Біохімія мікроорганізмів та комп'ютерні технології в промисловій біотехнології

Спеціальність: Біотехнології та біоінженерія
Код дисципліни: 6.162.02.E.066
Кількість кредитів: 7.00
Кафедра: Технологія біологічно-активних сполук, фармації та біотехнологія
Лектор: доц., к.б.н., доцент Червецова Вероніка Геннадіївна доцент, к.х.н., с.н.с. Хом`як С.В.
Семестр: 6 семестр
Форма навчання: денна
Мета вивчення дисципліни: Мета викладання курсу – підготувати інженера-технолога біотехнологічної промисловості до активного використання знань і навичок з методів виділення нових продуцентів de novo, вивчення біохімічних особливостей виділених мікроорганізмів, зокрема бактерій та плісеневих грибів, а також їх застосування у біотехнологічних процесах. В результаті вивчення дисципліни студент отримає знання щодо застосування комп’ютерних програм у виробничому процесі, зокрема біотехнологічному; а також напрямків застосування програм для отримання технологічних показників, зокрема при контролі виробничих параметрів.
Завдання: Здатність розв’язувати складні спеціалізовані задачі та практичні проблеми, що характеризуються комплексністю та невизначеністю умов у біотехнології та біоінженерії, або у процесі навчання, що передбачає застосування теорій та методів біотехнології та біоінженерії. загальні компетентності: ЗК04. Навички використання інформаційних і комунікаційних технологій фахові компетентності: СК 14. Здатність використовувати сучасні автоматизовані системи управління виробництвом біотехнологічних продуктів різного призначення, їх технічне, алгоритмічне, інформаційне і програмне забезпечення для вирішення професійних завдань. ФК 04.Здатність розуміти і застосувати математичне моделювання для вивчення режимів, умов та закономірностей мікробіологічних процесів. ФКО 2.4 Здатність застосовувати знання про біохімічні перетворення в клітинах мікроорганізмів, а також для розробки технологій ферментних препаратів. ФКО 2.10 Здатність продемонструвати знання основ в області інформаційних технологій для аналізу систем біотехнологічних виробництв та конструювання біооб`єктів та прогнозованого біотестування.
Результати навчання: знати: - як застосовуються комп'ютерні технології для зберігання, культивування, ідентифікації мікроорганізмів, для проведення різного спектру біохімічних, мікроскопічних досліджень, фармакогеноміці, при пошуку нових ліків; - мати поглиблені знання щодо апаратури, яка використовується у біотехнологічній аналітичній лабораторії; вміти: - працювати з біотехнологічними комп'ютерними програмами, будувати структурні формули та 3D моделі біологічно активних сполук, найменовувати їх, обчислювати молекулярну масу, протонні спектри, константи дисоціації - досліджувати біологічну активність препаратів за допомогою комп'ютерних програм - аналізувати мікроскопічні препарати промислових мікроорганізмів за допомогою комп'ютерних технологій - проводити пошук біотехнологічної інформації за допомогою Інтернету - застосовувати набуті знання і розуміння для впровадження нових технологій;
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Інформатика Математичне моделювання мікробіологічних процесів Загальна біотехнологія Біоінформатика Сучасне застосування біотехнологічних методів Біомоніторинг, біобезпека, біозахист та екоекспертиза
Короткий зміст навчальної програми: Метою викладання дисципліни є формування знань і навичок в галузі біоінженерії, зокрема ознайомлення студентів із особливостями та сучасним застосуванням комп'ютерних технологій в біотехнології, зокрема в біотехнологічних лабораторіях та промисловості. В результаті вивчення даної дисципліни студент повинен знати як застосовуються комп'ютерні технології для зберігання, культивування, ідентифікації мікроорганізмів, для проведення різного спектру біохімічних, мікроскопічних досліджень, фармакогеноміці, під час біотехнологічного виробництва різноманітних продуктів.. В результати вивчення курсу студент ознайомиться з біотехнологічними комп'ютерними програмами, побудувою структурних формул та 3D моделей біологічно активних сполук, способали називання їх, обчислення молекулярної маси, оцінки біологічної активністі препаратів за допомогою комп'ютерних програм, аналіз мікроскопічних препаратів промислових мікроорганізмів за допомогою комп'ютерних технологій, проводення пошуку біотехнологічної інформації за допомогою Інтернету. Курс лекцій описує сучасний стан комп’ютерних технологій в біотехнології як нового напряму наукової і практичної діяльності людини, що має в своїй основі використання програмного забезпечення для вирішення різних задач, перш за все в області харчового виробництва, генної інженерії. Результатом навчання буде вміння застосовувати практичні знання і