Введение в биотехнологию - Основные образовательные

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Тобольский педагогический институт им. Д.И. Менделеева (филиал) ТюмГУ
Естественнонаучный факультет
Кафедра биологии, экологии и методики преподавания естествознания
«УТВЕРЖДАЮ»:
Директор филиала «ТюмГУ» в г. Тобольске
_______________________ /Е.А. Короткова /
__________ _____________ 201__г.
Мирюгина Татьяна Андреевна
ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 06.03.01 Биология
очная форма обучения
Тобольский педагогический институт им. Д.И. Менделеева (филиал) ТюмГУ
2014г.
1
1. Цели и задачи освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Введение в биотехнологию» является формирование у
студентов современных представлений об уровне научных достижений в области биоинженерии и биотехнологии, клеточной и генетической инженерии, энзимологии и т.д. и знакомство с
существующими промышленными биотехнологическими процессами различного уровня.
Задачи: формирование у студентов современных представлений о достижениях в
области биотехнологии и биоинженерии, клеточной и генетической инженерии, энзимологии;
знакомство с существующими промышленными биотехнологическими процессами различного
уровня; рассмотрение теоретических основ биотехнологии и знакомство студентов с ее отдельными разделами и методами.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата (магистратуры)
Дисциплина «Введение в биотехнологию» относится к базовой части профессионального
цикла.
«Введение в биотехнологию» — это ознакомительная дисциплина, которая изучает основные понятия и теоретические принципы генной и клеточной инженерии, методы получения
биотехнологических продуктов, достижения биотехнологии и перспективы её использования.
Биотехнология междисциплинарная наука, которая возникла и развивается на стыке нескольких
биологических наук, включая микробиологию, биохимию, физиологию растений, молекулярную биологию, генетику.
Для освоения данного курса обучающийся должен владеть базовыми знаниями по следующим дисциплинам: «Химия», «Микробиология и вирусология», «Биохимия с основами молекулярной биологии и биофозики», «Генетика и эволюция».
Параллельно с дисциплиной «Введение в биотехнологию» изучается дисциплина «Современные проблемы биологии».
Освоение данной дисциплины необходимо для изучения таких дисциплин, как «Иммунология», «Основ биоэтики», профессиональной деятельности выпускников, а также для последующего прохождения практик, подготовки к итоговой государственной аттестации.
3. Требования к результатам освоения дисциплины
3.1. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения ОП выпускник должен обладать следующими компетенциями:
- способностью применять современные представления об основах биотехнологических
и биомедицинских производств, генной инженерии, нанобиотехнологии, молекулярного моделирования – ОПК 11
3.2. В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: основные понятия и терминологию, методы получения биотехнологических
продуктов, достижения биотехнологии и перспективы её использования; методы управления в
сфере биотехнологии, природопользования и восстановления и охраны биоресурсов.
Уметь: объяснять основные понятия и методы биотехнологии; объяснять основные теоретические положения генной и клеточной инженерии.
Владеть: основными терминами биотехнологии; методами поиска и анализа биотехнологической информации; современными представлениями об основах биотехнологии.
2
Карта критериев оценивания компетенций
Код
Критерии в соответствии с уровнем освоения ОП
компетенции
пороговый
Базовый
повышенный
(удовл.)
(хор.)
(отл.)
61-75 баллов
76-90 баллов
91-100 баллов
Виды занятий (лекции,
семинарские, практические,
лабораторные)
Оценочные
средства (тесты, творческие работы,
проекты и
др.)
ОПК
11
лекции, семинарские
занятия
тесты, эссе,
контрольные
работы, презентации
лекции, семинарские
занятия
тесты, эссе,
контрольные
работы, презентации
лекции, семинарские
занятия
тесты, эссе,
контрольные
работы, презентации
Знает: фундаментальные
основы биотехнологии
Знает: фундаментальные
основы биотехнологии,
имеет базовые
представления
об основах
биотехнологических производств
Умеет: демонстрировать
знания о фундаментальных
основах биотехнологии
Умеет: демонстрировать
знания о фундаментальных
основах биотехнологии,
способен освоить базовые
методики, необходимые при
биотехнологическом производстве
Владеет: навыками
демонстрации знаний
о
фундаментальных основах биотехнологии
Владеет: навыками
демонстрации знаний
о
фундаментальных основах биотехнологии, навыками
освоения
базовых методик, необходимых при биотехнологическом производстве
Знает: фундаментальные основы биотехнологии, генной
инженерии, имеет базовые представления об основах биотехнологических и
биомедицинских
производств,
нанотехнологиях
Умеет: демонстрировать и передавать знания
о фундаментальных основах
биотехнологии,
генетической
инженерии способен освоить
базовые методики, необходимые
при биотехнологическом производстве
Владеет: навыками демонстрации и передачи
знаний о фундаментальных основах биотехнологии, генетической инженерии,
навыками освоения базовых методик, необходимых при биотехнологическом производстве
3
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы (72 часа)
4.1. Структура дисциплины
Таблица 1
№
Наименование раздела дисциплины
Семестр
Виды учебной работы
(в академических часах)
аудиторные занятия
СР
ЛК
ЛБ
4
4
14
7
2
Краткая история развития биотехнологии.
Генная и клеточная инженерия.
7
6
4
14
3
Экологическая биотехнология.
7
4
6
12
14
14
44
1
Итого
4.2. Содержание дисциплины
1
Таблица 2
Наименование разСодержание раздела
дела дисциплины
(дидактические единицы)
Краткая история
Введение в биотехнологию. Определение, основные понятия и
развития биотехноло- терминология. Краткая история развития биотехнологии: исгии.
пользование природных штаммов дрожжей; использование
селекции штаммов дрожжей; культура меристемных клеток,
тканевые культуры клеток животных и человека.
