Виды биологических объектов применяемых в биотехнологии, их классификация и характеристика. Биологические объекты животного происхождения. Биологические объекты растительного происхождения. Методы совершенствования биообъектов К выполнению контрольной раб

краткое содержание других презентаций

«Сельскохозяйственная биотехнология» - Нарушение формирования волосяного покрова. Фитобиотехнология. Сельскохозяйственная биотехнология. Трансформация растений. Метод получения изолированных протопластов. Метод электрослияния изолированных протопластов. Биотехнология в кормовой промышленности. Способность к неограниченному росту. Направления генетической модификации растений. Трансплантация эмбрионов. Т-сегмент. Получение трансгенных растений.

«Перспективы биотехнологии» - Проблемы экологии и управление отходами. Создание синергетического эффекта. Российская технологическая платформа. Структура бюджета. Промышленная биотехнология. Рейтинг региональных кластеров. Подготовка кадров. Биоиндустрия в СССР. Ресурсы. Стратегия социально-экономического развития. Стратегическое развитие аграрного комплекса. Сценарии развития. Направления инновационной деятельности. Ожидаемые результаты.

«Развитие генной инженерии» - Основной единицей наследовательности любого организма является ген. В организм животного был введен некий ген, позволявший «обходить заболевания стороной». Генная инженерия начала развиваться с 1973 года, когда американские исследователи Стэнли Коэн и Энли Чанг встроили бартериальную плазмиду в ДНК лягушки. Так, например, компания «Lifestyle Pets» создала с помощью генной инженерии гипоаллергенного кота, названного Ашера ГД.

«Множественные выравнивания» - Jalview – редактирование выравниваний. Какие бывают выравнивания? Современные методы построения множественного выравнивания (MSA, multiple sequence alignment). Использование ClustalW. Как “читать” множественное выравнивание? Что такое множественное выравнивание? TCoffee. Какие output-форматы бывают. Можно ли редактировать множественное выравнивание? Какое выравнивание интереснее? Руководящее дерево.

«Генетическая инженерия» - Полезное влияние генной инженерии. Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей. Научные факторы опасности генной инженерии. 8. Могут возникнуть новые и опасные вирусы. Хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Такие новые вирусы могут быть более агрессивными, чем исходные.

«Сравнительная геномика» - Результаты. Разные виды кинетических уравнений. Пример (абстрактный). Что получается (кишечная палочка). Система уравнений. Потоковые модели – стационарное состояние. Пространство решений. Системная биология - модели. Потоковые линейное программирование. Проблемы. Пример (реальный) – синтез лизина в corynebacterium glutamicum. Уравнения баланса. Кинетический анализ регуляции. Мутанты. Кинетические уравнения.

Создание биообъектов методами генетической инженерии. Основные принципы технологии рекомбинантной ДНК. Плазмиды. Транспозоны. Функции. Использование в конструировании продуцентов. Генетическая инженерия – один из важнейших методов биотехнологии, предполагающий целенаправленное искусственное создание определенных комбинаций генетического материала, способных нормально функционировать в клетке, т.е. размножаться и контролировать синтез конечных продуктов. Таким образом, генетическая инженерия включает выделение из клеток отдельных генов или синтез генов вне клеток, направленную перестройку, копирование и размножение выделенных или синтезированных генов, а также их перенос и включение в подлежащий изменению геном и таким путем можно добиться включения в клетки бактерий «чужых» генов и синтеза бактериями важных для человека соединений. Развитие генетической инженерии стало возможным благодаря открытию двух ферментов: рестриктаз, разрезающих молекулу ДНК в строго определенных участках и лигаз, сшивающих определенные участки различных молекул ДНК друг с другом. Кроме того, в основе генетической инженерии лежит открытие векторов, которые представляют собой короткие, самостоятельно размножающиеся в клетках бактерий кольцевые молекулы ДНК. С помощью рестриктаз и лигаз в векторы встраивают необходимый ген, добиваясь в последствии его включения в геном клетки-хозяина. Различают следующие виды генетической инженерии: Генная инженерия: её сущность состоит в целенаправленном использовании перестроек естественного генома, осуществляемых in vivo и in vitro, для изменения генетических характеристик известных вирусов и клеток, прямое манипулирование рДНК, включающими отдельные гены. Геномная инженерия: её сущность заключается в целенаправленной глубокой перестройке генома акариот, прокариот и эукариот, вплоть до создания новых видов, т.е. перенос всего или большей части генетического материала от одной клетки к другой. При геномной инженерии возможно получение половых (слиянием гамет) и соматических (слиянием неполовых клеток) гибридов. Хромосомная инженерия связана с переносом изолированных хромосом от клетки-донора одного организма в клетку-реципиент другого организма. Техника клеточной генной инженерии 1-ый метод. Метод перегруппировки генов Внутри клетки есть определенный набор и последовательность генов. При протопластировании идет перегруппировка генов. Также происходит и активация молчащих генов. П-ой метод. Слияние или фузия генов. Прокариот сливают с эукариотом, образуется рекомбинант, содержащий кусок одного ДНК и другого ДНК. Ш-й метод: Трансформация. а) клетка с определенным набором генов в ДНК -> живой протопласт без перегруппировки генов -> протопласт гибрид-рекомбинант -> клетка т б) выделение изолированной ДНК в пробирке - вектор (это кусок изолированной ДНК, выделенный из другого микроорганизма (фаг, плазмида) Если есть клетка и изолированная ДНК с нужным геном (вектор) - вектор может быть в виде фага, плазмиды, вируса, космиды (плазмида+ фаг), то можно включить вектор в изолированный протопласт (т.е. провести трансформацию). При этом образуются «+» продуценты с новыми качествами, но в клетке существуют системы репарации (восстановления) молекулы ДНК и постепенно эти рекомбинанты возвращаются к исходному (дикому) типу. Репарацию преодолевают следующим образом: «+» варианты дополнительно обрабатывают мутагенами для преодоления действия системы репарации; иммобилизация клеток «+» вариантов. Для того, чтобы прошла трансформация, необходимо сделать клетку компетентной, т.е.увеличитъ ее проницаемость. Это достигается следующим образом: воздействовать на клетку ионами тяжелых металлов (цинк, кобальт, литий, магний) воздействовать на клетку ферментами (лизоцим, комплексный фермент виноградной улитки) быстрое замораживание и оттаивание. Компетентные клетки легче поглощают вектор, куски ДНК. У них обнажена цитоплазматическая мембрана, которая в некоторых местах выходит на поверхность, и в образующиеся в этих местах окошечки, легко проникает вектор в виде изолированной ДНК, а также в виде фага, вируса, космиды (космида- изолированная ДНК или плазмида+ фаг). При протопластировании и слиянии протопластов может происходить явление амплификации (увеличение) генов - при этом продукция целевого назначения (витаминов, гормонов, антибиотиков) увеличивается. Клетки с амплификацией генов есть «+» вариант.

