патогенные формы. Принципы классификации бактерий: эубактерии, цианобактерии, архебактерии. Общая биология протистов: водоросли, простейшие. Грибы. Вирусы.

Механизм поступления в клетки эукариотов и прокариотов экзогенных веществ. Физиология питания. Элементы питания, их значение для процесса биосинтеза. Разнообразие типов питания микроорганизмов (автотрофия, гетеротрофия, фотолитотрофия, фотоорганотрофия, хемолитотрофия, хемоорганотрофия). Разнообразие источников углерода, азота, фосфора, серы и других элементов, используемых микроорганизмами. Лимитирование и ингибирование роста клеток элементами питания.

Способы культивирования микроорганизмов (периодическое, непрерывное, иммобилизация клеток), иммобилизация ферментов. Смешанные культуры, консорциумы. Принципы их культивирования. Понятие об асептике этапов культивирования.

Метаболизм микроорганизмов. Взаимосвязь биосинтетических и энергетических процессов. Понятие «биологическое окисление». Анаэробные процессы окисления. Анаэробное дыхание. Брожение. Аэробное дыхание. Разнообразие субстратов, окисляемых микроорганизмами (природные биополимеры, углеводороды, ксенобиотики и др.). Полное аэробное окисление субстрата, неполное окисление и трансформация органических субстратов.

Значение цикла трикарбоновых кислот в ассимиляции. Образование микроорганизмами биологически активных веществ: ферментов, антибиотиков, витаминов, органических кислот, токсинов. Первичные и вторичные метаболиты. Их роль в природе. Практическое использование.

Методы селекции. Селекция микроорганизмов. Основы генной инженерии. Механизм генных мутаций, генетический контроль. Векторы для молекулярного клонирования. Конструирование векторов, генов, рекомбинантных ДНК, гибридомная технология. Генно-инженерные методы селекции и воспроизводства растений и животных, получение трансгенных организмов. Соматическая гибридизация растений для преодоления нескрещиваемости между видами.


Химические аспекты биотехнологии. Биоорганическая химия и биохимия

Основные объекты исследования биоорганической химии. Методы исследования: химические, физические, физико-химические, биохимические.

Белки. Аминокислоты как мономерные структурные единицы белков и пептидов. Денатурация белков (обратимая и необратимая). Понятие о регуляторных белках.

Нуклеиновые кислоты. ДНК и РНК. Структурные компоненты. Двойная спираль ДНК. Комплементарность оснований. Матричные биосинтезы.

Углеводы. Моносахариды. Строение и стереохимия. Альдозы, кетозы.

Ациклические и циклические структуры моносахаридов. Альфа- и бета-аномеры. Понятие о конформации. Пентозы и гексозы, аминосахара. Моносахариды как структурные мономерные единицы олиго- и полисахаридов. Целлюлоза, крахмал, гликоген.

Липиды. Классификация липидов. Структурные компоненты липидов. Жирные кислоты. Высшие спирты, альдегиды. Полиолы, глицерин, миоинозит. Понятие о строении биологических мембран. Липосомы.

Низкомолекулярные биорегуляторы – витамины и коферменты.

Антибиотики как природные антиметаболиты. Молекулярные механизмы действия антибиотиков.

Ферменты и их биохимическая роль. Классы ферментов. Способы стабилизации ферментов.


Технологические аспекты биотехнологии. Методы биотехнологии

Типовые технологические приемы выделения и очистки продуктов биосинтеза. Флотация клеток и белковых продуктов из культуральной жидкости. Экстрагирование продуктов биосинтеза из биомассы микроорганизмов. Производство товарных форм целевого продукта.


Области применения современной биотехнологии

Понятие о цветных биотехнологиях. Основное ферментационное оборудование, его виды и предварительный подбор.


Биотехнология на пути решения экологических проблем

Роль биотехнологии в решении экологических проблем. Микроорганизмы как агенты биодеструкции ксенобиотиков и поллютантов. Биоконверсия сельскохозяйственных отходов, переработка промышленных отходов. Методы очистки сточных вод, обработка и утилизация осадков сточных вод. Методы обработки и утилизации твердых бытовых отходов. Получение биогаза.


Литература

1. Биология. В 3 т. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. 3-е изд. - М.: 2004. Том 1 - 454с., Том 2- 436с., Том 3- 451с.
2. Биология. Общая биология. 10-11 классы. Профильный уровень. В 2 ч. Под ред. Шумного В.К., Дымшица Г.М. 10-е изд. – М.: 2012. – Ч.1 -303с., Ч.2. – 287с.
3. Вакула, В. Биотехнология: что это такое? / В. Вакула. - М.: Молодая Гвардия, 2004. - 302 c.
4. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. — М., Мир, 2002. 589 с.
5. Красноштанова А.А., Крылов Б.А., Бабусенко Е.С. Основы биотехнологии. Учебное пособие. - Москва, РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2001. - 84 с.
6. Интернет-ресурс - www.biotechnolog.ru
7. Интернет-ресурс - elibrary.ru – научная электронная библиотека
8. Интернет-ресурс - cbio.ru – интернет-журнал «Коммерческая биотехнология»


Практика

1. Устройство и правила работы с микроскопом
2. Техника работы с лабораторной посудой (пробирки, чашки Петри, колбы) и оборудованием (автоматическая пипетка, весы, ламинарный бокс, спиртовки, водяная баня)
3. Приготовление препарата «висячая капля», фиксированного препарата
4. Окраска препаратов
5. Техника посева в жидкие и пересева на агаризованные среды.
6. Аналитическое определение основных классов биомолекул в культуральной среде (белки, аминокислоты, углеводы, липиды, карбоновые кислоты)
7. Расчет концентраций растворов (процентная, молярная)