Биотехнология Кафедра Общей фармацевтической и биомедицинской технологии. - презентация

1 Биотехнология Кафедра Общей фармацевтической и биомедицинской технологии

2 1. Введение в биотехнологию «Нет ничего более практичного, чем хорошая теория» кто-то из великих физиков Планк или Эйнштейн. 2-е место по инвестиционной привлекательности после информационных технологий ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ ИНЖЕНЕРНЫЕ ЗНАНИЯ НАУКИ О ЖИЗНИ Биотехнология

3 хлебопечение, виноделие, пивоварение, получение кисломолочных продуктов, сыров, квашенной капусты силосование кормов для скота и пр. выделка кожи, получение натуральных красителей получение натуральных волокон: льна, шелка, шерсти, хлопка в Фармации и Медицине : Яды животных и растений, биожидкости животных, гирудотерапия, апитерапия профилактика натуральной оспы содержимым пустул телят, больных коровьей оспой I Эмпирический период– ок лет до Р.Х. - середина ХIХ в.

4 II – Научно-практический период ( годы ) Установление видовой индивидуальности микроорганизмов Выделение микроорганизмов в чистых культурах и выращивание на питательных средах Воспроизведение природных процессов (брожения, окисления и пр.) Производство биомассы пищевых прессованных дрожжей, Получение бактериальных метаболитов (ацетон, бутанол, лимонная и молочная кислоты). Создание систем микробиологической очистки сточных вод Л. Пастер - бактериология, де Бари – микология, Д.И. Ивановский - вирусология

5 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. 1. Вакцины и сыворотки 2. Антибиотики 3. Ферменты и антиферменты 4. Гормоны и их антагонисты 5. Витамины (В12 ) 6. Аминокислоты 7. Кровезаменители 8. Алкалоиды 9. Иммуномодуляторы 10. Биорадиопротекторы 11. Иммунные диагностикумы и биосенсоры

6 «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов» (А. Клюйвер, Л.Х.Ц. Перкин) начало промышленной биотехнологии: 1. внедрение в производство крупномасштабного герметизированного оборудования для ферментации в стерильных условиях. 2. методические подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов гг становление и развитие производства антибиотиков. III – Биотехнический период гг

7 IV – молекулярный или геотехнический период с 1972 г 1972 г - первая рекомбинантная молекула ДНК ( П. Берг, США) г коммерческий генно-инженерный человеческий инсулин. Другие генно-инженерные препараты: – интерфероны, –фактор некроза опухоли (TNF), –интерлейкин-2, – соматотропный гормон человека.

8 V нано биотехнологическийй с 2000 г с 2000 года нанобиотехнологии, биологическая ветвь нанотехнологии, которой предшествовали успехи в геномике (расшифровка генома), протеомике (внеклеточный синтез белка в потоке) и метаболомике

9 Взаимосвязь технологии и живого Технология – воспроизведение естественных процессов, в искусственных условиях. биокаталитические биосинтетические в живых клетках про- и эукариот Промышленное производство Биореактор и инженерные системы жизнеобеспечения биообъект – основа биотехнологии определяет специфику БТ производства I По происхождению: растения, животные, бактерии, вирусы, грибы, водоросли II По производственным функциям: продуцент, биокатализатор III по уровню организации: Макромолекулы Микроорганизмы Макроорганизмы

10 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 дисахаридов, 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

11 11 Биообъект как участник технологического процесса макро-био-объекты (человек, животные, растения): высокоорганизованные живые системы, пластично приспособлены к абсолютно автономному существованию в условиях внешней среды получение биомассы (ткани, биожидкости, клетки) происходит в природных условиях (плантационное культивирование ЛР, разведение змей, пчел, пиявок). микро-био-объекты не способны к автономному существованию во внешней среде, необходимо создать техногенную экологическую нишу для обеспечения: 1. условий для существования био-объекта в монокультуре; 2. экономически целесообразных темпов функционирования для получения необходимого количества биомассы; 3. защиты культуры-продуцента от внешних неблагоприятных факторов; 4. защиты культуры-продуцента от контаминации патогенной микрофлорой (лизогенный фаг для коклюшных бактерий, онкогенные вирусы для вируса полиомиелита); 5. защиты окружающей среды от выбросов патогенных штаммов- продуцентов (при получении ксантана фитопатогенный Xantomonas campestic, при получении витамина В2 гриб Eremothecium – паразит хлопчатника).

12 Биотехнология и ее основные направления Биотехнология – технология получения различных продуктов из живых клеток различного происхождения. Инженерная энзимология Микробиологическая промышленность Генетическая инженерия Клеточная инженерия Традиционные направления (ХХв) Перспективные направления (ХХIв) Объекты биотехнологии Культивируемые ткани Клетки животных Клетки растений Микроорганизмы, созданные методами генной инженерии

13 Основные направления биотехнологии Биоэнерготехнология 1)получение источников энергии – биогаза, углеводов, водорода с помощью хемотрофных и цианобактерий, водорослей, простейших Биотопливные элементы превращают химическую энергию субстратов в другие виды энергии 2) Биосенсоры – высокочувствительные искусственные элементы в которых биологические молекулы избирательно взаимодействуют с микроколичествами веществ в любом агрегатном состоянии, изменения которых регистрируются и визуализируются электронной аппаратурой Космическая биотехнология Невесомость - силы поверхностного натяжения больше гравитационных (снижение конвекции, исключение седиментации, пристеночных явлений). кристаллизация белков в чистом виде для рентгеноструктурного анализа; Более легкое инкапсулирование клетки в иммунной индифферентные полупроницаемые мембраны, –клетки поджелудочной железы животных, для имплантации больным сахарным диабетом для синтеза инсулина –клетки печени для систем очистки крови

14 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, трансплантатов и биопротезов. Биотехнология лекарственных средств – из более 1000 наименований лекарственных средств, минимум треть производится или может быть произведено биотехнологический. Иммунобиотехнология – производство вакцин, иммуноглобулинов крови, иммуномодуляторов, моноклональных антител и т.п.

15 Ключевые биомедицинские технологии 1. Производство вторичных метаболитов - НМС не требующиеся для роста в чистой культуре: а/б, алкалоиды, гормоны роста растений и токсины. 2. Протеиновая технология – применение трансгенных микроорганизмов для синтеза чужеродных для продуцентов белков (инсулин, интерферон) 3. Гибридомная технология – получение МАТ к антигенам бактерий, вирусов, животных и растительных клеток, чистых ферментов и белков. 4. Инженерная энзимология – осуществление биотрансформации веществ с использованием каталитических функций ферментов в чистом виде или в составе ПФС (клеток) в т.ч. иммобилизованных Традиционные Биотехнологические технологии 1. Культивирование растений на опытном поле – 1–6 месяцев 1. выращивание растительных каллусных и суспензионных клеточных культур – 7–21 сут. 2. Выделение БАВ из животных тканей при традиционном способе выращивания животных 1–9 мес. 2. выращивание культуры животных клеток ткани на твердой фазе 7–10 сут. методики продуцентов для получения БАВ

16 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: Скрининг спонтанных (природных) мутаций и селекция Индуцированный мутагенез и селекция Клеточная инженерия Генетическая инженерия

17 Скрининг, мутагенез и селекция Спонтанные мутации Спонтанные 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.

18 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.

19 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.

20 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 при применении новых диагностических методов; доступность лечения только богатым с целью получения прибыли; Помехи свободному обмену мыслями между учеными в борьбе за приоритеты Проблемы