Введение
Актуальность работы
Это довольно-таки интересная тема, которая мало изучена на данный момент. В настоящее время биотехнология набирает популярность, множество людей не понимает, что за биотехнологиями – будущее. Производство лекарств с использованием биотехнологического метода - это экологически чистое производство. В ходе проекта я попытаюсь популяризировать биотехнологию среди людей.
Гипотеза
Предполагается, что биотехнологическое производство медицинских препаратов — это эффективный метод и за этим стоит будущее.
Цель
Целью своего проекта я ставлю информирование людей о преимуществах производства медицинских препаратов на основе биотехнологий и перспективах их использования в будущем.
Задачи
1) Изучить информацию о получении наиболее важных лекарств на данный момент
2) Рассмотреть процесс биотехнологического производства некоторых важнейших фармакологических веществ и практику их применения в современной медицине.
3) Сравнить способы получения медицинских веществ на основе химического и биотехнологического производства, выявить их достоинства и недостатки.
4) Оценить возможные перспективы развития биотехнологического производства мед. препаратов в ближайшем будущем.
Методы и методики, использованные при выполнении работы
Теоретический анализ информационных источников, поиск данных в интернете, эмпирический метод.
Продукт
Информационная статья, основанная на данных из моего проекта.
Практическая значимость работы
Информацию из моего проекта можно использовать для подготовки к олимпиадам, подготовки абитуриентов, получения информации о биотехнологическом способе производства лекарств любым заинтересованным людям.
Срок работы над проектом
Сентябрь 2020 - Апрель 2021
Глава 1. Теоретическая. Медицинская Биотехнология и ее возможности
1.1 Понятие о биотехнологии
Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии. Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX—XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и животных путём искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов. До 1971 года термин «биотехнология» использовался, большей частью, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. С 1970 года учёные используют термин в применении к лабораторным методам, таким, как использование рекомбинантной ДНК и культур клеток. Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах — химической и информационной технологиях и робототехнике. Биотехнология — это совокупность промышленных методов, в которых используют живые организмы или биологические процессы для производства экономически важных веществ и создания высокопродуктивных сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов.
Основные направления биотехнологии:
- промышленная микробиология - получение кормового белка, производство антибиотиков и других лекарственных веществ; - инженерная энзимология - получение и использование чистых ферментов и ферментных препаратов; - генная инженерия — искусственное конструирование молекул ДНК (генов); - клеточная инженерия - культивирование клеток и тканей высших организмов (растений и животных).
В настоящее время различные виды микроскопических грибов используют в микробиологической промышленности для производства антибиотиков, витаминов, гормонов, ферментов, кормовых белков и др. В пищевой промышленности использование высокопродуктивных штаммов микроорганизмов позволяет увеличить выпуск пищевых продуктов (кисломолочных, сыров, пива) и кормов для животных (силос, кормовые дрожжи) высокого качества. Биотехнологические процессы применяют для очистки окружающей среды, в частности, сточных вод и почвы от бытового и промышленного загрязнения. Метод биоочистки основан на способности определенных видов бактерий разлагать органические соединения, попадающие в воду и почву. Используя штаммы определенных видов микроорганизмов (бактерий, грибов), изготавливают препараты, эффективно снижающие численность вредителей, не загрязняя при этом окружающей среды токсичными соединениями, т.е. осуществление биологических методов борьбы с вредителями сельского, лесного хозяйства, паразитическими и кровососущими видами. Методами генетической инженерии получены белки-интерфероны, защищающие организм человека и животных от вирусных инфекций, гормон роста и др. Генная инженерия осуществляет: синтез генов вне организма; выделение из клеток и перестройку отдельных генов или частей; копирование и размножение выделенных или синтезированных генов; введение генов или их групп в геном других организмов; экспериментальное объединение различных геномов в одной клетке. Методы клеточной инженерии предоставляют возможность создавать препараты, повышающие устойчивость организмов к разнообразным инфекционным заболеваниям, а также лечащие раковые заболевания (гибридизация неполовых клеток); получать ценные вещества, что значительно удешевляет себестоимость лекарственных препаратов (например, препараты растения жень-шень); возможность получить из одной клетки значительное количество организмов с одинаковыми наследственными качествами. Перспективным направлением клеточной инженерии является клонирование организмов.
1.2 Понятие о “Красной” Биотехнологии
Одним из примеров применения биотехнологии является использование организмов для производства лекарств и вакцин, пенициллина, стволовых клеток для регенеративной медицины и генной терапии для лечения генетических заболеваний с помощью замены аномального на нормальный ген. Красная биотехнология - это использование биотехнологии в медицине и фармацевтике промышленности и охраны здоровья. Эта отрасль включает производство вакцин и антибиотиков , регенеративные методы лечения, создание искусственных органов и новую диагностику заболеваний. А также разработка гормонов , стволовых клеток , антител , siRNA и диагностических тестов. "Красная" биотехнология – биотехнология, связанная с обеспечением здоровья человека и потенциальной коррекцией его генома, а также с производством биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител); Красная биотехнология имеет некоторые продукты, которые в настоящее время все еще являются предметом споров, такие как клонирование – это размножение живого существа и генная инженерия. С помощью клонирования можно создать новый организм, который точно соответствует оригиналу, будь то человек или животное. Реальный пример результатов клонирования – овечка Долли. Генная инженерия позволяет модифицировать дефект или недостаток в живых существах. С помощью генной инженерии аутизм может быть уничтожен, синдром Дауна может быть устранен, цвет кожи может быть изменен, форма лица может быть изменена и т.д. Несмотря на наличие благих намерений, непосредственно генетически не модифицированные представители природы человека никогда не бывают удовлетворены и благодарны тому, что получают. Высокие медицинские технологии последнего времени подняли человечество на новую ступень социальной эволюции, позволив кардинальным образом изменить вектор его (человечества) развития. При этом экспоненциальному прогрессу в сфере клинической и профилактической медицины, равно как и в фармацевтической промышленности существенно способствовали выдающиеся достижения в биотехнологии, а также других областях науки и техники. То, что казалось в медицинской практике фантастическим вчера, уже сегодня постепенно внедряется в реальную жизнь. Объективно можно констатировать, что инновации генных, информационных и иных технологий потенциально обладают уникальной возможностью победоносно воздействовать на многие болезни современности, целенаправленно вносить требуемые коррективы в геном человека, значительно увеличивать продолжительность жизни, восстанавливать или заменять стареющие органы на новые в рамках регенеративной медицины, вести беременность вне стенок утробы матери, дистанционно консультировать, обследовать, оперировать пациентов и наблюдать за состоянием их здоровья в режиме онлайн и многое другое, что сложно было прогнозировать буквально ещё несколько десятилетий назад. Нужно сказать, что одной из отраслей, которая гармонично влилась в отмеченный выше поток технологической революции, является фармацевтика. К препаратам, в производстве которых применяется биотехнология, относятся, в частности:
· природные / полусинтетические антибиотики, способные подавлять рост живых клеток, а именно: ингибиторы биосинтеза клеточной клетки (пенициллины, цефалоспорины, цефамицины и т.п.), ингибиторы синтеза РНК на уровне РНК-полимеразы и метаболизма фолиевой кислоты (рифампицины), ингибиторы синтеза РНК на уровне ДНК-матрицы (актиномицины), ингибиторы синтеза ДНК на уровне ДНК-матрицы (антрациклины, нитрофураны, митомицин С, налидиксовая кислота), нарушители молекулярной организации и функций клеточных мембран (полиены, полимиксины), подавители синтеза белка на уровне рибосом (фузидин, макролиды, левомицетин, тетрациклины);
· стероидные гормоны (характеризуются противовоспалительными, противораковыми, анаболическими, контрацептивными свойствами), соматостатин (один из гормонов гипоталамуса), инсулин (гормон пептидной природы), соматотропин (разновидность гормона передней доли гипофиза) и иные гормоны;
· моно- и комплексные лекарства на основе аминокислот, в том числе: глицин (оказывает ноотропный и седативный эффекты), глутамин (участвует в формировании высших психических функций), метионин (выполняет в биохимических реакциях роль донора метильной группы), раверон (нормализует обмен веществ в предстательной железе), румалон (коррелирует метаболизм костно-хрящевой ткани), тимоген (обладает иммуностимулирующими свойствами), церебролизин (регулирует регенерационные процессы головного мозга), цистеин (борется с помутнением глазного хрусталика), эмбриобласт (усиливает процессы метаболизма) и др.;
· водорастворимые (B1, B2, B3, B5, B6, B12, C) и жирорастворимые (A, D, E, K) витамины, имеющие высокую биологическую ценность и служащие активным биокатализатором метаболических процессов в организме;
· оптимизирующие микробиологический статус пробиотики, включающие в себя бифидо- и молочнокислые бактерии, лактобациллы, некоторые штаммы энтерококков;
· ферменты (энзимы), участвующие в биохимических реакциях внутри и вне живых организмов, которые, в зависимости от типа катализируемых реакций, подразделяются на следующие базовые классы: оксидоредуктазы (катализаторы окислительно-восстановительных реакций), трансферазы (катализаторы переноса химических групп с одной молекулы на другую), гидролазы (катализаторы гидролиза химических связей), лиазы (катализаторы реакций соединения или расщепления молекул), изомеразы (катализаторы разного рода изменений в пределах одной молекулы), лигазы (катализаторы образования связей в реакции конденсации двух различных соединений с помощью энергии АТФ — аденозинтрифосфата);
· вакцины (в частности, получаемые за счёт технологии рекомбинантных ДНК), усиливающие защитные функции иммунной системы к деструктивным микроорганизмам и патогенным вирусам;
· рекомбинантный и лейкоцитарный интерферон для лечения вирусных гепатитов и т. д.
