Tema 1 Nou [PDF]

Zitiervorschau

PREFAȚĂ Materialul prezentat este destinat elevilor specialității 52110 Ecologia și protecția mediului. El este repartizat în patru compartimente și are drept menire să familiarizeze elevii cu ajunsurile biotehnologiilor tradiţionale şi cele moderne, bazate pe exploatarea activității biologice a microorganismelor și utilizarea

produșilor metabolici

microbieni în diferite ramuri industriale. Însușirea materialului se bazează în mare măsură pe cunoștințele elevilor din domeniul geneticii și ameliorării, microbiologiei, biologiei celulare, biochimiei etc. Însă tot acest material este insuficient, iar pentru o cunoaștere mai profundă a problemelor biotehnologiilor contemporane este necesară o perfecționare permanentă prin lucrul individual cu literatura de specialitate.

Modulul I. Microbioiogia industrială. Tema 1.1 : Biotehnologia ca compartiment al biologiei. 1. Obiectul și metodele biotehnologiei. Relațiile biotehnologiei cu alte disciplini. 2. Apariția și dezvoltarea biotehnologiei. Scurt istoric. 3. Particularitățăle dezvoltării biotehnologiei la etapa actuală. 1. Obiectul și metodele biotehnologiei. Relațiile biotehnologiei cu alte disciplini. Biotehnologia este o știință nouă bazată pe biologie al cărei scop este utilizarea în tehnică a microorganismelor sau a produselor derivate de la acestea, a culturilor de celule vegetale și animale pentru producerea de substanțe utile în agricultură și în industria alimentară, farmaceutică și medicină, ecologie și silvicultură în folosul activității umane. Conform definiției propuse de Federația Europeană de Biotehnologie, fondată în 1979, biotehnologia este integrarea cunoștințelor fundamentale și a tehnicilor aplicate (din domeniul biologiei moleculare, biochimiei, microbiologiei și ingineriei) ce permite obținerea în plan tehnologic a diferitor produse utile omului. De asemenea, biotehnologia urmărește perfeționarea genetică sau obținerea a noi sușe de microorganisme, soiuri de plante, rase de animale. Denumirea de biotehnologie provine de la cuvintele grecești bios - viață, tehnikos - tehnici și logos – studiu. Termenul de biotehnologie a fost utilizat pentru prima dată în 1910 de către Thomas H. Morgan, având semnificația proceselor care realizau produse din materiale brute cu ajutorul organismelor vii. Dezvoltarea biotehnologiei a fost posibilă în rezultatul realizărilor diferitor disciplini biologice, printre care: bacteriologia, microbiologia, virusologia, biologia și genetica moleculară, biologia celulară, biochimia, bioenergetica, fiziologia vegetală și animală, enzimologia, ș. a. În afară de discipline biologice la dezvoltarea biotehnologiei au contribuit și alte disciplini – fizica, matematica, ș. a. Metodele utilizate în practica biotehnologică pot fi divizate în următoarele grupe: 1- Metode microbiologice – cultivarea pe medii nutritive, obținerea culturilor pure, metode de cultivare (la suprafață, în profunzime); 2- Metode fiziologice și biochimice – culturi de celule și țesuturi în vitro, diagnosticul imunologic, metode de analiză, etc; 3- Metode genetice – analiza genetică, clonarea ADN, construirea de vectori, mutageneza experimentală, transferul de organite celulare, etc.;

