Биотехнология

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное образовательное  
учреждение высшего образования  
«Самарский государственный аграрный университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. В. Ермаков, О. О. Датченко, Н. С. Титов 
 
 
Биотехнология 
 
 
Практикум 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Кинель 2020 
 
2 
 

УДК 579.6:579.62:579.63:579.26  
ББК 48.41 Р 
   Е72 
 
 
Рецензенты: 
д-р биол. наук, проф., зав. кафедрой «Микробиология  
и заразные болезни», ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ, 
М. В. Сычева; 
д-р биол. наук, проф., зав. кафедрой «Биоэкология и физиология  
сельскохозяйственных животных», ФГБОУ ВО Самарский ГАУ, 
В. В. Зайцев 
 
Ермаков, В. В. 
Е72 Биотехнология : практикум / В. В. Ермаков, О. О. Датченко, 
Н. С. Титов. – Кинель : РИО Самарского ГАУ,  2020. – 178 с. 
ISBN 978-5-88575-613-6 
 
В учебном издании приведены материалы о стадиях биотехнологических процессов, питательных основах, методах культивирования  
и выделения чистых культур микроорганизмов, производстве диагностикумов, пробиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот. 
Учебное издание предназначено для студентов сельскохозяйственных и биологических вузов, обучающихся по специальности 36.05.01 
«Ветеринария» и направлениям подготовки 36.03.02 «Зоотехния», 
06.03.01 «Биология».    
 
 
 
 
 
 
УДК 579.6:579.62:579.63:579.26 
ББК 48.41 Р 
ISBN 978-5-88575-613-6                                                           
 
 
 
                                                     
© ФГОБУ ВО Самарский ГАУ, 2020 
© Ермаков В. В., Датченко О. О., Титов Н. С., 2020 
 
 
3 

 Предисловие 
 
В учебном издании приведены материалы для изучения методов биотехнологии, стадий и инженерно-технического обеспечения биотехнологических процессов. В издании приведены работы, 
в ходе которых рассмотрены принципы применения питательных 
основ, культивирования и выделения чистых культур бактерий  
и грибов, методы получения диагностикумов, пробиотиков, антибиотиков, ферментов, витаминов и аминокислот.  
Цель написания практикума – обеспечение студентов методикой работы и фиксирования результатов работы с питательными 
средами, культурами бактерий и микрогрибов для изучения технологии выделения и концентрирования биопрепаратов и продуктов 
микробного синтеза: вакцин, диагностических препаратов, диагностических аллергенов, пробиотиков и продуктов молочнокислого 
брожения, ферментов и витаминов.  
Процесс изучения раздела «Биотехнология» дисциплины 
«Вирусология и биотехнология» направлен на формирование  
у студентов способностей анализировать, идентифицировать и 
осуществлять оценку опасности риска возникновения и распространения болезней. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

Занятие 1. Основные методы биотехнологии 
 
Цель занятия. Изучить объекты и методы биотехнологии. 
 
Объекты биотехнологии: вирусы, бактерии, грибы, клетки и 
ткани растений, животных и человека. Их выращивают на питательных средах в биореакторах (ферменторах).  
Основные методы биотехнологии: микробиологический синтез (селекция микроорганизмов), генная инженерия, хромосомная 
инженерия, клеточная инженерия.  
Микробиологический синтез. Селекция микроорганизмов 
(бактерий, синезелёных водорослей и грибов) производится с целью получения продуктивных штаммов и последующего их использования в промышленности, сельском хозяйстве и медицине. 
С точки зрения биотехнологии штамм микроорганизмов – это популяция микроорганизмов, характеризующаяся сходными наследственными особенностями и определёнными признаками, полученная в результате искусственного отбора.  
Методы селекции микроорганизмов: выявление продуктивного штамма, индуцированный (искусственный мутагенез), искусственный отбор (по скорости роста, по продуктивности, по окраске 
и др.). Результаты селекции микроорганизмов. Микроорганизмы 
служат важным источником белка, который они синтезируют  
в 10-100 000 раз быстрее, чем животные. Так, крова массой 400 кг 
производит  в день 400 граммов белка, а 400 килограммов бактерий – 40 000 тон белка.  Продуктивность штаммов грибов пеницилла в результате селекции микроорганизмов была повышена в 
1000 раз. С помощью микробиологического синтеза получают так 
же антибиотики, аминокислоты, гормоны, ферменты, витамины и 
многое другое. Продукты микробиологической промышленности 
используются в хлебопечении, пивоварении, виноделии, для приготовления многих молочных продуктов. Методы селекции позволили получить микроорганизмы, которые используются для биологической очистки сточных вод и улучшения качества воды. Разработаны так же методы получения марганца, меди, хрома при 
разработке отвалов старых рудников с помощью бактерий, где 
обычные методы добычи экономически невыгодны.  
Генная инженерия – это группа методов биотехнологии, которые занимаются исследованиями по перестройке генотипов,  
 