Говоря о медицинской биотехнологии, нельзя не отметить её исключительный вклад в борьбу со старением, что стало возможным благодаря открытиям в молекулярной биологии, разгадке структуры ДНК, расшифровке генома человека и иным успехам в этой области. Представляется, что дальнейшее развитие генетической инженерии, являющейся одной из наиболее могущественных прикладных биотехнологических инструментов, даст мощный импульс таким передовым ответвлениям, как генодиагностика и генотерапия Они принципиально улучшат качество медицинского обслуживания населения и позволят уже на эмбриональной стадии точно выявлять и в щадящем для всего организма режиме устранять зачатки тех или иных заболеваний (генетических, онкологических, инфекционных).
В контексте рассматриваемой проблематики особо нужно выделить зарождающуюся ныне нанобиотехнологию, которая, гармонично вобрав в себя прогрессивные методы биотехнологии и нанотехнологии, делает реальным, к примеру, адресную доставку лекарственных средств в нанокапсулах, проведение хирургических операций с помощью высоко3точных наноинструментов, изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток (способных обновлять или замещать повреждённые или утраченные клеточные структуры), создание биосенсоров и зондовых микроскопов, фильтрацию жидкостей организма от вредных веществ с помощью мембран с нанопорами, производство антибактериальных перевязочных материалов с пропиткой из мгновенно останавливающей кровотечение жидкости.
Вместе с тем, несмотря на показанные выше очевидно созидательные составляющие частной медицинской биотехнологии, имеется и ряд дискуссионных вопросов, особенно связанных с такими проблемами, как недостаточная изученность последствий от генетического манипулирования, сложность с определением пределов допустимого антропогенного вмешательства в биологические процессы, а также морально-этическая неоднозначность генно-инженерной деятельности в плоскости человеческого достоинства.
Как видится, если мировому сообществу удастся ответственно и успешно подойти к выработке инструментария по устранению вышеобозначенных и других актуальных «болевых точек» биотехнологии в медицине, интегрировать биотехнологический аспект в процессы транснационального взаимодействия с целью его международной регламентации и политического контроля, то, в таком случае, есть все предпосылки, чтобы на основе безопасного использования подобных технологий, сделать, возможно, самый главный в истории развития человеческой популяции самостоятельный шаг на пути масштабной эволюции цивилизации.
1.3 Производство лекарственных веществ с использованием живых биологических систем
1.3.1 Получение витаминов
Биотехнология в производстве витаминов
Витамины представляют группу незаменимых органических соединений различной химической природы. Они необходимы любому организму вне больших концентраций с целью выполнения в нем каталитических и регуляторных функций. Они не являются материалом для биосинтетических процессов, они не являются источниками энергии. Что касается источника витаминов – это в первую очередь растения. Витамины поступают в организм человека с пищевыми продуктами. Недостаток витаминов может привести к различным заболеваниям (это цинга, различные анемии и так далее).
Использование витаминов:
1. это лечебные препараты 2. это компоненты сбалансированного питания 3. это компоненты парфюмерной продукции 4. это биологически активные добавки 5. это компоненты для интенсификации биотехнологических процессов производства.
Известно, что высокой биологической активностью обладают, как правило,не сами витамины, а их производные – коферменты. Открыты также коферменты, для которых не обнаружено витаминных аналогов. Коферментные формы на основе различных витаминов обладают широким спектром действия и эффективно используются в медицинской практике. Большинство витаминов либо выделяют из природных источников, либо синтезируют химическим путем. Однако, с помощью биотехнологии сегодня производят особо сложные по строению витамины В2, В12, β-каротин (провитамин А), РР и предшественники витамина Д (эргостерина). Кроме того, в синтезе витамина С (аскорбиновой кислоты) используют микроорганизмы как селективные окислители d-сорбита в L-сорбозу.
Получение витамина В2 (рибофлавин).Вначале этот витамин выделяли из природного сырья (в максимальных концентрациях он присутствует в моркови и в печени). Затем был разработан как химический, так имикробиологический способы промышленного синтеза. Для рибофлавина характерно функционирование в коэнзимных формах: -флавиномононуклеотид (ФМН) -флавинадениндинуклеотид (ФАД).
К источникам рибофлавина относятся: -высшие растения. -дрожжи. -мицелиальные грибы.
Активным продуцентом рибофлавина являются культура дрожжеподобного гриба Eremotheciumashbyii и Ashbyagossipii. Сверхсинтез рибофлавина можно получить, если действовать на дикиештаммы мутагенами, нарушающими механизм ретроингибирования синтеза витамина В2, флавиновыми нуклеотидами, а также изменением состава культуральной среды.
В состав среды для роста продуцентов рибофлавина входят:
-соевая мука -кукурузный экстракт -сахароза -карбонат кальция -хлорид натрия -витамины -технический жир.
Перед подачей в ферментер среду стерилизуют с помощью антибиотиков иантисептиков во избежание ее инфицирования. По завершении процесса ферментации культуральную жидкость концентрируют, высушивают исмешивают с наполнителями. В 1983 году в институте генетики был сконструирован рекомбинантный штамм продуцента Bacillussubtilis, способный синтезировать в три раза больше по сравнению с Eremotheciumashbyii и этот продуцент более устойчив к экзогенной кантаминации.
Получение витамина В12.