Совершенствование биообъекта методами генной инженерии.

Отличие клеточной инженерии от генной инженерии в том, что в генной инженерии имеют дело с изолированными ДНК, с которыми работают in vitro.

Суть технологии: производят соединение фрагментов ДНК in vitro (в пробирке) с последующим введением изолированной ДНК в живую клетку. Чистая генная инженерия - это техника обмена изолированными фрагментами ДНК. Это происходит с помощью ферментов, которые относятся к эндонуклеазам (например, рестриктазы).

Схема последовательно реализуемых стадий превращения исходного сырья в лекарственное средство. Оптимизация биообъекта, процессов и аппаратов как единого целого в биотехнологическом производстве.

Подготовительные операции при использовании в производстве биообъектов микроуровня. Многоэтапность подготовки посевного материала. Инокуляторы. Кинетические кривые роста микроорганизмов в закрытых системах. Связь скорости изменения количества микроорганизмов в экспоненциальной фазе роста с концентрацией клеток в системе.

Комплексные и синтетические питательные среды. Их компоненты. Концентрация отдельно расходуемого компонента питательной среды и скорость размножения биообъекта в техногенной нише. Уравнение Моно.

Методы стерилизации питательных сред. Критерий Дейндорфера - Хэмфри. Сохранение биологической полноценности сред при их стерилизации.

Стерилизация ферментационного оборудования. «Слабые точки» внутри стерилизуемых емкостей. Проблемы герметизации оборудования и коммуникаций.

Очистка и стерилизация технологического воздуха. Схема подготовки потока воздуха, подаваемого в ферментатор. Предварительная очистка. Стерилизующая фильтрация. Предел размера пропускаемых частиц. Эффективность работы фильтров. Коэффициент проскока.

Критерии подбора ферментаторов при реализации конкретных целей. Классификация биосинтеза по технологическим параметрам. Принципы организации материальных потоков: периодический, полупериодический, отъемно-доливной, непрерывный. Глубинная ферментация. Массообмен. Поверхностная ферментация.

Требования к ферментационному процессу в зависимости от физиологического значения целевых продуктов для продуцента, т. е. первичные метаболиты, вторичные метаболиты, высокомолекулярные вещества. Биомасса как целевой продукт. Требования к ферментационному процессу при использовании рекомбинантных штаммов, образующих чужеродные для биообъекта целевые продукты.

Выделение, концентрирование и очистка биотехнологических продуктов. Специфические особенности первых стадий. Седиментация биомассы. Уравнение скорости осаждения. Коагулянты. Флокулянты. Центрифугирование. Выделение из культуральной жидкости клеток высших растений, микроорганизмов. Отделение целевых продуктов, превращенных в твердую фазу. Сепарирование эмульсий. Фильтрование. Предварительная обработка культуральной жидкости для более полного разделения фаз. Кислотная коагуляция. Тепловая коагуляция. Внесение электролитов.

Методы извлечения внутриклеточных продуктов. Разрушение клеточной стенки биообъектов и экстрагирование целевых продуктов.

Сорбционная и ионообменная хроматография. Аффинная хроматография применительно к выделению ферментов. Мембранная технология. Классификация методов мембранного разделения. Общность методов очистки продуктов биосинтеза и оргсинтеза на конечных стадиях их получения (из концентратов). Сушка.

Стандартизация лекарственных средств, получаемых методами биотехнологии. Фасовка.

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. Потенциометрические методы контроля рН и ионного состава. Датчики рН и ионоселективные электроды. Газочувствительные электроды. Стерилизация датчиков растворенных газов.

Контроль концентрации субстратов и биотехнологических продуктов. Титриметрические 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 харак-

теристики биотехнологических объектов. Классификация объектов управления в зависимости от динамических характеристик.

Применение ЭВМ при биотехнологическом производстве лекарственных препаратов. Создание автоматизированных рабочих мест. Разработка автоматизированных систем управления. Пакеты прикладных программ. Структура исследований в области биотехнологии микробного синтеза. Применение ЭВМ 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.

