Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І. та ін. Біотехнологія
Подождите немного. Документ загружается.
БІОТЕХНОЛОГІЯ
За редакцією доктора біологічних наук,
академіка УААН В.Г. ГЕРАСИМЕНКА
Затверджено Міністерством аграрної політики України
як підручник для підготовки спеціалістів
в аграрних вищих навчальних закладах
Київ
«Фірма «ІНКОС»
2006
Підручник
ББК 24.2я73
УДК 547(075.8)
Г 37
Затверджено Міністерством аграрної політики України як підручник для
підготовки спеціалістів із спеціальностей «Біотехнологія виробництва
і переробки продукції тваринництва» та «Ветеринарна медицина» в аграрних
вищих навчальних закладах 3A4 рівнів акредитації
(лист від 5.07.2005 р. № 18A1A1A13/836)
Автори: В.Г. Герасименко, др біол. наук, проф., засл. діяч науки
і техніки України, академік УААН; М.О. Герасименко, канд. с.х.
наук, ст. наук. співроб., доц; М.І. Цвіліховський, др біол. наук,
проф., чл.кор. УААН; І.Я. Коцюмбас, др вет. наук, проф.;
М.О. Захаренко, др біол. наук, проф., Заслужений прац. освіти
України, А.Ф. Ображей, канд. ветер. наук, ст. наук. співроб.,
чл.кор. УААН; А.М. Головко, др ветер. наук, проф., чл.кор. УААН.
За редакцією В.Г. Герасименка
Рецензенти: Б.Т. Стегній, др ветер. наук, проф., чл.кор. УААН
(Інститут експериментальної і клінічної ветеринарної
медицини УААН, м. Харків);
В.А. Яблонський, др біол. наук, проф., чл.кор. УААН
(Національний аграрний університет, м. Київ)
Г 37 Біотехнологія: Підручник / В.Г. Герасименко, М.О. Гера
сименко, М.І. Цвіліховський та ін.; Під общ. ред. В.Г. Гера
сименка. — К.: Фірма «ІНКОС», 2006. — 647 с.
ISBN 966834734X
Підручник складається із двох частин — загальної біотехнології і спе
ціальних біотехнологій. Загальна біотехнологія включає розділи «Основи мо
лекулярної біології», «Клітинна інженерія» та «Основи генетичної інженерії»,
які є теоретичним підґрунтям біотехнологій, що розробляються, уже розро
блені і постійно удосконалюються для тваринництва, ветеринарної медицини
і захисту навколишнього середовища.
Кожний із 24 розділів підручника містить контрольні питання для само
перевірки знань, а викладений в них матеріал скерований на підготовку кон
курентоспроможних фахівців. В підручнику є іменний, предметний покажчи
ки та словник термінів.
Висловлюємо щиру вдячність завідувачу сектору Інституту
ветеринарної медицини УААН (м. Київ) Дерябіну О.М. за надану
допомогу при оформленні розділу підручника «ДНКAвакцини».
© Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І.,
КоцюмбасІ.Я., Вербицький П.І., Захаренко М.О.,
Ображей А.Ф., Головко А.М., 2006
ISBN 966834734X © Фірма «ІНКОС», 2006
© Художнє оформлення Фірма «ІНКОС», 2006
ЗМІСТ
Вступ...........................................................................................................................9
ЧАСТИНА І. ЗАГАЛЬНА БІОТЕХНОЛОГІЯ
Розділ 1. Біотехнологія — наукова дисципліна..........................................15
1.1. Предмет біотехнології, історія розвитку..........................................15
1.2. Біологічні об’єкти і методи біотехнології.........................................17
1.3. Мета і завдання біотехнології..............................................................21
Розділ 2. Системи GLP і GMP щодо якості біотехнологічних
продуктів..................................................................................................23
2.1. Система GLP ...............................................................................................23
2.2. Система GMP..............................................................................................25
Контрольні питання.........................................................................................28
Розділ 3. Основи молекулярної біології.......................................................29
3.1. Нуклеїнові кислоти...................................................................................29
3.1.1. Хімічний склад нуклеїнових кислот...........................................29
3.1.2. Структура нуклеїнових кислот....................................................35
3.2. Біосинтез білка і його регуляція............................................................58
3.2.1. Генетичний код………………………………………………............................58
3.2.2. Етапи біосинтезу білка....................................................................65
3.2.3. Регуляція синтезу білка.................................................................78
Контрольні питання.........................................................................................81
Розділ 4. Клітинна інженерія............................................................................84
4.1. Культура еукаріотичних клітин............................................................84
4.2. Біотехнології гібридизації соматичних клітин................................89
4.3. Біотехнологія трансплантації ядер......................................................96
4.4. Біотехнологія перенесення генів у соматичні клітини за
допомогою метафазних хромосом.......................................................106
4.5. Біотехнологія перенесення генів у еукаріотичні клітини за
допомогою ДНК (ДНК технологія)....................................................112
4.6. Введення генів. Біотехнологія трансформації статевих
ембріональних клітин чужорідними генами....................................119
Контрольні питання.......................................................................................124
Розділ 5. Основи генетичної інженерії........................................................127
5.1. Біотехнологія конструювання рекомбінантних ДНК.................127
5.1.1. Одержання фрагментів ДНК......................................................128
5.1.2. Плазміди і віруси як донорні переносники генетичної
інформації............................................................................................130
5.1.3. Конструювання рекомбінантної ДНК.....................................143
5.1.4. Клонування молекул рекомбінантної ДНК...........................148
5.1.5. Експресія еукаріотичних генів у клітинах прокаріот.........158
5.1.6. Перспективи і проблеми біотехнології
клонування генів............................................................................166
Контрольні питання.......................................................................................168
Біотехнолоія
4
Розділ 6. ДНКтехнології................................................................................170
Контрольні питання.......................................................................................177
ЧАСТИНА ІІ. СПЕЦІАЛЬНІ БІОТЕХНОЛОГІЇ
Розділ 7. Біотехнологія виробництва і застосування
іммобілізованих препаратів...........................................................178
7.1. Інженерна ензимологія. Завдання інженерної ензимології....178
7.2. Іммобілізація біологічно активних речовин та клітин.............180
7.3. Іммобілізація ферментів. Мета іммобілізації...............................181
7.4. Носії для іммобілізації ферментів....................................................183
7.4.1. Органічні полімерні носії............................................................183
7.4.2. Носії неорганічної природи........................................................199
7.4.3. Місткість носія.................................................................................204
7.4.4. Модифікація носія........................................................................205
7.4.5. Вимоги до носіїв..............................................................................206
7.5. Методи іммобілізації ферментів......................................................206
7.5.1. Фізичні методи іммобілізації.....................................................206
7.5.1.1. Іммобілізація ферментів шляхом адсорбції
на нерозчинних носіях......................................................208
7.5.1.2. Методи механічного включення молекул ферменту
в структуру носія .................................................................215
7.5.2. Хімічні методи іммобілізації...............................................220
7.5.2.1. Основні принципи конструювання препаратів
ковалентно іммобілізованих ферментів.......................220
7.5.2.2. Характеристика реагентів..................................................226
7.6. Фізикохімічна характеристика іммобілізованого фермента..231