4- Metode fizice – metode de microscopie, analiza radiobiologică, etc.; 5- Metode matematice – metode de analiză, programarea matematică, etc.; 6- Metode tehnice – linii tehnologice în vederea cultivării microorganismelor, automatizarea proceselor biotehnologice, etc. Ajunsurile biotehnologiei, stimulează procesul cunoașterii, oferind noi explicații și evidențiind noi probleme. În conlucrarea cu alte disciplini biotehnologia își asigură rolul metodologic. Biotehnologiile moderne reprezintă un complex de metode destinate soluționării diferitor probleme ale geneticii și ameliorării plantelor și animalelor, fiziologiei și biochimiei, microbiologiei și virusologiei și altor disciplini biologice. 2.Apariția și dezvoltarea biotehnologiei. Scurt istoric Încă din antichitate omenirea a utilizat diferite metode la baza cărora se află procesele de fermentație, procese ce decurgeau cu participarea unor organisme vii (în special microorganisme) pentru obținerea de produse alimentare. Dovezi scrise (papirusuri, tăblițe, Biblia) arată ca sumerienii și babilonienii produceau bere din drojdii cu 6000 de ani î. Hr., egiptenii preparau pâine folosind maiaua cu 4000 de ani î. Hr., iar în Orientul Apropiat se producea vin. Cu 500 ani î.Hr. în China se producea lapte de soia mucegăit folosit ca antibiotic pentru a trata arsurile, iar în anii 100 d.Hr., tot în China, un praf aplicat ca insecticid pe crizanteme. Odată cu descoperirile efectuate de ilustrul savant francez L. Pasteur s-a început o etapă calitativ nouă în dezvoltarea biotehnologiei (1857). În primul rând L. Pasteur a evidențiat rolul microorganismelor în natură, elaborând bazele microbiologiei contemporane. El a demonstrat că fermentația, putrefacția și infecția sunt provocate de anumite microorganisme. În baza acestor cercetări L. Pasteur a propus metodele sale de prelucrare a produselor și materialelor, cunoscute sub denumirea de pasteurizare. L. Pasteur pentru prima dată a obținut și utilizat vaccinuri contra turbării, antraxului etc., bazându-se pe posibilitatea inactivării agenților cauzali ai acestor boli. Datorită descoperirilor efectuate de L. Pasteur omenirea a înlăturat pericolul unor astfel de epidemii ca variola, holera, pesta, turbarea etc. Începând cu anii 1900, datorită succeselor obținute în biochimie, se dezvoltă foarte rapid industria fermentativă. Tot în acestă perioadă se fac primele încercări de a menține în vitro creșterea și multiplicarea organelor vegetale prelevate de le plante (Haberlandt, 1902). În anii 20 ai sec XX s-s început producerea pe scară largă a acizilor organici, dizolvanților etc., cultivarea bacteriilor, mucegaiurilor, drojdiilor (1923 – producerea acidului citric). În anii 30 datorită investigațiilor lui Gautheret (1932) și Wait (1934) au fost perfecționate tehnologiile de cultivare a plantelor in vitro, și anume au fost elaborate noi medii nutritive. În anul 1941 savanții A. Chase și G. Flory din Anglia, în continuarea investigațiilor lui Fleming (1920) au reușit obținerea microbiologică a pinicilinei în stare cristalină. În 1942 Z.V. Ermolieva a obținut o șușă superproducentă de penicilină, și anume Penicillium chrysogenum. În 1943 profesorul Selman Abraham Waksman, cu colaboratorii săi

a

descoperit

streptomicina

(C21H39N7O12).

Antibioticul

este

deosebit

important

mai

ales

în

combaterea tuberculozei. Începând cu anii 40 ai sec. XX urmează era obținerii antibioticelor semisintetice și sintetice. Actualmente se cunosc deja peste 2000 de diferite antibiotice, cu toate că în practica medicală și-au găsit realizarea largă doar câteva zeci de antibiotice.