2.3. БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Биотехнология как наукоемкая («высокая») технология и ее преимущества в экологическом аспекте перед традиционными технологиями. Направления дальнейшего совершенствования биотехнологических процессов применительно к проблемам охраны окружающей среды. Малоотходные технологии. Итоги и перспективы их внедрения на биотехнологических производствах. Особенности биотехнологических производств применительно к их отходам.

Рекомбинантные продуценты биологически активных веществ и проблемы объективной информации населения. Организация контроля за охраной окружающей среды в условиях биотехнологического производства.

Классификация отходов . Соотношение различных видов отходов. Очистка жидких отходов. Схемы очистки. Аэротенки. Активный ил и входящие в него микроорганизмы.

Создание методами генетической инженерии штаммов микроорганизмов-деструкторов со способностью к деструкции веществ, содержащихся в жидких отходах. Основные характеристики штаммов деструкторов. Их неустойчивость в природных условиях. Сохранение штаммов на предприятиях. Нормы внесения биомассы штаммов при пиковых нагрузках на очистные сооружения.

Уничтожение или утилизация твердых (мицелиальных) отходов. Биологические, физикохимические, термические методы обезвреживания мицелиальных отходов. Утилизация мицелиальных отходов в строительной промышленности. Использование отдельных фракций мицелиальных отходов в качестве пеногасителей и др.

Очистка выбросов в атмосферу. Биологические, термические, физико-химические и другие методы рекуперации и обезвреживания выбросов в атмосферу.

Единая система GLP, GCP и GMP при предклиническом, клиническом испытании лекарств и их производстве. Особенности требований GMP к биотехнологическому производству. Требования к условиям хранения сырья для комплексных питательных сред. Карантин. Правила GMP применительно к производству бета-лактамных антибиотиков.

Причины проведения валидации при замене штаммов-продуцентов и изменении составов ферментационных сред.

Вклад биотехнологии в решение общих экологических проблем. Замена традицион-

ных производств. Сохранение природных ресурсов источников биологического сырья. Разработка новых высокоспецифичных методов анализа. Биосенсоры.

Перспективы получения, модификации и использования в защите окружающей среды феромонов, кайромонов, алломонов как природных сигнальных и коммуникативных молекул в надорганизменных системах.

2.4. 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.

3. Частная биотехнология

Биотехнология белковых лекарственных веществ. Рекомбинантные белки, принадле-

жащие 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 пиролиз 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- и γ-интерфероны. Интерфероны при вирусных и онкологических заболеваниях. Видоспецифичность интерферонов. Ограниченные возможности получения α- и β-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.

Производство ферментных препаратов . Ферменты, используемые как лекарственные средства. Протеолитические ферменты. Амилолитические, липолитические ферменты, L- аспарагиназа. Проблемы стандартизации целевых продуктов.

Ферментные препараты как блокатализаторы в фармацевтической промышленности. Ферменты трансформации β-лактамных антибиотиков. Ферментные препараты, используемые в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы п т. д.).

Биотехнология аминокислот . Микробиологический синтез. Продуценты. Преимущества микробиологического синтеза перед другими способами получения. Общие принципы конструирования штаммов микроорганизмов-продуцентов аминокислот как первичных метаболитов. Основные пути регуляции биосинтеза и его интенсификации. Механизмы биосинтеза глутаминовой кислоты, лизина, треонина. Конкретные подходы к регуляции каждого процесса.

Получение аминокислот с помощью иммобилизованных клеток и ферментов. Химикоэнзиматический синтез аминокислот. Получение оптических изомеров аминокислот путем использования амилаз микроорганизмов.

Биотехнология витаминов и коферментов . Биологическая роль 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.

Микроорганизмы-прокариоты, т. е. продуценты витамина В12 (пропионовокислые бактерии и др.). Схема биосинтеза. Регуляция биосинтеза.

Микробиологический синтез пантотеновой кислоты, витамина РР.

Биотехнологическое производство аскорбиновой кислоты (витамина С). Микроорганиз- мы-продуценты. Различные схемы биосинтеза в промышленных условиях. Химический синтез аскорбиновой кислоты и стадия биоконверсии в производстве витамина С.

Эргостерин и витамины группы D. Продуценты и схема биосинтеза эргостерина. Среды и пути интенсификации биосинтеза. Получение витамина D из эргостерина.

Каротиноиды и их классификация. Схема биосинтеза. Среды для микроорганизмовпродуцентов и регуляция биосинтеза. Стимуляторы каротинообразования, β-каротин. Образование из β-каротина витамина А. Убихиноны (коферменты Q). Источник получения: дрожжи и др. Интенсификация биосинтеза.

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, получение из него путем биоконверсии преднизолона.

Культуры растительных клеток и получение лекарственных веществ. Разработка ме-

тодов культивирования растительных тканей и изолированных клеток как достижение биотехнологической науки. Биотехнологическое производство и ограниченность или малая доступность ряда видов растительного сырья как источника лекарственных веществ. Понятие тотипотентности растительных клеток. Каллусные и суспензионные культуры. Особенности роста растительных клеток в культурах. Среды. Фитогормоны. Проблемы стерильности. Особенности метаболизма растительных клеток in vitro. Биореакторы. Применение растительных клеток для трансформации лекарственных веществ. Получение дигоксина. Иммобилизация растительных клеток. Методы иммобилизации. Проблемы экскреции целевого продукта из иммобилизованных клеток.

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

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

Антибиотики как биотехнологические продукты. Методы скрининга продуцентов.