Этот витамин был открыт одновременно в США и в Англии. В 1972 г. В Гарвадском университете был осуществлен химический синтез витамина В12, включающий 37 стадий его получения, что лишало возможности организовать промышленное производство этого витамина. С другой стороны это производство было необходимо, так как витамин В12 очень важен в коррекции определенных нарушений в организме человека и животных. Он регулирует углеводный и липидный обмен, участвует в метаболизме незаменимых аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, стимулирует образование гемоглобина, применяется для лечения злокачественной анемии, лучевой болезни, заболеваний печени и в другихслучаях. Сначала витамин В12 получали исключительно из природного сырья (1 тонна печени – 15 миллиграмм витамина). Единственный способ его получения в настоящее время – этомикробиологический синтез в промышленном масштабе. Интересно, что обнаружение витамин В12 как побочного продукта при производстве антибиотиков стимулировало поиск продуцентов этого витамина. Продуцентом витамина В12 являются пропионовокислые бактерии из рода Propionibacterium. Применение мутантов и добавление в средупредшественника витамина В12 - 5,6 диметилбензимидазола (5,6 ДМБ) резко повышает продуктивность продуцента. Этому способствует также добавлениев питательные среды кукурузного и мясного экстракта, соевой муки, рыбной муки. Выращивание пропионовых бактерий производится периодическим методом в анаэробных условиях на среде с кукурузным экстрактом, глюкозой,солями кобальта и сульфатом аммония. Образующиеся кислотынейтрализуются щелочью. Через 72 часа после начала ферментации вносят предшественники - 5,6 ДМБ. Длительность ферментации – трое суток. Полученную массу сепарируют, стабилизируют нитритом натрия, охлаждают, нейтрализуют, коагулируют белки и фильтруют. Очищают на ионообменной смоле, кристаллизуют и проводят химическую очистку продукта. Далее следует получение различных лекарственных форм поливитаминных препаратов. Для увеличения производства витамина В12 перспективным является применение генной инженерии при получении гибридных штаммови использовании методов иммобилизации на полимерах.
Витамин В3 (пантотеновая кислота).Способ получения – тонкий органический синтез и микробиологический синтез с использованием иммобилизованных клеток бактерий, актиномицетов (основной метод).
Витамин РР. Используется биотехнологический метод, метод экстракции из микроорганизмов, обычно из пекарских дрожжей с добавлением предшественников. Используется штамм – Brevibacterium ammoniagenes.
Аскорбиновая кислота. Здесь применяется в основном химический синтезилишь одна стадия осуществляется биотехнологическим способом с применением уксусно-кислых бактерий, проводящих реакциютрансформации d -сорбита в L-сорбозу. Для получения сорбозы культуру продуцента Gluconobacteroxydans выращивают в ферментерах периодического действия с мешалкой, барботером, усиленной аэрацией в течение 20-40 часов. Выход сорбозы достигает 98% от начального сорбита. Питательная среда: кукурузный дрожжевой экстракт до 20%. Сорбозу выделяют из культуральной жидкости. Развитие микробиологического метода получило развитие в производстве 2-кето L -гулоновой кислоты – это промежуточный продукт синтеза витамина С. Продуценты: Acetobacter, Erwinia ,Gluconobacter. Перспективно создание генноинженерных штаммов продуцентов.
Эргостерин (витамин Д2)
Эргостерин – это основной компонент стеринов дрожжеподобных грибов рода Candida, использующих углеводы. Есть несколько вариантов выращивания дрожжей – продуцентов эргостерина. Продуценты – это дрожжи, плесени, особенно Saccharomycescerevisiae. Питательная среда должна содержать источники углерода, азота, фосфора. Ферментация идет в аэробных условиях около 12-20 часов. Для получения кристаллического витамина Д2, биомассу гидролизуют, охлаждают, фильтруют, делают спиртовые экстракты, которые омыляют (обрабатывают щелочью), кристаллизуют, очищают, растворяя в эфире, удаляют эфир, а затем эргостерин облучают ультрафиолетовыми лучами (УФ-облучение), так как витамин Д 2 из эргостерина образуется только после ультрафиолетового облучения (УФ-облучения ). Источником получения эргостерина может служить и мицелий грибов, который остается как отход (побочный продукт) антибиотической промышленности. Микроорганизмы Cryptoccocuscurvatus на средах с отходами молочной промышленности и при переработке хлопка синтезируют значительные количества эргостерина. Это все относится к вопросу рентабельности и экологичности биотехнологического производства. β-каротин.Каротиноиды (политерпены) – это природный пигмент. Общий путь биосинтеза из изопреновых единиц. Источник – это высшие растения, водоросли, микроорганизмы. Получение - это тонкий органический синтез (химический способ) и биотехнология (использование мицелиальных грибов). Питательная среда – кукурузно-соевая среда. Процесс получениямногостадийный. β-каротин экстрагируется подсолнечным маслом ииспользуется в виде масляных Если используют химический синтез, то болеерентабельно после экстракции егокристаллизовать.
Витамин РР– в его производстве используется биотехнологический метод, применяя способ экстракции из микроорганизмов, обычно это пекарские дрожжи. В качестве штамма используется Brevibacterium ammoniagenes.
Убихиноны (коферменты Q).
Эти соединения синтезируются в организме животных и человека. Участие убихинона в метаболических процессах проявляет регуляторныйэффект, он же принимает участие в тканевом дыхании, окислительном фосфолирировании, в переносе электронов.
Получение убихинонов – это биотехнология на основе каллусных культур риса или опухолевой ткани. Продуценты – бактерии, дрожжи идрожжеподобные микроорганизмы. Сухая масса грибов рода Candida содержит смесь убихинонов. Это один из примеров, когда биотехнологиясовмещает в едином процессе получение убихинонов и эргостерина из микробных липидов. Применение убихинонов – при ишемической болезнисердца и при повышенных нагрузках.
Уксуснокислые бактерии, используемые при окислении сорбита в сорбозу (при получении витамина С) содержат убихинон-10 )с десятью изопреновыми единицами в боковой цепи, который является коферментом организмачеловека.
1. Применение генной инженерии при синтезе витамина В2 и витамина С– открыло новые возможности селекции высокоактивных продуцентов.
2. Внедрение непрерывного способа ферментации в производстве сорбозы увеличило скорости образования этого сахара почти в два раза.
3. Дробная подача компонентов в питательные среды обеспечило высокийуровень ферментации в производстве витамина В12 и сорбозы.
4. Применение иммобилизованных клеток при получении витаминов В12и В3 привело к разработке новых конструкций биореакторов.
5. Утилизация различных промышленных отходов существенно снижаетсебестоимость получаемой продукции – витаминов В2 , В12 и β-каротина, улучшает экологию производства.
Таким образом, получение этих важных биологически активных веществ(БАВ) свидетельствует о существенном вкладе биотехнологии и в этомсекторе фармацевтической промышленности.
