Методы получения промышленных штаммов

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
И.о. проректора-начальник
управления по научной работе
_______________________ Г.Ф. Ромашкина
__________ _____________ 2011 г.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ШТАММОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов специальности 03.01.06 Биотехнология
(в том числе бионанотехнологии)
очной и заочной форм обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор (ы) работы _____________________________/Колоколова Н.Н./
«______»___________2011 г.
Рассмотрено на заседании кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры
протокол №___ от «____»________2011 г. Соответствует требованиям к содержанию,
структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 15 стр.
Зав. кафедрой ______________________________/Боме Н.А./
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК Института математики, естественных наук и
информационных технологий, Отделение биология
Протокол №____ от «_____» __________2011 г.
Соответствует ФГТ к структуре основной профессиональной образовательной программы
послевузовского профессионального образования (аспирантура)
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/Фролова О.В./
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Нач. отдела аспирантуры
и докторантуры_____________М.Р. Сорокина
«______»_____________2011 г.
2011
2
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры
Колоколова Н.Н.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ШТАММОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов специальности 03.01.06 - Биотехнология
(в том числе бионанотехнологии)
очной и заочной форм обучения
Тюменский государственный университет
2011
3
Колоколова Н.Н. Методы получения промышленных штаммов.
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для аспирантов
специальности 03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)
очной и заочной форм обучения. Тюмень, 2011, 15 с.
Рабочая программа составлена в соответствии с ФГТ к структуре
основной профессиональной образовательной программы послевузовского
профессионального образования (аспирантура).
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Методы получения промышленных штаммов [электронный ресурс] /
Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой ботаники, биотехнологии,
ландшафтной архитектуры. Утверждено и.о. проректора-начальника
управления по научной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: Боме Н.А.,
ботаники,
биотехнологии
и
ландшафтной
сельскохозяйственных наук, профессор
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Колоколова Н.Н., 2011.
заведующий кафедрой
архитектуры,
доктор
4
1. Пояснительная записка
1.1. Цели и задачи дисциплины
Цель преподавания дисциплины – формирование у аспирантов
современных представлений об уровне научных достижений в области
промышленной микробиологии и ознакомление с существующими методами
получения промышленных штаммов микроорганизмов и промышленными
процессами микробного синтеза целевых продуктов.
Основная задача дисциплины – рассмотрение теоретических основ
промышленной микробиологии, методов получения микроорганизмов –
продуцентов
биологически
активных
веществ
и
других
продуктов
метаболизма, отдельных компонентов микробных клеток и биомассы.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП аспирантуры
Дисциплина
«Методы
предназначена для
получения
промышленных
аспирантов 2-го года (4 семестр),
штаммов»
обучающихся по
специальности 03.01.06 Биотехнология (в том числе бионанотехнологии).
Дисциплина «Методы получения промышленных штаммов» относится к
дисциплинам по выбору. Дисциплина «Методы получения промышленных
штаммов» связана с другими дисциплинами: «Методы микробиологических
и биотехнологических исследований», «Теоретические и прикладные
аспекты биотехнологии», «Фитобиотехнология».
Для успешного освоения дисциплины аспирант должен обладать
знаниями
по
следующим
дисциплинам:
«Клеточная
инженерия»,
«Экологическая биотехнология», «Этические проблемы биотехнологии»,
«Методы микробиологических и биотехнологических исследований», а
также обладать умениями статистической обработки экспериментальных
данных,
составления презентаций,
компьютером и в сети Internet.
навыками работы с персональным
5
Усвоение данной дисциплины необходимо как предшествующее для
изучения
дисциплин
«Теоретические
и
практические
аспекты
биотехнологии», «Фитобиотехнология», «Трансгенные организмы».
1.3. Компетенции выпускника ООП аспирантуры, формируемые в
результате освоения данной ООП ВПО.
В результате освоения ООП аспирантуры выпускник должен обладать
следующими компетенциями:
 демонстрирует базовые представления о разнообразии биологических
объектов, понимание значения биоразнообразия для устойчивости
биосферы.