2
Генная и клеточная
инженерия.
Рекомбинантная ДНК, методы её получения. Использование
методов клеточной инженерии для получения ряда белков.
Генно-инженерные подходы к решению проблемы усвоения
азота.
Клеточная инженерия. Получение, культивирование и гибридизация протопластов. Создание искусственных ассоциаций клеток высших растений с микроорганизмами как способ
модификации растительной клетки.
Получение трансгенных растений и животных.
3
Экологическая биотехнология.
Биотехнология получения и использования ферментов. Экологическая биотехнология. Перспективы развития биотехнологии в свете решения глобальных проблем человечества и
проблемы биоэтики.
№
4
5. Образовательные технологии
Таблица 3
№
№
Тема занятия
занятия раздела
Виды образовательных технологий
Колво
часов
1
1
Предмет и задачи биотехнологии. Экономические и социальные аспекты развития
биотехнологии
Информационнокоммуникационные
технологии
2
2
1
Биотехнология получения и использования
ферментов
Интерактивные технологии
2
3
1
Правила стерильной работы в лаборатории
Традиционные образовательные технологии
2
4
1
Питательные среды для микроорганизмов и Традиционные образоих приготовление
вательные технологии
2
5
2
Генетическая инженерия, принципы, возможности.
Интерактивные технологии
6
2
Клеточная инженерия. Культура эукариотических клеток животных
Интерактивные технологии
2
7
2
Получение, культивирование и гибридизация Интерактивные технопротопластов
логии
2
8
2
Методики культивирования клеток
Традиционные образовательные технологии
2
9
2
Микроразмножение томатов или табака че- Традиционные образоренкованием побегов
вательные технологии
2
10
3
2
11
3
Биотехнология получения и использования
ферментов. Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов
и клеток
Экологическая биотехнология. Защита окружающей среды
12
3
13
3
14
3
Интерактивные технологии
Информационнокоммуникационные
технологии
Получение каллусной ткани у разных расти- Традиционные образотельных объектов
вательные технологии
Получение и культивирование каллуса из Традиционные образостебля картофеля
вательные технологии
Поддержание
культур
и
сохранение
5
клеточных Традиционные образовательные технологии
2
2
2
6. Самостоятельная работа студентов
Таблица 4
№
1
2
3
Наименование раздела
дисциплины
Трудоемкость
(в академических
часах)
Вид самостоятельной работы
Краткая история развития Конспектирование текста; составление
биотехнологии.
таблиц для систематизации учебного
материала
Генная и клеточная инже- Ответы на контрольные вопросы; изунерия.
чение дополнительных тем занятий; работа с конспектом лекции (обработка
текста)
Экологическая биотехноло- Использование аудио- и видеозаписей,
гия.
компьютерной техники и Интернета;
составление таблиц для систематизации
учебного материала
14
14
16
7. Компетентностно-ориентированные оценочные средства
7.1. Оценочные средства диагностирующего контроля
В качестве входящего контроля проводится контрольная работа по основным разделам
биологии
1). Отличия живой материи от неживой.
2). Особи каких возрастных стадий образуют ценопопуляцию растений?
3). Сущность биохимической теории возникновения жизни.
4). Отличия клетки растительного организма от клетки животных.
5). Своеобразие живой материи на клеточном уровне.
6). Отличия многоклеточного растительного организма от многоклеточного животного организма.
7). Раскройте характеристики геохимических функций живого вещества.
7.2. Оценочные средства текущего контроля: модульно-рейтинговая технология
оценивания работы студентов
7.2.1. Распределение рейтинговых баллов по модулям и видам работ
Таблица 5
Виды работ
Аудиторные занятия
Лекции
Лабораторные занятия
Самостоятельная работа
Итого за работу в семестре
Обобщающий контроль
Итого
Максимальное количество баллов
Модуль 1
Модуль 2
Модуль 3
Итого
10
4
6
10
20
12
4
8
13
25
18
6
12
17
35
40
14
26
40
80
20
100
6
7.2.2. Оценивание аудиторной работы студентов
Таблица 6
№
Наименование раздела
дисциплины
Формы оцениваемой работы
Максимальное
количество
баллов
Модуль (аттестация)
Работа на лекциях
1
2
3
1
2
3
Краткая история развития Конспектирование лекци2
биотехнологии.
онного материала
Генная и клеточная инже- Конспектирование лекци3
нерия.
онного материала
Экологическая биотехноло- Конспектирование лекци2
гия.
онного материала
Работа на практических (семинарских, лабораторных) занятиях
Краткая история развития Посещение занятий
биотехнологии.
Выполнение аудиторной
контрольной работы Фронтальный опрос по теме
Генная и клеточная инже- Посещение занятий Вынерия.
полнение аудиторной контрольной работы
Фронтальный опрос по теме
Экологическая биотехноло- Посещение занятий
гия.
Выполнение аудиторной
контрольной работы
Фронтальный опрос по теме
1
2
3
6
1
8
2
12
3
7.2.3. Оценивание самостоятельной работы студентов
Таблица 7
№
1
2
Наименование
раздела (темы)
дисциплины
Краткая история
развития биотехнологии.
Генная и клеточная
инженерия.
Формы оцениваемой работы
Составление таблицы «Классификация современных биологических
агентов»
Составление аннотаций нескольких
научно-популярных биологических
изданий.
Составить конспект «История формирования биотехнологии и периодизация ключевых этапов».
Составление аннотированных списков информационных ресурсов по
биотехнологии.
Составление таблицы «Технологии
получения, области и перспективы
применения трансгенных растений».
7
МаксимальМодуль
ное количе- (аттестация)
ство баллов
3
1
3
4
4
2
6
3
Экологическая биотехнология.
Составить конспект «Мифы и реальные риски генноинженерных технологий и продуктов».