Биологическая роль антибиотиков как вторичных метаболитов. Происхождение антибиотиков и эволюция их функций. Возможность скрининга низкомолекулярных биорегуляторов при отборе по антибиотической функции (иммунодепрессантов, ингибиторов ферментов животного происхождения и др.).

Причины позднего накопления антибиотиков в ферментационной среде по сравнению с накоплением биомассы. Биосинтез антибиотиков. Мультиферментные комплексы. Сборка углеродного скелета молекул антибиотиков, принадлежащих к β-лактамам, аминогликозидам, тетрациклинам, макролидам. Роль фенилуксусной кислоты при биосинтезе пенициллина. Фактор А и биосинтез стрептомицина.

Пути создания высокоактивных продуцентов антибиотиков. Механизмы зашиты от собственных антибиотиков у их «суперпродуцентов». Плесневые грибы - продуценты антибиотиков. Особенности строения клетки и цикла развития при ферментации.

Актиномицеты - продуценты антибиотиков. Строение клетки. Антибиотики, образуемые актиномицетами.

Бактерии (эубактерии) - продуценты антибиотиков. Строение клетки. Антибиотики, образуемые бактериями.

Полусинтетические антибиотики . Биосинтез и оргсинтез в создании новых антибиотиков.

Механизмы резистентности бактерий к антибиотикам. Хромосомная и плазмидная резистентность. Транспозоны. Целенаправленная биотрансформация и химическая трансформация β-лактамных структур. Новые поколения цефалоспоринов и пенициллинов, эффективные в отношении резистентных микроорганизмов. Карбапенемы. Монобактамы. Комбинированные препараты: амоксиклав, уназин.

Иммунобиотехнология 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. Технологическая схема производства вакцин

и сывороток.

Неспецифическое усиление иммунного ответа. Рекомбинантные интерлейкины, интерфероны и др. Механизмы биологической активности. Тимические факторы. Трансплантация костного мозга.

Подавление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Рекомбинантные антигены. IgЕ - связующие молекулы и созданные на их основе толерогены. Технология рекомбинантной ДНК и получение медиаторов иммунологических процессов.

Производство моноклональных антител и использование соматических гибридов животных клеток. Механизмы иммунного ответа на конкретный антиген. Разнообразие антигенных детерминантов. Гетерогенность (поликлональность) сыворотки. Преимущества при использовании моноклональных антител. Клоны клеток злокачественных новообразований. Слияние с клетками, образующими антитела. Гибридомы. Криоконсервирование. Банки гибридом. Технология производства моноклональных антител.

Области применения моноклональных антител. Методы анализа, основанные на использовании моноклональных (в отдельных случаях поликлональных) антител. Иммуноферментный анализ (ИФА). Метод твердофазного иммуноанализа (ELISA - 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.

Нормофлоры (пробиотики, микробиотики, эубиотики) - это препараты на основе жи-

вых культур микроорганизмов, т. е. симбионтов. Общие проблемы микроэкологии человека. Понятие симбиоза. Различные виды симбиоза. Резидентная микрофлора желудочно-кишечного тракта. Причины дисбактериоза. Нормофлоры в борьбе с дисбактериозом. Бифидобактерии, молочно-кислые бактерии: непатогенные штаммы кишечной палочки, образующей бактериоцины как основа нормофлоров. Механизм антагонистического воздействия на гнилостные бактерии. Получение готовых форм нормофлоров. Монопрепараты и препараты на основе смешанных культур. Лекарственные фирмы бифидумбактерина, колибактерина, лактобактерина.

II. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Биотехнология. История развития. Биотехнология лекарственных средств

дать представление о биотехнологии как специфической области научной и практической деятельности человека, в основе которой лежит использование биообъектов. Познакомить с историей и основными путями развития биотехнологии.

Рассматриваемые вопросы:

Что такое биотехнология? История развития биотехнологии.

Основные достижения и перспективы развития биотехнологии в различных отраслях деятельности.

Главные проблемы биотехнологии и пути их решения на современном этапе развития науки.

Биологическая технология

Биотехнология как наука - это наука о методах и технологиях создания и использования природных и генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения, в том числе и лекарственных средств.

Биотехнология как сфера производства - это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и объекты для целенаправленного воздействия на человека и окружающую среду, а также в интересах получения полезных человеку продуктов.

«Биотехнология - наука, изучающая методы получения полезных для жизни и благосостояния людей веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клетки биологические структуры».

Беккер , 1990 г.

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

Связь биотехнологии с другими науками:

История развития биотехнологии

Третий съезд Европейской ассоциации биотехнологов в Мюнхене (1984 г.) по предложению голландского ученого Хаувинка выделил 5 периодов развития биотехнологии.

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

Периоды развития биотехнологии

________________________________

Человечество неумолимо придет к истощению энергетических, минеральных и земельных ресурсов.

На смену старым технологиям идет биотехнология.

В XXI в. биологизация станет одним из ведущих направлений ускоренного развития всего мирового хозяйства и условий жизни людей.

Эффективность биотехнологических методов

Сравнение способности образовавыть новый белок животными (корова), и микробами (дрожжи). Каждый из этих организмов на 500 кг своей массы за 1 сутки производит следующие количества новообразованного белка: корова - 0,5 кг, т. е. примерно это масса хомяка; соя 5 кг, т. е. масса кошки; дрожжи 50000 кг, т. е. масса десяти взрослых слонов. Если бы корова обладала производительностью дрожжей, то ее привес за одни единственные сутки, по всей вероятност, был равен массе десяти слонов

Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биофабрики. -

М.: Мир, 1991. - 112 с.

