Совершенствование биообъектов. Экологические аспекты биотехнологического производства

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.

Подобные документы

    Характеристика биотехнологического процесса в зависимости от получаемого целевого продукта, от механизма образования конечного продукта, от условий проведения процесса. Выбор различных способов разделения в зависимости от локализации целевого продукта.

    контрольная работа , добавлен 16.05.2015

    Учение о предковых формах как один из разделов селекции. Цепочка эволюционных изменений. Учения Чарльза Дарвина. Центры происхождения культурных растений в учении академика Н.И. Вавилова. Преимущества генетического разнообразия исходного материала.

    реферат , добавлен 21.01.2016

    Этапы проведения экспериментов по переносу генетического материала, применение технологий для изучения процессов дифференцировки, канцерогенеза. Условия культивирования клеток. Виды и назначение селекции. Перенос генов, опосредованный хромосомами и ДНК.

    учебное пособие , добавлен 11.08.2009

    Понятие мутации как любого наследственного изменения, не связанного с расщеплением или с обычной рекомбинацией неизмененного генетического материала. Типы хромосомных мутаций. Активность муосомальных ферментов при разных патологических состояниях.

    контрольная работа , добавлен 15.08.2013

    Понятие о наследственности и изменчивости. Общие закономерности мутагенеза. Особенности действия физических и химических мутагенов. Использование индуцированного мутагенеза. Генетические последствия загрязнения окружающей среды.

    реферат , добавлен 04.09.2007

    Свойства мутаций как спонтанных изменений генотипа. Модификации молекулы ДНК под воздействием мутагенов. Характеристика способов поддержания генетического гомеостаза на молекулярно-генетическом, клеточном, организменном и популяционно-видовом уровнях.

    реферат , добавлен 17.11.2015

    Описания изменений в ДНК клетки, возникающих под действием ультрафиолета и рентгеновских лучей. Характеристика особенностей генных и хромосомных мутаций. Причины и передача цитоплазматических мутаций. Исследование мутаций в соматических клетках растений.


    5.1.5 Инженерная энзимология. Иммобилизованные биообъекты в биотехнологическом производстве .

    • Инженерная энзимология и повышение эффективности биообъектов (индивидуальных ферментов, ферментных комплексов и клеток продуцентов) в
    условиях производства. Иммобилизованные (на нерастворимых носителях)

    биообъекты и их многократное использование. Ресурсосбережение.

    Экологические преимущества.


    • Экономическая целесообразность. Повышение качества препаратов
    лекарственных веществ (гарантия высокой степени очистки, отсутствия белковых

    примесей).

    Нерастворимые носители органической и неорганической природы. Микроструктура носителей.


    • Иммобилизация за счет образования ковалентных связей между ферментом и носителем. Предварительная активация носителя. Механизм активации. Влияние иммобилизации на их субстратный спектр и кинетические характеристики фермента.

    • Адсорбция ферментов на инертных носителях и ионообменниках. Причины частичных ограничений использования этого метода иммобилизации

    • Иммобилизация ферментов путем включения в ячейки геля. Органические и неорганические гели. Микрокапсулирование ферментов как один из способов их иммобилизации. Размеры и состав оболочки микрокапсул.

    • Иммобилизация целых клеток микроорганизмов и растений. Моноферментные биокатализаторы на основе целых клеток. Проблемы диффузии субстрата в клетку и выхода продукта реакции. Пути повышения проницаемости оболочки у иммобилизуемых клеток. использование ростового цикла для иммобилизации клеток в наиболее продуктивной фазе. Особенности физиологии клеток, находящихся в ячейках геля. Проблемы иммобилизации продуцентов при локализации целевого продукта внутри клетки. Пути решения этих проблем.

    • Ферменты как промышленные биокатализаторы. Использование иммобилизованных ферментов при производстве полусинтетических β-лактамных антибиотиков, трансформации стероидов и разделении рацематов аминокислот на стереоизомеры.

    • Создание биокатализаторов второго поколения на основе одновременной иммобилизации продуцентов и ферментов.

    • Производственные типы биореакторов для иммобилизованных ферментов и клеток продуцентов.

    • Иммобилизованные ферменты и лечебное питание. Удаление лактозы из молока с помощью иммобилизованной β-галактозидазы. Превращение глюкозы во фруктозу с помощью иммобилизованной глюкоизомеразы.

    5.1.6. Геномика и протеомика. Их значение для современной биотехнологии.


    • Основные этапы развития генетики. Формальная генетика (генетика признаков). Молекулярная генетика (установление молекулярной структуры гена, дифференциация оперона и открытой рамки считывания, установление функций индивидуальных генов). Геномика (установление молекулярной структуры – последовательности пар нуклеотидов в целостном геноме и общих принципов его структурно-функциональной организации). Значение международного проекта «Геном человека» в медико-биологическом аспекте.

    • Протеомика. Белки и их взаимодействие в живых организмах. Методы протеомики. Совершенствование методов двухмерного электрофореза и «визуализация» протеома. Значение протеомики для фармации.

    • Техника секвенирования. Международные базы данных геномных исследований. Биоинформатика. Базы данных по структурной, сравнительной и функциональной геномике.

    • Значение геномики для целей фармации. Новые подходы к созданию лекарств. Целенаправленный поиск лекарственного агента, начиная с выбора гена, при взаимодействии с продуктами экспрессии которого, предполагается испытувать ряды природных и синтетических соединений как потенциальных лекарств.

    • Понятие жизненной необходимости (существенности) гена. Дифференциация генов патогенных микроорганизмов на “house keeping” и “ivi”-гены. Выявление у патогенов новых мишеней для антимикробных лекарственных агентов.

    5.1.7. Биосинтез. Молекулярные механизмы внутриклеточной регуляции и управление биосинтезом.
    Управление биосинтезом первичных и вторичных метаболитов


    • Индукция и репрессия синтеза ферментов. Функциональные участки оперона . Механизмы регуляции действия генов и их использование в биотехнологических процессах. Схема Жакоба и Мано.

    • Ингибирование активности ферментов по принципу обратной связи (ретроингибирование). Аллостерические ферменты. Значение этого механизма в регуляции жизнедеятельности клетки и пути преодоления ограничений биосинтеза целевых продуктов у суперпродуцентов. Создание мутантов с нарушением аллостерического центра у ключевых ферментов биосинтетических путей. Оптимизация подбора сред (среды с уменьшенным содержанием конечных продуктов биосинтетических путей).

    • Строгий (stringent ) аминокислотный контроль метаболизма. Гуанозинтетрафосфат как биорегулятор. Рибосома как сенсорная органелла. Ассоциированная с рибосомой пирофосфаттрансфераза. Rel А+-и Rel А-штаммы. Видовая специфичность структуры гуанозинфосфатных регуляторов. Биосинтез различных целевых биотехнологических продуктов и роль системы регуляции метаболизма, обусловленной гуанозинтетрафосфатом.

    Защита рекомбинантных нуклеиновых кислот и белков от нуклеаз и протеаз продуцента.


    • Регуляция усвоения азотсодержащих соединений. Глутамин, глутамат, аспартат и их роль в ключевых реакциях обеспечения клетки-продуцента азотом. Глутамин-синтаза – главная мишень для регуляторных воздействий применительно к конкретным целям биотехнологии. Понятие кумулятивного ретроингибирования . Ингибирование активности глутамин-синтазы за счет аденилирования. Деаденилирование и состав среды. Ион аммония как регрессор синтеза глутамина и его метаболитов.

    • Катаболитная регрессия (глюкозный эффект) и подавление синтеза катаболических ферментов. Транзиентная репрессия. Исключение индуктора. Механизм катаболитной репрессии. Циклический 3"5"-аденозинмонофосфат (цАМФ). Аденилатциклаза. Биологические эффекты цАМФ. Мутанты, устойчивые к катаболитной репрессии, и их использование в биотехнологии. Противодействие этому эффекту за счет подбора сред: физиологический уровень или уровень конструирования устойчивых к катаболитной репрессии мутантов – генетический уровень.

    • Регуляция усвоения азотсодержащих соединений. Ключевые соединения в биосинтезе азотсодержащих соединений. Ферменты синтеза глутамата и глутамина. Понятие кумулятивного ретроингибирования. Мутанты с измененной регуляцией азотного метаболизма и возможности интенсификации биосинтеза ряда первичных, вторичных метаболитов и некоторых ферментов.

    • Явление ограниченного протеолиза и возможности его использования.

    • Защита клетки-продуцента от образуемых метаболитов с «суицидным» эффектом. Компартментация. Временная (обратимая) ферментативная инактивация с реактивацией при выбросе из клетки.

    • Защита в клетке рекомбинанта чужеродных генов и кодируемых этими генами белков от нуклеаз и протеаз хозяина.

    Внутреклеточный транспорт и секреция биотехнологических продуктов у микроорганизмов.


    • Структура и видовая специфичность оболочки. Роль клеточной стенки, внешней и внутренней мембраны. Биосинтез полимеров оболочки. Литические ферменты.мембранные систему транспорта ионов и низкомолекулярных метаболитов.

    • Классификация систем транспорта. Регуляция их функций. Биотехнологические аспекты транспорта низкомолекулярных соединений в клетку и из клетки. Механизмы секреции высокомолекулярных биотехнологических продуктов.

    • Фосфорный обмен и энергообеспечение.

    Сохранение свойств промышленных штаммов микроорганизмов – продуцентов лекарственных средств.


    • Проблемы стабилизации промышленных штаммов. Причины нестабильности суперпродуцентов. Способы поддержания их активности.

    • Международные и национальные коллекции культур микроорганизмов и их значение для развития биотехнологии. Банки данных о микроорганизмах, растительных и животных клетках и отдельных штаммах микроорганизмов.

    5.1.8. Рекомбинантные белки и полипептиды. Получение путем микробиологического синтеза биорегуляторов с видоспецифичностью для человека.


    • Белковые и полипептидные гормоны. Факторы роста тканей и врожденного иммунитета. Иммуногенность препаратов, получаемых из тканей сельскохозяйственных животных.

    • Генно-инженерный инсулин. Технология его получения. Источники получения инсулина из животного сырья .

    • Технология получения инсулина человека на основе использования рекомбинантных штаммов.

    • Контроль за концентрацией инсулина в крови человека. Радиоиммунный анализ.

    • Эритропоэтин. Фактор созревания эритроцитов. Клонирование гена эритропоэтина человека. Технология получения. Лекарственные формы.

    • Интерфероны. Клонирование гена интеферона в клетках E. Coli и дрожжах.

    • Рекомбинантные вакцины. Актуальность их создания.

    5.2. Биотехнологические производственные системы.
    5.2.1. Слагаемые биотехнологического процесса производства лекарственных препаратов.


    • Основные "варианты" биотехнологий. Биотехнологический процесс как базовый этап, обеспечивающий сырье для получения лекарственных, профилактических или диагностических препаратов.

    • Различная степень сложности производственных биотехнологических процессов. Ее зависимость от природы биообъекта, целевого продукта, его назначения и лекарственной формы.

    • Ферментация определяющий этап биотехнологического процесса. Ферментационное оборудование. Цех ферментации. Конструкция ферментеров.

    • Подготовительные операции для проведения биосинтеза. Стерилизация ферментеров и трубопроводов. Проблемы гермитизации оборудования и коммуникаций. Питательные среды и методы их стерилизации. Критерий дейндорфера – Хемфри. Сохранение биологической полноценности сред при их стерилизации. Очистка и стерилизация технологического воздуха. Барботажное устройство. Многоэтапность подготовки посевного материала и контроль чистоты культуры.

    • Комплексные и синтетические питательные среды. Концентрация отдельного расходуемого компонента питательной среды и скорость размножения биообъекта. Уравнение Моро.