1.3.2 Получение гормонов
Гормоны
Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли в последние годы в направлении синтеза пептидных гормонов.мРаньше гормоны получали из органов и тканей животных и человека (крови доноров, удаленных при операциях органов, трупного материала). Требовалось много материала для получения небольшого количества продукта. Так, человеческий гормон роста (соматотропин) получали из гипофиза человека, каждый гипофиз содержит его не более 4 мг. В то же время для лечения одного ребенка, страдающего карликовостью, требуется около 7 мг соматотропина в неделю; курс лечения должен продолжаться несколько лет. С применением генноинженерного штамма Е. coli в настоящее время получают до 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования. Открываются перспективы борьбы не только с карликовостью, но и с низкорослостью — более слабой степенью дефицита соматотропина. Соматотропин способствует заживлению ран и ожогов, наряду с кальцитонином (гормоном щитовидной железы) регулирует обмен Са 2+ в костной ткани. Инсулин, пептидный гормон островков Лангерганса поджелудочной железы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. Эта болезнь вызвана дефицитом инсулина и проявляется повышением уровня глюкозы в крови. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка и свиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина 1—3 аминокислотными заменами, так что возникала угроза аллергических реакций, особенно у детей. Широкомасштабное терапевтическое применение инсулина сдерживалось его высокой стоимостью и ограниченностью ресурсов. Путем химической модификации инсулин из животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это означало дополнительное удорожание продукта. Компания EliLillyс 1982 г. производит генноинженерный инсулин на основе раздельного синтезаЕ. coli его А- и В-цепей. Стоимость продукта значительно снизилась, получаемый инсулин идентичен человеческому. С 1980 г. в печати имеются сообщения о клонировании уЕ. сой гена проинсулина — предшественника гормона, переходящего в зрелую форму при ограниченном протеолизе. К лечению диабета приложена также технология инкапсулирования: клетки поджелудочной железы в капсуле, введенные однократно в организм больного, продуцируют инсулин в течение года. Компания IntegratedGeneticsприступила к выпуску фолликулостимулирующего и лютенизирующего гормонов. Эти пептиды составлены из двух субъединиц. На повестке дня вопрос о промышленном синтезе олигопептидных гормонов нервной системы — энкефалинов, построенных из 5 аминокислотных остатков, и эндорфинов, аналогов морфина. При рациональном применении эти пептиды снимают болевые ощущения, создают хорошее настроение, повышают работоспособность, концентрируют внимание, улучшают память, приводят в порядок режим сна и бодрствования. Примером успешного применения методов генетической инженерии может служить синтез рэндорфина по технологии гибридных белков, описанной выше для другого пептидного гормона, соматостатина. Значителен вклад биотехнологии и в промышленное производство непептидных гормонов, в первую очередь стероидов. Методы микробиологической трансформации позволили резко сократить число этапов химического синтеза кортизона, гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артрита. При производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованные микробные клетки, например, Arthrobacter globiformis, для синтеза преднизолона из гидрокортизона. Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тироксина из микроводорослей.
1.3.3 Получение белков и аминокислот
Получение аминокислот
Среди соединений, получаемых биотехнологическими методами, аминокислоты занимают первое место по объему производства и второе место по стоимости, уступая по последнему параметру лишь антибиотикам. Объем мирового производства аминокислот составляет более 500 тыс. т в год, из которых 300 тыс. т приходится на глутамат натрия, 100 тыс. т на лизин и 140 тыс. т на метионин. Однако указанный объем — лишь небольшая доля от требуемого количества аминокислот. По данным ВОЗ, потребность человечества всего лишь в четырех незаменимых аминокислотах составляет, млн т: для лизина — 5, метионина — 4, треонина — 3,7 и триптофана — 2. Аминокислоты — структурные единицы белков. Природные аминокислоты вовлечены в биосинтез ферментов, ряда гормонов, витаминов, антибиотиков, алкалоидов, токсинов и других азотсодержащих соединений (пурины, пиримидины, гем и пр.). В организме животного практически половина белковых аминокислот не синтезируется. Они называются незаменимыми аминокислотами и должны поступать в организм с пищей. Недостаток каждой из с этих аминокислот в пищевом или кормовом рационе приводит к нарушению обмена веществ, замедлению роста и развития. Пищевая ценность белка определяется сравнением доли незаменимых аминокислот в пище с этим же показателем при адекватном питании. Чем ближе обе величины, тем выше качество белка. 5епки яйца и молока обладают высокой пищевой ценностью и используются в качестве эталона при оценке других белков. Многие белки растительного происхождения характеризуются дефицитом некоторых незаменимых аминокислот. Так, белки пшеницы и риса обеднены лизином и треонином, а белки кукурузы — пизином и триптофаном. Введение синтетических незаменимых аминокислот в кормовые концентраты позволяет балансировать корма сельскохозяйственных животных по уровню белка. При добавлении 2 —4 дефицитных аминокислот к 1 т комбикорма общий расход кормов уменьшается на 15 — 20 %, выход продукции увеличивается на 20 %. Добавление к кормам аминокислот способствует переводу животноводства на промышленную основу. Помимо применения в качестве пищевых добавок, приправ и усилителей вкуса аминокислоты используют как сырье в химической, парфюмерной и фармацевтической промышленности и при производстве ряда других веществ:
глицин — подсластитель, антиоксидант, бактериостатик; аспарагиновая кислота — усилитель вкуса, сырье для синтеза асгтартама; глутаминовая кислота — усилитель вкуса, препарат для лечения психических заболеваний; гистидин — противовоспалительное средство; метионин — пищевая и кормовая добавки; цистеин — фармацевтический препарат; треонин и триптофан — пищевые и кормовые добавки; фенилаланин — сырье для получения аспартама; лизин — пищевая и кормовая добавки, сырье для получения искусственных волокон и пленок.
В промышленных масштабах белковые аминокислоты получают:
1. гидролизом природного белоксодержащего сырья;
2. химическим синтезом;
3. микробиологическим синтезом;
4. биотрансформацией предшественников аминокислот с помощью микроорганизмов или выделенных из них ферментов (химико-микробиологический метод).
При гидролизе белоксодержащее сырье (отходы пищевой и молочной промышленности) нагревают с растворами кислот или щелочей при температуре 100 —105 °С в течение 20—48 ч. Чаще всего используют 20 %-й раствор соляной кислоты, обеспечивающий глубокий гидролиз белка. Кроме того, для ускорения реакции гидролиза белков используют иммобилизованные протеолитические ферменты и ионообменные смолы. В ходе кислотного гидролиза белков происходят рацемизация и разрушение некоторых составляющих их аминокислот. При кислотном гидролизе полностью разрушается триптофан и достаточно значительны потери цистеина, метионина и тирозина (10—30%). Лучшим способом уменьшения потерь аминокислот при гидролизе является проведение его в вакууме или в атмосфере инертного газа, а также соблюдение высокого соотношения количества кислоты, взятой для гидролиза, и массы белка (200:1). Рациональное использование сырья при гидролизе, характерное для многих других биотехнологических производств, обеспечивает создание безотходных технологий и способствует оздоровлению окружающей среды. Ранее методом гидролиза получали аминокислоты исключительно для фармацевтических и научных целей. В последнее время сфера использования белковых гидролизатов существенно расширилась. Их применяют в медицине, животноводстве, пищевой и микробиологической промышленности. Существенный недостаток методов химического синтеза аминокислот состоит в получении целевых препаратов в виде рацемической смеси D- и L-стереоизомерных форм. Подавляющее большинство природных аминокислот относится к L-ряду. D-a-аминокислоты обнаружены лишь в составе гликопротеинов клеточных стенок бактерий, антибиотиков и некоторых токсинов. Проницаемость L-аминокислот в клетке в 500 раз превышает таковую ее антипода. Стереоспецифичны также транспорт и метаболизм аминокислот. Исключением в этом отношении является лишь метионин, метаболизм которого нестереоизбирателен, благодаря чему данная аминокислота получается преимущественно путем химического синтеза. Разделение рацематов других аминокислот — дорогая и чрезвычайно трудоемкая процедура. Наиболее перспективен и экономически выгоден микробиологический синтез аминокислот. Более 60 % всех производимых в настоящее время промышленностью высокоочищенных препаратов белковых аминокислот получают именно этим способом, главное преимущество которого в сравнении с методами химического синтеза состоит в возможности получения L-аминокислот на основе возобновляемого сырья. В последние годы при производстве аминокислот все шире используют биотрансформацию предшественников аминокислот, особенно с помощью иммобилизованных ферментов или клеток микроорганизмов, предварительно получаемых химическим путем. Промышленное производство аминокислот стало возможным после открытия способности у некоторых микроорганизмов выделять в культуральную среду значительные количества какой-либо одной аминокислоты (С. Киносита, 1955). При этом было подмечено, что большинство из нескольких тысяч проанализированных диких штаммов микроорганизмов продуцировали аминокислоты во внешнюю среду, но в очень незначительных количествах. Не зафиксировано никакой связи между таксономическим положением микроорганизма и способностью к продуцированию той или иной аминокислоты. Так, среди возможных продуцентов глутаминовой кислоты отмечены организмы, из которых 30 % — дрожжи, 30% — стрептомицеты, 20% — бактерии и 10% — микроскопические грибы. И лишь один из обследованных штаммов микроорганизмов — Corynebacterium glutamicum был способен к сверхсинтезу глутамата. Этот штамм использовали при организации первого в мире крупномасштабного производства глутаминовой кислоты микробиологическим методом в Токио (1956). В России изыскания в области промышленного синтеза аминокислот были начаты в 50-х годах прошлого столетия по инициативе акад. А. А. Александрова. Перспективные штаммы продуцентов постоянно улучшают посредством селекции мутантов с измененной генетической программой и регуляторными свойствами. Распространенные объекты селекции продуцентов — микроорганизмы, относящиеся к родам Brevibacterium, Micrococcus, Corynebacterium, Arthrobacter. Разработка технологической схемы получения отдельной аминокислоты полностью базируется на знании путей и механизмов регуляции биосинтеза конкретной аминокислоты. Необхо. димого дисбаланса метаболизма, обеспечивающего сверхсинтез целевого продукта, добиваются путем строго контролируемых изменений состава и условий среды.