Клетки биологических объектов являются своего рода биофабриками по синтезу различных веществ (белков, жиров, углеводов, витаминов, аминокислот, нуклеиновых кислот, антибиотиков, гормонов, антител, ферментов, спиртов и т.д.), не требуют больших энергетических затрат и чрезвычайно быстро воспроизводятся (бактерии - за 20–60 мин, дрожжи - за 1,5–2 часа, тогда как животная клетка

За 24 часа).

Биосинтез таких сложных веществ, как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез.

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

________________________________

		Название	Наиболее существенные
				достижения
		Допастеров-	Использование спиртового броже-
			ния в производстве пива и вина.
			Использование		молочнокислого
			брожения при переработке молока.
			Получение хлебопекарных и пив-
			ных дрожжей.
			Использование		уксуснокислого
			брожения в производстве уксусной
			Производство этанола.
		пастеровский	Производство бутанола и ацетона.
			Внедрение в практику вакцин, сы-
			Аэробная			канализацион-
			Производство		кормовых дрожжей
			на основе углеводов.
		Антибиотиков	Производство		пенициллина
			антибиотиков.
			Культивирование			растительных
			Получение вирусных вакцин.
			Микробиологическая трансформа-
			ция стероидов.
		Управляемо-	Производство аминокислот с по-
		го биосинте-
			мощью микробных мутантов.
			Производство витаминов.
			Получение чистых ферментов.
			Промышленное			использование
			иммобилизованных			ферментов
			Анаэробная очистка сточных вод.
			Получение биогаза.
			Производство		бактериальных
			лисахаридов.
		Новой и но-	Внедрение	клеточной			инженерии
		вейшей био-
			для получения целевых продуктов.
		технологии
			Получение гибридом и монокло-
			нальных антител.
			Использование				инженерии
			для производства белков.
			Трансплантация эмбрионов.

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 реакцийБиокатализатор катализ определенной ферментативной реакции (или каскада), которая имеет ключевое значение для полученияцелевого продукта катализ определенной ферментативной реакции (или каскада), которая имеет ключевое значение для получения целевого продукта По производственным функциям:

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. Методы совершенствования БО: Селекция спонтанных (природных) мутаций Индуцированный мутагенез и селекция Клеточная инженерия Генетическая инженерия

Селекция и мутагенез Спонтанные мутацииСпонтанные мутации –встречаются редко, –разброс по степени выраженности признаков невелик. индуцированный мутагенез: разброс мутантов по выраженности признаков больше. разброс мутантов по выраженности признаков больше. появляются мутанты с пониженной способностью к реверсии, т.е. со стабильно измененным признаком появляются мутанты с пониженной способностью к реверсии, т.е. со стабильно измененным признаком селекционная часть работы - отбор и оценка мутаций: Обработанную культуру рассеивают на ТПС и выращивают отдельные колонии (клоны) клоны сравнивают с исходной колонией по разным признакам: -мутанты, нуждающиеся в конкретном витамине, или аминокислоте; -мутантны, синтезирующие фермент расщепляющий определенный субстрат; -антибиотикорезистентные мутанты Проблемы суперпродуцентов: 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.

Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии Клеточная инженерия – «насильственный» обмен участками хромосом у прокариот или участками и даже целыми хромосомами у эукариот. В результате создаются неприродные биообъекты, среди которых могут быть отобраны продуценты новых веществ или организмы с ценными в практическом отношении свойствами. Возможно получение межвидовых и межродовых гибридных культур микроорганизмов, а также гибридных клеток между отдаленными в эволюционном отношении многоклеточными организмами.

Создание биообъектов методами генетической инженерии Генетическая инженерия –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.

8 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.

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

Стадии БТ производства 1.Подготовка сырья (питательной среды) субстрата с заданными свойствами (рН, 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)

1.Вспомогательные операции: 1.1. Подготовка посевного материала (инокулята): засев пробирок, качалочных колб (1-3 сут), инокулятора (2-3 % 2-3 сут), посевного аппарата (2-3сут). Кинетические кривые роста 1.индукционный период (лаг-фаза) 2.фаза экспоненциального роста (накопление биомассы и продуктов биосинтеза) 3.фаза линейного роста (равномерный рост культуры) 4.фаза замедленного роста 5.стационарная фаза (постоянство жизнеспособных особей 6.Фаза старения культуры (отмирания) N t 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- организмы элемент углеродазотфосфоркислородводород бактерии50,412,34,030,56,8 дрожжи47,810,44,531,16,5 грибы47,95,23,540,46,7 Элементный состав биомассы по химическим элементам позволяет сделать для каждого биообъекта описание Существует количественная закономерность влияния концентрации элементов питательной среды на скорость роста биомассы, равно как и взаимовлияние тех же элементов на удельную скорость роста биообъектов С DN/ dT 123 C – концентрация лимитирующего компонента DN/dT – скорость роста микроорганизмов. 1 -область лимитирования, 2- область оптимального роста, 3 – область ингибирования.

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 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.

Ферментация – основной этап биотехнологического процесса Ферментация – это вся совокупность операций от внесения микробов в подготовленную и нагретую до необходимой температуры среду до завершения биосинтеза целевого продукта или роста клеток. Весь процесс протекает в специальной установке – ферментере. Все биотехнологические процессы можно разделить на две большие группы - периодические и непрерывные. При периодическом способе производства простерилизованный ферментер заполняется питательной средой, часто уже содержащей нужные микроорганизмы. Биохимические процессы в этом ферментере продолжаются от нескольких часов до нескольких дней. При непрерывном способе подача равных объемов сырья (питательных веществ) и отвод культуральной жидкости, содержащей клетки продуцента и целевой продукт осуществляется одновременно. Такие ферментационные системы характеризуются как открытые.