    • Критерии подбора ферментов. Классификация ферментационных процессов по технологическим параметрам (периодический, полупериодический, непрерывный). Глубинная и поверхностная ферментации.

    • Выделение и очистка целевого продукта. Методы отделения биопродуцента от целевого продукта. Методы отделения целевого продукта от культуральной жидкости. Методы разрушения клеток продуцента и извлечения целевого продукта при его внутриклеточной локализации.

    • Сорбционная и ионообменная хроматография. Аффинная хроматография для ферментов. Мембранные технологии разделения. Методы сушки.

    • Методы создания лекарственных форм препаратов, полученных биотехнологическим путем.

    • Стандартизация лекарственных средств, получаемых методами биотехнологии. Фасовка.

    5.2.2. Контроль и управление биотехнологическими процессами.


    • Основные параметры контроля и управления биотехнологическими процессами. Общие требования к методам и средствам контроля . Современное состояние методов и средств автоматического контроля в биотехнологии.

    • Контроль состава технологических растворов и газов. Потенцио-метрические методы контроля рН и ионного состава. Датчики рН и ионоселективные электроды.

    • Газочувствительные электроды. Стерилизуемые датчики растворенных газов.

    • Контроль концентрации субстратов и биотехнологических продуктов. Титригметрические методы. Оптические методы. Биохимические (ферментативные) методы контроля.

    • Электроды и биосенсоры на основе иммобилизованных клеток.

    • Высокоэффективная жидкостная хроматография при решении задач биотехнологического производства.

    • Основные теории автоматического регулирования. Статические и динамические характеристики биотехнологических объектов. Классификация объектов управления в зависимости от динамических характеристик.

    • Компьютеризация биотехнологического производстве лекарственных препаратов. Создание автоматизированных рабочих мест. Разработка автоматизированных систем управления. Пакеты прикладных программ.

    • Применение компьютерной техники на различных этапах производства и получения биотехнологических продуктов. Принципы и этапы анализа данных и математического моделирования биотехнологических систем. Планирование и оптимизация многофакторных экспериментов.

    • Кинетические модели биосинтеза и биокатализа.

    • Организация автоматизированных банков данных по биотехнологическим процессам и продуктам.

    5.3. Биобезопасность и государственный контроль. Единая система GLP-GCP И GMP для производства и контроля качества лекарственных средств, полученных биотехнологическими методами.


    • Основы законодательства в области здравоохранения. Порядок оказания лекарственной помощи; производство и качество лекарственных средств; «Федеральный закон о лекарственных средствах».

    • Связь медико-биологических требований (эффективность и безопасность) с качеством лекарственных веществ. Терминология: качество, уровень качества.
    Стандартизация лекарственных средств, нормативная документация (НД): Государственная фармакопея, общие фармакопейные статьи (ОФС), фармакопейные статьи (ФС), фармакопейные статьи предприятий (ФСП). Законодательный характер фармакопейных статей. Общая характеристика НД (требования, нормы и методы контроля). Роль НД в повышении качества лекарственных средств.

    • Международные и региональные сборники унифицированных требований и методов испытания лекарственных средств, их роль и влияние на развитие фармацевтической химии и стандартизации лекарственных средств: Международная фармакопея ВОЗ, Европейская фармакопея и другие региональные и национальные фармакопеи.

    • Предклинические испытания лекарств в соответствии с правилами good laboratory practice (GLP): тесты in vitro и in vivo , стандартизация реагентов, линейные животные и их содержание.

    • Клиническое изучение лекарств в соответствии с требованиями good clinical practice (GCP). Информация для лиц, получающих испытываемые лекарства. Правила повышения достоверности результатов клинических испытаний.

    • Правила GMP при производстве и контроле качества лекарственных препаратов и их субстанций. Причины и история введения правил GMP. Международная организация по сертификации и удостоверению качества лекарств.

    • Правила GMP и меры безопасности для биотехнологических производств. Карантин.

    • Международная законодательная база по биобезопасности и ее реализация.

    • Законодательная база России по биобезопасности.

    5.4. Биотехнология и проблемы экологии.


    • Преимущества биотехнологии в экологическом аспекте перед традиционными технологиями.

    • Охрана окружающей среды и пути совершенствования биотехнологических процессов. Малоотходные технологии.

    • Отходы биотехнологических производств и пути их утилизации.

    • Очистка жидких отходов. Биологический способ. Аэтотенки. Активный ил. Штаммы-деструкторы.

    • Уничтожение или переработка твердых отходов. Стерилизация биомассы. Биологические, физико-химические и термические методы обезвреживания мицелиальных отходов. Использование стерилизованной биомассы как подкормки для сельскохозяйственных животных. Использование биомассы при производстве строительных материалов и пеногасителей.

    • Методы уничтожения газообразных отходов. Биологические, физико-химические и термические методы рекуперации и обезвреживания выбросов в атмосферу.

    5.5. Биомедицинские технологии


    • Определение понятия "биомедицинские технологии". Решение кардинальных проблем медицины на основе достижений биотехнологии. Международный проект "Геном человека" и его цели. Этические проблемы.

    • Антисмысловые нуклеиновые кислоты, пептидные факторы роста тканей и другие биологические продукты новых поколений - молекулярные механизмы их биологической активности и перспективы практического применения.

    • Коррекция наследственных болезней на уровне генотипа (генотерапия) и фенотипа.

    • Биопротезирование. Репродукция тканей. Трансплантация тканей и органов. Поддержание гомеостаза. Гемосорбция. Диализ.

    • Оксигенация. Перспективы использования гормонов, продуцируемых вне эндокринной системы.

    • Состояние и направления развития биотехнологии лекарственных форм - традиционных и инновационных.

    5.6. ЧАСТНАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ.
    5.6.1. Биотехнология первичных метаболитов .
    5.6.1.1. Биотехнология аминокислот.


    • Биологическая роль аминокислот и их применение в качестве лекарственных средств.

    • Химический и химико-энзиматический синтез аминокислот. Проблемы стереоизомерии. Разделение стереоизомеров с использованием ферментативных методов (ацилаз микроорганизмов).

    • Микробиологический синтез аминокислот. Создание суперпродуцентов аминокислот. Особенности регыляции и схемы синтеза различных аминокислот у разных видов микроорганизмов. Мутанты и генно-инженерные штаммы-продуценты аминокислот.

    • Получение аминокислот с помощью иммобилизованных клеток и ферментов.

    • Основные пути регуляции биосинтеза и его интенсификация.

    • Механизмы биосинтеза глутаминовой кислоты, лизина, треонина.
    5.6.1.2. Биотехнология белковых лекарственных веществ.

    • Биотехнология белковых лекарственных веществ. Рекомбинантные белки, принадлежащие к различным группам физиологически активных веществ.

    • Инсулин. Источники получения. Видовая специфичность. Иммуногенные примеси. Перспективы имплантации клеток, продуцирующих инсулин.

    • Рекомбинантный инсулин человека. Конструирование плазмид. Выбор штамма микроорганизма. Выбор лидерной последовательности аминокислот. Отщепление лидерных последовательностей. Методы выделения и очистки полупродуктов. Сборка цепей. Контроль за правильным образованием дисульфидных связей. Ферментативный гидролиз проинсулина. Альтернативный путь получения рекомбинантного инсулина; синтез А- и В-цепей в разных культурах микробных клеток. Проблема освобождения рекомбинантного инсулина от эндотоксинов микроорганизмов-продуцентов. Биотехнологическое производство рекомбинантного инсулина. Экономические аспекты. Создание рекомбинантных белков "второго поколения" на примере инсулина.

    • Интерферон (Интерфероны). Классификация, α-, β-, у- Интерфероны. Интерфероны при вирусных и онкологических заболеваниях. Видоспецифичность интерферонов Ограниченные возможности получения α- и γ-интерферонов из лейкоцитов и Т-лимфоцитов. Лимфобластоидный интерферон. Методы получения β-интерферона при культивировании фибробластов. Индукторы интерферонов. Их природа. Механизм индукции. Промышленное производство интерферонов на основе природных источников.

    • Синтез различных классов интерферона человека в генетически сконструированных клетках микроорганизмов. Экспрессия генов, встроенных в плазмиду. Вариации в конформации синтезируемых в клетках микроорганизмов молекул интерферонов за счет неупорядоченного замыкания дисульфидных связей. Проблемы стандартизации. Производство рекомбинантных образцов интерферона и политика различных фирм на международном рынке.

    • Интерлейкины. Механизм биологической активности. Перспективы практического применения. Микробиологический синтез интерлейкинов. Получение продуцентов методами генетической инженерии. Перспективы биотехнологического производства.

    • Гормон роста человека. Механизм биологической активности и перспективы применения в медицинской практике. Микробиологический синтез. Конструирование продуцентов.

    5.6.1.3. Ферментные препараты


    • Ферменты в качестве лекарственных средств. Протеолитические ферменты. Амилолитические и липолитические ферменты. L-аспарагиназа.

    • Механизм каталитического действия, общие свойства и области применения медицинских ферментов (L-аспарагиназы, β-галактозидазы, α-амилазы, солизим, террилитин, стрептокиназы, трипсин, химотрипсин, пепсин, урокиназы, бромелин, папаин, фицин).

    • Микробиологический синтез ферментов для медицинских целей.

    5.6.1.5. Иммунология как один из разделов биотехнологии.


    • Основные составляющие и пути функционирования иммунной системы.

    • Иммуномодулирующие агенты: иммуностимуляторы и иммуносупрессоры (иммунодепрессанты).

    • Усиление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Вакцины на основе рекомбинантных протективных антигенов или живых гибридных носителей. Антисыворотки к инфекционным агентам, к микробным токсинам.

    • Неспецифическое усиление иммунного ответа. Рекомбинантные интерлейкины, интерфероны и др. Механизмы биологической активности. Подавление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Рекомбинантные антигены. IgE - связующие молекулы и созданные на их основе толерогены. Иммунотоксины. Антиидиотипическне антитела в качестве мишени для аутоантител. Специфическая плазмоиммуносорбция. Неспецифическое подавление иммунного ответа. Моноклональные антитела против цитокинов. Неспецифичная гемосорбция и иммуноплазмофорез.

    • Медиаторы иммунологических процессов. Их функциональная совокупность. Обеспечение гомеостаза. Технология рекомбинантной ДНК и получение медиаторов иммунологических процессов.

    5.6.1.6. Производство моноклоналъных антител и использование соматических гибридов животных клеток.


    • Механизмы иммунного ответа на конкретный антиген. Разнообразие антигенных детерминантов. Гетерогенность (полнклональность) сыворотки. Преимущества при использовании монеклональных антител. Клоны клеток злокачественных новообразований. Слияние с клетками, образующими антитела. Гибридомы.

    • Криоконсервирование. Банки гибридом. Технология производства моноклональных антител.

    • Области применения моноклинальных антител. Методы анализа, основанные на использовании моноклональных (в отдельных случаях поликлональных) антител

    • Иммуноферментный анализ (ИФА). Метод твердофазного иммуноанализа (EL1SA - enzyme linked immunosorbentassay).

    • Радиоиммунный анализ (РИА). Преимущества перед традиционными методами при определении малых концентраций тестируемых веществ и наличии в пробах примесей с близкой структурой и сходной биологической активностью.

    • ДНК- и РНК-зонды как альтернатива ИФА и РИА при скрининге продуцентов биологически активных веществ (обнаружение генов вместо продуктов экспрессии генов).

    • Моноклональные антитела в медицинской диагностике. Тестирование гормонов, антибиотиков, аллергенов и т.д. Лекарственный мониторинг. Ранняя диагностика онкологических заболеваний. Коммерческие диагностические наборы на международном рынке.