7.7. Класифікація іммобілізованих ферментів......................................231
7.8. Іммобілізація клітин (адгезія).............................................................233
7.8.1. Основні методи іммобілізації клітин.......................................235
Контрольні питання.......................................................................................237
Розділ 8. Використання іммобілізованих препаратів з
лікувальною метою............................................................................239
8.1. Іммобілізація препаратів. Носії для іммобілізації........................241
8.2. Методи іммобілізації і застосування препаратів..........................242
8.3. Терапія іммобілізованими ферментами...........................................248
Контрольні питання.......................................................................................250
Розділ 9. Використання іммобілізованих ферментів у
аналітичній роботі..............................................................................251
9.1. Аналітичні проточні реактори з іммобілізованими
ферментами.................................................................................................254
9.2. Ферментні мікрокалориметричні датчики.....................................255
9.3. Ферментні електроди.............................................................................255
ЗМІСТ
5
9.4. Біолюмінесцентний мікроаналіз........................................................259
9.5. Біосенсори з іммобілізованими ферментами.................................261
9.6. Імуноферментний аналіз (ІФА) і його використання................262
Контрольні питання.......................................................................................273
Розділ 10. Застосування іммобілізованих ферментів у
біотехнології..............................................................................................274
10.1. Біотехнологія перетворення крохмалю на глюкозу...................274
Контрольні питання.......................................................................................278
10.2. Біотехнологія одержання сиропів з високим умістом
фруктози....................................................................................................279
Контрольні питання.......................................................................................284
10.3. Біотехнологія виробництва глюкози й етанолу
з целюлози...............................................................................................285
Контрольні питання......................................................................................286
10.4. Біотехнологія одержання Lяблучної кислоти............................287
Контрольні питання.......................................................................................287
10.5. Застосування біотехнологій з іммобілізованими
ферментами у молочній промисловості.........................................288
Контрольні питання.......................................................................................294
10.6. Біотехнологія виробництва Dфенілгліцину..............................295
Контрольні питання.......................................................................................295
Розділ 11. Біотехнологія виробництва антибіотиків.............................296
11.1. Виробництво βлактамних антибіотиків.......................................299
11.2. Модифікація βлактамних антибіотиків.......................................302
11.2.1. Одержання 6амінопеніциланової кислоти (6АПК)......302
11.2.2. Одержання 7λаміноцефалоспоринової
кислоти (7АЦК).............................................................................306
11.3. Створення нової біотехнології виробництва і
застосування антибіотиків.................................................................306
Контрольні питання......................................................................................308
Розділ 12. Біотехнологія виробництва гормонів.....................................310
12.1. Шляхи отримання гормонів...............................................................310
12.2. Отримання інсуліну..............................................................................313
12.2.1. Традиційні шляхи отримання інсуліну.................................314
12.2.2. Нові технології одержання інсуліну......................................315
12.3. Отримання соматотропіну................................................................317
12.3.1. Використання генноінженерного соматотропіну у
тваринництві..............................................................................320
Контрольні питання.......................................................................................322
Розділ 13. Біотехнологія виробництва інтерферонів............................323
13.1. Класи і типи інтерферонів..................................................................324
13.2. Традиційні шляхи отримання інтерферонів................................325
Біотехнолоія
6
13.3. Генноінженерний метод отримання інтерферонів...................327
13.4. Одержання вдосконалених інтерферонів.....................................332
13.5. Використання екзогенного інтерферону у ветеринарній
медицині і тваринництві.......................................................................333
Контрольні питання.......................................................................................335
Розділ 14. Біотехнологія одержання моноклональних антитіл
(антитіл одного епітопу)..................................................................336
14.1. Традиційний спосіб одержання антитіл.......................................336
14.2. Моноклональні антитіла і гібридомна технологія.....................337
14.3. Застосування моноклональних антитіл ........................................344