навики, необхідні майбутньому фахівцю для обгрунтованих рішень в області організації і проведення біотехнологічних стадій виробництва. Історія розвитку комп'ютерних технологій в біотехнології. Використання суперкомп'ютерів в біології. Пошук біотехнологічної інформації в мережі Інтернет. Конвергентні технології як синергетична комбінація чотирьох галузей науки і техніки: нанонауки і нанотехнологій, біотехнологій і біомедицини, інформаційних технологій і когнітивної науки NBIC (nano-bio-info-cogno). Комп'ютерні програми для побудови 2-D та 3-D структурних формул сполук. Використання технологій професійної комп'ютерної графіки для візуалізації результатів наукових досліджень. Віртуальний скринінг, оцінка 2-D подібності. Програма PASS. Генерування 3-D моделей. Програмне забезпечення для молекулярного докінгу. Віртуальний скринінг методом QSAR. Поліпептидні ланцюги. Моделювання структури та динаміки макромолекул. Рентгеноструктурний аналіз білків. Фолдінг білків. Просторові структури молекул біополімерів і методи їх дослідження. Визначення просторової структури біологічних макромолекул, білків. Методи визначення первинних структур молекул ДНК, РНК і білків. Сучасні проблеми макромолекулярной кристалографії. Розпізнавання в первинній структурі біополімерів ділянок білка, у яких проходить кодування. Моделювання донора та акцептора різними комп'ютерними програмами. Обчислювальна екологія. Хвилі збудження в біологічних системах і кінематичний підхід до їх дослідження. Вирішення завдань розшифровки генетичної інформації, що закладена в біологічних послідовностях. Порівняльний аналіз інформаційних біополімерів. Керування виробничим процесом в біотехнології.
Опис: Живлення мікроорганізмів Хімічний склад клітини мікроорганізмів. Макро- і мікроелементи. Потреба мікроорганізмів у джерелах Карбону, Ніфтрогену, Фосфору. Додаткові фактори росту. Автотрофи і гетеротрофи. Типи живлення мікроорганізмів. Механізми надходження поживних речовин у клітину. Видалення продуктів обміну. Культивування і ріст мікроорганізмів Нагромаджувальні культури мікроорганізмів і принцип елективності. Чисті культури, їх значення і методи отримання. Способи культивування мікроорганізмів: поверхневий, глибинний, періодичний, безперервний. Закономірності росту при періодичному культивуванні. Швидкість росту і час генерації. Безперервне культивування і його значення в сучасній біотехнології. Поняття про іммобілізацію ферментів та мікробних клітин. Основні типи поживних середовищ. Методи стерилізації в лабораторних та промислових умовах Обмін речовин (метаболізм)у мікроорганізмів Біосинтетичні процеси. Енергетичні процеси. Способи отримання енергії мікроорганізмами. Бродіння, дихання, фотосинтез, хемосинтез. Основні шляхи окиснення вуглеводів: Ембдена-Мейєргофа-Парнаса, Варбурга-Діккенса-Хорекера, Ентнера-Дудорова. Аеробне окиснення різних органічних речовин. Дихання (цикл Кребса і дихальний ланцюг) Аеробне окиснення різних органічних речовин. Дихання (цикл Кребса і дихальний ланцюг). Явище окисного фосфорилювання. Повне і неповне окиснення. Мікробіологічна трансформація органічних сполук. Нітратне, сульфатне, карбонатне дихання. Представники та значення анаеробних дихань в природі. Регуляція метаболізму у мікроорганізмів Регуляція активності ферментів. Властивості алостеричних ферментів. Ковалентна модифікація ферментів. Регуляція синтезу ферментів шляхом індукції та репресії. Поняття про оперон. Катаболітна репресія, репресія кінцевим продуктом. Синтез ферментів центральних метаболітних шляхів. Розвиток інформаційно-комп'ютерних технологій в біотехнології. Інформаційні технології в NBIC- конвергенції наук. Застосування програм в виробничих процесах. Комп'ютерні програми для побудови структурних формул та роботи зі спектрами. Робота з програмами ACD Lab, MestReNova, Nuts, Isis Draw. Побудова структурних формул та 3D моделей біологічно активних сполук, їх найменування. Комп'ютерний аналіз прогнозованих спектрів ядерного магнітного резонансу, інфрачервоних та ультрафіолетових спектрів, мас-спекрометрії. Комп’ютерні технології в контролі виробничих параметрів. Контроль процесу, витрат сировини та виробничих параметрів при виробництві борошна, хлібобулочних виробів, макаронів, кондитерських виробів. Комп’ютерні технології в спиртовому виробництві. Контроль процесу, витрат та виробничих параметрів при виробництві спирту, вина, пива та в інших бродильних технологіях. Комп’ютерні технології в молочному виробництві. Контроль процесу витрат сировини та виробничих параметрів при виробництві молока, масла, сиру, морозива, кисломолочної продукції. Етапи проектування технологічних схем. Комп’ютерні програми для отримання та обробки інфрачервоних спектрів Spectrum та Spectrum Quant.