    • Моноклональные антитела в терапии и профилактике. Перспективы высокоспецифичных вакцин, иммунотоксинов. Включение моноклональных антител в оболочку липосом и повышение направленности транспорта лекарств.

    • Типирование подлежащих пересадке тканей. Обязательное тестирование препаратов моноклональных антител на отсутствие онкогенов.

    • Моноклональные антитела как специфические сорбенты при выделении и очистке биотехнологических продуктов.

    5.6.2. Биотехнология вторичных метаболитов.
    5.6.2.1. Плантационные и дикорастущие лекарственные растения.


    • Лекарственные растения – традиционный источник лекарственных средств. Применение вторичных метаболитов высших растений для медицинских целей. Основные классы вторичных метаболитов (эфирные масла, фенольные соединения, алкалоиды, стероиды, сердечные гликозиды).

    • Биотехнологические методы повышения продуктивности лекарственных растений. регуляторы роста растений. Фитогормоны.

    • Трудности со сбором лекарственного сырья. Проблемы нестандартности.

    5.6.2.2 . Вторичные метаболиты растений. Культуры растительных клеток и тканей как источник получения лекарственных средств.


    • Разработка методов культивирования растительных тканей и изолированных клеток как достижение биотехнологической науки.

    • Культивирование растительных клеток и тканей на искусственной питательной среде в биореакторах различных конструкций.

    • Каллусные и суспензионные культуры. Особенности роста и метаболизма растительных клеток в культурах. Питательные среды для культивирования растительных клеток. Макроэлементы, микроэлементы, источники железа и углерода, витамины. Фитогормоны-специфические регуляторы роста (ауксины, цитокинины). Проблемы стерильности.

    • Биореакторы.

    • Примеры лекарственных средств, полученных на основе каллусных и суспензионных культур клеток растений.

    • Иммобилизация растительных клеток и ее использование в биотехнологическом производстве. Нерастворимые носители, используемые при иммобилизации растительных клеток.

    • Применение иммобилизованных растительных клеток для целенаправленной биотрансформации лекарственных веществ. Преимущество ферментативной трансформации по сравнению с химической .

    • Методы контроля и идентификации (цитофизиологические, химические, биохимические и биологические) биомассы и препаратов, полученных методами клеточной биотехнологии.




    • Возможность изменения состава и повышения выхода вторичных метаболитов (потенциальных лекарственных средств) из клеток трансгенных растений.

    5.6.2.3 Биотехнология витаминов и коферментов.


    • Биологическая роль витаминов. Классификация витаминов. Традиционные методы получения (выделение из природных источников и химический синтез).

    • Микробиологический синтез витаминов и конструирование штаммов-продуцентов методами генетической инженерии.

    • Витамин В2 (рибофлавин). Основные продуценты. Схема биосинтеза и пути интенсификации процесса

    • Коферменты как производные витаминов. Механизм каталитической активности витаминов.

    • Микробиологический синтез витаминов группы В. Витамин В 12 . Его продуценты – пропионовокислые бактерии. Схема и пути регуляции биосинтеза. Продуценты витамина В 12 , получаемые методом генной инженерии.

    • Микробиологический синтез пантотеновой кислоты, витамина РР.

    • Витамин В 2 (рибофлавин) и его продуценты из родов Eremothecium и Ashdea . Конструирование генно-инженерного штамма – промышленного продуцента витамина В 2 .

    • Микробиологический синтез витамина РР (никотиновая кислота).

    • Биотехнологическое производство аскорбиновой кислоты (витамина С). Технология производственного процесса. Микроорганизмы-продуценты. Различные схемы биосинтеза в промышленных условиях . Химический синтез аскорбиновой кислоты и стадия биоконверсии в производстве витамина С.

    • Витамины группы D. Эргостерин – провитамин D 2 в клетках дрожжей и плесневых грибов.

    • Витамин А. микробиологический синтез β-каротина

    • Убихиноны (коферменты Q). Источники получения: растительные ткани и микробная биомасса. Методы генной инженерии применительно к созданию продуцентов убихинонов Q 9 и Q 10

          1. Биотехнология стероидных гормонов

    • Традиционные источники получения стероидных гормонов. Проблемы трансформации стероидных структур. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией. Штаммы микроорганизмов, обладающие способностью к трансформации (биоконверсии) стероидов. Конкретные реакции биоконверсии
    стероидов. Подходы к решению селективности процессов биоконверсии.

    • Микробиологический синтез гидрокортизона и получение из него путем биоконверсии преднизолона

    5.6.2.5. Вторичные микробные метаболиты. Биотехнология антибиотиков.


    • Почвенные биоценозы и разнообразие составляющих их видов микроорганизмов. Поиск и первичная оценка вторичных метаболитов. Методы скрининга продуцентов.

    • Биологическая роль антибиотиков как вторичных метаболитов. Происхождение антибиотиков и эволюция их функций.

    • Основные группы микророрганизмов, образующих антибиотики: плесневые грибы (низшие эукариоты), актиномицеты и споровые эубактерии (прокариоты). Особенности структуры их клеток и физиологии.

    • Полусинтетические антибиотики. Биосинтез и оргсинтез при создании новых антибиотиков.

    • Биологическая роль антибиотиков как фактор преодоления стрессовых ситуаций для своего продуцента (ингибиторы роста других микроорганизмов и сигнальные молекулы при перестройке метаболизма в случае дефицита питательных веществ).

    • Молекулярный механизм антимикробного действия различных групп антибиотиков и системы защиты продуцентов от образуемых ими антибиотиков.

    • β-Лактамные антибиотики (пенициллины, цефалоспорины и др.) – ингибиторы синтезапептидогликана клеточной стенки.

    • Гликопептидные антибиотики

    • Антибиотики полиеновой структуры (амфотерицин В, нистатин и др.) и нарушение молекулярной организации цитоплазматической мембраны плесневых грибов и дрожжей.

    • Антибиотики – ингибиторы белкового синтеза (на уровне рибосимно-матричных систем).

    • Аминогликозиды (стрептомицин, канамицин и др.)

    • Летальные белки как результат нарушения считувания генетического кода при трансляции. Тетрациклины.

    • Макролиды (эритромицин и др.).

    • Антибиотики – ингибиторы белкового синтеза на дорибосомной стадии процесса (мупироцин и др.)

    • Антибиотики – ингибиторы синтеза и превращений нуклеиновых кислот (суперскручивание ДНК).

    • Анзамицины (рифампицин и др.)

    • Хинолоновые (фторхонолоновые структуры).

    • ДНК-тропные антибиотики, применяемые в онкологической практике (антрациклины, блеомицин, митомицины и др.).

    • Суперпродуценты антибиотиков, используемые в биотехнологическом производстве. Сборка углеродного скелета антибиотиков из первичных метаболитов. Схема биосинтеза β-лактамных антибиотиков (пенициллинов и цефалоспоринов) из аминокислот. Схема биосинтеза стрептомицина,

    • Направленный биосинтез. Получение бензилпенициллина при внесении в среду фенилуксусной кислоты.

    5.6.2.6. Молекулярные механизмы резистентности бактерий к антибиотикам.


    • Генетические основы антибиотикоресистентности Хромосомная и плазмидная резистентность. Транспозоны. Целенаправленная биотрансформация и химическая трансформация β-лактамных структур.

    • Новые поколения цефалоспоринов, пенициллинов, эффективные в отношении резистентных микроорганизмов. Карбапенемы. Монобактамы. Комбинированные препараты: амоксиклав, уназин. Полусинтетические пенициллины используемые в клинике.

    • Полусинтетические пенициллины (ампициллин, азлоциллин, мезлоциллин, пиперациллин, карбенициллин и т.п.) используемые в клинике. Получение из бензилпеницилина 6-АПК методом ферментативного гидролиза. Получение полусинтетических пенициллинов методами ферментативного синтеза (биотрансформация 60АПК).

    • Четыре генерации цефалоспоринов, внедренных в кленическую практику. Схема превращения бензилпенициллина в 7-фенилацетамидооксицефалоспорановую кислоту. Полусинтетические цефалоспорины (цефалексин идр.). полусинтетические цефалоспорины на основе 7-аминодезаацетоксицефалоспорановой кислоты (7-АЦК). Цефалоспорины четвертого поколения – цефипим, цефпиром. Сочетание биосинтеза, органического синтеза, биологической и химической трансформации при получении новых, перспективных для клинической практики цефалоспоринов.

    • Механизмы резистентности к аминогликозидным антибиотикам. Целенаправленная трансформация аминогликозидов. Амикацин как полусинтетический аналог природного антибиотика бутирозина.

    • Новые полусинтетические макролиды и азалиды - аналоги эритромицина, эффективные в отношении внутриклеточной локализованных возбудителей инфекций.

    • Природные источники генов резистентности к антибиотикам. Организационные мероприятия как путь ограничения распространения генов антибиотикорезистентности.

    • Понятие «инфекционная резистентность» и «госпитальные инфекции».

    • Противоопухолевые антибиотики. Механизм действия. Ферментативная внутриклеточная активация некоторых противоопухолевых антибиотиков. Механизмы резистентности опухолевых клеток к противоопухолевым препаратам. Р-170 гликопротеин и плейотропная резистентность. Пути преодоления плейотропной антибиотикорезистентности.

    5.6.2.7. Вторичные микробные метаболиты – ингибиторы сигнальной трансдукции. Иммуносупрессоры.


    • Множественность механизмов, обеспечивающих распознавание клеткой внешних воздействий и каскад ответных реакций на них.

    • Циклоспорин А – ингибитор иммунного ответа на уровне кальцийнейрина. Применение циклоспорина А в трансплантологии и для лечения аутоиммунных болезней. Молекулярный механизм действия циклоспорина. Возможность применения циклоспорина А и его производных MDR фенотипа в комбинированной противоопухолевой химиотерапии.

    • Новые иммуносупрессоры природного происхождения (рапамицин, FK 506 и др.). Перспективы применения в трансплантологии, при лечении аутоиммунных и онкологических заболеваний.

    6. ПЛАН ЛЕКЦИЙ


    Тема лекции

    Количество часов, лектор

    1.

    Предмет и содержание биотехнологии, ее взаимосвязь с химическими, медико-биологическими и техническими дисциплинами. История развития. Особенности и основные достижения современного этапа развития биотехнологии. Связь биотехнологии с фундаментальными науками второй половины ХХ века. Биомедицинские технологии. Основные объекты биотехнологии. Биообъекты как средство производства лекарственных, профилактических и диагностических средств. Макро- и микроорганизмы. Ферменты как промышленные биокатализаторы

    2 (Курапов)

    2.

    Метаболизм. Основные процессы клеточного метаболизма. Понятие о первичных и вторичных метаболитах. Механизмы регуляции биосинтеза первичных метаболитов процессов. Теоретические основы получения первичных метаболитов. Анаэробные процессы (получение этанола, глицерина, молочной кислоты). Аэробные процессы. Методы промышленного получения кислот цикла Кребса и их производных (лимонной, итаконовой, кетоглутаровой, пировиноградной кислот).

    2 (Курапов)

    3.

    Теоретические основы получения вторичных метаболитов. Методы регуляции биосинтеза антибиотиков и стероидов. 6-АПК. Полусинтетические антибиотики. Производство аминокислот и витаминов.

    2 (Курапов)

    4.

    Биотехнология вторичного метаболизма растений. Культуры растительных клеток и тканей как источник получения лекарственных средств. Лекарственные средства, полученных на основе каллусных и суспензионных культур клеток растений. Иммобилизация растительных клеток и ее использование в биотехнологическом производстве. Биорегуляция продуктивности вторичного метаболизма растений. Трансгенные растения и перспективы их использования в качестве источника фармацевтических препаратов.

