 |
Предмет промышленной биотехнологии
|
|
|
|
Биотехнология – это промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Это название одной из древнейших сфер нашей жизни: выпечка хлеба, производство сыра, уксуса, переработка продуктов, изготовление лекарственных препаратов, переработка отходов - вот неполный перечень приемов биотехнологии, используемых человечеством с давних времен. Термин «биотехнология» становится общепринятым примерно с конца 70-х годов двадцатого столетия, а до этого разнообразные технологии, связанные с биотехнологией, называли прикладными. Это относится к микробиологии, генетике, биохимии и энзимологии. Мощный импульс биотехнология получила после расшифровки Уотсоном и Криком (1953) структуры ДНК, а также способов ее модификации и переноса из одних организмов в другие. Так появились новые направления биологии - генетическая и клеточная инженерия.
Сельскохозяйственная биотехнология включает вопросы, связанные с кормопроизводством и получением трансгенных животных. В США уже созданы коровы с высокими удоями молока, «тощие" свиньи, дающие маложирное мясо и др. К биотехнологическим методам репродукции сельскохозяйственных животных относят искусственное осеменение, индукцию родов, трансплантацию, регулирование соотношение пола телят, раннюю диагностику беременности и др. К разделу биотехнологии, основанной на иммунологии, относится индустрия диагностических тестсистем, изготовление вакцин и получение антител.
В животноводческой практике широкое применение нашли гормоны. Так, гормон роста, полученный методом генной инженерии, стимулирует рост, интенсивность анаболических процессов, активизирует синтез белков и гликогена, увеличивает продуктивность скота, улучшает соотношение мышечной и жировой ткани.
|
|
|
Известно, что в кормовом балансе животных большое место занимают грубые и сочные корма, как источник белков, жиров, углеводов, макро- и микроэлементов, каротина и других питательных веществ. С целью снижения их потери при силосовании и сенажировании применяют прогрессивные технологии - прессование и активное вентилирование сена, включение соломы в состав гранул, производство травяной муки и др. Одним из биотехнологических приемов при силосовании является внесение в закладываемую массу, специально выделенных активных штаммов бактерий, обеспечивающих интенсивное молочнокислое брожение и подавление жизнедеятельности вредных микроорганизмов.
В области фундаментальной науки – теории и методологии биотехнологии самыми новейшими направлениями, соответствующие постгеномному периоду развития молекулярной биологии, признаны протеомика, метаболомика, биоинформатика, клеточные технологии, нанотехнологии и др.
Универсальный характер современной биотехнологии проявляется в широком использовании методов клеточной и генной инженерии, которые основаны на развитии молекулярной генетики, что открывает большие возможности для генетической реконструкции живых организмов в желаемых для исследователей направлениях. Основная цель этих исследований – путем генетического реконструирования получить как можно большее разнообразие организмов, которые можно было бы использовать не только для производства качественно новых продуктов, но и для переработки различных органических и неорганических веществ.
Человечество с надеждой ожидает создание таких клеточных культур и биореакторов, с помощью которых можно будет производить ценные лекарственные препараты для устранения ряда наследственных, онкологических, сердечно- сосудистых и других заболеваний, очистки и улучшения экологического состояния окружающей среды. Особенно перспективной представляется возможность получения новых высокопродуктивных форм организмов с улучшенными показателями качества продукции.
|
|
|
Биотехнология наряду с информатизацией стала одним из главных научно- практических направлений ХХ1 века, определяющих уровень мировой цивилизации. В связи с этим развитие биотехнологии является стратегической задачей России, необходимой для обеспечения её статуса великой державы.
Продукция, полученная с помощью методов промышленной биотехнологии, имеет выход практически во все отрасли народного хозяйства: медицину (антибиотики, гормоны, вакцины, ферменты, диагностические системы), сельское хозяйство (кормовой белок, аминокислоты. Средства защиты растений и животных), пищевую промышленность дрожжи, спирт, глюкозные сиропы), химическое производство(полисахариды, биодеградируемые полимеры, биокатализ), энергетику (биоэтанол, биогаз, биодизель), экологию (биоремедиация, сохранение биоразнообразия).