Составление тематического глоссария «Биотехнология»
Подготовка презентации «Генная и
клеточная нженерия»
Подготовка реферата по тематике
модуля (1 реферат для каждого студента, тема модуля – по выбору ).
3
5
6
3
6
7.2.4. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости
Примерные тесты для аудиторной контрольной работы:
1.
Процесс анаэробного расщепления органических веществ под влиянием микроорганизмов или выделенных им ферментов называется:
а) брожение;
б) дыхание;
в) окисление.
2.
Ферменты, расщепляющие крахмал – это:
а) амилазы;
б) протеазы;
в) лактоза.
3.
Бактерии, вызывающие порчу пищевых продуктов:
а) стафилококки;
б) лактобациллы;
в) стрептомицеты.
4.
Биотоплива третьего поколения – это топлива полученные из … .
а) бактерий;
б) водорослей;
в) древесины.
5.
Для разрушения клеточной стенки растений используют фермент
а) пектиназу;
б) целлюлазу;
в) лактазу.
Примерная тематика рефератов
Биотехнологии, не требующие генной инженерии
1) Анаэробная очистка сточных вод.
2) Экстенсивная аэробная очистка сточных вод: биопруды, поля фильтрации и орошения.
3) Биофильтры; строение очистных сооружений.
4) Ферменты, производимые биотехнологически. Особенности производства ферментов.
5) Применение антибиотиков в сельском хозяйстве.
Принципы использования генной инженерии в биотехнологии:
1) Способы отбора рекомбинантных клонов.
2) Методы нерестрикционного и рестрикционного получения фрагментов ДНК.
3) Векторная молекула. Способы введения ДНК в векторную молекулу.
4) Первые использованные векторы - плазмиды, основные их характеристики, определяемые
плазмидами свойства микроорганизмов.
5) Требования к векторной молекуле.
Особенности используемых в биотехнологии генно-инженерных методов:
1) Способы улучшения секреции белка. Секреторные векторы.
2) Регуляция репликации плазмид. Факторы, ограничивающие экспрессию генов.
8
3) Векторы на основе фага лямбда.
5) Синтез секретируемых белков бактерий. Сигнальный пептид и прочие факторы, определяющие секрецию пептидов.
Разнообразие организмов продуцентов:
1) Актиномицеты, коринебактерии.
2) Использование клеток насекомых, бакуловирусы.
3) Вирусные векторы для животных: паповавирусы, вирус осповакцины, аденовирусы, парвовирусы, ретровирусы.
4) Растительные векторы: транспозоны, вирусы. Способы трансформации растительных организмов.
5) Роль генной инженерии в сельском хозяйстве.
Частные примеры использования биотехнологии:
1) Интерфероны и их получение.
2) Иммуноглобулины - особенности их строения и получения.
3) Белковые гормоны человека и животных: соматотропин, инсулин.
4) Схема получения генно-инженерных вакцин, примеры.
5) Генная инженерия и наука: Использование сигнальных пептидов и флуоресцирующих белков.
7.3 Оценочные средства промежуточной аттестации
7.3.1. Рубежные баллы рейтинговой системы оценки успеваемости студентов
Таблица 8
Вид аттестации
Допуск к
аттестации
Зачёт
40 баллов
61 балл
Экзамен (соответствие рейтинговых баллов
и академических оценок)
Удовл.
Хорошо
Отлично
61-72 баллов 73-90 баллов
91-100 баллов
7.3.2. Оценочные средства для промежуточной аттестации
Вопросы для зачета, 7 семестр
1. Предмет и задачи биотехнологии.
2. История развития биотехнологии, как науки.
3. Характеристика основных отраслей биотехнологии.
4. Характеристика клеточных технологий применяемых в биотехнологии.
5. История развития метода культуры клеток, тканей и органов высших растений.
6. Дедифференцировка растительных клеток и каллусогенез in vitro.
7. Характеристика клеточных культур высших растений.
8. Вторичная дифференциация и морфогенез in vitro.
9. Методы получения генов in vitro для растительных организмов.
10. Описание и характеристика векторы и коструирование рекомбинантных ДНК.
11. Гибридизация клеток в культуре растительных организмов.
12. Трансплантация ядер в растительных клетках.
13. Микроклетки и изолированные хромосомы растительных клеток.
14. Культура клеток высших растений.
15. Культивирование растительных клеток и их особенности.
16. Андрогенез: получение гаплоидных растений в культуре пыльников.
17. Гиногенез: Получение гаплоидов через культуру неоплодотворенных семяпочек и
завезей.
18. Проблемы регенерации гаплоидных растений.
19. Теоретические аспекты и практическое значение гаплоидии.
20. Характеристика протопластов растительных клеток.
9
21. Методы получения мутантов растений in vitro и их оценка.
22. Получение мутантов in vitro характеризующихся устойчивостью к антибиотикам.
23. Получение мутантов in vitro характеризующихся устойчивостью к гербицидам.
24. Получение мутантов in vitro характеризующихся устойчивостью к аминокислотам и
их аналогам.
25. Получение мутантов in vitro характеризующихся устойчивостью к абиотическим
стрессам.
26. Генно-инженерные подходы к решению вопроса усвоения почвенного и атмосферного азота.
27. Устойчивость высших растений фитопатогенам и вредителям сельскохозяйственных
культур.
28. Методологические основы соматической гибридизации растительных организмов.
29. Соматическая гибридизация отдаленных видов растений.
30. Характеристика прикладных аспектов соматической гибридизации.
31. Характеристика опухолей, интродуцируемых агробактериями.
32. Классификация агробактерий и свойства онкогенных плазмид.
33. Характеристика основных векторов переноса генетической информации.
34. Методы трансформации высших растений.
35. Характеристика основных проектов получения трансгенных растений.
36. Основные этапы клонирование растительных генов.