Микробиологические методы производства аминокислот
Производство лизина. По содержанию лизина наименее сбалансированы белки злаковых культур, у которых его дефицит составляет от 20 до 50 %. На территории России недостаток лизина в кормах не может быть восполнен за счет сои, поэтому в нашей стране производство этой аминокислоты было организовано первым. Для удовлетворения потребностей животноводства в лизине крупнотоннажное производство налажено в Испании, Франции, Японии и США. В клетках микроорганизмов лизин синтезируется из аспарагиновой кислоты и служит конечным продуктом разветвленного метаболического пути биосинтеза, общего для трех аминокислот — лизина, метионина и треонина (рис. 3.3). Таким образом, в процессе новообразования аминокислот из общего предшественника одновременно с лизином возникают две другие аминокислоты — метионин и треонин. В этом случае эффекта накопления в среде всего одной целевой аминокислоты добиваются путем блокирования процессов, ведущих к синтезу побочных аминокислот, возникающих в связи с разветвлением метаболического пути. Образование лизина в клетке бактерии находится под строгим метаболическим контролем. У типичных продуцентов L-лизина — Brevibacterium flavum и Corynebacterium glutamicum — фермент аспартаткиназа, открывающий метаболический путь, является аллостерическим белком, чувствительным к ингибированию по принципу обратной связи при совместном и согласованном действие побочных продуктов L-треонина и L-лизина. При накоплении треонина и лизина в избыточной концентрации ингибируется аспартаткиназа и их синтез останавливается, при пониженной концентрации любой из двух аминокислот процесс активизируется. Чтобы добиться образования лизина в больших количествах: получают мутанты двух типов. У мутантов первого типа не синтезруется или не функционирует гомосериндегидрогеназа, в результате чего блокируется синтез метионина и треонина. Такие мутанты являются ауксотрофами по гомосерину или треонину (метионину); внутриклеточная концентрация треонина у них существенно снижена, что снимает блокаду с аспартаткиназы. Поэтому при выращивании мутантных штаммов в среде, где присутствуют лимитирующие концентрации метионина и треонина, они способны образовывать избыточные количества лизина. Мутанты второго типа дефектны по структурному гену, детерминирующему конформацию аспартаткиназы. В итоге фермент теряет чувствительность к высоким концентрациям аллостерического ингибитора — лизина. Важный фактор, обеспечивающий в культуральной среде высокие концентрации аминокислоты, синтезированной внутри клетки, — проницаемость клеточных мембран. Проницаемость клеточной мембраны увеличивают либо с помощью мутаций, либо путем изменения состава питательной среды. В последнем случае в культуральной среде создают дефицит биотина (1 — 5 мкл/л), добавляют пенициллин (2 — 4 мкг/л), детергенты (твин-40 и твин- 60) или производные высших жирных кислот (пальмитаты, стеараты). Биотин контролирует содержание в клеточной мембране фосфолипидов, а пенициллин нарушает биосинтез клеточных стенок бактерий, что повышает выделение аминокислот в среду. Для культивирования штаммов микроорганизмов при производстве аминокислот как источники углерода наиболее доступны углеводы — глюкоза, сахароза и реже фруктоза и мальтоза. Для снижения стоимости питательной среды в качестве источников углерода используют вторичное сырье: свекловичную мелассу, молочную сыворотку, гидролизаты крахмала, сульфитные щелока. Технология этого процесса совершенствуется в направлении разработки дешевых синтетических питательных сред на основе уксусной кислоты (до 1,5%), пропионовой кислоты, метанола, этанола (до 1 %) и н-парафинов. В качестве источников азота применяют мочевину и соли аммония (сульфаты и фосфаты). Для успешного развития микроорганизмы нуждаются в стимуляторах роста, в качестве которых выступают экстракты кукурузы, дрожжей и солодовых ростков, гидролизаты отрубей и дрожжей, витамины группы В. Кроме того, в питательную среду добавляют необходимые для жизнедеятельности макро- и микроэлементы (Р, Са, Mg, Мп, Feи др.). На процесс биосинтеза аминокислот существенное влияние оказывает снабжение воздухом, при этом степень аэрации индивидуальна для производства каждой конкретной аминокислоты. Стерильный воздух подается специальными турбинными мешалками (рис. 3.4). Опыты показали, что лизин появляется в культуральной среде начиная с середины экспоненциальной фазы роста культуры клеток микроорганизма и достигает максимума к ее концу. Поэтому на первой стадии технологического процесса формируют биомассу продуцента, которую выращивают в специальных посевных аппаратах в течение суток (рН 7,0 — 7,2; температура 28 — 30 °С), а затем подают в производственный ферментер, заполненный питательной средой. Лизин начинает поступать в культуральную жидкость через 25 — 30 ч после начала ферментации. По завершении процесса ферментации (через 55 — 72 ч) жидкую фазу отделяют от культуры клеток микроорганизма фильтрованием и используют для выделения из нее лизина. Высокоочищенные препараты лизина получают после фракционирования фильтрата культуральной жидкости методом ионообменной хроматографии на катеоните. С этой целью лизин переводят в форму катиона: Для данного процесса фильтрат обрабатывают соляной кислотой до рН 1,6—2,0 (рН < рК,). Обладая двумя положительно заряженными ионогенными группировками, лизин прочно сорбируется на смоле и элюируется с нее в виде индивидуального соединения 0,5 — 5 %-м раствором гидроксида аммония после выхода всех других катионов. Элюат концентрируют в вакууме при температуре 60 °С, переводят в форму монохлоргидрата, после чего высушивают и дополнительно чистят с помощью перекристаллизации. В результате получают препараты кристаллического лизина 97 — 98 %-й чистоты, которые используют для повышения питательной ценности пищевых продуктов и в медицинской промышленности. Кроме высокоочищенных препаратов лизина получают иные виды его товарной формы: жидкий концентрат лизина (ЖКЛ), сухой кормовой концентрат лизина (ККЛ) и высококонцентрированные кормовые препараты, характеризующиеся относительно меньшей степенью очистки в сравнении с первым препаратом. Второй по значимости незаменимой аминокислотой для питания человека и животных является метионин, который получают преимущественно путем химического синтеза, что экономически более выгодно в сравнении с микробиологическим способом. Производство триптофана. Триптофан достаточно часто является лимитирующим фактором питания, так как его содержание в традиционных продуктах (рыба, молоко, кормовые дрожжи) в 3 раза ниже, чем в стандартном белке. Подобно лизину триптофан образуется в ходе разветвленного метаболического пути, поэтому для его производства используют ауксотрофных мутантов, у которых блокированы реакции, ведущие