Помимо решения существующих и краткосрочных задач биотехнология имеет значение как средство решения долгосрочных проблем, а именно: переход от использования невозобновляемых ресурсов к возобновляемому сырью. Это сама по себе глобальная геополитическая задача в связи с истощением минеральных природных запасов, изменением климата планеты и ростом населения, которую должно решать человечество в целом и отдельные государства в частности.
Мировые финансовые круги, руководители государств, ведущие ученые и эксперты, общественность уже давно осознали ключевую роль биотехнологии в наступившем столетии. Об этом свидетельствуют капиталовложения в эту отрасль, роста рынка биотехнологической продукции, совершенствование законодательной базы и т.д. Появился даже термин «биоэкономика», т.е. экономика, основанная на биологии и промышленной биотехнологии («bio-based economy»).
Таким образом, биотехнология является одним из мощных рычагов подъема национальных экономик. В мире возрастает конкуренция в области биотехнологии. Каждая страна пытается найти свое место в этой гонке, иметь свое лицо, получить свой «биотехнологический» паспорт». По мнению экспертов, именно уровень и состояние развития биотехнологии будет являться одним из важных критериев оценки развития того или иного государства ХХ! веке.
|
|
|
Темпы развития биотехнологии в настоящее время можно сравнить с впечатляющим прогрессом компьютерной техники более 20 лет назад.
Современное состояние биотехнологии
Биотехнология является одним из научно- практических приоритетов ХХI века. В 2004 году рынок продукции в мире составил около 40 млрд. долларов. По расчетам, к 2010 году эта цифра увеличится до 100 млрд., а с включением сюда продукции, произведенной в других отраслях с использованием биотехнологических методов, превысит 2 трлн. Евро.
Биотехнологическая отрасль подразделяется на 7 сегментов:
-производство биотехнологических фармацевтических продуктов (медицинская биотехнология);
-производство биотехнологических препаратов для сельского хозяйства (сельскохозяйственная биотехнология);
-производство ферментов и ферментных препаратов;
-производство дрожжей и живых культур микроорганизмов;
-производство биотехнологических препаратов для добывающих отраслей промышленности;
-производство биотехнологических препаратов для защиты окружающей среды.
Наиболее бурно развивающейся отраслью биотехнологии является медицинская биотехнология; в России на неё приходится около 70% объёма биотехнологической продукции. Номенклатура фармацевтических препаратов, получаемых с помощью биотехнологии, в России значительно уже мировой и представлена следующими препаратами: антибиотики, витамины, ферменты, иммунобиологические препараты, биотехнологические препараты крови, генно- инженерные лекарственные препараты.
Наиболее высококачественную и конкурентноспособную продукцию производят ВНИИ защиты животных (п.Юрьев), Казанский ветеринарный институт, Институт полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М.П.Чумакова. Крупнейшими производителями иммунобиологических препаратов являются ФГУП НПО «Микроген», ОАО «Биомед», ООО «Диагностические системы» и др.
|
|
|
Генно- инженерные препараты (4 генно- инженерных лекарственных препарата и 1 генно- инженерная вакцина) производятся предприятиями, созданными на базе ГНЦ ВБ «Вектор» (г. Новосибирск), ГУ НИИ ОЧБП (Санкт- Петербург), Институт биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН. Стратегическим направлением российской медицинской биотехнологии является производство отечественного генно- инженерного инсулина и других биотехнологических дженериков. Биологически активные вещества, биологически активные добавки и другие продукты растительного происхождения относятся к заметной части биоиндустрии. Число зарегистрированных БАД в России в настоящее время приближается к 1000, число компаний, производящих эту продукцию превышает 200.
Медицинские биотехнологии
Роль биотехнологиив медицине
Биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также в принципиально новых технологиях. Биотехнология — это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов. В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов). Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки.
Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты, обладающие разнообразными физико-химическими свойствами и биологическим действием.
Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, которое в результате технологической обработки превращается в конечный продукт. С помощью биотехнологии получают множество продуктов, используемых в различных отраслях:
• медицине (антибиотики, витамины, ферменты, аминокислоты, гормоны, вакцины, антитела, компоненты крови, диагностические препараты, иммуномодуляторы, алкалоиды, пищевые белки, нуклеиновые кислоты, нуклеозиды, нуклеотиды, липиды, антиметаболиты, антиоксиданты, противоглистные и противоопухолевые препараты);
|
|
|
• ветеринарии и сельском хозяйстве (кормовой белок: кормовые антибиотики, витамины, гормоны, вакцины, биологические средства защиты растений, инсектициды);
• пищевой промышленности (аминокислоты, органические кислоты, пищевые белки, ферменты, липиды, сахара, спирты, дрожжи);
• химической промышленности (ацетон, этилен, бутанол);
• энергетике (биогаз, этанол).
Следовательно, биотехнология направлена на создание диагностических, профилактических и лечебных медицинских и ветеринарных препаратов, на решение продовольственных вопросов (повышение урожайности, продуктивности животноводства, улучшение качества пищевых продуктов — молочных, кондитерских, хлебобулочных, мясных, рыбных); на обеспечение многих технологических процессов в легкой, химической и других отраслях промышленности. Необходимо отметить также все возрастающую роль биотехнологии в экологии, так как очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов, их деградация (фенол, нефтепродукты и другие вредные для окружающей среды вещества) осуществляются с помощью микроорганизмов.
биотехнологии в медицине
В настоящее время в биотехнологии выделяют медико-фармацевтическое, продовольственное, сельскохозяйственное и экологическое направления. В соответствии с этим биотехнологию можно разделить на медицинскую, сельскохозяйственную, промышленную и экологическую. Медицинская в свою очередь подразделяется на фармацевтическую и иммунобиологическую, сельскохозяйственная — на ветеринарную и биотехнологию растений, а промышленная — на соответствующие отраслевые направления (пищевая, легкая промышленность, энергетика и т. д.).
Биотехнология значительно облегчает разработку новых лекарственных препаратов, делая их быстродействующими, дешевыми, безопасными и более эффективными. Вместо того чтобы просто проводить клинические испытания, ученые сейчас уже изучают общие механизмы закономерности возникновения заболеваний. С помощью моделирования они способны разрабатывать и изучать действие новых субстанций. Более 400 фармацевтических компаний по всему миру ведут исследования и разработку продуктов генной инженерии, с каждым годом количество этих продуктов растет, и по прогнозам, в течение нескольких следующих лет рынок будет насыщаться такими лекарствами.
Многие исследователи верят в то, что влияние генетики на медицину сможет совершить революцию в понимании здоровья человека; для этого есть все основания – медицинская генетика развивается семимильными шагами. В 2010 году на рынке уже были доступны генетические тесты для 25 наиболее распространенных генетических заболеваний, а к 2020 году, по мнению экспертов, новые лекарства, полученные с помощью знаний фармакогеномики, будут обычным практикой в лечении диабета и артериальной гипертензии. А к 2040 году (по самым скромным подсчетам) наступит эра персонализированной медицины.
Биотехнологическая революция в здравоохранении и медицине началась с освоения технологии рекомбинантной ДНК (генетическая инженерия). Произошло это в начале 70-ых годов прошлого века и позволило ученым переносить генетический материал от одного организма к другому, минуя процесс полового размножения. Успех технологии рекомбинантных ДНК (рДНК) принесло использование бактериальных ферментов, таких как, например, рестрикционных эндонуклеаз (рестриктаз), которые разрезают молекулы ДНК в определенных местах; ДНК-лигаз, которые соединяют концы молекул ДНК; ДНК-полимераз, которые участвуют в репликации ДНК. Каким бы не было применение этой технологии, конечным итогом процедуры всегда является стабильная и наследуемая экспрессия какого-либо нового признака. Применяется рДНК для модификации различных организмов, но основные этапы работы схожи. Помимо плазмид также используются другие типы векторов — бактериофаги, ретровирусы и космиды.