37. Характеристика методов клонирования генов.
38. Характеристика факторов влияющих на процесс микроклонального размножения
высших растений.
39. Характеристика прямого соматического эмбриогенеза.
40. Практическое значение метода микроклонального размножения растительных организмов.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Ксенофонтов Б.С. Основы микробиологии и экологической биотехнологии. [Электронный ресурс] / Б.С. Ксенофонтов. - М.: ИД ФОРУМ: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 224 с. Режим
доступа: http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=482844 (27.02.2014)
2. Сазыкин, Ю.А. Биотехнология : учеб. пособие / Ю. А. Сазыкин, С. Н. Орехов, И.И.
Чакалёва ; под ред. А. В. Катлинского. - 3-е изд. - М. : Академия, 2008. - 256 с.; УМО
Б) дополнительная литература:
1. Белокрылова, Е. А. Особенности правового обеспечения отношений в области экологической безопасности нанотехнологий и наноматериалов [Электронный ресурс] / Е. А. Белокрылова // Право и экология: материалы VIII Международной школы-практикума молодых
ученых-юристов (Москва, 23-24 мая 2013 г.) / Отв. ред. Ю. А. Тихомиров, С. А. Боголюбов. М.:
ИЗиСП:
ИНФРА-М,
2014.
с.
167
172.
Режим
доступа:
http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=471904 (27.02.2014)
2. Загребельный С.Н. Биотехнология : учебное пособие для студ. / С. Н. Загребельный.
- Новосибирск : НГУ, 2005. - 299 с.
3. Неверова О.А. Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного происхождения: учебник.- Новосибирск: Сиб.унив.изд-во, 2007.
4. Шевердин, А. В. Биотехнологии и экологическая безопасность человека [Электронный ресурс] / А. В. Шевердин // Право и экология: материалы VIII Международной школыпрактикума молодых ученых-юристов (Москва, 23-24 мая 2013 г.) / Отв. ред. Ю. А. Тихомиров,
С. А. Боголюбов. - М.: ИЗиСП: ИНФРА-М, 2014. - с. 200 - 203. - Режим доступа:
http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=472024 (27.02.2014)
10
в) периодические издания:
Журналы:
1. Вестник МГУ. Серия №16. Биология
2. В мире науки
3. Журнал общей биологии
4. Журнал экспериментальной биологии
5. Наука в России
6. Успехи современной биологии
Газеты
1. Реферативные журналы ВИНИТИ
2. Биология: -Раздел 04Р. Биотехнология. Бионанотехнологии. Бионаноматериалы.
3. Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов
4. Системы, приборы и методы контроля качества окружающей среды
г) мультимедийные средства:
1. Введение в биотехнологию. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : электрон. учеб.-метод.
комплекс / Т. Г. Волова, Н. А. Войнов, Е. И. Шишацкая, Г. С. Калачева. – Электрон. дан. (91
Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (Введение в биотехнологию : УМКД № 143-2007 / рук.
творч. коллектива Т. Г. Волова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel
Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 54 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система
Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный
продукт для чтения файлов формата pdf). – (Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802394 от 21.11.2008 г.).
2. Волова, Т. Г. Введение в биотехнологию. Банк тестовых заданий Версия 1.0 [Электронный ресурс] : контрольно-измерительные материалы / Т. Г. Волова, Н. А. Войнов, Е. И. Шишацкая. – Электрон. дан. (50 Мб). –Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (Введение в биотехнологию :
УМКД № 143-2007 / рук. творч. коллектива Т. Г. Волова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). –
Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ;
512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или
аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf). – (Номер гос. регистрации в ФГУП
НТЦ «Информрегистр» 0320802383 от 22.11.2008 г.).
д) Интернет-ресурсы:
1. http://www.bio.pu.ru/index.php Санкт-Петербургский государственный университет, биологический факультет.
2. http://www.soil.msu.ru/ Московской государственный университет им. М.В. Ломоносова,
факультет биологии.
3. http://ru.wikipedia.org/ электронная энциклопедия.
4. http://www.mgul.ac.ru/info/flh/soil/ Московский государственный университет.
5. http://www.bio.vsu.ru/soil/ Воронежский государственный университет.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекционная мультимедийная аудитория: компьютер «Pentium - 4», плазменный телевизор, документ-камера «AVerVision 300», имеется возможность дополнительного подключения
аудиовизуальных средств.
Лаборатория цифровой микроскопии: компьютеры «Core 2 Duo E 4400» - 6шт., электронные микроскопы «Motic DM-52» - 5 шт., цифровой стереоскопический микроскоп «Motic DM39» - 1 шт., биологический микроскоп со встроенной камерой «Motic DMBA300» - 1 шт., документ-камера «AVerVision 300».
11
Стерилизатор воздушный, микротом санный МС 2, ламинарный шкаф, аппарат для гистологической заливки тканей с нагревающей и охлаждающей платой, фотометр фотоэлектрический КФК-3, центрифуга ОПН-8 с ротором РУ.
10. Паспорт рабочей программы дисциплины
Разработчик(и) : Мирюгина Т.А., к.с-х.н, доцент кафедры биологии, экологии и МПЕ
Программа одобрена на заседании кафедры биологии, экологии и методики преподавания естествознания
от «__1_» сентября_2015г., протокол №_1__
12
Приложение 1.
Лекционный курс по дисциплине «Введение в биотехнологию»
Раздел 1.
Тема 1 «Предмет и задачи биотехнологии. Экономические и социальные аспекты
развития биотехнологии»
Использование научных достижений в области физико-химической биологии и фундаментальных биологических дисциплин в биоиндустрии. Отличие современной биотехнологии
от традиционных микробиологических производств. Предмет и задачи биотехнологии. Использование научных достижений в области физико-химической биологии и фундаментальных биологических дисциплин в биоиндустрии. Отличие современной биотехнологии от традиционных
микробиологических производств. Экономические и социальные аспекты развития биотехнологии.