Методи та критерії оцінювання: Виконання та захист лабораторних робіт – 20 балів; Розрахунково-графічна робота – 30 балів. Контрольна залікова робота – 50 балів.
Критерії оцінювання результатів навчання: Основними методами діагностики знань є: поточний (ПК) і семестровий контроль (СК), який здійснюється з навчального матеріалу, обсяг якого визначений робочою програмою дисципліни за семестр. Поточний контроль здійснюється під час лекцій і практичних занять з метою перевірки рівня засвоєння теоретичних і практичних знань та умінь здобувача. ПК проводиться у формі: письмово-усного контролю та захисту практичних робіт. Семестровий контроль проводиться у формі іспиту. Іспит – це форма СК результатів навчання здобувача виключно за всіма видами робіт, передбачених програмою навчальної дисципліни.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100-88 балів - атестований з оцінкою «відмінно» - Високий рівень: здобувач освіти демонструє поглиблене володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни, системні знання, вміння і навички їх практичного застосування. Освоєні знання, вміння і навички забезпечують можливість самостійного формулювання цілей та організації навчальної діяльності, пошуку та знаходження рішень у нестандартних, нетипових навчальних і професійних ситуаціях. Здобувач освіти демонструє здатність робити узагальнення на основі критичного аналізу фактичного матеріалу, ідей, теорій і концепцій, формулювати на їх основі висновки. Його діяльності ґрунтується на зацікавленості та мотивації до саморозвитку, неперервного професійного розвитку, самостійної науково-дослідної діяльності, що реалізується за підтримки та під керівництвом викладача. 87-71 балів - атестований з оцінкою «добре» - Достатній рівень: передбачає володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни на підвищеному рівні, усвідомлене використання знань, умінь і навичок з метою розкриття суті питання. Володіння частково-структурованим комплексом знань забезпечує можливість їх застосування у знайомих ситуаціях освітнього та професійного характеру. Усвідомлюючи специфіку задач та навчальних ситуацій, здобувач освіти демонструє здатність здійснювати пошук та вибір їх розв’язання за поданим зразком, аргументувати застосування певного способу розв’язання задачі. Його діяльності ґрунтується на зацікавленості та мотивації до саморозвитку, неперервного професійного розвитку. 70-50 балів - атестований з оцінкою «задовільно» - Задовільний рівень: окреслює володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни на середньому рівні, часткове усвідомлення навчальних і професійних задач, завдань і ситуацій, знання про способи розв’язання типових задач і завдань. Здобувач освіти демонструє середній рівень умінь і навичок застосування знань на практиці, а розв’язання задач потребує допомоги, опори на зразок. В основу навчальної діяльності покладено ситуативність та евристичність, домінування мотивів обов’язку, неусвідомлене застосування можливостей для саморозвитку. 49-00 балів - атестований з оцінкою «незадовільно» - Незадовільний рівень: свідчить про елементарне володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни, загальне уявлення про зміст навчального матеріалу, часткове використання знань, умінь і навичок. В основу навчальної діяльності покладено ситуативно-прагматичний інтерес.
Рекомендована література: 1. М. Е. Соловьев, М. М. Соловьев. Компьютерная химия. // "Солон-пресс". -2005 г. - 536с. 2. Орлов В.Д., Липсон В.В., Иванов В. В. Медицинская химия // Фолио.- 2005.- 464 С. 3. Sean Ekins. Computer applications in pharmaceutical research and development // Wiley.- 2016.- 806 p. 4. Бєлих І.А., Клещев М.Ф. Біологічні та хімічні сенсорні системи // Харків НТУ «ХПІ». – 2011. – 144 с. 5. Лахно В.Д. (ред)-Компьютеры и суперкомпьютеры в биологии // Мосува 2002. – 560 с. 6. Bultinck P., De Winter H., Langenaeker W., Tollenaere J.P. Computational Medicinal Chemistry for Drug Discovery // New York.- Marcel Dekker Inc.- 2014.- 684 p. 7. Abraham D.J. Burgers Medicinal Chemistry and Drug Discovery. Vol. 1. Drug Discovery. // Wiley.- 2013.- 932 P
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою: вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112 E-mail: nolimits@lpnu.ua Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).