5 

в том числе микроорганизмов. Основной задачей генной инженерии является конструирование генетических структур, создание 
организмов с новой генетической программой. При этом ставятся 
задачи: получение генов путём их синтеза или выделения из клеток, получение рекомбинантных ДНК, клонирование генов или 
генетических структур, введение в клетку генов или генетических 
структур и синтез чужеродного белка. Основными направлениями 
генной инженерии являются: перестройка генотипов и пересадка 
генов.  
Генотип является не просто механической суммой генов,  
а сложной, сложившейся в процессе эволюции организмов системой. Генная инженерия позволяет путём операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов даёт возможность преодолевать межвидовые 
барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних 
организмов другим. Носителями материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК, состоящая из множества блоков, хранящих определённый объём информации – генов. В основе действия гена лежит его способность через посредство РНК определять синтез белков. Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов. Совокупность всех генов клетки составляет её геном. Все 
клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой 
из них реализуется различная часть хранимой информации. Перестройка генотипов при выполнении задач генной инженерии представляет собой качественные изменения генов, не связанные с видовыми изменениями строения хромосом. Изменения генов прежде всего связаны с преобразованием химической структуры ДНК. 
Информация о структуре белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и 
включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на 
ДНК молекул РНК. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых 
свойств.  
Методы генной инженерии. 1. Скрининг – отбор колоний,  
содержащих рекомбинантные плазмиды с нужным геном. 2. Лигирование – вшивание гена в плазмидную ДНК. 3. Трансформация – 
 
6 

процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК 
из среды и встраивания её в геном. 4. Рестрикция – разрезание молекулы ДНК.  
Наиболее распространенным методом генной инженерии является скрининг, метод получения рекомбинантных, т.е. содержащих чужой ген, плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких пар 
нуклеотидов. Плазмиды являются автономными генетическими 
элементами, реплицирующимися (т.е. размножающимися) в бактериальной клетке не в то же время, что основная молекула ДНК. 
Хотя на долю плазмид приходится лишь небольшая часть клеточной ДНК, именно они несут такие жизненно важные для бактерии 
гены, как гены лекарственной устойчивости. Разные плазмиды содержат разные гены устойчивости к антибактериальным препаратам. 
Мощным инструментом генной инженерии являются ферменты – рестрикционные эндонуклеазы, или рестриктазы. Рестрикция 
буквально означает «ограничение». Бактериальные клетки вырабатывают рестриктазы для разрушения инородной, в первую очередь 
фаговой ДНК, что необходимо для ограничения вирусной инфекции. Рестриктазы узнают определенные последовательности нуклеотидов и вносят симметричные, расположенные наискось друг 
от друга, разрывы в цепях ДНК на равных расстояниях от центра 
участка узнавания. В результате на концах каждого фрагмента рестриктированной ДНК образуются короткие одноцепочечные 
«хвосты» (их еще называют «липкими» концами). 
Методы хромосомной инженерии: получение полиплоидов, 
метод дополненных линий, метод замещённых линий, метод гаплоидов. В настоящее время часто используют возможность замещения (замены) отдельных хромосом у растений или добавления 
новых. Известно, что в клетках каждого диплоидного организма 
имеются пары гомологичных хромосом. Такой организм называют дисомиком. Если в какой-либо паре хромосом остается одна 
гомологичная хромосома, то получается моносомик. При добавлении третьей гомологичной хромосомы возникает трисомик, а при 
отсутствии в геноме одной пары гомологичных хромосом возникает нуллисомик. Такие манипуляции с хромосомами дают  
возможность заменять одну или обе гомологичные хромосомы, 
допустим, одного сорта пшеницы на ту же пару хромосом,  
 
7 

но из другого сорта. Таким образом, можно один признак, который 
является слабым у данного сорта, заменить на этот же, но более 
сильный признак из другого сорта. 
Уселение определенного признака можно добиться и за счет 
методики замены отдельных хромосом одного вида на хромосомы 
другого вида, близкого по своему происхождению. В литературе 
принято вместо слов «замена хромосом» употреблять «замещение 
хромосом». Поэтому полученные таким путем формы называются 
замещенными линиями. Другой методический прием состоит во 
введении (внедрении) в геном определенного вида или сорта какой-либо дополнительной пары хромосом другого вида растений, 
которые определяют развитие признака, отсутствующего у первого вида. Если такое введение пары дополнительных хромосом удается осуществить, то полученные формы называют дополненными 
линиями. 
Метод гаплоидов, основан на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например, выращивают из пыльцевых зерен кукурузы гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом, затем хромосомы удваивают и получают диплоидные (10 пар хромосом), полностью гомозиготные растения 
всего за 2-3 года вместо 6-8 летнего инбридинга.  
Получение полиплоидных остатков осуществляется путем 
кратного увеличения хромосом.  
Методы клеточной инженерии основаны на культивировании клеток и тканей на питательных средах.  
Метод выращивания клеточных культур связан с культивированием отдельных клеток в питательных средах, где они образуют клеточные культуры. Оказалось, что клетки растений и животных, помещенных в питательную среду, содержащую все необходимые для жизнедеятельности вещества, способны делиться. 
Клетки растений обладают еще и свойством тотипотентности, то 
есть при определенных условиях они способны сформировать 
полноценное растение. Это дает возможность с помощью клеточных культур получать ценные вещества.  
Например, культура клеток женьшеня нарабатывает биологически активные вещества. Можно размножить клетки женьшеня в 
пробирках, помещая клетки в определенные питательные среды. 
Так можно размножать редкие и ценные растения. Это позволяет 
создавать безвирусные сорта картофеля и других растений. 
 