Тема 2. «Биотехнология получения и использования ферментов»
Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток».
Получение микробных высокоочищенных ферментных препаратов. Культивирование продуцентов ферментов. Переработка культуральной жидкости. Методы иммобилизации ферментов.
Носители для иммобилизации ферментов.
Биотехнология в молочной промышленности; приготовление молочнокислых продуктов, сыра, молочного сахара. Сахароза и ее заменители. Пищевые кислоты. Дрожжи и продукты дрожжевого брожения. Производство алкогольных напитков.
Раздел 2.
Тема 3 «Генетическая инженерия, принципы, возможности»
Основы генетической и генной инженерии. Биотехнология конструирования рекомбинированной ДНК. Системы переноса рекомбинированных молекул в реципиентную клетку. Векторные системы на основе Ti–плазмид. Физические методы переноса генов в растительные
клетки: микроинъекция ДНК; бомбардировка микрочастицами; применение репортерных генов
при трансформации клеток растений; электропорация; слияние липосом.
Создание трансгенов, устойчивых к вирусным, бактериальным и грибковым инфекциям.
Создание биопестицидов (микробиологические пестициды).
Генная инженерия растений: выведение растений, устойчивых к насекомым-вредителям,
вирусам и гербицидам. Получение растений, противостоящих к неблагоприятным воздействиям
и старению.
Трансгенные животные. Трансгенные мыши: методология. Использование ретровирусных векторов; метод микроиъекций ДНК; использование модифицированных эмбриональных
стволовых клеток; клонирование с помощью переноса ядра. Трансгенные мыши: применение.
Тема 4 «Клеточная инженерия. Культура эукариотических клеток животных»
Культура клеток эукариотных организмов. Дедифференцировка и каллусогенез - как основа создания пересадочных клеточных культур. Генетическая и физиологическая гетерогенность клеточных культур. Стерилизация - как необходимое условие культивирования клеток in
vitro. Питательные среды, их состав. Культуры каллусных клеток, их возможное использование.
Суспензионные культуры и их использование для получения веществ вторичного синтеза.
Культивирование отдельных клеток
Тема 5 «Получение, культивирование и гибридизация протопластов»
Перенос клеточных органелл. Использование изолированных протопластов в клеточной
селекции и генной инженерии.
Создание искусственных ассоциаций культивируемых клеток высших растений с микроорганизмами как способ модификации растительной клетки и растения в целом.
Введение цианобактерий в клетки растений, возможности их использования.
Получение, культивирование и гибридизация протопластов.
Перенос геномов путем трансплантации ядер и метафазных хромосом. Гибридизация
соматических и половых эмбриональных клеток. Технология получения гибридом. Биотехнология производства моноклональных антител.
13
Клональное микроразмножение растений и его классификация Тотипотентность растительных клеток. Регенерация растений из каллусов. Индукция развития меристематических
тканей. Оздоровление растений, с помощью клонального микроразмножения.
Раздел 3.
Тема 6. «Биотехнология получения и использования ферментов. Промышленные
процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток»
Получение микробных высокоочищенных ферментных препаратов. Культивирование продуцентов ферментов. Переработка культуральной жидкости.
Методы иммобилизации ферментов. Носители для иммобилизации ферментов.
Ферментная биотехнология
Получение микробных высокоочищенных ферментных препаратов. Культивирование
продуцентов ферментов. Переработка культуральной жидкости. Хроматрграфическое фракционирование.
Инженерная энзимология
Методы иммобилизации ферментов. Носители для иммобилизации ферментов. Производства, основанные на применении иммобилизированных ферментов (превращение крахмала в
глюкозу; получение L-аминокислот из рацемических смесей; производство фруктозной патоки;
синтез органических кислот). Иммобилизованные ферменты в тонком органическом синтезе.
Иммобилизованные ферменты в медицине. Будущее технологии иммобилизованных ферментов.
Биотехнологические процессы в пищевой промышленности
Биотехнология в молочной промышленности: приготовление молочнокислых продуктов,
сыра, молочного сахара. Производство кормового белка. Дрожжи и продукты дрожжевого брожения. Производство алкогольных напитков. Использование водорослей и грибов.
Тема 7. «Экологическая биотехнология. Защита окружающей среды»
Биотехнология как наукоемкая ("высокая") технология и ее преимущества в экологическом аспекте перед традиционными технологиями. Направления дальнейшего совершенствования биотехнологических процессов применительно к проблемам охраны окружающей среды.
Малоотходные технологии. Итоги и перспективы их внедрения на биотехнологических производствах. Особенности биотехнологических производств применительно к их отходам.
Классификация отходов. Соотношение различных видов отходов. Очистка жидких отходов. Схемы очистки. Аэротенки. Активный ил и входящие в него микроорганизмы.
Создание методами генетической инженерии штаммов микроорганизмов-деструкторов с
повышенной способностью к деструкции веществ, содержащихся в жидких отходах, Основные
характеристики штаммов деструкторов. Их неустойчивость в природных условиях. Сохранение
штаммов на предприятиях. Нормы внесения биомассы штаммов при пиковых нагрузках на
очистные сооружения.
Уничтожение или утилизация твердых (мицелиальных) отходов. Биологические, физикохимические, термические методы обезвреживания мицелиальных отходов. Утилизация мицелиальных отходов в строительной промышленности. Использование отдельных фракций мицелиальных отходов в качестве пеногасителей и др.
Очистка выбросов в атмосферу. Биологические, термические, физико-химические и другие методы рекуперации и обезвреживания выбросов в атмосферу.
14
Приложение 2.