По объёму: –лабораторные 0, л, –пилотные 100л -10 м3, –промышленные м3 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 (рабочий объем 1,2 и 5 л) для культивирования микроорганизмов и культур клеток и является полностью масштабируемым при переходе к большим объемам. Единый корпус с интергрированным оборудованием измерения и управления, насосами, системой температурного контроля, подачи газа и мотором Ноутбук с заранее установленным Windows совместимым программным обеспечением MFCS / DA для управления процессами ферментации и их документирования Лабораторный (схема)

Параметры, влияющие на биосинтез (физически, химические, биологические) 1. Температура 2. Число оборотов мешалки (для каждого м/о (микроорганизмы) – разное число оборотов, разные 2х, 3х, 5-ти ярусные мешалки). 3. Расход подаваемого на аэрацию воздуха. 4. Давление в ферментере 5. рН среды 6. Парциальное давление растворенного в воде кислорода (количество кислорода) 7. Концентрация углекислого газа при выходе из ферментера 8. Биохимические показатели (потребление питательных веществ) 9. Морфологические показатели (цитологические) развитее клеток м/о, т.е. надо следить в процессе биосинтеза за развитием м/о 10. Наличие посторонней микрофлоры 11. Определение в процессе ферментации биологической активности Биосинтез БАВ (биологически активные вещества) в условиях производства

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) Стадия концентрирования, одновременно предназначена для удаления баласта 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 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 продуктСухой продукт Живой продукт Сухой продукт Живой продукт Сухой продукт Культивирование (ферментация) Подготовка инокулята Схема биотехнологического производства

Фармацевтические препараты требуют высокой степени чистоты Стоимость очистки тем выше, чем ниже концентрация вещества в клетках. Этапы очистки: 1. Сепарация. 2. Разрушение клеточных оболочек (дезинтеграция биомассы) 3. Отделение клеточных стенок. 4. Отделение и очистка продукта. 5. Тонкая очистка и разделение препаратов. 27

Этапы очистки Этап 1. СЕПАРАЦИЯ - отделение массы продуцента от жидкой фазы. Передвароительно для повышения эффективности может проводиться: изменение рН, нагревание, добавление коагулянтов белков или флокуллянтов. СПОСОБЫ СЕПАРАЦИИ 1. Флотация (буквально – плавание на поверхности воды) – разделение мелких частиц и выделение капель дисперсной фазы из эмульсий. Основана на различной смачиваемости частиц (капель) жидкостью (преимущественно водой) и на их избирательном прилипании к поверхности раздела, как правило, жидкость – газ (очень редко: твердые частицы – жидкость). Основные виды флотации: пенная (культуральную жидкость с биомассой микроорганизмов непрерывно вспенивают воздухом, подаваемым снизу вверх под давлением, клетки и их агломераты «прилипают» к пузырькам тонкодиспергированного воздуха и всплывают вместе с ними, собираясь в специальном отстойнике) масляная пленочная. 28

СПОСОБЫ СЕПАРАЦИИ 2. Фильтрация - используется принцип задержки биомассы на пористой фильтрующей перегородке. Используются фильтры: однократного и многократного использования; периодического и непрерывного действия (с автоматическим удалением слоя биомассы, забивающего поры); барабанные, дисковые, ленточные, тарелочные, карусельные вакуум-фильтры, фильтры-прессы различной конструкции, мембранные фильтры. 29

3. Физическое осаждение. Если биомасса содержит заметных количеств целевого продукта, она осаждается добавлением извести или других твердых компонентов, увлекающих клетки или мицелий на дно. 4. Центрифугирование. Осаждение взвешенных частиц происходит под действием центробежной силы с образованием 2 фракций: биомассы (твердая) и культуральной жидкости. «-»: необходимо дорогостоящее оборудование; «+»: позволяет максимально освободить культуральную жидкость от частиц; Цетрифугирование и фильтрация могут проходить одновременно в фильтрационных центрифугах. Высокоскоростное центрифугирование разделяет клеточные компоненты по размеру: более крупные частицы при центрифугировании движутся быстрее. 30 СПОСОБЫ СЕПАРАЦИИ

Этап 2. РАЗРУШЕНИЕ КЛЕТОЧНЫХ ОБОЛОЧЕК (ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ БИОМАССЫ) Стадия используется, если искомые продукты находятся внутри клеток продуцента. МЕТОДЫ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ механические, химические комбинированные. Физические методы - обработка ультразвуком, вращение лопасти или вибратора, встряхивание со стеклянными бусами, продавливание через узкое отверстие под давлением, раздавливание замороженной клеточной массы, растирание в ступке, осмотический шок, замораживание- оттаивание, декомпрессия (сжатие с последующим резким снижением давления). «+»: экономичность методов. «-»: неизбирательность методов, обработка может снижать качество получаемого продукта. 31

МЕТОДЫ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ Химические и химико-ферментативные методы - клетки могут быть разрушены толуолом или бутанолом, антибиотиками, ферментами. «+»: более высокая избирательность методов Примеры: -клетки грамотрицательных бактерий обрабатывают лизоцимом в присутствии этилендиаминтерауксусной кислоты или других детергентов, -клетки дрожжей – зимолиазой улитки, ферментами грибов, актиномицетов. 32