    2 (Курапов)

    5.

    Слагаемые биотехнологического процесса. Структура биотехнологического производства. Культивирование клеток продуцентов – центральное звено биотехнологического процесса. Поверхностное и глубинное культивирование. Подготовка сырья, воздуха и посевного материала. Стерилизация и поддерживание асептических условий. Технологическое и аппаратурное оформление процесса глубинного культивирования (непрерывное и периодическое, по схеме идеального смешения или вытеснения, хемостатический и турбидостатический режим). Достоинства и недостатки этих схем.

    2 (Курапов)

    6.

    Основное технологическое оборудование биотехнологиических производств. Особенности биотехнологических производств, по сравнению с аналогичными химическими. Методы аэрирования, перемешивания, теплоотвода и пеногашения. Проблемы и методы предварительной стерилизации технологического оборудования и поддержания асептических условий во время протекания процесса. Контроль и управление биотехнологическими процессами. Методы выделения и очистки продуктов биотехнологических производств. Экзо- и эндомета-

    болиты. Особенности и основные технологические приемы выделения продуктов белковой природы.



    2 (Курапов)

    7.

    Инженерная энзимология. Применение ферментов. Достоинства и недостатки использования чистых ферментов по сравнению с клетками и неорганическими катализаторами. Иммобилизованные ферменты и клетки. Основные носители и методы иммобилизации. Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток. Инженерная энзимология и медицинские технологии (биосенсоры, лекарственные препараты на основе свободных и

    иммобилизованных ферментов и их комбинаций с другими лекарственными препапаратами.



    2 (Курапов)

    8.

    Особенности технологии культивирования клеток и тканей растений и животных. Протопласты и гибридомы. Основы клеточной инженерии. Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии. Мутагенез. Совершенствование биообъектов методами мутагенеза и селекции.

    2 (Курапов)

    9.

    Основы генетической инженерии. Преимущества и отличия генноинженерных методов совершенствования биообъектов по сравнению с классическими методами мутагенеза и селекции. Создание принципиально новых биообъектов методами генетической инженерии (технология рекомбинантных ДНК). Последовательность операций, осуществляемых биотехнологом – генным инженером. Контроль экспрессии. Проблемы и сложности . Направленный мутагенез.

    2 (Курапов)

    10.

    Наночастицы в биотехнологическом производстве лекарств – рекомбинантных белков человека.

    2 (Кузнецов)

    11.

    Биологически активные пептиды в биотехнологическом производстве лекарств.

    2 (Кузнецов)

    12.

    Рекомбинантные белки и полипептиды (инсулин, гормон роста, интерфероны). Традиционные и генноинженерные методы получения. Использование рекомбинантных микроорганизмов для получения коммерческих продуктов (аминокислоты, витамины, антибиотики, природные биополимеры). Использование трансгенных животных и растений как биореакторы для получения лекарственных и других биологически активных веществ. Потенциальные опасности при работе с рекомбинантными и трансгенными организмами.

    Изотопно-модифицированнык культуральные среды. Новый подход к повышению продуктивности биотехнологического производства нуклеозидных антибиотиков, пептидов и рекомбинантных белков.



    2 (Кузнецов)

    13.

    Моноклональные антитела. Технология получения. Применение моноклональных антител в иммунной диагностике (ферментный имуносорбентный анализ) и в качестве лекарственных препаратов и высокоспецифических катализаторов (“каталитические антитела”). Имунобиотехнология. Иммунные сыворотки и вакцины. Рекомбинантные вакцины (субъединичные, аттенуированные, ”векторные”).

    2 (Курапов)

    14.

    Методы ДНК-диагностики. Молекулярная генетика человека. Генная терапия ex vivo и in vivo. Лекарственные препараты на основе “антисмысловых олигонуклеотидов”. Рибозимы как лекарственные средства.

    2 (Курапов)

    15.

    Адъюванты и наноадъюванты в биотехнологическом производстве вакцин

    2 (Кузнецов)

    16.

    Биотехнологическое производство лекарственных средств для генной терапии

    2 (Меркулов)

    17.

    “Medicinal chemistry”- симбиоз химии и биотехнологии в “постгеномную эру”. Стратегия рационального drag-дизайнa лекарственных препаратов. Поиск соединений лидеров (hit- и led-compaunds). Комбинаторная химия и HTS-скрининг. Оптимизация соединений лидеров (докинг, QSAR-метод). Методы создания лекарственных препаратов на основе соединений – лидеров (пролекарства, биоизостеры, пептидомиметики, двойные лекарства).

    2 (Курапов)

    7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

    Основная литература


    1. Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чакалева И.И. Биотехнология. Учебное пособие. М.: Академия. 2008, 256 с.

    2. Орехов С.Н. Фармацевтическая биотехнология. Руководство к практическим занятиям. М.: ГЕОТАР-МЕДИА, 2012, 384 с.

    Дополнительная литература


    1. Загоскина Н.В., Назаренко Л.В., Калашникова Е.А., Живухина Е.А. Биотехнология. Теория и практика. М.: Оникс., 2009, 496 с.

    2. Курапов П.Б., Бахтенко Е.Ю. Многообразие вторичных метаболитов высших растений и их лечебные свойства. М.: Изд. РГМУ, 2012, 200 с.

    3. Егорова Т.А. Основы биотехнологии / Т.А. Егорова, С.М. Клунова, Е.А. Живухина. – М. : Издат. центр Академия, 2003. – 208 с.

    4. Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б. Глик, Дж. Пастернак. – М. : Мир, 2002. – 589 с.

    5. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках / Н.С. Егоров. – М. : Наука, 2004. – 525 с.

    8. ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЧЕТОВ, ЭКЗАМЕНОВ И РЕФЕРАТОВ.


    № п/п

    Перечень вопросов

    1

    История биотехнологии. Определения. Основные разделы биотехнологии. Проблемы и перспективы медицинской биотехнологии.

    2

    Характеристика продуцентов, применяемых в биотехнологических производствах (антибиотики, интерфероны, аминокислоты).

    3

    Основные методы хранения продуцентов, применяемых в фармацевтической промышленности.

    4

    Методы культивирования продуцентов, применяемые в фармацевтической промышленности.

    5

    Особенности культивирования клеток животных, получение вакцин медицинского назначения.

    Кинетические характеристики продуцентов, определяемые в производственных условиях при непрерывном культивировании.

    История генетической инженерии и основные этапы генно-инженерных исследований.

    Биотехнология вторичного метаболизма растительных клетоток.

    Получения классических эргоалкалоидов спорыньи биотехнологическими методами. Гормональная регуляция в системе гриб - растение.

    Трансгенные растения и перспективы их использования в качестве источника фармацевтических препаратов.

    Особенности образования целевого продукта (биологически активного вещества) популяции продуцента.

    Основные понятия генетической инженерии.

    Клеточная инженерия. Процессы каллусообразования. Тотипотентность растительных клеток.

    Производство дрожжей на углеводсодержащих и целлюлозных субстратах

    Производство аминокислот медицинского и пищевого назначения.

    Особенности культивирования растительных клеток. Суспензионные культуры.

    Методы получения моноклональных антител. Массовая наработка и их очистка. Основные направления применения.

    Ферменты, применяемые в генно-инженерных проектах .

    Основные этапы генно-инженерных проектов.

    Особенности конструкции и типы биореакторов, применяемых в производстве биотехнологической продукции.

    Методы получения генов.

    Источники ДНК для клонирования.

    Химико-ферментативный синтез гена.

    Метод обратной транскрипции

    Лекарственные препараты, получаемые из культур клеток женьшеня, родиолы розовой, воробейника, стевии, наперстянки, табака и др.

    Векторы, применяемые в генетической инженерии.

    Методы получения рекомбинантных молекул ДНК. Отжиг и лигирование. Соединение тупых концов. Коннекторная техника.

    Введение рекомбинантных ДНК в клетки реципиента. Идентификация клонов, содержащих чужеродный ген.

    История развития метода культур клеток. Каллусогенез - основа создания пересадочных клеточных культур.

    Культивирование отдельных клеток. Протопласты растительных клеток как объект биологического конструирования. Слияние протопластов и гибридизация соматических клеток.

    Иммуноферментный анализ и его применение.

    mbf -> Методические указания к разработке рабочей программы При разработке рабочей программы учебной дисциплины патология в основу положены: фгос впо по направлению подготовки
    mbf -> Рабочая программа учебной дисциплины общая патология направление подготовки (специальность) 060609 Медицинская кибернетика

    Биообъект -это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

    Требования, предъявляемые к биологическим объектам

    Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

    Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микробов - контаминантов, или загрязнителей. Представителями контаминирующей микрофлоры являются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. При использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофитной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие нестерильности системы.

    Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов - одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.

    Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках животного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником ферментов также являются изолированные клетки или специализированные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.

    Классификация биообъектов

    1) Макромолекулы

    Ферменты всех классов (чаще гидролазы и трансферазы); в т.ч. в иммобилизированном виде (связанные с носителем) обеспечивающем многократность использования и стандартность повторяющихся производственных циклов;

    ДНК и РНК - в изолированном виде, в составе чужеродных клеток.

    2) Микроорганизмы

    Вирусы (с ослабленной патогенностью используются для получения вакцин);

    Клетки прокариоты и эукариоты - продуценты первичных метаболитов: аминокислот, азотистых оснований, коферментов, моно- и дисахаров, ферментов для заместительной терапии и т.д.); -продуценты вторичных метаболитов:антибиотики, алкалоиды, стероидные гормоны, и др.;

    Нормофлоры - биомасса отдельных видов микроорганизмов применяемые для профилактики и лечения дисбактериозов;

    Возбудители инфекционных заболеваний - источники антигенов для производства вакцин;

    Трансгенные м/о или клетки - продуценты видоспецифичных для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета и т.д.

    3) Макроорганизмы

    Высшие растения - сырье для получения БАВ;

    Животные - млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, членистоногие, рыбы, моллюски, человек;

    Трансгенные организмы.

    В качестве биологических объектов или систем, которые использует биотехнология, прежде всего, необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетка. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:

    1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимы в жизни человека, пока недоступны для получения «небиотехническими» способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья или же сложности технологических процессов.

    2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 минут, дрожжевая - через каждые 1,5-2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток. Например, в биореакторе емкостью 100 м 3 за 2-3-сут. можно вырастить 10 16 -10 18 микробных клеток. В процессе жизнедеятельности клеток при их выращивании в среду поступает большое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют собой кладовые этих продуктов.

    3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырье для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырье для других видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной, пищевой промышленности, растительное сырье, дрожжи, древесина, меласса и др.).

    4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технология переработки и т.д.

    Описание презентации Введение в современную биотехнологию БИООБЪЕКТ «нет ничего по слайдам

    Введение в современную биотехнологию БИООБЪЕКТ «нет ничего более практичного, чем хорошая теория» кто-то из великих физиков Планк или Эйнштейн. 2 -е место по инвестиционной привлекательности после информационных технологий

    Биотехнология (БТ) — научно-практический приоритет 21 века постгеномные технологии: – геномика, протеомика, – биоинформатика, метоболомика нанобиотехнологии. проект «Антропогеномика» — создание генетических паспортов для спортсменов и др. пилотных групп населения. проекты по биоразнообразию, биобезопасности и биокатализу Медицинские БТ – создание жизненно важных ЛП (гормоны, цитокины, биодженерики, терапевтические МАТ, вакцины нового поколения), – развитие технологий стволовых клеток. В сельском хозяйстве — развитие трансгенных растительных и животных культур. В пищевой БТ — разработки для функционального, сбалансированного питания, в т. ч. отдельный проект по биотехнологии морепродуктов. В экологической БТ — восстановление агроландшафтов и создание экологически чистого жилья. Проект «Биочипы» — создание оригинальных биочипов для исследований в геномике и протеомике и диагностике.