Лабораторный практикум
Лабораторная работа 1. «Правила стерильной работы в лаборатории»
Выращивание изолированных клеток, тканей, органов, растений-регенерантов, водных
культур и грибов, используемых в биотехнологии, проводят в условиях полной асептики, т.е.
стерильно. Особое внимание следует обратить на чистоту посуды, предназначенной для приготовления питательных сред и их компонентов; на подготовку объектов к пересадке, пассированию и культивированию. Только некоторые объекты (хлорелла, азолла) можно выращивать в
нестерильных условиях.
Лабораторная работа 2. Питательные среды для микроорганизмов и их приготовление
1. Приготовление бобового агара
2. Приготовление среды для хлореллы
3. Приготовление среды для цианобактерий
Лабораторная работа 3. Микроразмножение томатов или табака черенкованием
побегов.
Материалы и оборудование:
пробирочные растения томатов или табака, пробирки с питательной средой МС, стерильные скальпели, пинцеты, чашки Петри.
Лабораторная работа 4. Получение каллусной ткани у разных растительных объектов. Получение каллусной ткани из листьев табака
Материалы и оборудование:
растения табака любого возраста, стерильные или нестерильные, этанол, 4% раствор
хлорамина, пробирки со стерильной водой (3 штуки), скальпель, пинцет, спиртовка, кафельная
плитка, стаканчик, подставки для инструмента, кисточка, чашка Петри, спички, пробирки со
средой МС с добавлением гормонов: 2 мг 2,4-Д и 0,2 мг кинетина на литр среды.
Ход работы:
Лабораторная работа 5. Получение и культивирование каллуса из стебля картофеля
Материалы и оборудование:
стерильные растения картофеля в пробирке или нестерильные проростки клубней картофеля, длиной 10-15 см., этанол, 4% раствор хлорамина, пробирки со стерильной водой (3 штуки), скальпель, пинцет, спиртовка, кафельная плитка, стаканчик, подставки для инструмента,
кисточка, стерильная чашка Петри, спички, чашки Петри или колбы со средой МС (с добавлением
гормонов
4
мг
2,4-Д
и
0.2
мг
кинетина
на
литр
среды).
В ответ на поранение паренхимные клетки, помещенные в питательную среду, содержащую
фитогормоны, дедифференцируются, переходят к делению и образуют каллус.
Лабораторная работа 6. Получение и культивирование каллуса из зародышей пшеницы
Материалы и оборудование:
Зрелые зерновки пшеницы, пробирки со стерильной средой Гамборга с добавлением 5
мг на литр 2,4-Д, стерильный пинцет, скальпель, кисточка, стаканчик с этанолом, 4% хлорамин,
чашка Петри, кафельная плитка, колба со стерильной водой, спиртовка, спички.
Каллусы, полученные из зародышей пшеницы, используют для селекции растений на солеустойчивость, засухоустойчивость, устойчивость к другим неблагоприятным факторам.
Лабораторная работа 7. Поддержание и сохранение клеточных культур
Поддержание и сохранение культуры картофеля
Материалы и оборудование:
15
Пробирки с растениями картофеля, стерильный пинцет, скальпель, кисточка, стаканчик
с этанолом, чашка Петри, кафельная плитка, спиртовка, спички, пробирки с питательной средой МС.
Одним из способов сохранения и поддержания коллекции in vitro является клубнеобразование в пробирках. На процесс образования клубней in vitro оказывает влияние фотопериод,
температура, ростовые вещества, содержание сахарозы в питательной среде.
Ход работы:
2.2.Методические указания к выполнению лабораторных работ
Успешное освоение студентами курса данной дисциплины, зависит, прежде всего, от систематической подготовки к лабораторным занятиям, вдумчивого отношения к их выполнению.
Перед лабораторным занятием необходимо ознакомиться с теоретическими вопросами,
относящимися к рассматриваемой теме. Для этого используется материал учебников, учебных
пособий, конспектов лекций.
К каждому занятию представлены контрольные вопросы, на которые надо обратить
внимание при подготовке. По этим вопросам будет проводиться собеседование, тестирование и
другие формы контроля. Эти вопросы могут быть использованы преподавателем при отчете
студента за лабораторное занятие.
На лабораторном занятии студент должен внимательно прочитать содержание занятия и
методику выполнения лабораторной работы. При необходимости нужно уточнить у преподавателя объект и вариант исследования, просмотреть оборудование на своем и общем столах, затем
приступить к выполнению работы.
Лабораторные работы оформляются в рабочей тетради: указывается название работы,
задания, ход работы. Делаются необходимые рисунки, каждый из них должен иметь нумерацию, название, обозначаются и подписываются все элементы. После получения результатов
формулируются выводы.
Отчет по лабораторной работе может быть принят преподавателем на этом же занятии
либо на следующем.
16
Приложение 3.
Самостоятельная работа студентов
3.1.Задания для самостоятельной работы
Домашняя контрольная работа
«Методы биотехнологии с использованием растительных и животных клеток»
1. Как следует модифицировать P. putida, чтобы получился штамм, эффективно разрушающий трихлорэтилен?
2. Опишите процедуру клонирования целлюлазных генов грибов.
3. Как используются альфа-амилаза и глюкоамилаза в промышленном производстве этанола? Какие манипуляции с кодирующими эти ферменты генами следует провести, чтобы повысить эффективность процесса?
4. Что представляет собой фермент глюкозо-изомераза? В чем состоит ее ценность? как и
зачем можно модифицировать кодирующий ее ген?
5. Опишите достоинства и недостатки использования Zymomonas mobilis вместо Saccharomyces cerevisiae при производстве этанола. Как повысить эффективность промышленного
использования Z. mobilis?
6. Как с помощью генноинженерных методов модифицировать Z. mobilis, чтобы можно
было пользовать этот микроорганизм для производства этанола из ксилозы?