к синтезу фенилаланина и тирозина. Однако при выращивании мутантных штаммов в среде с минимальной концентрацией этих аминокислот, не вызывающей регуляторных эффектов, избыточное накопление триптофана в среде не наблюдается, что объясняется особенностью процессов регуляции биосинтеза триптофана у микроорганизмов. Наряду с другими ароматическими аминокислотами у микроорганизмов (подобно большинству организмов) триптофан образуется из метаболитов углеводного обмена — эритрозо-4-фосфата и фосфоенолпирувата. Процесс новообразования ароматических аминокислот идет через шикимовую и хоризмовую кислоты. Метаболическим предшественником триптофана служит антраниловая кислота, которая возникает из хоризмовой кислоты под действием антранилатсинтетазы. Триптофан оказывает ингибирующее действие на антранилатсинтетазу, поэтому для обхода метаболического контроля синтез фермента индуцируют ступенчатым введением предшественника — антраниловой кислоты (0,1 — 0,3 %): В связи с этой особенностью промышленное производство триптофана организовано преимущественно по двухступенчатой схеме. На первом этапе химическим способом синтезируют антраниловую кислоту, которую с помощью энзиматической системы му- тантных штаммов дрожжей Candida utilis переводят в триптофан. Биомассу дрожжей выращивают при температуре 30 ° в среде, содержащей свекловичную мелассу, мочевину и минеральные компоненты. Через сутки в ферментер вводят 5 %-й спиртовой раствор антраниловой кислоты и 50 %-й раствор мочевины, а через 3 —4 ч после введения предшественника дополнительно добавляют источник углерода (25 %-й раствор мелассы). Антраниловую кислоту и мочевину подают через каждые 6 ч, а мелассу — через каждые 12 ч. Процесс двухступенчатой ферментации завершается через 144 ч и обеспечивает содержание триптофана в культуральной среде до 6 г/л. Кроме триптофана микробиологическим способом с использованием предшественников получают гистидин, изолейцин, метионин, серин и треонин. Менее распространены одноступенчатые технологии получения триптофана на основе ауксотрофных мутантов бактерии Bacillus subtilis, осуществляемые по схеме, близкой к способу получения лизина. Длительность одноступенчатого процесса 48 ч, а концентрация триптофана в культуральной среде составляет 10 г/л. После сушки культуральной жидкости получают кормовой концентрат триптофана (ККТ), который включает белки, свободный триптофан, витамины В, В2 и PP. Высокоочищенные кристаллические препараты триптофана образуются после дополнительной очистки культуральной жидкости методом ионообменной хроматографии на колонке, заполненной катионитом (сорбция при рН 1,0; элюция 5%-м раствором гидроксида аммония в смеси с пропанолом-2). Элюаты кристаллизуют; кристаллы отмывают и высушивают. Кристаллический препарат содержит до 99 % триптофана. Характерная особенность процессов получения аминокислот микробиологическим способом, равно как и других биотехнологических производств, — полное использование побочных продуктов, что превращает большинство из них в безотходные и экологически чистые технологии. Например, осадок микроорганизмов-продуцентов и промывные воды, содержащие ценные ингредиенты, такие, как белки, остатки аминокислот, витаминов, минеральных солей и микроэлементов, высушивают и используют в качестве кормовых препаратов. Получение аргинина, глутаминовой кислоты, глутамина, треонина и пролина микробиологическим способом. Для получения аминокислот — конечных продуктов неразветвленных метаболических путей, например, аргинина, ауксотрофные мутанты не используют. В этом случае применяют мутанты с дефектами регуляции биосинтеза аминокислоты, т.е. регуляторные мутанты. Помимо аргинина регуляторные мутанты используют для получения серина и цитруллина: Успешное производство с участием микроорганизмов таких аминокислот, как глутаминовая аминокислота, глутамин и пролин, обеспечивает стимуляция образования аминокислот в ответ на изменение условий внешней среды. Метаболическим предшественником при биосинтезе глутаминовой кислоты служит а-кетоглутаровая кислота, возникающая в цикле Кребса из изолимонной кислоты под действием изоцитратдегидрогеназы. При выращивании бактерий родов Corynebacterium или Brevibacterium на углеводном сырье (гидролизат крахмала, тростниковая или свекловичная меласса), на этаноле или ацетате и при дефиците биотина в культуральной среде накапливается глутаминовая кислота с концентрацией 30 г/л. Важнейшее условие для образования этой аминокислоты — подавление активности глутаматдегидрогеназы. При высоком содержании в среде биотина и солей аммония обеспечиваются условия для образования пролина, а при значительных концентрациях ионов аммония и ионов цинка в слабокислой среде — для синтеза глутамина.
Генетическая инженерия — важнейший прогрессивный способ изменения генетической программы организма в целях создания высокопродуктивных штаммов промышленных микроорганизмов. Успехи современной генетической инженерии существенно влияют на промышленную биотехнологию. Яркий пример больших возможностей генетической инженерии — создание во ВНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов штамма Е. coli для получения треонина. В результате были изменены не только регуляторные свойства фермента аспартаткиназы, но и питательные потребности штамма. Введение в геном бактерии нового гена обеспечило бактерии возможность использования в качестве источника углерода сахарозу, основного дисахарида традиционного промышленного сырья — свекловичной мелассы. Перечисленные манипуляции наряду с амплификацией плазмид, содержащих оперон треонина, позволили значительно увеличить производительность штамма бактерии и получить за 40 ч ферментации 100 г L-треонина на 1 л культуральной жидкости. Учитывая исключительные способности штамма Е. coli к сверхсинтезу L- треонина, японская фирма «Адзиномото» приобрела в 1982 г. лицензию на использование российского штамма — продуцента треонина для организации собственного производства.
Химико-ферментативные способы получения аминокислот
При получении ряда аминокислот химико-ферментативными способами используют энзимы, принадлежащие к разным классам. Эти процессы могут быть как одностадийными (конверсии), так и многостадийными. Источником ферментов для большинства процессов служат энзимы микроорганизмов — как индивидуальные, так и их природные смеси, содержащиеся в интактных (не растущих), высушенных и лизированных клетках, клеточных экстрактах и, наконец, в препаратах иммобилизованных клеток и ферментов. Использование иммобилизованных ферментов в биотехнологии будет рассмотрено в гл. 4.
Применение ферментов в производстве аминокислот обеспечивает стереоспецифичность процессов их синтеза, что выгодно отличает биотехнологические производства от химических. Далее будут рассмотрены примеры, иллюстрирующие эти положения.