Биотехнологию также подразделяют на традиционную (старую) и новую. Последнюю связывают с генетической инженерией. Общепризнанное определение предмета «биотехнология» отсутствует и даже ведется дискуссия о том, наука это или производство.
Биотехнология и антибиотики
Рассматривая различные классы соединений, используемые в клинической практике, и получаемые методами биотехнологии, в первую очередь, необходимо назвать антибиотики - самый большой класс фармацевтических соединений, синтез которых осуществляется микробными клетками. К этому же классу относятся противогрибковые агенты, противоопухолевые лекарства и алкалоиды. Производство антибиотиков исчисляется тысячами тонн. Пенициллины, как известно, были выделены при выращивании грибов рода Penicillium. В 1945 г. из пробы морской воды была выделена плесень Cephalosporium acremonium, синтезирующую несколько антибиотиков; один из них, цефалоспорин С, оказался особенно эффективен против устойчивых к пенициллину грамположительных бактерий.
Из нескольких тысяч открытых антибиотиков львиная доля принадлежит актиномицетам. Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род Streptomyces, один только вид Streptomyces griseus синтезирует более пятидесяти антибиотиков. Начиная с середины 1960-х гг. в связи с возросшей сложностью выделения эффективных антибиотиков и распространением устойчивости к наиболее широко применяемым соединениям у большого числа патогенных бактерий исследователи перешли от поиска новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. Они стремились повысить эффективность антибиотиков, найти защиту от инактивации ферментами устойчивых бактерий и улучшить фармакологические свойства препаратов. Исследователи фирмы «Мерк, Шарп и Доум» открыли новый класс b-лактамных антибиотиков, тиенамицины, продуцируемые Streptomyces cattleya. Тиенамицины чрезвычайно эффективны против грамположительных и грамотрицательных бактерий, а также способны ингибировать b-лактамазы, что значительно повышает возможности этих препаратов.
Антибиотики вырабатываются в результате совместного действия продуктов 10—30 генов, поэтому практически невозможно обнаружить отдельные спонтанные мутации, которые могли бы повысить выход антибиотика с нескольких миллиграммов на литр в штамме дикого типа до 20 г/л и более. Такие высокопродуктивные штаммы Penicillium chrysogenum или Streptomyces auerofaclens (продуценты пенициллина или тетрациклина) были получены в результате последовательных циклов мутагенеза и селекции. Определенные мутанты, так называемые идиотрофы, способны синтезировать только половину молекулы антибиотика, а среда должна быть обогащена другой ее половиной. Такая форма мутационного биосинтеза привела к открытию новых производных антибиотиков.
Число противоопухолевых веществ микробного происхождения довольно ограниченно. Блеомицин, выделенный из культур Streptomyces verticilliis, представляет собой гликопептид, который действует, разрывая ДНК опухолевых клеток и нарушая репликацию ДНК и РНК. Другая группа противоопухолевых агентов создана на основе комбинации аминогликозидной единицы и молекулы антрациклина. Недостатком обоих соединений является их потенциальная опасность для сердца.
Антибиотики используются грибами и актиномицетами в конкурентной борьбе в естественной среде обитания. Человек применил эти соединения для терапии инфекционных и онкологических заболеваний. Это явилось своеобразным толчком эволюционных преобразований в микробной среде, стали возникать устойчивые штаммы бактерий. В связи с этим вновь возникла проблема создания нового поколения более эффективных антибиотиков. В настоящее время протокол лечения инфекционной и хирургической патологии обязательно включает антибиотики. Но, имея неоспоримые преимущества, антибиотики оказывают на организм человека и негативное влияние: нарушается микрофлора желудочно-кишечного тракта, возможны осложнения в функционировании почек и печени, подавляется работа иммунной системы. Поэтому современные схемы лечения являются комплексными и направлены на поддержание адаптационных возможностей человека
|
|
|
