Биотехнология (дальше БТ) — это современная мощнейшая наука, которая находится на стыке биологических, химических и инженерных областей познания, направленная на использование биообъектов, а именно живых организмов или их систем органов, а также отдельных органелл для получения новых продуктов и материалов.
Техническая задача стоит такая: используя природные возможности биообъектов, изменить или усовершенствовать биологические и химические процессы для получения различных продуктов в здравоохранении, пищевой и химической промышленности, сельском хозяйстве с помощью следующих методов: молекулярная биология, клеточная инженерия, генная инженерия, микробиология, комбинаторная химия, генетика… и бесконечно много чего ещё.
И да, вы правильно поняли: это про искусственные органы, овечку Долли, биопротезы, ГМО и так далее.… И ДАЖЕ ПРО ПИВО! Все потребности в изменении, совершенствовании и модификации биообъектов для создания и производства новых продуктов сегодня закрывает биотехнология.
Но мы не писатели-фантасты (тут без киборгов) и поговорим о биомедицинской стороне вопроса, а точнее о лекарственных препаратах или как фарм-технологи отправляют бактерии работать на завод, а сами идут в отпуск.
БТ в Фарме сегодня и очень давно
А началось всё с Александра Флеминга — выдающегося британского микробиолога, который в 1928 г совершил очень важное открытие. Дело было так: он заварил 2 чашки Петри с патогенными микроорганизмами… и что? Правильно! Поехал в отпуск:) А когда вернулся, то обнаружил, что на всех чашках выросла плесень (плесневый гриб рода Penicillium). И она поубивала все болезнетворные бактерии, а значит, у нее было свое секретное оружие…
Примерно так и был открыт пенициллин, и с того дня все усилия были направлены на получение больших объемов этого чудо-вещества. Но не всё получалось: бактерии не выдерживали графика работы 5/2, погибали и давали мало продукта, и когда у микробиологов, химиков и генетиков начали опускаться руки, то им помогло пиво. Да-да, пивко!
Бродильная промышленность или микробиологическое производство алкогольных напитков действительно являлось одной из первых областей, где начали применяться методы биотехнологии. На тот момент нововведения виноделов не выделяли как отдельную область познания, но их успешный опыт промышленного производства продуктов с использованием биообъектов послужил примером для специалистов из разных областей. И фарма с медициной не прошли мимо и стали интегрировать накопленный опыт в свои разработки.
Так и появились биотехнологи — серьезные дядьки в костюмах тройка и кепках как у Томаса Шелби; они поняли, что в производстве важно помнить о long money и начали применять новые технологические решения для этих лентяев (микроорганизмов). С того дня (середина 20-ого века) началось развитие БТ как самостоятельной области науки.
И, на самом деле, все супер успешно, сегодня биотех-фарма является одной из самых привлекательных областей для инвестиций. И это не просто о стартапах и венчурных фондах: эксплуатация труда микроорганизмов и их частей, тканей растений и животных стала настолько популярна и востребована, что если открыть 20-ку Forbes российского фармрынка, мы увидим, что 14 (!) из 20 компаний позиционируют себя как биотехнологические.
Что производят биотехнологическим способом в фарме?
Поименный список препаратов настолько большой, что их просто не перечислить, но мы расскажем вам о видах (группах) drugs, которыми занимаются БТшники:
- Антибиотики;
- Инсулин;
- Вакцины;
- Сыворотки;
- Моноклональные антитела;
- Противоопухолевые препараты;
- Витамины;
- Ферменты;
- Гормоны;
- Аминокислоты и нейропептиды;
- Интерфероны;
- Иммунодепрессанты и многое другое.
Вот это да-а-а! И, что самое главное, биотехнологическое производство позволяет получать биологические препараты, которые нельзя сварить с помощью традиционных химических методов, например, интерфероны, которые естественным образом образуются только иммунными клетками.
Уже давно многие классические химические процессы замещает биотехнологическое производство. Например, раньше аспарагиновую кислоту получали с помощью химических методов: в 1850 г. впервые описан метод нагревания аммонийной соли яблочной кислоты, а в современности активно применяли конденсацию малеинового ангидрида с водяным аммиаком.
И всегда химические процессы сопровождаются своими недостатками: образование рацемической смеси L и R изомеров (обычно нас интересуют только L-формы, так как R токсичны или бесполезны, за редким исключением), высокая токсичность побочных продуктов и экстремальные условия для проведения химических реакций (высокое давление и температура, необходимость дополнительных катализаторов).