 демонстрирует современные представления об основах биотехнологии
и
генной
инженерии,
нанобиотехнологии,
молекулярного
моделирования;
 понимает,
излагает
и
критически
анализирует
получаемую
информацию и представляет результаты полевых и лабораторных
биологических исследований;
 пользуется современными методами обработки, анализа и синтеза
полевой и лабораторной биологической информации, демонстрирует
знания принципов составления научно-технических проектов и
отчетов;
 понимает и применяет на практике методы управления в сфере
биотехнологии, природопользования и восстановления и охраны
биоресурсов.
После изучения дисциплины аспиранты должны:
- знать: научные основы и методы промышленной микробиологии,
производства, базирующиеся на микробиологическом синтезе, иметь
представление о перспективах развития производств, основанных на
применении микроорганизмов;
- уметь: использовать полученные знания в исследованиях по селекции,
культивированию штаммов – продуцентов биологически активных веществ,
6
других
продуктов
технологических
метаболизма
процессах;
и
применения
понимать
их
в
необходимость
различных
применения
различных методов для конструирования новых форм микроорганизмов,
- владеть: навыками разработки исследовательских проектов, участия в
других проектах, самостоятельной исследовательской работы, методами
селекции, конструирования микроорганизмов и их использования в
биотехнологических проектах, углубления профессиональных знаний с
помощью новых информационных и образовательных технологий.
2. Структура и трудоемкость дисциплины
Семестр 3. Форма промежуточной аттестации – зачет. Общая
трудоемкость дисциплины составляет две зачетные единицы или 72 часа (из
них лекций – 10 часов, практических занятий – 12 часов).
3. Тематический план.
Таблица 1
№
виды учебной
работы и
самостоятельная
работа, в час.
4
5
6
самостоятельная
работа*
3
практические
(семинарские)
занятия*
2
лекции*
1
1
Формы контроля
Всего часов
Тема
1. из них в интерактивной форме
Тематический план
3
3
4
1
5
-
6
2
10
1
4
5
4
Продуценты промышленного
биосинтеза белковых веществ
Микробиологический метод
получения аминокислот
6
1
-
5
-
8
1
2
5
2
Микробиологический метод
получения аминокислот
Микробиологическое получение
органических кислот
6
1
-
5
-
Ответ на
практическом
занятии
Устный опрос
6
1
-
5
-
Конспект по теме
2
Научные основы промышленной
микробиологии
Получение промышленных
штаммов микроорганизмов
7
-
8
Устный опрос
Ответ на
практическом
занятии
Дискуссия
7
Промышленное получение
микробных полисахаридов
8
1
2
5
2
Направленный поиск
продуцентов антибиотических
веществ
9
Продуценты ферментных
препаратов
10 Производства, основанные на
получении микробной биомассы
11 Заключительное занятие
8
1
2
5
2
6
1
-
5
-
Устный опрос
6
1
-
5
-
Работа в группах
5
-
2
3
2
Итого:
из них часов в интерактивной
форме
72
10
12
50
12
12
Контрольная
работа,
реферат
Зачет
7
8
Ответ на
практическом
занятии
Ответ на
практическом
занятии
Таблица 2
Планирование самостоятельной работы
№
1.
2.
Темы
Научные основы
промышленной
микробиологии
Получение промышленных
штаммов микроорганизмов
Виды СРС
обязательные дополнительные
Объем часов
Чтение
обязательной
литературы
Чтение
дополнительной
литературы
2
Выполнение
практической
работы
Дискуссия
Подготовка к
дискуссии
5
Чтение
дополнительной
литературы
Чтение
дополнительной
литературы
Подготовка к
конспекту
5
Чтение
дополнительной
литературы
5
3.
Продуценты промышленного
биосинтеза белковых веществ
4.
Микробиологический метод
получения аминокислот
5.
Микробиологический метод
получения аминокислот
6.
Микробиологическое
получение органических
кислот
7.
Промышленное получение
микробных полисахаридов
Выполнение
практической
работы
Чтение обязательной и
дополнительной
литературы
5
8.
Направленный поиск
продуцентов антибиотических
веществ
Продуценты
ферментных
препаратов
Выполнение
практической
работы
Чтение обязательной и
дополнительной
литературы
5
Чтение
обязательной
литературы
Чтение
Чтение
дополнительной
литературы
Подготовка к
5
9.
10.
Производства, основанные на
Выполнение
практической
работы
Чтение
обязательной
литературы
Составление
конспекта по
предложенной
теме
5
5
5
8
11.
получении микробной
биомассы
Заключительное занятие
обязательной
литературы
контрольной работе
Контрольная
работа
Защита реферата
3
Итого:
50
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
2.