    Термин Карл Эреки 1917 – (процесс промышленного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы). Биотехнология – это все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты. описание процессов промышленной ферментации, область, именуемая сейчас эргономикой. Биотехнология – это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также в интересах промышленного получения полезных для человека продуктов, в том числе и лекарственных препаратов.

    Биотехнологические продукты 1. Вакцины и сыворотки 2. Антибиотики 3. Ферменты и антиферменты 4. Гормоны и их антагонисты 5. Витамины (В 12) 6. Аминокислоты 7. Кровезаменители 8. Алкалоиды 9. Иммуномодуляторы 10. Биорадиопротекторы 11. Иммунные диагностикумы и биосенсоры

    История биотехнологии I Эмпирический период– ок. 6000 лет до Р. Х. и до средины Х 1 Х в. воспроизведение естественных процессов в искусственных условиях: хлебопечение, выделка кожи, получение льна, натурального шелка, силосование кормов для скота, изготовление кисломолочных продуктов, сыров, квашенной капусты, Виноделие Пивоварение биотехнологические приемы Фармации и медицины: Яды животных и растений, Желчь и другие биожидкости, настойка из коры хинного дерева для купирования лихорадочных приступов при малярии, гирудотерапия, апитерапия растительные опиаты и алкалоиды, профилактика натуральной оспы содержимым пустул телят, больных коровьей оспой и мн. др. в основе современной профилактической и клинической медицины.

    II – Научно-практический период (1856 -1933 годы) Л. Пастер – основоположник научной микробиологии и ее дисциплин (промышленной, медицинской, химической и санитарной микробиологии). -установил микробную природу процессов брожения, -доказал анаэробный путь метаболизма и возможности жизни в бескислородных условиях, — научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии (иммунология), — метод стерилизации (Пастеризация). де Бари – основоположник микологии, основа современных классификационных схем макро и микромицетов. Д. И. Ивановский — 1892 г вирус табачной мозаики, после открыты другие вирусы = вирусология Важнейшие достижения: доказана видовая индивидуальность микробов Микроорганизмы выделены в чистых культурах и размножены и выращены на питательных средах для воспроизведения природных процессов (брожения, окисления и пр.) начато изготовление пищевых прессованных дрожжей, Получены бактериальные метаболиты (ацетон, бутанол, лимонная и молочная кислоты). созданы биоустановки для микробиологической очистки сточных вод.

    III – Биотехнический период 1933 -1972 гг «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов» (А. Клюйвер, Л. Х. Ц. Перкин) начало промышленной биотехнологии: 1. технические приемы внедрения в производство крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях. 2. методические подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. 1939 -1945 гг становление и развитие производства антибиотиков. За 40 лет решены основные задачи по – конструированию, созданию и внедрению в практику промышленного оборудования в том числе биореакторов.

    IV – молекулярный или генотехнический период 1972 г — первая рекомбинантная молекула ДНК (П. Берг с сотрудниками, США). 1982 г коммерческий генноинженерный человеческий инсулин. Другие генноинженерные препараты: – интерфероны, – фактор некроза опухоли (TNF), – интерлейкин-2, – соматотропный гормон человека.

    Основные направления биотехнологии Биотопливные элементы превращают химическую энергию субстратов в другие виды энергии получение источников энергии – биогаза, углеводов. производство водорода, с помощью хемотрофных и цианобактерий, водорослей, некоторых простейших Биосенсоры – высокочувствительные искусственные элементы биологической природы, способные распознавать микроколичества веществ в любом агрегатном состоянии. биологические молекулы избирательно взаимодействуют с микроколичествами химических веществ, изменения которых регистрируются и визуализируются электронной аппаратурой. датчики аналитических приборов в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, охране окружающей среды для выявления углеводов, мочевины, лактата, креатинина, этанола, аминокислот и др. веществ. Биоэнерготехнология

    Космическая биотехнология – Невесомость — изменение течения физико-химических процессов: снижение конвекции, исключение седиментации, силы поверхностного натяжения больше гравитационных, исключение пристеночных явлений (протекание процессов без емкостей). легче создать условия для кристаллизации белков в чистом виде для различных целей и для рентгеноструктурного анализа. легче инкапсулировать клетки в полупроницаемые мембраны, – например клетки поджелудочной железы животных, для последующей имплантации больным сахарным диабетом, где они будут синтезировать инсулин, – инкапсуллированные клетки печени можно использовать для создания искусственных органов для очистки крови.

    Инженерная энзимология – использование каталитических функций ферментов в изолированном состоянии или в составе клеток для получения разнообразных продуктов. Биогеотехнология – использование микроорганизмов для добычи полезных ископаемых, получение редкоземельных металлов, удаление метана в шахтах и т. п. Медицинская биотехнология – создание средств или / и веществ медицинского назначения, препаратов крови, трансплантантов и биопротезов. Биотехнология лекарственных средств – из более 1000 наименований лекарственных средств, минимум треть производится или может быть произведено биотехнологически. Иммунобиотехнология – производство вакцин, иммуноглобулинов крови, иммуномодуляторов, моноклональных антител и т. п.

    Возможности 1. точная и ранняя диагностика, профилактика и лечение инфекционных и генетических заболеваний; 2. повышение урожайности сельхоз. культур путем создания растений устойчивых к вредителям, болезням и неблагоприятным условиям окружающей среды; 3. создание микроорганизмов продуцирующих различные БАС (антибиотики, полимеры, аминокислоты, ферменты); 4. создание пород сельхоз животных с улучшенными наследуемыми признаками; 5. переработка токсичных отходов – загрязнителей окружающей среды влияние генноинженерных организмов на другие организмы или окружающую среду; уменьшение природного генетического разнообразия при создании рекомбинантных организмов; Изменение генетической природы человека с помощью генноинженерных методов; нарушение права человека на неприкосновенность частной жизни применении новых диагностических методов; доступность лечения только богатым с целью получения прибыли; Помехи свободному обмену мыслями между учеными в борьбе за приоритеты Проблемы

    Взаимосвязь технологии и живого инженерные модификации, биомолекулы с информационной и функциональной активностью. Технология – воспроизведение естественных процессов, в искусственных условиях. биокаталитические биосинтетические в живых клетках про- и эукариот. Промышленное производство Биореактор и инженерные системы жизнеобеспечения биообъект – основа биотехнологииживотного происхождения: Человек (донор) Млекопитающие рептилии, птицы, рыбы, насекомые, беспозвоночные Микроорганизмы: Эукариоты: простейшие, грибы, дрожжи Прокариоты: актиномицеты, эубактерии вирусы, фагирастительного происхождения: Растения дикорастущие и культивируемые Водоросли Клеточные и тканевые культуры

    Биообъекты: способы их создания и совершенствования. 1. 1 Понятие « Биообъект » БО Биообъект – центральный и обязательный элемент биотехнологического производства, определяющий его специфику. Продуцент полный синтез целевого продукта, включающий ряд последовательных ферментативных реакций Биокатализатор катализ определенной ферментативной реакции (или каскада) , которая имеет ключевое значение для получения целевого продукта По производственным функциям:

    Классификационные подходы: Макробиообъекты животного происхождения: Человек (донор) Человек (объект иммунизации, донор) Млекопитающие, рептилии, птицы, рыбы, насекомые, членистоногие, морские беспозвоночные Биообъекты растительного происхождения: Растения (дикорастущие и плантационно культивируемые) Водорсли Культуры растительных клеток и тканей Биообъекты – Микроорганизмы: Эукариоты (простейшие, грибы, дрожжи) Прокариоты(актиномицеты, эубактерии) вирусы,

    Биообъекты 1) Макромолекулы: ферменты всех классов (чаще гидролазы и трансферазы); – в т. ч. в иммобилизированном виде (связанные с носителем) обеспечивающем многократность использования и стандартность повторяющихся производственных циклов ДНК и РНК – в изолированном виде, в составе чужеродных клеток 2) Микроорганизмы: вирусы (с ослабленной патогенностью используются для получения вакцин); клетки прокариоты и эукариоты – продуценты первичных метаболитов: аминокислот, азотистых оснований, коферментов, моно- и дисахаров, ферментов для заместительной терапии и т. д.); – продуценты вторичных метаболитов: антибиотики, алкалоиды, стероидные гормоны, и др. нормофлоры – биомасса отдельных видов микроорганизмов применяемые для профилактики и лечения дисбактериозов возбудители инфекционных заболеваний – источники антигенов для производства вакцин трансгенные м / о или клетки – продуценты видоспецифичных для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета и т. д. 3) Макроорганизмы высшие растения – сырье для получения БАВ; Животные — млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, членистоногие, рыбы, моллюски, человек Трансгенные организмы

    Цели совершенствования БО: (применительно к производству) — увеличение образования целевого продукта; — снижение требовательности к компонентам питательных сред; — изменение метаболизма биообъекта, например снижение вязкости культуральной жидкости; — получение фагоустойчивых биообъектов; — мутации, ведущие к удалению генов, кодирующих ферменты. Повышение активности биосинтеза, можно ожидать: — если мутация привела к дуплекации (удвоению) структурных генов, включенных в систему синтеза целевого продукта; — если мутация привела к амплификации (умножению) структурных генов, включенных в систему синтеза целевого продукта; — если за счет разных типов мутаций будут подавлены функции репрессорных генов, регулирующих синтез целевого продукта; — нарушение системы ретроингибирования; — изменив (за счет мутаций) систему транспорта предшественников целевого продукта в клетку; — суицидный эффект, иногда целевой продукт при резком увеличении его образования отрицательно влияет на жизнеспособность собственного продуцента (часто необходимо для получения, суперпродуцентов антибиотиков).

    Методы совершенствования БИООБЪЕКТОВ Цель: обеспечить сверхсинтез одного из продуктов метаболизма Задача: изменить систему регуляции обмена веществ Пути: – изменение генетической программы – изменение регуляторных систем метаболизма. Спонтанные изменения генетической природы организма - продуцента основаны на процессах рекомбинации генетического материала in vivo (амплификация, конъюгация, трансдукция, трансформация и пр.). Селекция — направленный отбор из природных популяций высокопродуктивных штаммов организмов со скачкообразным изменением геномов – «-» длительны (мутация интересующий ген должен удвоиться 106- 108 раз.) – «+» перспективны для оценки влияния на объекты факторов среды - ионов тяжелых металлов, кислот, щелочей и др. индуцированный мутагенез — под действием ряда химических соединений (гидроксиламин, нитрозамины, азотистая кислота, бромурацил, 2 -аминопурин, алкилирующие агенты и др.), рентгеновских и ультрафиолетовых лучей. Многолетняя селекция штаммов-продуцентов пенициллина – увеличение удельной активности а / б в культуральной среде в 400 раз, Методами мутагенеза и селекции получены штаммы Eremothecium ashbyii , до 1, 8 мг рибофлавина в 1 мл среды, и штаммы Brevibacterium ammoniegenes , до 1 г HSKo. A на 1 л среды.

