Bioobjects: methods of their creation and improvement of. 1.1 the Concept of «Bioobject» BO Bioobject is a central and indispensable element of the biotechnological. - презентация

1 Bioobjects: methods of their creation and improvement of. 1.1 the Concept of «Bioobject» BO Bioobject is a central and indispensable element of the biotechnological production, determining its specifics. Producer a full synthesis of the product, which includes a number of consecutive enzymatic reactions Biocatalyst catalysis a certain enzymatic reaction (or stage), which is of key importance for obtaining the targeted product On production functions:

2 2 Bioobject as a participant of the technological process macro-bio-objects (people, animals, plants): highly organized living systems, flexible adapted to a completely Autonomous existence in the conditions of external environment biomass production (fabrics, upgrade bioliquids, the cells) occurs in natural conditions (plantation cultivation, breeding snakes, bees, leeches). micro-bio-objects: not capable of autonomous existence in the external environment, it is necessary to create the man-caused ecological niche to ensure: conditions for the existence of a bio-object in a monoculture; cost-effective rates of functioning for obtaining the necessary quantities of biomass; the protection of culture-the producer of unfavorable external factors; the protection of culture-the producer of contamination with pathogenic microflora (lysogenic for pertussis bacteria, oncogenic viruses for the polio virus); protection of the environment from emissions of pathogenic strains - producers (in case of obtaining xantan phytopathogen Xantomonas campestic, when receiving vitamin B2 Eremothecium - parasite cotton).

3 Bioobjects 1.Macromolecules: enzymes of all classes (often hydrolase and transferase); including in immobiliosed form (associated with the carrier) ensuring multiple use and commonality of repetitive production cycles DNA and RNA are in an isolated form, to the alien cells 2.micro-Organisms: viruses (with reduced pathogenicity are used to produce vaccines); the cells of the prokaryotes and eukaryotes producers of primary metabolites: amino acids, the nitrogenous bases, coenzymes, mono - and disaccharides, enzymes for substitution therapy, etc.); producers of secondary metabolites:antibiotics, alkaloids, steroid hormones, and others. normoflora renewal - biomass of individual species of microorganisms used for prevention and treatment of dysbacteriosis the pathogens of infectious diseases - the sources of antigens for the production of vaccines transgenic m/o or cell - producers видоспецифичных for human protein hormones, protein factors of innate immunity, etc. 3.macro-Organisms: the higher plants are the raw materials for reception of bas ; Animals - mammals, birds, reptiles, amphibians, crustaceans, fish, shellfish, man Transgenic organisms

4 The goal of improvement of BO: (as applied to manufacture) 1 increase in the education of the target product; 2 reducing the demands for the components of nutrient media; changes in the metabolism of living subject, for example, of viscosity of the culture liquid; 3 obtaining fagresistance biological objects; 4 mutations which lead to the removal of genes encoding enzymes. Methods to improve BO: 1.Selection of spontaneous (natural) mutations 2.The induced mutagenesis and selection 3.Cell engineering 4.Genetic engineering

5 selection and mutagenesis Spontaneous mutationsSpontaneous mutations –not often meet, –the variation in the degree of severity of the signs of low. –the variation in the degree of severity of the signs of low. the induced mutagenesis: the induced mutagenesis: dispersion of mutants on the severity of the signs more. dispersion of mutants on the severity of the signs more. appear mutants with reduced ability to reverse, i.e. with a steadily changed the sign of appear mutants with reduced ability to reverse, i.e. with a steadily changed the sign of the selection part of the work - the selection and evaluation of mutations: -Processed culture scatter on TPS and grow separate colony (clones) clones compare with the original colony on different grounds: -mutants, in need of a particular vitamin or amino acid; -mutants, synthesizing enzyme cleave a substrate; -an antibiotic-resistant mutants The problem of super-producers: highly productive strains are highly unstable due to the fact that numerous artificial changes in the genome is not connected with vitalyti. mutant strains require constant monitoring storage: the population of cells is sown on the solid medium and received from individual colonies culture checked for productivity.

6 Improvement of biological objects by methods of cell engineering Cell engineering «violent» exchange of plots of chromosomes from prokaryotes or sites and even entire chromosomes in eukaryotes. The result is non-natural bioobjects, among which may be selected by the producers of new substances or organisms with valuable in practical terms properties. It is possible to obtain multi-service and inter-clan of hybrid cultures of microorganisms, as well as hybrid cells between remote in the evolutionary respect of multicellular organisms.

7 The creation of biological objects by methods of genetic engineering Genetic engineering is the connection of the DNA fragments of natural and synthetic origin, or a combination of in vitro with the subsequent introduction of the received recombinant structures in living cell to the introduced DNA fragment after its inclusion in a chromosome or replicated, or expression. Therefore, the input of the genetic material becomes part of the genome of the cells. The necessary components of the genetic engineer: (a) genetic material (- cage of the owner); (b) transport unit vector that carries the genetic material in a cell; b) a set of specific enzymes - «instruments» of genetic engineering. Principles and techniques of genetic engineering developed, first of all, the micro-organisms; bacteria - prokaryotes and yeast - eukaryotes Purpose: obtaining recombinant proteins - the solution of the problem of the shortage of raw materials.

8 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.

9 Схема биотехнологического производства Биообъект – это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

10 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

11 СТРУКТУРА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

12 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)

13 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.

14 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.

15 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.

16 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.

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

18

19 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:

20

21 ферментеры Лабораторный газовихревой Инкубационная качалка Ферментационный цех Производственный

22 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)

23 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

24 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.

25 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

26 Технологическая схема глубинного культивирования микроорганизмов..

27 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

28 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

29 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

30 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

31 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

32 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

33 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

34 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

35 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

36 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

37 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

38 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