3.
Наименование
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
Теоретические и
прикладные аспекты
биотехнологии
растений
Фитобиотехнология
Трасгенные организмы
Темы дисциплины необходимых для изучения
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
2
3
4
5
6
8
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Примечание: номера тем соответствуют названиям, приведенным в таблице 1.
5. Содержание дисциплины.
Тема 1. Научные основы промышленной микробиологии. История развития
промышленной микробиологии. Общая характеристика
микроорганизмов. Основные
принципы регуляции метаболизма и скорости роста микроорганизмов.
Тема 2. Получение
промышленных штаммов микроорганизмов. Селекция
микроорганизмов – продуцентов практически важных веществ. Направленный мутагенез
и использование генетической инженерии для получения практически полезных штаммов
микроорганизмов. Культивирование микроорганизмов. Аэрация при культивировании
микроорганизмов. Хранение микроорганизмов. Бактериофаги в микробиологической
промышленности. Иммобилизованные клетки микроорганизмов и их применение.
Количественные характеристики роста и продуктивности микроорганизмов. Кинетика
роста микроорганизмов. Среды и сырье для микробиологической промышленности.
Тема
3.
Продуценты
промышленного
биосинтеза
белковых
веществ.
Особенности получения белка одноклеточных на спиртах и природных газах.
Перспективы применения фото- и хемосинтетиков для получения белка одноклеточных.
Субстраты для получения белково-витаминных концентратов. Сахаросодержащие
9
субстраты: отходы сахарной, спиртовой, целлюлозной промышленности, гидролизаты
растительных
отходов.
Особенности
микробного
роста
на
углеводородах.
Технологическая схема производства белковых веществ.
Тема 4. Микробиологический метод получения аминокислот. Продуценты и
субстраты для получения аминокислот. Регуляторные и ауксотрофные мутанты –
продуценты аминокислот. Состав сред для биосинтеза аминокислот. Технология
получения глутаминовой кислоты. Технология производства лизина, триптофана.
Двуступенчатое получение аминокислот из биосинтетических предшественников.
Тема 5. Микробиологическое получение органических кислот. Продуценты и
среды, применяемые для получения органических кислот. Поверхностное и глубинное
культивирование. Среды для получения органических кислот. Получение конечного
продукта. Получение лимонной, молочной, уксусной и др. кислот.
Тема 6. Микробиологический синтез витаминов. Получение витамина В12 с
помощью пропионовокислых и метаногенных бактерий. Микроорганизмы – продуценты
рибофлавина и его получение в промышленности. Пути биоконсервации при синтезе
аскорбиновой кислоты.
Тема 7. Промышленное получение микробных полисахаридов. Микроорганизмы –
продуценты экзополисахаридов. Полисахариды цитоплазмы и мембранных структур.
Полисахариды
клеточных
стенок.
Внеклеточные
полисахариды.
Биосинтез
полисахаридов. Состав питательных сред для производства полисахаридов. Практическое
использование микробных полисахаридов.
Тема 8. Направленный поиск продуцентов антибиотических веществ.
Антибиотики, образуемые актиномицетами, бактериями, мицелиальными грибами.
Образование
антибиотиков
в
промышленных
условиях.
Выделение
и
очистка
антибиотика. Пути повышения биосинтеза антибиотиков микроорганизмами. Биосинтез
антибиотиков иммобилизованными клетками.
Тема 9. Продуценты ферментных препаратов. Получение активных продуцентов
микробных
ферментов.
Особенности
ферментов
микроорганизмов.
Ферменты
микроорганизмов, применяемые в производстве. Питательные среды для культивирования
10
микроорганизмов.
Выделение
и
стабилизация
ферментов.
Иммобилизованные
ферменты, техника иммобилизации. Применение ферментов.
Тема 10. Производства, основанные на получении микробной биомассы.
Производство вакцин, бактериофагов и препаратов, нормализующих микрофлору
человека.
Получение
азотфиксирующих
бактериальных
препаратов.
Препараты
микроорганизмов против вредителей растений.
6. Темы практических занятий.*
Занятие 1. (по теме 2: Получение
промышленных штаммов микроорганизмов).
Методы селекции микроорганизмов – продуцентов физиологически активных веществ.