Контрольні питання.......................................................................................346
Розділ 15. Біотехнологія і вакцини майбутнього...................................347
Контрольні питання......................................................................................365
Розділ 16. ДНКвакцини..................................................................................366
16.1. Структура.................................................................................................366
16.2. Вибір генів................................................................................................369
16.3. Методи і шляхи введення....................................................................369
16.4. Модуляція імунної відповіді..............................................................371
16.5. Підвищення імуногенності ДНКвакцин......................................373
Контрольні питання.......................................................................................374
Розділ 17. Біотехнологія одержання вітамінів........................................375
Контрольні питання......................................................................................385
Розділ 18. Біотехнології одержання біологічно активних
продуктів на основі металокомплексних сполук....................386
Контрольні питання......................................................................................399
Розділ 19. Біотехнології одержання Lамінокислот..............................401
19.1. Методи одержання Lамінокислот..................................................402
19.2. Біотехнологія виробництва Lметіоніну……………………...............407
19.3. Біотехнологія виробництва Lтриптофану…………………..............408
19.4. Біотехнологія одержання Lлізину…………………………...................412
19.5. Біотехнологія одержання Lтреоніну…………………….....................416
19.6. Біотехнологія одержання Lаспарагінової кислоти…….............418
19.7. Біотехнологія одержання Lглутамінової кислоти………...........420
Контрольні питання.......................................................................................421
Розділ 20. Біотехнологія одержання ферментів.....................................423
20.1. Джерела ферментів...............................................................................425
20.2. Методи культивування мікроорганізмівпродуцентів
ферментів....................................................................................................431
20.3. Одержання товарних форм ферментних препаратів................433
20.3.1. Виділення ферментів.................................................................433
20.3.2. Очищення ферментних препаратів.......................................435
20.3.3. Концентрування ферментів.....................................................437
ЗМІСТ
7
20.3.4. Стандартизація ферментних препаратів..............................437
20.3.5. Ідентифікація і індексація ферментних препаратів..........438
20.4. Промислові ферментні препарати..................................................438
Контрольні питання......................................................................................440
Розділ 21. Біотехнологія виробництва білка............................................441
21.1. Виробництво білків одноклітинних організмів..........................442
21.2. Мікроорганізмипродуценти білка..................................................445
21.3. Принципова технологічна схема одержання
мікробного білка.....................................................................................448
21.4. Одержання мікробного білка на відходах переробки
нафти...........................................................................................................450
21.5. Одержання мікробіального білка на природному
газі (метані)...............................................................................................451
21.6. Одержання мікробного білка на нижчих спиртах —
метанолі і етанолі...................................................................................452
21.7. Одержання мікробного білка на гідролізатах
рослинних відходів.................................................................................454
21.8. Одержання білка одноклітинних водоростей..............................455
21.9. Отримання високобілкових кормових препаратів із
сировини, що постійно відновлюється...........................................457
21.9.1. Ферментація у зануреній культурі або глибинне
культивування мікроорганізмів....................................................459
21.9.2. Твердофазова ферментація рослинної сировини..............460
21.10. Мікробіальний білок у харчуванні людей...................................463
Контрольні питання......................................................................................465
Розділ 22. Біотехнології утилізації і біоконверсії відходів
агропромислового комплексу.......................................................467
22.1. Негативний вплив відходів тваринництва на навколишнє
середовище...............................................................................................467
22.2. Методи утилізації гною......................................................................468
22.2.1. Традиційні методи. Використання гною як
органічного добрива...........................................................................469
22.2.2. Мінералізація органічних речовин у ґрунті
і водоймищах.........................................................................................470
22.2.3. Включення гною до раціонів сільськогосподарських
тварин......................................................................................................474
22.3. Нетрадиційні методи. Біотехнологія одержання біогазу
шляхом анаеробного зброджування відходів...........................475
22.3.1. Біометаногенез та його етапи..................................................476