La sfârșitul anilor 40, începutul anilor 50 s-au realizat mari descoperiri în genetica microorganismelor care au elucidat natura recombinării genetice la bacterii, și anume: transformarea, transducția, conjugarea. Despre importanța acestor descoperiri v-om vorbi în cadrul compartimentului de ingineria genică. Aceste descoperiri, de rând cu alte mari descoperiri, așa ca determinarea structurii de dublu – helix a moleculei de ADN de către J. Watson și F. Grick (1953) au pus bazele biologiei moleculare. Din anii 70 ai sec. XX începe era ingineriei genice. În anul 1972 P. Berg cu colaboratorii săi au obținut prima moleculă recombinată de ADN, având la bază fragmente de ADN din virusul SV-40 și bacteriofagul λ (fagul leambda – λ) cu operonul gal. Spre sfârșitul anilor 70 metodele biologiei și geneticii moleculare se transformă în tehnologii. În anul 1977 în rezultatul eforturilor a două grupe de cercetători sub conducerea lui C.Itacura și X. Boier a fost obținută somatostatina (hormon proteic din 14 aminoacizi). Numai după câțiva ani a fost obținut un alt hormon alcătuit din 191 aminoacizi – somatotropina, apoi alți hormoni proteici (insulina, bradichinina) și interferonul (1980 - 1983). În aceeași perioadă o nouă etapă în dezvoltarea sa este caracteristică tehnicilor de cultivare a plantelor in vitro. Sunt perfecționate tehnologiile de cultivare a protoplaștilor și obținere a hibrizilor somatici etc. Deaceia, empiric (bazat numai pe experiență făra substrat teoretic), biotehnologiile pot fi divizate în: biotehnologii tradiționale și biotehnologii moderne. 3.Particularitățăle dezvoltării biotehnologiei la etapa actuală. Analizând particularitățile apariției și dezvoltării biotehnologiei, se pot evidenția patru direcții principale de investigații științifice: 1. Biotehnologiile tradiționale: • au o istorie mai îndelungată (începând cu anul 6000 î.H.); • au la bază tehnicile tradiționale de cultivare a microorganismelor; • nu exclud utilizarea tehnicilor moderne (clonarea de ADN, culturile celulare etc.). 1.1. Microbiologia industrială – asigură obținerea produselor utile în baza culturilor microbiene. 1.2. Biochimia tehnică – asigură obținerea metaboliților în baza catalizei enzimatice și cultivării celulelor de tip Hibridoma. 2. Biotehnologiile moderne: • au o istorie mai scurtă (circa 50–100 de ani); • utilizează metode moderne (tehnica ADN-ului recombinant, culturile celulare etc.). 2.1. Ingineria genică – asigură obținerea produselor în baza ADN-ului recombinant. 2.2. Ingineria celulară – asigură obținerea produselor în baza culturilor de celule vegetale sau animale. Biotehnologiile la etapa actuală permit obținerea unei game de produse utile omului, din diferite domenii, de ex.: În agricultură: Biotehnologiile agricole cuprind biotehnologii vegetale și biotehnologii în zootehnie.  biotehnologiile vegetale vizează utilizarea culturilor celulare vegetale precum și a tehnicilor de inginerie genetică în scopul obținerii de noi soiuri cu rezistență la atacul agenților patogeni, rezistente la temperaturi scăzute sau ridicate, secetă sau salinitate crescută a solurilor, implementarea de sisteme simbiotice la diferite specii de plante, multiplicarea speciilor horticole și obținerea de noi hibrizi cu proprietăți îmbunătățite etc; se caută de

asemenea specii forestiere apte unor producții rapide de masă lemnoasă de calitate, înalt regenerabile sau capabile de împădurire a zonelor alpine extreme sau deteriorate.  biotehnologiile din zootehnie se referă în special la nutriția animală, creșterea rezistenței animalelor la atacul factorilor patogeni, obținerea de animale cu producții crescute de carne, lapte, ouă, lână, etc., de reproducție artificială și de predeterminare a sexului la animale, conservarea resurselor genetice animale. În alimentație: Biotehnologiile alimentare sunt procedee industriale de prelucrare a legumelor și fructelor, a laptelui și produselor lactate, a cărnii.  fermentație - diversificarea gamei de produse obținute prin fermentare (alimente, antibiotice și enzime cu variate aplicații), perfecționarea vechilor procese de fermentație cunoscute și aplicate în industria alimentară  sinteza de proteine microbiene pentru alimentația animalelor și a omului - sursa de energie pentru producerea acestora poate fi mediul special creat, deșeuri organice vegetale sau animale, menajere sau chiar petroliere  acvacultură - cultivarea pe scară largă a algelor unicelulare în scop alimentar și pentru extracția de substanțe chimice. În medicină:  medicină veterinară - biotehnologiile medical veterinare au ca scop crearea unor sisteme de diagnostic rapid și eficient a maladiilor sau dereglărilor funcționale la animale, producerea unor sisteme biologice de combatere a bolilor (anticorpi monoclonali, vaccinuri, agenți de biocontrol): transferul de embrioni, fertilizarea în vitro și clonarea, protecția animalelor prin vaccinare și tratament cu substanțe de sinteză biotehnologică.  sănătate publică - reprezintă domeniul cu cea mai înaltă rată de creștere în biologia moleculară farmaceutică: producerea de biomasă proteică, biosinteza antibioticelor, producția de acizi organici, de aminoacizi, enzime, obținerea de probiotice, hormoni, vitamine, polizaharide.  producerea și sinteza de vaccinuri pentru eradicarea unor boli care afectează încă foarte grav populația umană (poliomielită, rujeolă, gripă, malarie etc)  producererea de medicamente - cea mai mare parte a medicamentelor produse și comercializate pe plan mondial sunt produse într-o formă sau alta prin biotehnologie. În producerea de energie:  producerea surselor auxiliare de energie pe baza deșeurilor organice rezultate din agricultură, zootehnie, silvicultură, industria alimentară: alcooli, metan, hidrogen. În controlul poluării  metode și tehnologii de epurare biologică a apelor uzate sau poluate, a aerului, solurilor degradate, extracția de minereuri cu ajutorul microorganismelor, metode de bioremediere cu ajutorul plantelor sau microorganismelor. Realizările biotehnologiilor tradiționale și moderne contribuie la soluționarea problemelor globale. Problema