    Мутация – изменение первичной структуры ДНК в конкретном участке, приводящая к изменению фенотипа БО. Меняется биосинтетическая способность биообъекта вследствие изменения набора ферментов или активности некоторых из них. Мутации – это первоисточник изменчивости организмов, создающий основу для эволюции Выделение целевого продукта из « дичка » (природного организма) – экономически нецелесообразно или технически трудно. Изменение БО, благоприятное для его использования в производстве, передаваемое по наследству должно, вызываться мутацией. Во второй половине XIX в. для микроорганизмов был открыт еще один источник изменчивости – перенос чужеродных генов – своего рода « генная инженерия природы » . Мутации: хромосомные — ядерные цитоплазматические плазмидные 1. 2. Совершенствование биообъектов методами мутагенеза и селекции Спонтанные мутации встречаются редко, разброс по степени выраженности признаков невелик. Селекция – отбор естественных желаемых отклонений вызванных мутациями индуцированный мутагенез: разброс мутантов по выраженности признаков больше. появляются мутанты с пониженной способностью к реверсии, т. е. со стабильно измененным признаком

    Мутации могут быть обусловлены: п ерестройкой репликона (изменением в нем числа и порядка расположения генов); изменениями внутри индивидуального гена. спонтанные мутации возникающие в популяции клеток без специального воздействия на нее. По выраженности почти любого признака клетки в микробной популяции составляют вариационный ряд. Большинство клеток имеют среднюю выраженность признака. Отклонения «+» и «-» от среднего значения встречаются в популяции тем реже, чем больше величина отклонения в любую сторону. Вариационный ряд

    Мутагены физические химические — у/ф лучи; — нитрозометилмочевина; — гамма – лучи; — нитрозогуанидин; — рентгеновские лучи; — акридиновые красители; — некоторые природные в-ва (ДНК-тропные а/б не применяемые в клинике в связи с токсичностью) Механизм активности мутагенов обусловлен непосредственным воздействием на ДНК (прежде всего на азотистые основания ДНК, что выражается в сшивках, димеризации, алкилировании димеров, интеркаляции). селекционная часть работы — отбор и оценка мутаций Обработанную культуру рассеивают на ТПС и выращивают отдельные колонии (клоны) (Для высеивания клонов с разными особенностями метаболизма используют т. н. «метод отпечатков» , разработанный Дж. Ледербергом и Э. Ледербергом) клоны сравнивают с исходной колонией по разным признакам: мутанты, нуждающиеся в конкретном витамине, или аминокислоте; мутантны, синтезирующие фермент расщепляющий определенный субстрат; антибиотикорезистентные мутанты

    Геном мутанта претерпевает изменения, ведущие к потере определенного признака, или к возникновению нового признака. Характер мутаций: — дуплекация (удвоение)структурных генов; — амплификация (умножение) структурных генов; — делеция («стирание»), «выпадение» части генетического материала; — транспозиция (вставка участка хромосомы в новое место); — инверсия (изменение) порядка расположения генов в хромосоме; — «точечные» мутации, изменения в пределах только одного гена (например, выпадение или вставка одного или нескольких оснований): — трансверсия (когда происходит замена пурина на пиримидин); — транзиция (замена одного пурина на другой пурин или пиримидина на другой пиримидин). Одним из самых блестящих примеров эффективности мутагенеза с последующей селекцией по признаку увеличения образования целевого продукта является история создания современных суперпродуцентов пенициллина.

    Проблемы суперпродуцентов: современный промышленный БО — это суперпродуцент, отличающийся от природного штамма как правило, по нескольким показателям. высоко продуктивные штаммы крайне нестабильны вследствие того, что многочисленные искусственные изменения в геноме не связаны с жизнеспособностью. мутантные штаммы требуют постоянного контроля при хранении: популяцию клеток высеивают на твердую среду и полученные из отдельных колоний культуры проверяют на продуктивность. Ревертанты — штаммы с пониженной активностью отбрасывают. Реверсия происходит в связи с обратными спонтанными мутациями, ведущими к возвращению участка генома в природное состояние. Специальные ферментные системы репарации участвуют в реверсии к норме – в эволюционном механизме поддержания постоянства вида. В отношении высших растений и животных возможности мутагенеза и селекции для совершенствования ограничены, но не исключены. Особенно для растений образующих вторичные метаболиты.

    1. 3. Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии Клеточная инженерия – «насильственный» обмен участками хромосом у прокариот или участками и даже целыми хромосомами у эукариот. В ре- зультате создаются неприродные биообъекты, среди которых могут быть отобраны продуценты новых веществ или организмы с ценными в практи- ческом отношении свойствами. С помощью клеточной инженерии возможно получение межвидовых и межродовых гибридных культур микроорганизмов, а также гибридных клеток между отдаленными в эволюционном отношении многоклеточ-ными организмами.

    Техника клеточной инженерии (на примере микроорганизмов прокариот, с одной хромосомой в клетке) I. Получение протопластов (клеток прокариот лишенные клеточной стенки) для обмена фрагментами хромосомы. у прокариот – эубактерий, актиномицетов – клеточная стенка состоит из пептидогликана (поддерживает форму клетки и защищает ЦПМ от перепада осмотического давления между внешней средой и цитоплазмой) Лизоцим расщепляет полисахаридные нити пептидогликана. Пенициллин подавляет синтез клеточной стенки Г- бактерий, нарушая баланс между синтетазами и гидролазами Удалить клеточную стенку и сохранить целостность мембраны можно, выровняв осмотическое давление внутри клетки и в среде. Протопластирование (Дж. Ледерберг) клетки обрабатывают ферментом в «гипертонической» среде с 20% сахарозы или маннита, или с 10% Na. Cl в зависимости от особенностей биообъекта и преследуемых целей. Превращение клеток в протопласты контролируют методом фазовоконтрастной микроскопии. У плесневых и дрожжевых грибов, клеточная стенка состоит из хитина, глюканов, маннопротеинов (каждому необходим свой, деградирующий фермент) – их обрабатывают комплексным ферментным препаратов — улиточный фермент (выделяют из пищеварительного тракта виноградной улитки Helix pomatia).

    II. С лияние (фузия) протопластов с образованием диплоидов. Объединение суспензий двух образцов протопластов, принадлежащих разным штаммам (видам, родам). Частота слияния двух протопластов разного происхождения, повышается при добавлении к ним ПЭГ(детергент). У прокариот образующиеся протопласты имеют двойной набор хромосом (т. е. это протопласты с двумя хромосомами), они сохраняют целостность в гипертонической среде. III. Полученные диплоиды инкубируют в течение нескольких часов для «ломки» и воссоединения кольцевых хромосомных нитей в разных вариантах.

    IV. Суспензию протопластов высеивают на ТПС, при этом часть диплоидов превращается в гаплоидны – способные к размножению клетки, которые образуют соответственно колонии. Их изучают и отбирают культуры, с новыми качествами, интересные для биотехнолога. Примером может быть, получение « гибридных » антибиотиков: С помощью клеточной инженерии были получены продуценты таких антибиотиков, у которых макролидный агликон эритромицина был связан с углеводной частью, соответствующей антрациклинам, и наоборот, антрациклиновый агликон с сахарами, свойственными эритромицину. Для предотвращения реверсии желаемых мутаций к исходным показателям: I путь: обработка «плюс» — вариантов мутагенами и отбор мутантов с пониженной способностью к возвращению измененных участков ДНК к норме. II путь — инженерная энзимология: иммобилизация клеток «плюс» — вариантов, т. е. связывать их с нерастворимыми носителями и использование в производстве, не прибегая к пересевам в течение определенного времени (от нескольких недель до нескольких месяцев).

    1. 4. Создание биообъектов методами генетической инженерии 1. 4. 1. Общая характеристика. Генетическую инженерию – можно представить, как соединение фрагментов ДНК природного и синтетического происхождения или комбинацию in vitro с последующим введением полученных рекомбинантных структур в живую клетку для того, чтобы введенный фрагмент ДНК после включения его в хромосому либо реплицировался, либо автономно экспрессировался. Следовательно, вводимый генетический материал становится частью генома клетки. Необходимые составляющие генного инженера: а) генетический материал (клетку – хозяина); б) транспортное устройство – вектор, переносящий генетический материал в клетку; в) набор специфических ферментов — «инструментов» генной инженерии. Принципы и методы генной инженерии отработаны, прежде всего, на микроорганизмах; бактериях – прокариотах и дрожжах – эукариотах. Цель: получение рекомбинантных белков – решение проблемы дефицита сырья.

    Стратегическая цель генной инженерии – создание продуцента с человеческим геномом. потенциальный продуцент должен быть: 1. Не патогенным, и целевой генно–инженерный продукт, выделяемый из БО, не должен содержать даже следов микробных токсинов. 2. векторная ДНК чужеродная для продуцента не должна расщепляться эндонукелеазами клетки-хозяина. При этом рибосомы продуцента-хозяина должны воспринимать и. РНК, соответствующую чужеродному материалу. 3. Образующийся чужеродный продуценту-хозяину белок (целевой продукт) не должен подвергаться воздействию систем репарации, гидролизующих чужеродные белки. 4. Желательно выведение целевого продукта из клетки в культуральную среду, для удобства выделения и очистки. При выборе микроорганизма — продуцента чужеродного белка (ЛС) необходимо: — наиболее полно изучить геном и подробно исследовать метаболизм на уровне вида с целью установления патогенности (желательно ее отсутствие); продуцент должен расти в крупномасштабных условиях производства на недефицитных и экономически доступных средах. Генетическая инженерия, позволяет: а) свести к минимуму вероятность протеолиза чужеродных белков; б) свести к минимуму гидролиз чужеродной и. РНК; в) «исключить» чужеродные гены из генома.

    Предварительная работа: — к гену кодирующему целевой белок, присоединяется нуклеотидная последова-тельность, кодирующая т. н. лидерную последовательность аминокислот (преимущественно гидрофобных). — синтезированный в клетке целевой продукт с гидрофобной лидерной последовательностью аминокислот проходит через липидные слои цитоплазматической мембраны из клетки наружу. Для этого в мембране клетки продуцента должна находиться «сигнальная протеаза» , отщепляющая от генного продукта лидерную последовательность аминокислот перед его выходом в среду. — для проникновения вектора с чужеродным геном в клетку, через отверстия небольшого диаметра в стенке оболочки клетки, ее обработывают солями лития или кальция в зависимости от вида микроорганизма. Обработанные таким путем клетки назвали компетентные: они способны воспринимать переносимую вектором информацию. -векторы, используемые при работе с микроорганизмами, конструируются на основе умеренных фагов или плазмид. (плазмиды предпочтительны, т. к. отсутствует лизис клетки, возможный при работе с умеренными фагами).

    При создании нового рекомбинантного продуцента ключевым моментом является встраивание гена (кластера генов) в вектор, точнее в ДНК векторной молекулы, например в плазмиду. Это возможно, т. к. имеется большой набор разных по субстратной специфичности эндонуклеаз (рестриктаз, от англ. restriction – разрезание). рестриктазы дифференцируют на: а) разрезающие одну из двух комплементарных нитей ДНК; б) разрезающие сразу обе нити. Интерес в 1 -ю очередь представляют высоко специфичные рестриктазы, катализирующие разрез одной нити в углеводно-фосфатной цепи ДНК, т. к. обе нити могут иметь одинаковую последовательность, происходит расщепление и второй нити, но разрезы находятся на расстоянии. Образуются однонитевые участки – « липкие концы » Другой прием – это фланкирование гена синтетическими последовательностями нуклеотидов, т. е. получение липких концов с заданным порядком нуклеотидов методами биоорганической химии.