7. Взяв три штамма Pseudomonas, один из которых используется фенол в качестве
единственного источника углерода при 0 С, второй расщепляет антрацен с образованием катехола пр 35 С, а третий расщепляет n-толуол с образованием протокатехоата при 35 С,
предложите стратегию создания штамма, который сможет использовать в качестве единственного источника углерода фенол, антрацен или n- толуол при 0 С.
8. Как модифицировать штамм Pseudomonas, несущий плазмиду pWWO и не способный
расщеплять 4-этилбензоат, чтобы он мог утилизировать это соединение?
9. Предложите стратегии выделения прокариотических эндоглюканазных и бета- глюкозидазных генов.
10. Что такое «супербацилла»?
11. Как повысить эффективность образования силоса, проводя манипуляции с Lactobacillus plantarum?
12. Как следует модифицировать бактерии рубца, чтобы они обеспечивали крупный рогатый скот незаменимыми аминокислотами?
Подготовка презентаций
Составить презентации, для более глубокого раскрытия экологических проблем, целесообразно использовать следующий план.
Презентации составляются группой студентов, состоящей из 3-5 человек, примерное количество слайдов - 10 -12. Вопросы предварительно необходимо распределить, что бы каждая
группа студентов работала над своей проблемой, затем презентации представляются всем студентам для ознакомления с проблемой.
 Рекомбинантные продуценты биологически активных веществ и проблемы объективной информации населения.
 Организация контроля за охраной окружающей среды в условиях биотехнологического производства.
 Классификация отходов. Соотношение различных видов отходов. Очистка жидких
отходов. Схемы очистки. Аэротенки. Активный ил и входящие в него микроорганизмы.
 Создание методами генетической инженерии штаммов микроорганизмовдеструкторов с повышенной способностью к деструкции веществ, содержащихся в жидких отходах.
17
 Основные характеристики штаммов деструкторов. Их неустойчивость в природных
условиях. Сохранение штаммов на предприятиях. Нормы внесения биомассы штаммов при пиковых нагрузках на очистные сооружения.
 Уничтожение или утилизация твердых (мицелиальных) отходов. Биологические, физико-химические, термические методы обезвреживания мицелиальных отходов. Утилизация
мицелиальных отходов в строительной промышленности. Использование отдельных фракций
мицелиальных отходов в качестве пеногасителей и др.
 Очистка выбросов в атмосферу. Биологические, термические, физико-химические и
другие методы рекуперации и обезвреживания выбросов в атмосферу.
Примерная тематика рефератов
Биотехнологии, не требующие генной инженерии:
1) Анаэробная очистка сточных вод.
2) Экстенсивная аэробная очистка сточных вод: биопруды, поля фильтрации и орошения.
3) Биофильтры; строение очистных сооружений.
4) Активный ил (характеристика, получение, факторы, влияющие на использование активного ила).
5) Ферменты, производимые биотехнологически. Особенности производства ферментов.
6) Применение антибиотиков в сельском хозяйстве.
7) Микробиологическая трансформация химических соединений.
8) Биотехнология в металлургии.
Принципы использования генной инженерии в биотехнологии:
1) Способы отбора рекомбинантных клонов.
2) Методы нерестрикционного и рестрикционного получения фрагментов ДНК.
3) Векторная молекула. Способы введения ДНК в векторную молекулу.
4) Первые использованные векторы - плазмиды, основные их характеристики, определяемые
плазмидами свойства микроорганизмов.
5) Требования к векторной молекуле.
Особенности используемых в биотехнологии генно-инженерных методов:
1) Способы улучшения секреции белка. Секреторные векторы.
2) Регуляция репликации плазмид. Факторы, ограничивающие экспрессию генов.
3) Векторы на основе фага лямбда.
5) Синтез секретируемых белков бактерий. Сигнальный пептид и прочие факторы, определяющие секрецию пептидов.
Разнообразие организмов продуцентов:
1) Актиномицеты, коринебактерии.
2) Вектора для Saccharomyces cerevisiae, прочих дрожжей.
3) Использование клеток насекомых, бакуловирусы.
4) Вирусные векторы для животных: паповавирусы, вирус осповакцины, аденовирусы,
парвовирусы, ретровирусы.
5) Растительные векторы: транспозоны, вирусы. Способы трансформации растительных организмов.
6) Растительные векторы: Ti-плазмиды.
7) Роль генной инженерии в сельском хозяйстве.
Частные примеры использования биотехнологии:
1) Интерфероны и их получение.
2) Иммуноглобулины - особенности их строения и получения.
3) Белковые гормоны человека и животных: соматотропин, инсулин.
4) Схема получения генно-инженерных вакцин, примеры.
5) Генная инженерия и наука: Использование сигнальных пептидов и флуоресцирующих
белков.
18
3.2.Методические указания к выполнению самостоятельной работы
Самостоятельная учебная работа студентов – это усвоение содержания образования и
формирование профессиональных умений и навыков во внеаудиторное время по темам или
разделам тем, определенным рабочей программой учебной дисциплины для самостоятельного
изучения.
Цель самостоятельной учебной работы студентов – освоение знаний и навыков профессиональной деятельности по соответствующей специальности.
При преподавании дисциплины «Введение в биотехнологию» предусмотрено как СРС
без участия преподавателей, так и под контролем преподавателя.
Основными видами самостоятельной работы студентов без участия преподавателей являются:

формирование и усвоение содержания конспекта лекций на базе рекомендованной
лектором учебной литературы, включая информационные образовательные ресурсы (электронные учебники, электронные библиотеки и др.);

написание рефератов;

подготовка к лабораторным работам, их оформление;

составление аннотированного списка статей из соответствующих биологических
журналов;

выполнение микроисследований;

подготовка практических разработок;

компьютерный текущий самоконтроль и контроль успеваемости на базе электронных обучающих и аттестующих тестов.