ЭТАП 4. ОТДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ПРОДУКТА Выделение целевого продукта из культуральной жидкости или из гомогената разрушенных клеток проводят путем его осаждения, экстракции илииадсорбции. Осаждение: физическое (нагревание, охлаждение, разбавление, концентрирование); химическое (с помощью неорганических и органических веществ - этанол, метанол, ацетон, изопропанол). Механизм осаждения органическими веществами: снижение диэлектрической постоянной среды, разрушение гидратного слоя молекул. Высаливание: Механизм высаливания: гидратируются диссоциирующие ионы неорганических солей. Реагенты: сульфат аммония, сульфаты натрия, магния, фосфат калия. 33

Экстракция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из твердых тел и растворов с помощью жидкого растворителя – экстрагента. Типы экстракции: Твердо-жидкостная (вещество из твердой фазы переходит в жидкую) - например, хлорофилл из спиртовой вытяжки переходит в бензин Жидко-жидкостная (вещество переходит из одной жидкости в другую (извлечение антибиотиков, витаминов, каротиноидов, липидов). Экстрагенты: фенол, бензиловый спирт, хлороформ, жидкий пропанили бутан и др. Способы повышения эффективности экстракции: повторная экстракция свежим экстрагентом; выбор оптимального растворителя; нагревание экстрагирующего агента или экстрагируемой жидкости; понижением давления в аппарате для экстракции. Для экстракции хлороформом в лабораторных условиях используется аппарат «Сокслет», что позволяет многократно использовать растворитель. 34

ЭТАП 4. ОТДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ПРОДУКТА (продолжение) Адсорбция – частный случай экстракции, когда экстрагирующий агент является твердым телом - идет по ионообменному механизму. Адсорбенты: иониты на основе целлюлозы: катионит – карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ); анионит – диэтиламиноэтилцеллюлоза (ДЭАЭ), сефадексы на основе декстрана и т.д. 35

МЕТОДЫ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ И РАЗДЕЛЕНИЯ ПРЕПАРАТОВ Хроматография (от греч. chroma – цвет, краска и -графия) – физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную. Виды хроматографии по технике выполнения: колоночная - разделение веществ проводится в специальных колонках плоскостная: -тонкослойная (ТСХ) – разделение проводится в тонком слое сорбента; -бумажная – на специальной бумаге. 36

Для крупномасштабного отделения и очистки продуктов биотехнологических процессов применимы: аффинная преципитация - лиганд прикрепляют к растворимому носителю, при добавлении смеси, содержащей соответствующий белок, образуется его комплекс с лигандом, который выпадает в осадок сразу после его формирования или после дополнения раствора электролитом. аффинное разделение - основано на применении системы, содержащей два водорастворимых полимера – наиболее высокоэффективный из аффинных методов очистки. Гидрофобная хроматография основана на связывании белка в результате взаимодействия между алифатической цепью адсорбента и соответствующим гидрофобным участком на поверхности белковой глобулы. Система аффинной очистки рекомбинтных белков Profinia. 37

Электрофорез – метод разделения белков и нуклеиновых кислот в свободном водном растворе и пористом матриксе, в качестве которого можно использовать полисахариды, например, крахмал или агарозу. Модификацией метода является электрофорез в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия (ДСН-ПААГ) 38 Gel electrophoresis is a common method for separating protein or DNA Гель-электрофорез - распространенняй метод разделения белков или ДНК

20.5. Совершенствование биообъектов как источников ЛС включает несколько направлений. Определите эти направления в соответствии с целевыми задачами.

Современный биообъект, используемый в биотехнологической промышленности, - это суперпродуцент, отличающийся от исходного природного штамма по нескольким показателям.

высокий выход целевого продукта

2) способность расти на относительно дешевых питательных средах

3) благоприятные реологические свойства биомассы, обеспечивающие относительно несложное выделение продукта

4) устойчивость к фагам

5) благоприятные экологические показатели процесса (низкое спорообразование, запах и т.д.)

Методы совершенствования биообъектов

Мутации . Изменение биообъекта, благоприятное для его использования в производстве, должно передаваться по наследству и, соответственно, вызываться мутацией. На биохимическом уровне мутация - изменение первичной структуры ДНК в конкретном ее участке, что, в конечном счете, приводит к изменению фенотипа биообъекта.

Долгое время понятие мутации относили только к хромосомам у прокариот и хромосомам (ядру) у эукариот. В настоящее время кроме хромосомных мутаций появилось также понятие мутаций цитоплазматических (плазмидных - у прокариот, митохондриальных и плазмидных - у эукариот).

Спонтанные мутации встречаются, как правило, довольно редко. Разброс по степени выраженности признаков обычно невелик. Совершенствование биообъектов путем предварительного мутагенеза и последующей селекции оказалось гораздо более действенным.

Мутагенез осуществляется при обработке биообъекта физическими или химическими мутагенами. В первом случае, как правило, это ультрафиолетовые, гамма-, рентгеновские лучи; во втором - нитрозометилмочевина, нитрозогуанидин, акридиновые красители, некоторые природные вещества (например, из ДНК-тропных антибиотиков вследствие их токсичности не применяемых в клинике инфекционных заболеваний).

Механизма активности как физических, так и химических мутагенов связан с их непосредственным действием на ДНК (прежде всего на азотистые основания ДНК, что выражается в сшивках, димеризации, алкилировании последних, интеркаляции между ними).

Подразумевается, естественно, что повреждения не приводят к летальному исходу. Последующей задачей является отбор и оценка именно нужных биотехнологу мутаций. Эта селекционная часть работы в целом весьма трудоемка.