    1 стадия – «отжиг» , ген (или кластер генов) встроившийся в вектор, удерживается в нем вначале за счет водородных связей между комплементарными липкими концами. 2 стадия – закрепление гена ковалентными связями, с помощью лигаз (сшивка), замыкающих разрыв в углеводно – фосфатном каркасе ДНК. 3 стадия – введение вектора, с прочно закрепленным геном, в клетку-хозяин. 4 стадия – высеивание на ТПС, суспензии трансформированных клеток. 5 стадия – обнаружение культуры, синтезирующую целевой продукт, для этого используется метод предварительного отбора клонов, содержащих вектор, с помощью «гена – маркера» , который встраивается в вектор Гены прокариот – структурный ген – ДНК, переписывается на и. РНК, которая по порядку расположения кодонов отражается на аминокислотной последовательности белка. Гены эукариот дискретны, содержат перемежающиеся экзоны и интроны, которые переписываются. Возникновение зрелой и. РНК, которая становится компонентом рибосомальной матричной системы – сплайсинг, посредством выбрасывания из первичного транскрипта интронов, и «стыковки» экзонов одного с другим. Человеческий белок в клетках прокариот (т. к. у прокариот отсутствует сплайсинг), нужно переписать зрелую и. РНК человеческого гена с помощью фермента обратной транскриптазы на ДНК, далее такую укороченную ДНК (без интронов) можно использовать для включения в вектор.

    1) Инсулин, лишен недостатков животного, т. к. аминокислотная последовательность обеих цепей кодируется генами человека. В производстве рекомбинантного инсулина конкурируют две принципиально разные технологии: -в клетки продуцента-хозяина вводят плазмиду, кодирующую проинсулин (цепи А С-пептиду, цепи В и далее лидерному пептиду и промоторному участку). В дальнейшем С-пептид выщепляется. — раздельное получение цепи А и цепи В в двух микробных культурах, которые впоследствии объединяются. 2) Гормон роста (соматотропин) – необходимый для роста костей. Ведутся работы по повышению избирательности действия гормона роста (уменьшению его связывания с рецептором пролактина). 3) Эритропоэтин – видоспецифичный гликопротеин необходим для дифференцировки эритроцитоидных клеток, образуется в почках. Ген эритропоэтина человека встраивается в яйцеклетки китайского хомячка, где белок гликозилируется, (продуцент — монослойная культура). 4) Пептидные факторы роста тканей -(гормоны, образуемые вне ЖВС) – многочисленные биорегуляторы ткане- и видоспецифичны. 5) Рекомбинантные белковые факторы врожденного имунитета: Интерфероны – факторы врожденного иммунитета, вырабатываются клетками, зараженными вирусами. Индуцируют локальные и системные противовирусные реакции в других клетках применяются как противовирусные препараты. 1. 4. 2. Рекомбинантные белки как ЛС

    КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОДУКТОВ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ типы продуктов получаемых БТ методами: – интактные клетки – одноклеточные организмы используют для получения биомассы – клетки (в т. ч. иммобилизованные) для биотрансформации. Биотрансформация — реакции превращения исходных органических соединений (предшественников) в целевой продукт с помощью клеток живых организмов или ферментов, выделенных из них. (производство ам-к-т, а / б, стероидов и др.) низкомолекулярные продукты метаболизма живых клеток: – Первичные метаболиты необходимы для роста клеток. (структурные единицы биополимеров - ам-к-ты, нуклеотиды, моносахариды, витамины, коферменты, органические к-ты) – Вторичные метаболиты (а / б, пигменты, токсины) - НМС, не требующиеся для выживания клеток и образующиеся по завершении фазы их роста. Динамика изменения биомассы и образования первичных (А) и вторичных (Б) метаболитов в процессе роста организма: 1 - биомасса; 2 - продукт

    36 Слагаемые биотехнологического производства Главные особенности БТ производства: 1. два активных и взаимосвязанных представителя средств производства – биообъект и «ферментер» ; 2. чем выше темп функционирования биообъекта, тем более высокие требования предъявляются к аппаратурному оформлению процессов; 3. оптимизации подвергают и биообъект и аппараты биотехнологического производства. Цели осуществления биотехнологии: 1. основной этап производства ЛС – получение биомассы (сырья, ЛВ); 2. один или несколько этапов производства ЛС (в составе химического или биологического синтеза) — биотрансформация, разделение рацематов и т. п. ; 3. полный процесс производства ЛС – функционирование биообъекта на всех стадиях создания препарата. Условия осуществления биотехнологий при производстве ЛП 1. Генетически обусловленная способность био-объекта к синтезу или специфической трансформации связанной с получением БАВ или ЛС; 2. Защищенность био-объекта в биотехнологической системе от внутренних и внешних факторов; 3. Обеспечение функционирующих в биотехнологических системах био-объектов пластическим и энергетическим материалом в объемах и последовательности, гарантирующих нужную направленность и темп биотрансформации.

    В каждом из вариантов поставленной цели оперируют взаимосвязанными потоками: 1. информационным 2. энергетическим 3. технологическим В традиционных биотехнологиях – использующих ткани макрообъектов два последних потока — спонтанные процессы. В современных биотехнологиях — для ускорения сроков созревания меристемных культур, укорочения промежуточных стадий синтеза – технологический и энергетический потоки существенно модернизируются. – биообъекты: селекция продуцентов, генно-инженерное совершенствование, переход на иммобилизацию, сверхсинтез, и т. д. , – усложнение аппаратов осуществляющих энергетическое и пластическое обеспечение элементной базы биотехнологического процесса.

    Стадии БТ производства 1. Подготовка сырья (питательной среды) субстрата с заданными свойствами (р. Н, температура, концентрация) 2. Подготовка биообъекта: посевной культуры или фермента (в т. ч. иммобилизованного). 3. Биосинтез, биотрансформация (ферментация) — образование целевого продукта за счет биологического превращения компонентов питательной среды в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит. 4. Выделение и очистка целевого продукта. 5. Получение товарной формы продукта 6. Переработка и утилизация отходов (биомассы, культуральной жидкости и т. п.) Основные типы биотехнологических процессов Биоаналогичные Производство метаболитов – химических продуктов метаболической активности, первичные — аминокислоты, полисахариды вторичные — алкалоиды, стероиды, антибиотики Многосубстратные конверсии (обработка сточных вод, утилизация лигноцеллюлозных отходов) Односубстратные конверсии (превращение глюкозы во фруктозу, D -сорбита в L -сорбозу при получении вит С) Биохимические производство клеточных компонентов (ферменты, нуклеиновые кислоты)Биологические Производство биомассы (белок одноклеточных)

    Методы ферментации Ферментация Глубинная Периодические Твердофазная поверхностная Непрерывная Клетки Суспендированные клетки Иммобилизованные клетки Ферменты Иммобилизованные ферменты Ферменты в растворе

    по объёму: – лабораторные 0, 5 -100 л, – пилотные 100 л -10 м 3, – промышленные 10 — 100 м 3 и более. критерии выбора ферментера: – теплообмен, – скорость роста единичной клетки, – Тип дыхания биообъекта, – Вид транспорта и превращения субстрата в клетке – время размножения отдельной клетке. Аппаратурное оформление биотехнологического процесса — ферментеры:

    Biostat A plus — автоклавируемый ферментер со сменными сосудами (рабочи й объем 1, 2 и 5 л) для культивирования микроорганизмов и культур клеток и является полностью масштабируемым при переходе к большим объемам. Е дин ый корпус с интергрированным оборудованием измерения и управления, насосами, системой температурного контроля, подачи газа и мотором Н оутбук с заранее установленным Windows совместимым программным обеспечением MFCS / DA для управления процессами ферментации и их документирования Лабораторный (схема)

    биосинтез в общем виде: продуцент — биообъект микроуровня общая технология в предлагаемых условиях: вспомогательные операции основные операции

    Сопоставляя структуры производства разной направленности (исходя из задач) элементы первой ступени везде одинаковы: биообъект, биореактор, системы асептики, – подачи пластического и энергетического материала, – разделения продуктов ферментации и т. п. основные различия на второй ступени иерархии – очистка целевого продукта – выведение побочных продуктов особенно на уровне организации вспомогательных подсистем (контроль качества). Иерархия биотехнологических процессов Первая ступень – биообъекты в совокупности с управляемыми биореакторами. Вторая ступень – объединения взаимосвязанных технологических процессов и аппаратов в единую технологическую цепочку (цех). Третья ступень – опытно-промышленная установка или предприятие законченного цикла, т. е. основные и вспомогательные (общеинженерные) подсистемы.

    1. Вспомогательные операции: 1. 1. Подготовка посевного материала (инокулята): засев пробирок, качалочных колб (1 -3 сут), инокулятора (2 -3 % 2 -3 сут), посевного аппарата (2 -3 сут). Кинетические кривые роста 1. индукционный период (лаг-фаза) 2. фаза экспоненциального роста (накопление биомассы и продуктов биосинтеза) d. N / dt = N (N – число клеток, t — время, — коэффициент пропорциональности (удельная скорость роста) 3. фаза линейного роста (равномерный рост культуры) 4. фаза замедленного роста 5. стационарная фаза (постоянство жизнеспособных особей 6. Фаза старения культуры (отмирания) N t 1 2 3 4 5 61. 2. Подготовка питательной среды выбор и реализация рецептуры среды, стерилизация гарантирующая сохранность пластических и энергетических компонентов, в исходном количестве и качестве. Особенностью биообъектов является потребность в многокомпонентных энергетических и пластических субстратах, содержащих О, С, N , Р, Н – элементы необходимые для энергетического обмена и синтеза клеточных структур.

    Содержание биогенных элементов в различных биообъектах, в % Микро- организм ы элемент углеро д азо т фосфо р кислоро д водоро д бактерии 50, 4 12, 3 4, 0 30, 5 6, 8 дрожжи 47, 8 10, 4 4, 5 31, 1 6, 5 грибы 47, 9 5, 2 3, 5 40, 4 6, 7 Элементный состав биомассы по химическим элементам позволяет сделать для каждого биообъекта описание в виде выражения: В дрожжи = С 3, 92 х. Н 6, 5 х. О 1, 94 х N 0, 7 х. Р 0, 14 (числовые коэффициенты получены делением массовой доли элемента в биомассе на атомную массу данного элемента) Существует количественная закономерность влияния концентрации элементов питательной среды на скорость роста биомассы, равно как и взаимовлияние тех же элементов на удельную скорость роста биообъектов СDN/ d. T 1 2 3 C – концентрация лимитирующего компонента DN / d. T – скорость роста микроорганизмов. 1 -область лимитирования, 2 — область оптимального роста, 3 – область ингибирования. Влияние любого из компонентов выражается графически и в виде уравнения: (с) = ь х С / (К s + С) уравнение Моно. — коэффициент пропорциональности, с- концентрация расходуемого компонента среды, ь — предельная максимальная удельная скорость роста биообъекта К s – константа сродства субстрата к биообъекту.

    1. 3. Стерилизация питательной среды необходимо полностью исключить контаминантную флору и сохранить биологическую полноценность субстратов чаще автоклавирование, реже химические и физические воздействия. Эффективность выбранного режима стерилизации оценивают по константе скорости гибели микроорганизмов (берется из специальных таблиц) умноженная на продолжительность стерилизации. Контроль стерилизации осуществляется с помощью тест-культуры Bacillus stearothermophilus штамма 1518, считается что абсолютная стерильность достигается при критерии стерилизации 80. При наличии термолабильных компонентов стремятся сократить время обработки при повышении температуры выше 140 С изменение лабильности можно достичь например сдвигом р. Н для глюкозы 3, 0 для сахарозы 8, 0. 1. 4. Подготовка ферментера Стерилизация оборудования острым паром. Герметизация с особым вниманием к «слабым» точкам тупиковые штуцера малого диаметра, штуцера датчиков контрольно-измерительной аппаратуры. Выбор ферментера осуществляется с учетом критериев дыхания биообъекта, теплообмена, транспорт и превращения субстрата в клетке, скорость роста единичной клетки, время ее размножения и т. п.