Получение L-лизина. Процесс получения лизина основан на стереоспецифическом ферментативном гидролизе (конверсии) D,L-а-амино-е-капролактама, который сначала получают химическим путем из циклогексена:
Рацемат используют в качестве субстрата, который под действием фермента L-a-амино-е-капролактамгидролазы (лактамаза) превращается в L-лизин, а оставшаяся непрореагировавшая его часть (D-форма) переводится при воздействии рацемазы в смесь антиподов:
Лактамаза найдена у некоторых видов дрожжей, в частности у Candida laurentii; у них синтез фермента индуцируется добавлением субстрата (рацемической смеси), а активность энзима поддерживается при добавлении в среду ионов Mg2+, Мn2+ и Zn2+. Рацемаза обнаружена у ряда бактерий, например, у A/ca/igenes obae. Для получения неочищенных ферментов целые клетки микроорганизмов обрабатывают поверхностно-активными веществами, вызывающими изменение проницаемости стенки клеток микроорганизмов-продуцентов. Разработаны иммобилизованные формы обоих ферментов. При производстве лизина в водный раствор D-,L-a- амино-е-капролактама одновременно вводят источники лактамазы и рацемазы, содержащиеся в дрожжевых и бактериальных клетках. Процесс осуществляется при температуре 30 — 50 °С, pH 8,0 —8,5 и оптимальном режиме аэрации. На выходе из реактора образуется преимущественно один продукт — лизин, который выделяют из смеси, очищают и сушат. Описанная технология получения лизина, распространенная в США и Японии, по завершении процесса обеспечивает содержание аминокислоты в реакционной среде свыше 150 г/л. Кроме того, созданы мутанты, у которых целевой продукт — лизин далее не вовлекается в обмен веществ, что увеличивает выход искомого продукта.
Получение триптофана. Химико-ферментативный способ получения триптофана состоит в прямой конденсации индола, аммиака и пировиноградной кислоты:
Реакцию катализирует пиридоксальзависимая триптофан-ин- доллиаза (триптофаназа). Фермент широко распространен в природе. Он найден у бактерий Е. coli, Bacillus a/bei, Proteus rettgeri и характеризуется широкой субстратной специфичностью. Кроме L- триптофана его субстратами служат L-цистеин, S-метил-цистеин, (3-хлор-L-аланин, L-серин. Триптофаназа ускоряет реакции а, (3-элиминирования и (3-замещения, но ее действие может быть обращено и в сторону реакции конденсации. Добавление триптофана индуцирует образование фермента, а добавление индола ингибирует его синтез у бактерий, поэтому процесс получения триптофана ведут при избытке аммиака и пирувата.
Выход аминокислоты при реализации химико-энзиматического способа получения триптофана составляет 63 г/л.
Набор энзимов, использующихся для получения аминокислот, достаточно разнообразен. К их числу относятся гидролазы, дегидрогеназы, лиазы, лигазы, изомеразы. Столь же разнообразен и перечень целевых аминокислот, производимых химико-ферментативным способом (L-аспарагиновая кислота, L-аланин, L-глутамин, L-лизин, L-тирозин, L-триптофан, L-цистеин, L-фени- лаланин, L-метионин). Химико-энзиматический способ в сравнении с микробиологическим более специфичен, не требует процедуры очистки аминокислот от побочных продуктов и сточных потоков. Однако по стоимости сырья и ферментативных препаратов он еще уступает микробиологическому способу.
1.4 Биофармакология – наука спутница биотехнологии
Фактически, биофармакология – это плод конвергенции двух традиционных наук – биотехнологии, а именно, той её ветви, которую именуют «красной», медицинской биотехнологией, и фармакологии, ранее интересовавшейся лишь низкомолекулярными химическими веществами, в результате взаимного интереса. Объекты биофармакологических исследований – изучение биофармацевтических препаратов, планирование их получения, организация производства. Биофармакологические лечебные средства и средства для профилактики заболеваний получают с использованием живых биологических систем, тканей организмов и их производных, с использованием средств биотехнологии, то есть лекарственные вещества биологического и биотехнологического происхождения.
Глава 2. Практическая. Перспективы развития биотехнологического метода в производстве лекарственных препаратов
2.1 Практика использования биотехнологии в медицине в России и в мире
Биотехнологии и генная инженерия, более чем все остальные, связана с фундаментальными научными исследованиями специалистов.
На стыке двадцатого и двадцать первого века был задуман и осуществлен грандиозный проект – прочитан геном человека. Это был большой труд, в котором участвовало много лабораторий в разных странах мира. Одним из продуктов этих исследований стало появление технологии идентификации личности по ДНК, получение информации о родстве (установление отцовства). Но от прочтения генома ученые ожидали большего. Информация, зашифрованная в ДНК, огромна и ее изучение, расшифровка еще сложнее, чем процедура исследований. Биотехнология предлагает новые подходы к разработке и производству лекарственных растений, профилактических и диагностических медицинских препаратов, а также позволяет производить в достаточных количествах широкий спектр лекарственных средств, которые ранее были малодоступны.
На исследования в этом направлении направляются огромные средства, прежде всего в США.
Номенклатура лекарственных препаратов, полученных на основе биообъектов в силу объективных причин имеет тенденцию к своему расширению. В категорию таких лекарственных препаратов входят:
1. лекарственные средства для лечения, в число которых входят аминокислоты и препараты на их основе, антибиотики, ферменты, коферменты, кровезаменители и плазмозаменители, гормоны стероидной и полипептидной природы, алкалоиды;
2. профилактические средства, в число которых входят вакцины, анатоксины, интерфероны, сыворотки, иммуномодуляторы, нормофлоры;
3. диагностические средства, в число которых входят ферментные и иммунные диагностикумы, препараты на основе моноклональных антител и иммобилизованных клеток.
Это далеко не полный перечень лекарственных препаратов, которые имеются в современной фармации, в основе производства которых используются биообъекты.
К самому большому классу лекарств, получаемых путем микробного синтеза, относятся антибиотики. По разнообразию и показателям к применению они занимают первое место среди продукции мировой фармацевтической промышленности.
Известно более 6000 видов антибиотиков, более 100 из которых находят применение в медицинской практике, в том числе при лечении таких тяжелых заболеваний, как туберкулез, менингит, плеврит, пневмония. Отдельные антибиотики используют при лечении онкологических заболеваний.
Под названием «антибиотики» объединены вещества, образуемые микроорганизмами и избирательно подавляющие рост других микроорганизмов. Антибиотики принадлежат к самым разным классам химических соединений. Известно около 14 000 природных антибиотиков, образуемых микроорганизмами. Из них в медицинской практике применяют около 200.
2.2 Достоинства и недостатки биотехнологического метода. Перспективы развития.
Главным преимуществом лекарственных средств, полученных биотехнологическим путём, является их высокая специфичность по отношению к факторам, связанным с возникновением и развитием болезни и естественная способность к метаболизму.
Биотехнологии - это одно из самых перспективных и прорывных направлений современной науки, крайне важно, что биотехнологии имеют двойное применение. С их помощью можно, например, искусственно создать микроорганизмы, которые могут быть как лекарством, так и оружием. И как это контролировать, оценивать, опасно это или нет, — вопрос пока открытый. Одним из главных плюсов - это, несомненно, подъем сельского хозяйства, которое необходимо, чтобы накормить население. Сегодня уже достигнуты большие успехи в производстве мяса птицы, свинины, говядины. Но в этой отрасли главное — корма, а для их производства необходимы специальные биоактивные добавки, аминокислоты, витамины. Сейчас ситуация изменилась, и мы имеем все научные и технические возможности для восстановления этой промышленности, что является одним из залогов национальной безопасности. Биотехнологические лекарственные средства – это лекарственные препараты, предназначенные для профилактики, лечения или диагностики in vivo, которые развивают не фармакологическую, а биологическую активность. Они обладают рядом существенных отличий от химико-синтетических лекарственных средств.