В первую очередь биотехнолога интересуют мутантные культуры, обладающие повышенной способностью к образованию целевого продукта. Потенциальные возможности мутагенеза (с последующей селекцией) обусловлены зависимостью биосинтеза целевого продукта от многих метаболических процессов в организме продуцента. Весьма эффективный путь увеличения образования целевого продукта - нарушение системы ретроингибирования .

Повысить активность продуцента можно также, изменив (за счет мутаций) систему транспорта предшественников целевого продукта в клетку.

Наконец, иногда целевой продукт при резком увеличении его образования отрицательно влияет на жизнеспособность собственного продуцента (так называемый суицидный эффект). Повышение резистентности продуцента к образуемому им же веществу часто необходимо для получения, например, суперпродуцентов антибиотиков.

Одним из самых блестящих примеров эффективности мутагенеза с последующей селекцией по признаку увеличения образования целевого продукта является история создания современных суперпродуцентов пенициллина. Работа с исходными биообъектами - штаммами (штамм - клоновая культура, однородность которой по определенным признакам поддерживается отбором) гриба Penicillium chrysogenum, выделенными из природных источников, велась с 1940-х гг. в течение нескольких десятилетий во многих лабораториях. Вначале некоторый успех был достигнут при отборе мутантов, появившихся в результате спонтанных мутаций. Затем перешли к индуцированию мутаций физическими и химическими мутагенами. В результате ряда удачных мутаций и ступенчатого отбора все более продуктивных мутантов активность штаммов сейчас в 100 тыс. раз выше, чем у обнаруженного А.Флемингом исходного штамма, с которого и началась история открытия пенициллина.

Производственные штаммы крайне нестабильны вследствие того, что многочисленные искусственные изменения в геноме клеток штамма сами по себе для жизнеспособности этих клеток положительного значения не имеют. Поэтому мутантные штаммы требуют постоянного контроля при хранении:

Совершенствование биообъектов применительно к производству не исчерпывается только повышением их продуктивности. С экономической точки зрения весьма важно получение мутантов, способных использовать более дешевые и менее дефицитные питательные среды. Большое значение в отношении гарантии надежности производства приобретает получение фагоустойчивых биообъектов.

Из всего изложенного следует, что современный биообъект, используемый в биотехнологической промышленности, - это суперпродуцент, отличающийся от исходного природного штамма не по одному, а, как правило, по нескольким показателям. Хранение таких штаммов-суперпродуцентов представляет серьезную самостоятельную проблему.

В случае применения высших растений и животных в качестве биообъектов для получения лекарственных средств возможности использования мутагенеза и селекции для их совершенствования ограничены.

Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии

Клеточная инженерия - «насильственный» обмен участками хромосом у прокариот или участками и даже целыми хромосомами у эукариот. В результате создаются неприродные биообъекты, среди которых могут быть отобраны продуценты новых веществ или организмы с ценными в практическом отношении свойствами.

Перспективы клеточной инженерии заключаются прежде всего в том, что с ее помощью возможно получение межвидовых и межродовых гибридных культур микроорганизмов, а также гибридных клеток между отдаленными в эволюционном отношении многоклеточными организмами.

Первый этап работы связан с удалением у микроорганизмов клеточной стенки.

Пептидогликан клеточной стенки может быть расщеплен с помощью ферментов (гидролаз пептидогликана), из которых самым известным является лизоцим,

При протопластировании: для получения протопластов клеточную стенку удаляют ферментативной обработкой в «гипертонической» среде с 20 % раствором сахарозы или маннита, иногда с 10 % раствором натрия хлорида в зависимости от определенных особенностей биообъекта и преследуемых целей.

Если биообъект принадлежит к микроскопическим (плесневым и дрожжевым) грибам, то для получения протопластов используют, как правило, не лизоцим, а комплексный ферментный препарат, выделенный из пищеварительного тракта виноградной улитки. Связано это с тем, что состав клеточной стенки у грибов более сложен, чем у бактерий.

Следующий этап работы состоит в объединении суспензий двух образцов протопластов, принадлежащих разным штаммам или разным видам, в более редких случаях - даже разным родам. Частота слияния резко повышается при добавлении к протопластам полиэтиленгликоля, обладающего свойствами детергента.

Культуры таких клеток обладают новыми свойствами. В качестве примера можно привести получение «гибридных» антибиотиков.

Известно, что среди актиномицетов есть принадлежащие к разным видам продуценты антибиотиков гликозидной структуры с варьирующими агликонами и сахарами. Так, антибиотик эритромицин имеет 14-членный макроциклический агликон и два сахара (дезозамин и кладинозу), присоединенных к нему гликозидной связью, а у антибиотиков - антрациклинов агликон состоит из четырех сконденсированных углеродных шестичленных колец, соединенных с аминосахаром.

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.

Создание биообъектов методами генетической инженерии

Генетическая инженерия гораздо конкретнее и точнее клеточной по характеристике используемых объектов и оперирует в основном с разными по форме и размерам фрагментами клетки.

Генетическая инженерия - соединение фрагментов ДНК природного и синтетического происхождения или их комбинацию 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.

Основные этапы генетической инженерии

1) Получение ДНК (химический синтез, из мРНК, обработка ДНК рестриктазой)

2) Линеаризация вектора для клонирования той же рестриктазой

3) Смешивание ДНК и разрезанного вектора

4) Трансформация сшитыми молекулами вектора клеток-хозяев

5) Амплификация рекомбинантной ДНК в трансформированных клетках

6) Получение белкового продукта