Занятие 2. (по теме 2: Получение
промышленных штаммов микроорганизмов).
Использование хемосинтезирующих микроорганизмов для получения белка.
Занятие 3. (по теме 4: Микробиологический метод получения аминокислот).
Получение ауксотрофных мутантов в качестве продуцентов аминокислот.
Занятие 4. (по теме 7: Промышленное получение микробных полисахаридов). Влияние
условий культивирования на синтез внеклеточных полисахаридов микроорганизмами.
Занятие 5. (по теме 8: Направленный поиск продуцентов антибиотических веществ).
Поиск продуцентов антибиотиков среди редко встречающихся родов актиномицетов.
Занятие 6. Заключительное занятие. Подведение итогов по темам практических
занятий,
обозначение
значимости
методов
получения
промышленных
штаммов
микроорганизмов в различных направлениях промышленной микробиологии.
* Примечание: перечень необходимого инструментария для проведения практических
занятий приведен в разделе 10.
7. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы аспирантов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа аспирантов специальности 03.01.06 - Биотехнология (в
том числе бионанотехнологии)
по дисциплине «Методы получения промышленных
штаммов» включает следующие виды учебной деятельности: чтение обязательной и
дополнительной литературы, подготовка к семинарскому (практическому) занятию,
11
подготовка рефератов, выступление с докладом и презентацией, подготовка и защита
конспектов по предложенной теме с презентацией, выполнение контрольной работы.
На контрольную работу отводится не менее 1,0 часа. Контрольная работа состоит
из средних по трудоемкости вопросов, различных типов тестов или заданий, требующих
поиска обоснованного развернутого ответа.
Контрольная работа:
1. Направленный мутагенез для получения микроорганизмов – высокоактивных
продуцентов биологически активных веществ.
2. Регуляторные и ауксотрофные мутанты – продуценты аминокислот.
3. Методы переноса генов из одного генотипа в другой. Отличие методов
генетической инженерии от методов традиционной селекции микроорганизмов.
4. Направленный поиск продуцентов антибиотиков.
5. Получение активных продуцентов микробных ферментов.
6. Методы получения микробной биомассы.
Тема реферата выбирается в соответствии с интересами аспиранта. Реферат
должен основываться на проработке нескольких дополнительных к основной
литературе источников (монографий, статей и др.). План реферата должен быть
авторским, с выражением собственного мнения, анализа проблемы. Все приводимые в
реферате факты и заимствованные соображения должны сопровождаться ссылками на
источник информации. Завершают реферат разделы «Заключение» и «Список
литературы».
Примерные темы рефератов:
1. Методы традиционной селекции в получении промышленных штаммов
микроорганизмов.
2. Методы культивирования промышленных штаммов микроорганизмов.
3. Питательные среды для культивирования микроорганизмов.
4. Современные
методы
хранения
микроорганизмов
–
продуцентов
биологически активных веществ.
5. Направленный мутагенез при получении микроорганизмов – продуцентов
практически важных веществ.
12
6. Основные источники сырья для микробиологической промышленности.
7. Применение генетической трансформации в биотехнологии и селекции
микроорганизмов.
8. Генетика промышленных микроорганизмов.
9. Методы повышения биосинтеза антибиотиков микроорганизмами.
10. Продуценты антибиотиков среди редких родов актиномицетов.
11. Методы получения активных форм ферментов микроорганизмов.
12. Микробиологические препараты для защиты растений от фитопатогенных
грибов.
13. Получение азотфиксирующих бактериальных препаратов.
14. Методы получения бактериофагов.
Зачет
служит
формой
проверки качества
усвоения
учебного материала
лекционных и практических занятий, а также иных видов учебной деятельности
аспирантов соответствии с учебной программой.
Вопросы к зачету:
1. Регуляция метаболизма и скорости роста микроорганизмов.
2. Методы селекции высокоактивных продуцентов биологически активных
веществ.
3.
Направленный
мутагенез
для
получения
промышленных
штаммов
микроорганизмов.
4. Использование методов генетической инженерии при конструировании новых
штаммов микроорганизмов.
5. Основные этапы получения генетически модифицированных микроорганизмов.
6. Методы культивирования аэробных и анаэробных микроорганизмов.
7. Особенности питательных сред для культивирования промышленных штаммов
микроорганизмов.
8. Иммобилизованные клетки микроорганизмов и их использование.