alimentară:

obținerea

produselor alimentare

(produse lactate,

produse de

panificație);

obținerea băuturilor; obținerea acizilor organici (citric, acetic) etc. Produsele biotehnologice soluționează într-o anumită măsură problema insuficienței produselor alimentare obținute pe cale naturală. Problema energetică: obținerea biogazului; obținerea metanolului și etanolului; obținerea de ATP etc. Produsele biotehnologice pot servi drept surse energetice mai puțin tradiționale.

Problema materiei prime: extragerea metalelor din minereuri; degradarea deșeurilor industriale și utilizarea lor în calitate de substrate nutritive etc. Produsele biotehnologice permit valorificarea noilor surse în calitate

de

materie

primă,

paralel

cu

valorificarea

zăcămintelor

care

sunt

epuizabile.

Problema ecologică: utilizarea microorganismelor întru purificarea apelor reziduale și a deșeurilor solide. Procedeele biotehnologice asigură conservarea biodiversității vegetale și animale, oferind noi căi de obținere a produselor utile. Problema ocrotirii sănătății: obținerea antibioticelor; obținerea vaccinurilor; obținerea anticorpilor monoclonali etc. Produsele biotehnologice asigură tratarea diferitor boli, inclusiv terapia genică (în perspectivă). Referitor la dezvoltarea biotehnologiei în republica noastră trebuie menționate unele neajunsuri și anume: -

finanțarea limitată, asortimentul și producerea limitată de reactivi și preparate biochimice, aparataj. Lipsa bazelor experimentale bine amenajate etc.

Aceste probleme determină în mare măsură rezultatele noastre în domeniul biotehnologiilor. Materii pentru studiul individual

Produse de elaborat

1.Particularitățile biotehnologiei la etapa contemporană. 2.Dezvoltarea biotehnologiei în Moldova

Referat

Bibliografie : 1. Albert Sasson. Biotehnologii și dezvoltare. Editura Tehnică, Copyright 1993 2. Andrei Palii. Genetica. Editura MUZEUM, Chișinău, 1998 3. Mihai Leșanu. Principii de biotehnologie (Curs de lecții)-Chișinău CE USM, 2003.-134p. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

http://www.biotehnologii.usamv.ro/images/pdf/MICROBIOLOGIE_APLICATa.pdf https://dokumen.tips/documents/biotehnologia-si-produselor-biotehnologice.html http://www.biotehnologii.usamv.ro/images/pdf/Biotehnologie_generala.pdf http://igfpp.asm.md/Laboratoarele%20IGFP http://www.akademos.asm.md/files/Realizari%20inc%20protectia%20microbiologica%20a%20plantelor.pdf http://www.imb.asm.md/pages0-1-1-ro.htm