    2. Основные операции: 2. 1. Стадия биосинтеза, где в максимальной степени используются возможности биообъекта для получения лекарственного продукта (накапливается внутри клетки или секретируется в культуральную среду). 2. 2. Стадия концентрирования, одновременно предназначена для удаления баласта. 2. 3. Стадия очистки, реализующая за счет повтора однотипных операций или за счет набора различных препаративных приемов (ультрафильтрация, экстракция, сорбция, кристаллизация и т. п) повышение удельной специфической активности лекарственного продукта. 2. 4. Стадия получения конечного продукта (субстанции или готовой лекарственной формы) с последующими операциями фасовки и упаковки.

    Питательная среда Разделение Культуральная жидкость Клетки Концентрирование. Выделение и очистка метаболитов Дезинтеграция убитых клеток Биомасса убитых клеток Стабилизация продукта. Биомасса живых клеток Обезвоживание. Стабилизация продукта Применение Хранение Живой продукт. Сухой продукт Живой продукт. Сухой продукт Культивирование (ферментация) Подготовка инокулята Схема биотехнологического производства

    Антропогенное воздействие на биосферу неотъемлемо от развития цивилизации. Распашка земель, выруб­ка лесов, «вытаптывание» степей постоянно сопутствуют истории человечества. Уместно вспомнить об уничтожении отдельных ви­дов животных и растений и о расселении некоторых видов из мест коренного обитания.

    В связи с особой актуальностью проблемы влияния промыш­ленности на биосферу рассмотрим, как выглядит в этом отноше­нии биотехнологическое производство. Прежде всего, оно науко­емко и по сравнению с химико-технологическим производством более эффективно, так как клетка продуцента (биообъекта) пред­ставляет «сбалансированный комплекс биокатализаторов», рабо­тающий более производительно, чем системы последовательных химических реакций с неорганическими катализаторами.

    Потребление энергоресурсов и воды биотехнологической про­мышленностью составляет доли процента от потребляемого со­временной химической промышленностью. Выброс в атмосферу газообразных отходов предприятий биотехнологической промыш­ленности не превышает и десятой доли процента от выброса про­мышленностью в целом. Именно биотехнологическое производ­ство наиболее приемлемо в современных условиях, однако и оно имеет специфические, экологические проблемы и, соответствен­но, совершенствуется в направлениях:

    Создания и использования более активных биообъектов-про­дуцентов (в результате на единицу продукции будет меньше отхо­дов!);

    Замены сред и реагентов на менее дефицитные;

    Иммобилизации биообъектов (как клеток, так и ферментов), многократного их использования для уменьшения отходов;

    Внедрения мембранной технологии на стадии выделения и очистки целевого продукта (уменьшение количества применяе­мых органических растворителей во избежание агрессивных усло­вий на некоторых стадиях производственного процесса);

    Соблюдения правил GMP.

    Рассмотрим кратко проблемы, относящиеся к ликвидации (ути­лизации) или очистки производственных отходов традиционного биотехнологического предприятия.



    Твердые отходы. Прежде всего, к ним относится мицелий (био­масса) продуцента после его отделения от культуральной жидко­сти и целевого продукта. О количестве мицелия, с которым при­ходится иметь дело, можно получить наглядное представление исходя из того, что объем слива промышленного ферментера - это 50- 100 м 3 густой, вязкой (из-за наличия мицелия) жидкости. Учитывая, что на предприятии имеется ряд ферментеров, а фер­ментационный цикл длится около недели, можно сделать вывод, что этот вид твердых отходов на одном (крупном) предприятии составляет сотни тонн в год. При этом необходимо учитывать, что мицелий содержит и остаточные количества целевого продукта, а это, как правило, биологически высокоактивные вещества.

    В настоящее время твердые отходы ликвидируют путем перера­ботки мицелия. Его перемешивают с почвой и помещают в ямы с бетонными подложками. Каждую такую яму оставляют закрытой

    на несколько лет. За это время почвенные микроорганизмы под­вергают органические вещества мицелия ферментативному рас­щеплению, используя их для построения «своей» биомассы. Фак­тически образуется компост, органическая часть мицелия при этом разлагается. Бетонная подложка в такого рода «компостных ямах» необходима, чтобы предотвратить попадание еще неразложившихся растворимых органических веществ мицелия в грунтовые воды и водоемы с дождевой водой. Обычно для компостных ям выделяют специальные участки на территории предприятия. Отметим, что вывоз подсушенного мицелия (его масса по сравнению с перво­начальной уменьшается в 10-100 раз) на общегородские свалки запрещен.

    Попытки применения мицелия для тех или иных целей в це­лом пока не увенчались успехом, однако в лабораторных условиях уже создана малоотходная технология. Из мицелия актиномицета продуцента тетрациклина извлекалась суммарная липидная фрак­ция и использовалась как пеногаситель в следующем производ­ственном цикле при получении тетрациклина, образуемого про­дуцентом, принадлежащем к тому же штамму. В некоторых случа­ях (при ограниченности пастбищ) простерилизованную и пере­молотую биомассу некоторых микроорганизмов используют в ка­честве добавки в корм сельскохозяйственных животных. Мицелий грибов и актиномицетов (отходы при производстве антибиоти­ков) повышает качество некоторых строительных материалов (ке­рамзитовые плиты, кирпич и др.), увеличивая их прочность. Но по экономическим соображениям производить эти материалы не­целесообразно.

    Жидкие отходы. В случае биотехнологического производства жидкими отходами являются стоки и сточная жидкость, в основ­ном это культуральная жидкость после отделения от нее мицелия и извлечения целевого продукта. Суммарный годовой объем культуральной жидкости, которая должна подвергнуться очистке, со­ставляет для одного предприятия десятки тысяч кубометров. Сте­пень очистки, контролируемой разными методами, должна быть такой, чтобы очищенная жидкость могла сливаться в открытые водоемы.

    Существуют разные схемы очистки. Почти во всех из них клю­чевую роль играют микроорганизмы (биологическая очистка). Приведем одну из таких схем. Первым компонентом си­стемы очистки является железобетонный отстойник, куда попа­дает отработанная культуральная жидкость. На дне отстойника про­ложены трубы, через которые происходит отсасывание осадка. На этой стадии из культуральной жидкости удаляется примерно 40 % загрязнений.

    Следующий участок системы очистки состоит из од­ного или нескольких, расположенных один за другим, аэротенков - баков с проходящими по дну трубами, из которых выходит в виде пузырьков воздух, проходящий через всю толщу жидко­сти, в результате она насыщается кислородом. Воздух способству­ет интенсивному протеканию окислительных процессов. Ключе­вая особенность аэротенка - наличие в нем так называемого «ак­тивного ила» (искусственного биоценоза - сообщества микроор­ганизмов, окисляющих растворенные в жидкости органические вещества до СО 2 и Н 2 О), постепенно формирующегося в процес­се работы предприятия.

    Видовой состав биоценоза активного ила на разных предприя­тиях может незначительно варьировать, поскольку последний за­висит от окисляемых субстратов. Как правило, в нем доминируют представители рода Pseudomonas (70 %). Далее следуют микроор­ганизмы, объединенные в род Bacterium (20%). Остальные 10% составляют представители родов Bacillus, Sarcina и другие микро­организмы. Характеризуя активный ил как биоценоз или как надорганизменное межвидовое сообщество применительно к очист­ке сточной жидкости биотехнологического производства, следует отметить три важных обстоятельства.

    Во-первых, принципиальную роль здесь играют штаммы рода Pseudomonas. Однако не следует сводить этот род только к виду Pseudomonas acruginosa - известному возбудителю опасных ране­вых инфекций. В природных условиях род Pseudomonas представ­лен большим количеством не опасных для человека видов. Имен­но непатогенные штаммы входят в состав активного ила. Для этих микроорганизмов характерен широкий набор окислительных ферментов. Препараты, состоящие из клеток Pseudomonas, использу­ются при ликвидации загрязнений, вызванных утечкой нефти. Окислению подвергаются, образно говоря, и экзотические суб­страты, например, кольчатые углеводороды. Помимо этого обо­лочка сапрофитных видов Pseudomonas, входящих в активный ил, имеет свои особенности на уровне пориновых каналов, облегча­ющие доступ субстратов к окислительным ферментам.

    Во-вторых, превращение некоторых субстратов в СО 2 и Н 2 О осуществляется за счет последовательного воздействия на них ферментов разных микроорганизмов. Иными словами, одна фер­ментная система превращает конкретное соединение в промежу­точные продукты, а другая катализирует дальнейшую деградацию этих промежуточных продуктов. Этим подчеркивается, что актив­ный ил функционирует как комплекс микроорганизмов.

    В-третьих, следует иметь в виду, что в сточных водах некоторых производств (в частности, предприятий антибиотической промыш­ленности) могут содержаться остаточные количества антимикроб­ных веществ. Это означает, что микроорганизмы в аэротенках посто­янно контактируют с ними, т.е. создаются условия для селекции резистентных форм. Но не исключены случаи, когда концентрация антимикробных веществ в очищаемых жидких отходах может ока­заться необычно высокой и вызвать гибель клеток активного ила.

    Это требует контроля за состоянием активного ила. После уча­стка с аэротенком или несколькими последовательно располо­женными аэротенками и вторичным отстойником принципиаль­но важным для системы жидких отходов является «блок доочист-ки». В нем культуральная жидкость, в которой остается примерно 10 % первоначального содержания органических веществ (как пра­вило, это трудноокисляемые вещества), пропускается через био­фильтры - пленки с иммобилизованными клетками микроорга­низмов с наиболее высокой окислительной активностью. Нередко эти клетки принадлежат к сконструированным методами генной инженерии штаммам, содержащим плазмиды, несущие гены окис­лительных ферментов (ферментов деструкции). Такие целенаправ­ленно полученные «штаммы-деструкторы» способны окислять трудноокисляемые вещества и уничтожать оставшиеся 10% за­грязнений в очищаемой жидкости.

    Иммобилизация клеток таких штаммов в биопленках рацио­нальна ввиду того, что при свободном размножении этих клеток искусственно повышенная окислительная активность может быть утрачена за счет обратных мутаций или потери плазмид. В этом случае в «блоке доочистки» как бы «сочетаются» генная инжене­рия и инженерная энзимология. Прошедшая «блок доочистки» жид­кость, соответствующая официальным критериям питьевой воды (одним из принятых методов контроля токсичности в данном слу­чае является подавление жизнеспособности микроскопического

    ракообразного Daphnia magna), хлорируется и затем поступает в открытые водоемы.

    Касаясь работы систем биологической очистки сточных вод в разных режимах, следует отметить, что при максимальных («шоко­вых») нагрузках могут возникнуть разные трудности. В такие рабо­чие периоды в аэротенки вносят высокоактивные штаммы де­структоры («бактериальные закваски»), что позволяет значительно усилить пропускную способность системы очистки жидких отходов. С этой целью для биотехнологических предприятий разного профи­ля рекомендованы специальные препараты: «Phenobac» - для ути­лизации углеводородов, «Thermobac» - для окисления полисаха­ридов, «Polibac» - для освобождения от синтетических детерген­тов и т. п. Ориентировочная доза «бактериальной закваски» из жи­вых клеток составляет около 100 мг на 1 м 3 сточной жидкости.

    В заключение отметим возможное разнообразие схем биологи­ческой утилизации жидких отходов. Так, помимо аэробной очист­ки в схему могут быть включены: этап анаэробной очистки, этапы с использованием сорбентов (активированного угля, цеолитов и др.), этапы с применением электрохимических методов (напри­мер, электрокоагуляции).

    Газообразные отходы. Газовые выбросы очищают от органи­ческих соединений при температуре от 300 до 1 000 °С в колонках с неорганическими катализаторами. В этом случае летучая «орга­ника» превращается в СО 2 . В некоторых случаях используются био­логические фильтры на основе микроорганизмов, окисляющих органические вещества до СО 2 .