8 

Гибридизация клеток. Например, разработана методика гибридизации протопластов соматических клеток. Удаляются клеточные оболочки и сливаются протопласты клеток организмов, 
относящихся к разным видам ‒ картофеля и томата, яблони и вишни. Перспективно создание гибридом, в ходе которого осуществляется гибридизация различных клеток. Например, лимфоциты, 
образующие антитела, гибридизируются с раковыми клетками.  
В результате гибридомы нарабатывают антитела, как лимфоциты, 
и «бессмертны», как раковые клетки. Следовательно, они обладают возможностью неограниченного размножения в культуре. 
Клонирование. Суть метода состоит в пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки. Таким способом возможно клонирование животных, получение генетических копий от одного организма. В настоящее время получены клонированные лягушки, получены первые результаты клонирования млекопитающих. 
Создание химерных животных. Возможно слияние эмбрионов 
на ранних стадиях, таким способом были получены химерные 
мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное 
животное овца-коза.  
 
Задание 1. Описать методы селекции микроорганизмов. 
 
Задание 2. Проанализировать методы генной инженерии.  
 
Задание 3. Сопоставить методоы хромосомной и клеточной инженерии. 
 
Контрольные вопросы 
1. Каковы объекты биотехнологии?   
2. Методы и возможные результаты селекции микроорганизмов.                      
3. Методы и возможные результаты генной инженерии.  
4. В чем суть методов хромосомной инженерии?  
5. Какие методы клеточной инженерии используются в биотехнологии?  
 
 
 
 
 
 
 
9 

Занятие 2. Инженерно-техническое обеспечение  
биотехнологических процессов  
 
Цель занятия. Изучить особенности применения микроорганизмовпродуцентов в биотехнологии, стадии и инженерно-техническое обеспечение биотехнологического процесса. 
 
Главным компонентом в процессах микробного синтеза биологически активных веществ (БАВ) являются микробные культуры ‒ продуценты БАВ.  
Основные показатели для оценки практической полезности 
продуцента:  
1. Безвредность для потребителя, для производственного персонала, для окружающей среды.  
2. Активность биосинтеза: накопление других (не целевых) 
биологически активных веществ, фаза и скорость накопления продукта, удельная скорость роста.  
3. Отношение к различным источникам углерода: степень использования источника углерода, способность роста при повышенных концентрациях углерода.  
4. Отношение к различным источникам азота.  
5. Потребность в дополнительных факторах роста и биосинтеза.  
6. Чувствительность к сопутствующим веществам в сырье.  
7. Потребность в кислороде.  
8. Оптимальное значение рН и чувствительность к колебаниям рН среды.  
9. Оптимальная температура.  
10. Проницаемость клеточной оболочки.  
11. Возможность применения антибиотиков или химических 
соединений для подавления посторонней микрофлоры.  
12. Стабильность и фагоустойчивость. 
Источником исходных форм продуцентов являются природные микроорганизмы, занимающие различные экологические ниши, или микроорганизмы из коллекции культур ‒ эталонные 
штаммы. 
Стадии биотехнологического производства. Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное 
применение, приводит к необходимости рассмотреть общие, 
 
10 

наиболее важные проблемы, возникающие при создании любого 
биотехнологического производства.  
Существует 5 стадий биотехнологического производства. 
Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии 
они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки 
партии ферментного препарата данного типа, ферментного или 
иммобилизованного. При осуществлении микробиологического 
синтеза стадии приготовления питательной среды и поддержания 
чистой культуры, могут постоянно или по мере необходимости 
использоваться в процессе.  
Третья стадия ‒ стадия ферментации, на которой происходит 
образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в 
биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит. 
На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и 
очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, 
большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции. 
Заключительная стадия биотехнологического производства ‒ 
приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством 
большинства продуктов микробиологического синтеза является их 
недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к 
разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для 
развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов 
принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для 
медицинских целей на стадии расфасовки и укупорки требуют соблюдения правил асептики. 
Стадия ферментации ‒ центральная среди этапов промышленного производства. Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и термостатированную среду инокулята до завершения 
процессов роста, биосинтеза или биотрансформации. 
 
11