9. Кинетика роста микроорганизмов.
10.
Методы сохранения генофонда промышленных штаммов.
11.
Низкотемпературная консервация микроорганизмов; роль криопротекторов
в криосохранении.
13
12.
Хемоорганотрофные, фототрофные и хемолитотрофные продуценты
промышленного биосинтеза белковых веществ.
13.
Регуляторные и ауксотрофные мутанты – продуценты аминокислот.
14.
Двуступенчатое
получение
аминокислот
из
биосинтетических
предшественников.
15.
Продуценты и среды, используемые для получения органических кислот.
16.
Использование пропионовокислых и метаногенных бактерий в качестве
продуцентов витамина В12.
17.
Биосинтез экзо- и эндополисахаридов микроорганизмами и практическое
использование.
18.
Направленный поиск продуцентов антибиотических веществ.
19.
Пути повышения биосинтеза антибиотиков микроорганизмами.
20.
Биосинтез антибиотиков иммобилизованными клетками продуцентов.
21.
Получение высокоактивных продуцентов микробных ферментов.
22.
Иммобилизованные ферменты, техника иммобилизации.
23.
Производства, основанные на получении биомассы микроорганизмов.
8. Образовательные технологии.
При реализации различных видов учебной работы во время изучения дисциплины
«Методы получения промышленных штаммов» используются различные образовательные
технологии: лекции и практические занятия, отражающие основные разделы изучаемого
курса, рефераты, контрольная работа.
Отдельное внимание уделяется интерактивным формам занятий. В интерактивной
форме (работа в малых группах) проводится бóльшая часть практических занятий. Для
развития навыков самостоятельной научно-исследовательской работы, способностей
обобщать и анализировать информацию из литературных источников
предлагается
реферат по одной из приведенных тем.
Для текущего контроля знаний аспирантов используются устные опросы, ответы
на практических занятиях, конспекты по предложенным темам, предложены вопросы к
зачету.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
9.1. Основная литература:
1. Микробиология. /А.И. Нетрусов, И.Б. Котова. М.: Издательский центр
«Академия», 2006. 352 c.
14
2. Микробиология: учеб. для студ. вузов./ авт.-cост. О.Д. Сидоренко [и др.]. –
Москва: Инфра-М, 2010. - 287 с.
9.2. Дополнительная литература:
1. Синицин А.П., Райнина Е.И., Лозинский В.И., Спасов С.Д. Иммобилизованные
клетки микроорганизмов. М.: Изд-во МГУ, 1994. 288с.
2. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004.
496с.
3. Поздеев О.К. Медицинская микробиология / Под ред. В.И. Покровского. М.:
ГЭОТАР-МЕД, 2004. 768с.
9.3. Периодические издания:
Журнал «Микробиология». М.: Наука
Журнал «Биотехнология». М.: ГАРТ
Журнал «Прикладная биохимия и микробиология»
9.4 Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
www.elibrary.ru
www.rusbiotech.ru.
www.pushgu.ru
www.dic.academic.ru
www.microbiologu.ru
10.
Технические
средства
и
материально-техническое
обеспечение
дисциплины
Лекции по дисциплине специализации «Методы получения промышленных
штаммов» читаются в аудитории кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной
архитектуры, имеют мультимедийное сопровождение. На кафедре имеются лаборатории
битехнологических и микробиологических исследований и микробно-растительных
взаимодействий, оснащенные современным оборудованием. Демонстрационный материал
представлен чистыми культурами микроорганизмов (бактерии, грибы), выделенных из
различных источников (коллекция создана на кафедре ботаники, биотехнологии и
ландшафтной архитектуры). Обеспеченность лабораторным оборудованием – автоклавом,
ламинаром,
анаэростатом,
термостатами,
микроклиматическими
камерами
дает
15
возможность выделять микроорганизмы из природных субстратов и культивировать на
питательных средах. Для культивирования микроорганизмов используются питательные
среды различного состава. Наличие холодильных камер для хранения микроорганизмов
позволяет поддерживать коллекцию. В лаборатории микробиологии имеется также
микроскопическая техника (микроскопы, бинокуляры), спектрофотометр для изучения
микроорганизмов и продуктов их метаболизма. Для приготовления препаратов
микроорганизмов используются необходимые реактивы, микробиологические петли,
препаровальные иглы, предметные и покровные стекла.