Для решения данных проблем с 1960 г. начали активно использовать штаммы бактерий Pseudomonas fluorescens и мутант Escherichia coli, обладающие высокой аспартазной активностью.
Биотехнологический способ, а именно, использование ферментов бактерий для превращения субстратов в аспарагиновую кислоту позволил избежать несовершенств тонкого химического синтеза: среду для роста микроорганизмов создать достаточно легко, а ферментативные процессы могут протекать и при нормальных условиях без аццкой температуры. Также существенным плюсом является то, что на выходе мы всегда будем получать L-формы, так как бактерии синтезируют продукты пригодные для использования их в собственных процессах жизнедеятельности.
И что мы имеем? Чудовищно эффективное, а главное более безопасное для персонала (всю тяжелую и опасную для здоровья работу выполняют микроорганизмы и их части, а не люди) направление фармы, использующее методы генной инженерии, чтобы получать специфические вещества для таргетного лечения.
Биотехнологический процесс или рабочий день бациллы
Рабочий день у продуцента – так называют организм, осуществляющий биосинтез интересующего нас продукта, — мало отличается от нашего:
- Загрузка питательный среды и субстратов, необходимых для синтеза продукта вместе с нашими продуцентами в ферментёр;
- Культивирование (ферментация): рост биомассы и осуществление процессов превращения субстратов в целевой продукт;
- Выделение и очистка продукта: фильтрация, специфические методы выделения;
- Концентрирование и стабилизация вещества;
Реактор (ферментёр) – это рабочее место для наших продуцентов, и, соответственно, в нем создаются и поддерживаются условия труда (параметры культивирования). А что нужно продуцентам для успешной работы? Уровень pH, питательная среда, субстраты для синтеза, азот и, в конце концов, КИСЛОРОД — ТАМ ЖЕ МОЖНО ЗАДОХНУТЬСЯ лол.
Нет, никто не задохнется. Все будет хорошо. Биотехнология — точная наука и все уже давно посчитали, главное чтобы рядом был квалифицированный специалист, который с помощью систем, компьютеров, графиков и т.д. будет следить за процессом культивирования и, если что, отреагирует на внештатную ситуацию (например, если продуценты решили выделять много пены и могут из-за неё задохнуться).
Кстати о продуцентах: братья наши меньшие изначально не такие хорошие, и состояние конвейера для них не является естественным. Поэтому на заводах, как правило, работают не обычные организмы, а специально выведенные штаммы-суперпродуценты, и на их ресёрч уходят миллионы долларов и куча лет, чтобы получить стабильный и эффективный штамм.
А что там с частями и системами?
На примере аспарагиновой кислоты мы уже разобрали, как можно получать различные продукты с помощью целых клеток, но если для протекания реакций нам нужны ферменты, зачем содержать всю клетку?
В действительности часто можно не использовать целый микроорганизм или ткань, достаточно просто оставить одну систему клетки, стабилизировать ее и запрограммировать на производство целевого продукта.
Здесь можно привести пример использования иммобилизованных ферментов (пенициллинацилаза) для получения полусинтетических бета-лактамных антибиотиков. Иммобилизация — это способ связывания ферментов с носителем (полимеры, силикагель), при котором сохраняются их каталитические свойства, что позволяет проводить реакции для получения различных продуктов.
Также мы уже говорили, что биотехнология позволяет брать различные клетки и изменять их естественные признаки. И такой способ используется для производства моноклональных антител, называется «гибридомная технология». Он был разработан Жоржем Кёлером и Сесаром Мильштейном и в 1984 г. они получили Нобелевскую премию по физиологии за свое открытие.
Идея такая: взять линию миеломных клеток, которые не способны синтезировать собственные антитела, но способные к экспоненциальному росту и соединить их с клеткой B-лимфоцита. Так и получились гибридные или гибридомные клетки, которые можно было размножать in vitro (в пробирке) или in vivo (в лабораторной мышке).
Вот как то так
Так что БТ — это круто и перспективно.
Это была вводная инфа из мира биотех-фармы, если вам интересна тема и вы хотите узнать про генную инженерию и производство инсулина ставьте лайк ;)
Эту статью отлично дополняют другие наши статьи
Подписывайся на наш канал, чтобы не пропустить новые статьи!