Действующее вещество биотехнологических препаратов имеет биологическое происхождение и является производным от живых клеток, обладает сложной гетерогенной молекулярной структурой. Исходным субстратом служат клетки животного происхождения или микроорганизмы (бактерии типа E.coli, дрожжи и пр.), используются их клеточные и субклеточные структуры.
Существенным отличием биотехнологических лекарственных средств является то, что в них используется естественная способность к метаболизму.
Для их получения производится изоляция и изменение геномной ДНК исходного продукта таким образом, что он получает новую, неспецифическую для данного вида способность к биосинтезу, которая и используется в лекарственных средствах. В первую очередь здесь следует назвать создание генно-модифицированных организмов для получения рекомбинантных терапевтических протеинов
Что касается проблем биотехнологий, так это основным образом:
1. Вред для окружающей среды - эта проблема, пожалуй, наиболее широко цитируется теми, кто выступает против ГИО. Очень сложно предсказать, что произойдет в экосистеме, где вводится новый организм, будь то генетически модифицированный или нет.
2. Биотерроризм - Правительства обеспокоены тем, что террористы будут использовать биотехнологию для создания новых Superbugs , инфекционных вирусов или токсинов, для которых у нас нет лекарств.
3. Лаборатория / безопасность производства - Трудно защитить себя, если вы не знаете, с чем работаете. Некоторые новые технологии, обычно небиологические, такие как нано частицы, производят коммерческие производственные линии, прежде чем они будут достаточно проверены на предмет безопасности. Существует также озабоченность по поводу безопасности техников в лабораториях, даже в безопасных условиях, при работе с организмами неизвестной вирулентности.
Создание организмов с «заданными параметрами», лечение генетически обусловленных болезней, производство белковой массы вне организма, внедрение в организм «биологических чипов», влияющих на жизнедеятельность – все эти направления нуждаются в дорогостоящих исследованиях, сложном оборудовании и высококвалифицированных
Сейчас возникают споры о генной медицине, о клонировании организмов, об этических вопросах исследования стволовых клеток. На повестке дня – «биопринтер», при помощи которого признается возможным выращивание органов для трансплантации.
Одновременно возникают опасения: вдруг возникнет тенденция выращивания клонов в качестве «идеальных доноров»?
Впрочем, на пути многих амбициозных и не слишком щепетильных в нравственном отношении проектов возникают препятствия, положенные самой природой.
Фантастические успехи от применения стволовых клеток для лечения и омоложения – и их перерождение в злокачественные опухоли; рождение клонированных животных – и их ранняя смерть, слабое здоровье.
Живая материя по-прежнему непостижима, несмотря на успехи в ее познании, и пределы человеческого вмешательства в ее основы - ограничены.
Перспективы биотехнологии на ближайшее будущее можно разделить на рекламные и научно обоснованные. К широко разрекламированным проектам относятся, например, «таблетки молодости» - их обещали выпустить на рынок еще к 2020 году. Однако скептики говорят, что таких сенсаций было много, начиная со времен алхимии…
Более реалистично выглядит 3D принтер, наносящий клеточные культуры на матрицу с питательным раствором, и формирующий искусственные органы. Еще один медицинский проект – лечение тяжелых ожогов путем нанесения на пораженный участок стволовых клеток, которые в считанные дни образуют новую кожу.
Заключение
Появляющиеся современные биотехнологии изменяют наше общество, открывают новые возможности, но одновременно создают определённые социальные и этические проблемы. Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например, антибиотики и гормон роста, этиловый спирт и кефир, но и создавать организмы с заранее заданными свойствами гораздо быстрее, чем с помощью традиционных методов селекции. Существуют биотехнологические процессы по очистке сточных вод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоемах, получению топлива. Эти технологии основаны на особенностях жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. Все это очень важно для нынешнего человека, а также для людей будущего.
Над проектом была проделана большая работа, которая дала свои плоды. Цель, а именно, информирование людей о преимуществах производства медицинских препаратов на основе биофармакологии и перспективах их использования в будущем, можно считать достигнутой. Задачи так же можно считать выполненными: была изучена информация о получении наиболее важных лекарств на данный момент, рассмотрен процесс биотехнологического производства некоторых важнейших фармакологических веществ и практику их применения в современной медицине. Было произведено сравнение способов получения медицинских веществ и практику их применения в современной медицине, а также оценены возможные перспективы развития биотехнологического производства мед препаратов в ближайшем будущем. Гипотезу проекта, поставленную в начале работы над проектом, можно считать подтвержденной: биофармакологическое производство медицинских препаратов, основываясь на1 фактах, приведенных в проекте, и вправду эффективный метод и за этим стоит будущее.
Список использованной литературы
1. Бениамин Пайлеванян Медицинская биотехнология в контексте человеческого развития. БМ – 2011. Электронный ресурс. – режим доступа [https://biomolecula.ru/articles/meditsinskaia-biotekhnologiia-v-kontekste-chelovecheskogo-razvitiia].
2. Биотехнологическое производство лекарственных препаратов, применяемых в медицине, примеры. Электронный ресурс. – режим доступа [https://students-library.com/library/read/29850-biotehnologiceskoe-proizvodstvo-lekarstvennyh-preparatov-primenaemyh-v-medicine-primery]
3. Биотехнология. Википедия. Электронный ресурс. – режим доступа [https://avtowikia.ru/wiki/Biotechnology#:~:text=Красная%20биотехнология%20-%20это%20использование,органов%20и%20новую%20диагностику%20заболеваний].
4. Биотехнология. Википедия. Электронный ресурс. – режим доступа [https://ru.wikipedia.org/wiki/Биотехнология].
5. Биотехнологии Электронный ресурс. – режим доступа [http://mfina.ru/biotexnologii/#:~:text=Фактически%2C%20биофармакология%20–%20это%20плод,веществами%2C%20в%20результате%20взаимного%20интереса]
6. Биотехнология в производстве витаминов Электронный ресурс. – режим доступа [https://lektsii.org/7-38688.html]
7. Биотехнология получения аминокислот, витаминов, метаболитов Электронный ресурс. – режим доступа [https://farmf.ru/lekcii/biotehnologiya-polucheniya-aminokislot-vitaminov-metabolitov/#a1]
8. Дмитрий Людмирский Лекарство и оружие: плюсы и минусы биотехнологий Электронный ресурс. – режим доступа [https://iz.ru/803608/dmitrii-liudmirskii/lekarstvo-i-oruzhie-pliusy-i-minusy-biotekhnologii/]
9. Достижения биотехнологии Электронный ресурс. – режим доступа [https://www.chemistry-expo.ru/ru/ui/17169/]
10. Классификации биотехнологий по цветам(конспект). Студопедия – 2015 г. Электронный ресурс. – режим доступа [https://studopedia.net/7_13524_klassifikatsii-biotehnologiy-po-tsvetamkonspekt.html]
11. Красная, зеленая, синяя биотехнология – определение и этапы. Развитие науки интернет-журнал. Электронный ресурс. – режим доступа [https://v-nayke.ru/?p=16753].
12. Общество биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова Союз предприятий биотехнологической отрасли. Рабочие материалы к стратегии развития биотехнологической отрасли промышленности до 2020 года – 2009 г.
13. Охарактеризуйте эпидемиологические проблемы СПИДа. Студопедия – 2015 г. Электронный ресурс. – режим доступа [https://studopedia.ru/9_56205_oharakterizuyte-epidemiologicheskie-problemi-spida.html].
14. Получение гормонов с помощью биотехнологии Электронный ресурс. – режим доступа [https://mupvirc.ru/gormony/poluchenie-gormonov-s-pomoschyu-biotehnologii/]
15. Развитие биотехнологии. Электронный ресурс. – режим доступа [https://www.chemistry-expo.ru/ru/ui/17131/]