Основными видами самостоятельной работы студентов с участием преподавателей являются:

текущие консультации;

коллоквиум как форма контроля освоения теоретического содержания дисциплин;

прием и защита лабораторных работ (во время проведения л/р);

выполнение учебно-исследовательской работы (руководство, консультирование и
защита УИРС).
Рекомендации по написанию реферата
При написании реферата, сообщения или иной письменной работы оценивается не только
содержание, актуальность темы и глубине ее научной разработки, но и методическая культура
выполнения, одним из показателей которой является правильная композиция материала.
Работу следует начинать с введения именно потому, что ход восприятия постороннего, не
знающего темы исследования или смотрящего на него отстраненно, человека требует постепенного вхождения в курс дела.
Введение начинается с обоснования актуальности выбранной темы. Достаточно в объеме
1 - 1,5 страниц кратко обрисовать сущность сложившейся в современной науке ситуации в связи с вашей темой.
Переходя к описанию степени разработанности темы в современной научной литературе,
вы должны продемонстрировать достаточно глубокое знакомство с имеющимися источниками,
способность к критическому мышлению и объективной оценке сделанного вашими предшественниками в освоении этой темы. Задача этого раздела в том и состоит, чтобы показать читателю, что в исследовании темы уже сделано, а что не сделано, что является относительным "белым пятном". Этот раздел логически предшествует формулировке цели вашего исследования.
Цель вытекает из наличия чего-то неисследованного в теме.
Формулировка цели должна быть максимально четкой и краткой, а также полной и логически корректной.
Сформулированная общая цель исследования составляет его стратегию, и потому требует
постановки конкретных тактических задач.
19
В отличии от цели, которая одна, задач должно быть несколько. В совокупности они образуют общую тактику реализации поставленной цели, а по отдельности представляют собой последовательные шаги продвижения к ней.
Фактически основная часть текста - это постепенное решение поставленных во введении
задач. Поэтому часто формулировки задач совпадают или почти совпадают с названиями глав и
параграфов основной части. Задачи подаются во введении в форме перечисления.
Основными методологическими понятиями научного произведения являются объект и
предмет исследования.
Объект исследования - это явление или процесс объективной реальности, на который
направлен научный поиск автора работы.
Предмет исследования представляет собой фрагмент объекта, подвергающийся непосредственному изучению.
Обязательным требованием к тексту введения является указание методов, которыми пользовался автор. Такие методы могут быть различными: как общенаучными, так и конкретнонаучными, как аналитическими, так и дескриптивными (описательными). Кроме того, любой
исследователь работает в рамках какой-то философской методологии, например, диалектической или феноменологической, что также нужно указать. В любой работе найдет себе место
сравнительно-исторический метод, а также традиционные логические методы мышления, такие,
как дедукция и индукция.
В конце введения обычно характеризуется общая структура работы, то есть просто перечисляются по порядку ее элементы.
Содержание основной части работы диктуется требованиями темы. Принципиально важно
соблюдать субординацию общей темы работы, названий глав и параграфов. Названия параграфов должны быть сформулированы так, чтобы не выходить за пределы, очерченные названием
объединяющей их главы.
Заключение, как структурный элемент работы, выполняет важнейшую функцию. Текст
заключения должен быть написан так, чтобы выводы соотносились с поставленными во введении целью и задачами исследования. В заключении вы как бы отчитываетесь о проделанной работе и осуществляете синтез на базе проведенного анализа.
Рекомендации по оформлению презентаций
1) Использовать шрифт Arial. Практически идеален, минимум лишних деталей, проще
воспринимается, чем шрифты типа Times. Размер шрифта заголовков слайдов 16 – минимум
(если очень длинный, лучше 18-20).
 Используйте не более двух шрифтов (один для заголовков, один для текста).
 Не используйте для заголовков и текста похожие шрифты.
 Тени уменьшают четкость без увеличения информативности. Не используйте тени
только потому, что это выглядит «красивей».
2) Каждый слайд должен иметь заголовок. Рисунки должны быть снабжены подписями,
а диаграммы и графики обязательно иметь подписи осей.
3) Видовое название организма следует писать курсивом, например Escherihia coli.
4) Фон презентации имеет важное значение, например, черный, темно-синий, красный,
желтый цвет фона раздражает и напрягает. Фон, имеющий цвет салатовый, белый, слабо розовый, слабо голубой – наиболее предпочтителен. Картинки в качестве фона лучше не использовать.
5) На каждом слайде нужно ставить номер страницы и общее количество страниц, чтобы
знать, сколько осталось до конца, например 6/16 (6 страница, всего 16 страниц).
6) Все элементы оформления на абсолютно всех слайдах должны быть выдержаны в одном стиле и быть достаточно крупными. В смысле – гарнитура и кегль, начертание, цвет, даже
расположение однотипных надписей.
7) В отличие от статей в журналах – никаких цифр на рисунках! Всё должно быть обозначено буквами. Используйте цветовое кодирование. Вместо, к примеру, «линия, обозначенная
на правом рисунке цифрой один…» можно будет просто сказать «красная линия…».
20
8) Число слайдов не должно быть большим. Минута на простой слайд (типа названия),
две на сложный (типа выводов).
9) Избегайте сплошного текста. Лучше используйте нумерованные и маркированные
списки. Используйте краткие предложения или фразы. Не переносите слова.
10) Будьте осторожны в использовании светлых цветов на белом
фоне, особенно зеленого цвета. То, что хорошо выглядит на мониторе, плохо выглядит при докладе, поскольку мониторы, проекторы и принтеры по-разному представляют цвета. Используйте темные, насыщенные цвета, если у вас светлый фон. Это же касается тонких линий.
11) Помещайте картинки левее текста: мы читаем слева-направо, так что смотрим вначале на левую сторону слайда.
21