22.3.2. Фактори, які впливають на біометаногенез і їх
оптимізація............................................................................................480
22.3.3. Технікотехнологічні аспекти виробництва біогазу........492
22.3.3.1. Склад та розповсюдження БГУ у світі........................492
22.3.3.2. Конструкційні особливості реактора БГУ................494
22.3.3.3. Класифікація БГУ за принципом дії...........................496
22.3.3.4. Технікотехнологічні рівні БГУ.....................................497
22.3.4. Фракції, що утворюються в процесі біометаногенезу......506
22.3.4.1. Біогаз, його склад та використання...............................506
22.3.4.2. Шлам, його склад та використання...............................509
22.3.4.3. Рідка фракція, склад і використання..........................511
22.3.5. Шляхи вдосконалення біогазового виробництва..............512
22.3.6. Сучасний стан виробництва біогазу в Європі та світі......512
22.3.7. Стан виробництва біогазу в Україні......................................523
Контрольні питання......................................................................................532
Розділ 23. Біотехнологія утилізації органічних відходів
методом вермікультивування........................................................535
23.1. Загальні відомості й біологічні особливості дощових
черв’яків..................................................................................................537
23.2. Способи вирощування черв’яків......................................................540
23.3. Підготовка субстрату (корму) для черв’яків................................542
23.4. Методика формування лож і техніка закладки маточного
поголів’я в субстрат.............................................................................546
23.5. Умови утримання черв’яків у ложах ..............................................547
23.6. Оцінка стану популяції черв’яків....................................................548
23.7. Методика розділення лож..................................................................549
23.8. Технологія вермікультивування взимку.......................................551
23.9. Вермікультивування на присадибних ділянках..........................553
23.10. Вермікультура, її склад та використання....................................557
23.11. Біогумус, його склад і використання............................................561
Контрольні питання......................................................................................564
Розділ 24. Біотехнологія отримання біомаси одноклітинної
водорості спіруліни............................................................................566
24.1. Загальна характеристика спіруліни................................................568
24.2. Склад живильного середовища для вирощування
спіруліни.................................................................................................569
24.3. Хімічний склад і поживна цінність спіруліни.............................571
24.4. Використання біомаси спіруліни.....................................................575
24.5. Технологія вирощування спіруліни для використання
в годівлі тварин.....................................................................................577
24.6. Вирощування спіруліни для використання у
фармацевтичній промисловості.....................................................580
Контрольні питання.......................................................................................585
Основна література ..........................................................................................586
Рекомендована література...............................................................................588
Словник термінів.................................................................................................590
Іменний покажчик..............................................................................................628
Предметний покажчик......................................................................................631
Біотехнолоія
8
XXI століття називають «золотим сторіччям» біології. Це
стосується і одного з її напрямів — біотехнології.
Біотехнологія — це напрям біології, який вивчає застос
ування біологічних об’єктів та хімікобіологічних процесів з ме
тою отримання різноманітної продукції для вирішення народ
ногосподарських проблем.
Власне, ще з давніх часів людство використовує окремі біо
технологічні процеси у різних сферах практичної діяльності.
Однак лише з 70х років минулого сторіччя біотехнологія як са
мостійна наука сформувалась на базі молекулярної біології, клі
тинної та генетичної інженерії, широкого використання методів
мікробіології, біохімії, біоорганічної хімії та інших наук. Нині
нова біотехнологія є одним з пріоритетних напрямів сучасної
науки, які забезпечують прискорення науковотехнічного про
гресу, а також дійовим засобом для подолання сировинних, про
довольчих, енергетичних, екологічних та економічних проблем.
Її використовують при розв’язанні багатьох практичних питань,
пов’язаних з підвищенням ефективності охорони здоров’я лю
дей і тварин, збільшенням продовольчих ресурсів та забезпе
ченням промисловості сировиною, використанням рентабель
них поновлювальних джерел енергії і організації безвідходних
виробництв, зменшенням шкідливих антропогенних впливів на
довкілля та в інших галузях діяльності людини.
Біотехнологія, як наука, є більш зрілим етапом у розвитку
біології, яка нині і в майбутньому займатиметься створенням
цілого з елементів, вивчених раніше (Глеба Ю., 2002).
Могутнім підґрунтям нової біотехнології є встановлення
Ейвері О. (1944) біологічної ролі ДНК. Було доведено, що ця
полімерна хімічна сполука є носієм спадкової інформації. Зго
дом Кріком Ф., Уотсоном Д. (1953) було зроблено епохальне
відкриття: встановлено структурну організацію ДНК у вигляді
подвійної спіралі. Завдяки цій події наступні кроки, що було
ВСТУП
ВСТУП