БИОТЕХНОЛОГИЯ В МЕДИЦИНЕ И ДРУГИХ ОТРАСЛЯХ

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Технология — это совокупность способов и приемов для получения из исходного материала (сырья) некоторого практически ценного продукта.

Основные технологии можно подразделить на 3 класса:

Физико-механические технологии. В таких технологиях исходный материал (сырье) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние, но не изменяет своего химического состава. Например, переработка древесины для производства мебели или различные методы получения металлических изделий, например гвоздей, деталей машин, аппаратов.

Химические технологии. В процессе получения продукта в химических технологиях сырье претерпевает изменения химического состава. Можно привести множество примеров: получение полиэтилена из природного газа, аммиачной селитры (удобрения) из воздуха и природного газа, спирта из природного газа или древесины, синтетического каучука из природного газа, красителей и многих лекарств из простых химических соединений (кислоты, щелочи, бензола и других веществ).

Ассортимент продуктов, получаемых с помощью химических технологий, весьма велик.

Биотехнология — это организованная человеком деятельность микроорганизмов, направленная на получение определенного продукта.

На Третьем съезде Европейской ассоциации биотехнологов (Мюнхен, 1984 г.) голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю биотехнологии на пять периодов, или эр [14].

  • 1. Допастеровская эра (до 1865 г.). В этот период биотехнологическими методами получали пиво, вино, сыр, хлеб, йогурт, кефир, разного рода ферментированную пищу.
  • 2. Пастеровская эра (1865—1940 гг.). Стали известны микроорганизмы-продуценты, и это позволило создать производства этанола, бутанола, ацетона, глицерина, лимонной кислоты, многих вакцин, организовать процессы биологической очистки стоков аэробными микроорганизмами.
  • 3. Эра антибиотиков (1940—1960 гг.). Были открыты пенициллин, стрептомицин и многие другие антибиотики, разработана технология культивирования клеток животных и получения вирусных вакцин.
  • 4. Постантибиотическая эра (1960—1975 гг.). Созданы технологии аминокислот, микробиологического белка на парафинах нефти, ферментов, используемых в стиральных порошках. Разработана технология иммобилизации ферментов (закрепления их на носителях) для получения глюкозо-фруктозных сиропов. К аэробной обработке стоков добавилась анаэробная обработка твердых отходов с получением биогаза. Открыт микробиологический способ получения полисахаридов (начиная от ксантана для увеличения вязкости раствора нефтяных скважин до жевательной резинки).

Созданы микробиологические технологии витаминов В2 и В|2. Ученые научились культивировать изолированные растительные клетки, что положило начало биотехнологическому производству многих ценных лекарственных веществ с использованием огромного потенциала лекарственных растений. К этому же периоду относится зарождение биометаллургии — бактериального выщелачивания меди и цинка из руд.

5. Эра новой биотехнологии (после 1975 г.). Характеризуется разработкой генной инженерии, которая позволяет целенаправленно изменять геном микроорганизмов, переносить в него свойства, заимствованные из геномов растений и животных. Это позволило создать микробиологическую технологию человеческого инсулина, интерферона, соматотропного и ростовых гормонов и многого другого.

Создана гибридомная технология, позволяющая получать моноклональные антитела, являющиеся основой для огромного разнообразия диагностических препаратов. Появились так называемые трансгенные растения и животные, в которых осуществлялось целенаправленное конструирование генома.

Разработанные основы биотехнологических производств дают возможность уже сейчас получать большое число продуктов с помощью биотехнологии, и эта область стремительно расширяется.

Приведем некоторые виды биохимической деятельности микрообъектов, используемые в биотехнологии:

  • 1. Наращивание клеточной массы, которая и представляет собой продукт. К такому классу технологий относится получение пекарских дрожжей, кормовых дрожжей, многих вакцин.
  • 2. Образование (биосинтез) в процессе роста и развития клеток ценных биохимических продуктов — некоторые из них выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе (внутриклеточные продукты). В этих случаях производство существует ради получения таких продуктов, а не самой биомассы, которая часто является балластом.
  • 3. Биотрансформация — процесс, в результате которого под воздействием биохимической деятельности микроорганизмов или ферментов происходит изменение химического состава исходного химического вещества. Отличие от процесса биосинтеза состоит в том, что при этом обычно происходят относительно небольшие изменения в химической структуре вещества, оно не синтезируется заново из относительно более простых веществ. Кроме того, в процессе биотрансформации используют обычно уже готовый биологический агент — клетки микроорганизмов или ферменты, в ходе самого процесса биотрансформации они не образуются. Пример процесса биотрансформации — превращение глюкозы во фруктозу под воздействием фермента глюкозоизомеразы. Оба сахара имеют одну формулу С6Н,206, но различную пространственную структуру молекулы.

Интересно, что подобный процесс в природе осуществляют пчелы (если кормить их глюкозой). Но поскольку здесь в операции принимает участие макроорганизм — пчела, мы не можем данный процесс назвать биотехнологическим.

  • 4. Потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ, которые являются нежелательными примесями (загрязнениями). Здесь биомасса микроорганизмов служит промежуточным агентом, по окончании процесса она становится ненужной. Такие процессы применяют при биологической очистке сточных вод. Продуктом здесь является очищенная вода, а биомасса активного ила, которая потребляет загрязнения, все время отводится от системы и затем обезвреживается или перерабатывается для получения из нее других полезных продуктов.
  • 5. Выщелачивание с помощью микроорганизмов, т.е. перевод в растворенное состояние некоторых веществ, находящихся в твердых телах. Примером является микробиологическое выщелачивание ценных металлов из руд — меди, цинка, урана и др.

По сравнению с химической технологией биотехнология имеет следующие преимущества:

  • • возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не удается получать путем химического синтеза;
  • • проведение биотехнологических процессов при относительно невысоких температурах и давлениях;
  • • микроорганизмы имеют значительно более высокие скорости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы. Например, с помощью микроорганизмов в ферментёре объемом 300 м3 за сутки можно выработать 1 т белка (365 т/год). Чтобы такое же количество белка в год выработать с помощью крупного рогатого скота, нужно иметь стадо в 30 000 голов. Если же использовать для получения такого объема производства белка бобовые растения, например горох, то потребуется поле гороха площадью 5400 га;
  • • в качестве сырья в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;
  • • биотехнологические процессы по сравнению с химическими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам;
  • • как правило, технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дешевы.

При всестороннем исследовании микробной биомассы была выявлена ее чрезвычайно высокая технологическая и экономическая эффективность для мясного и молочного животноводства, птицеводства и целого ряда других направлений народного хозяйства. Кормовые дрожжи содержат в 5 раз больше белка (в том числе лизина в 10, метионина в 5 и триптофана в 3 раза больше), чем ячмень или овес. Кроме того, в сухих дрожжах имеются практически все витамины группы В и целый ряд ростовых факторов. В результате этого 1 т кормовых дрожжей, добавленных в корма сельскохозяйственных животных, обеспечивает экономию до 7 т зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины, 5 т мяса птицы или до 15 тыс. шт. яиц. Включение 1 т дрожжей в рацион телят и поросят высвобождает для питания населения 6 т цельного или 1,5 т сухого обезжиренного молока.

Очень велика роль производства аминокислот кормового, пищевого и медицинского применения, различного рода ферментных препаратов, антибиотиков для медицины и ветеринарии, биологических удобрений и средств защиты растений. Все большую роль играют процессы микробной трансформации в производстве витаминов, пищевых продуктов, полусинтетических антибиотиков и лекарственных средств.

Продукты биотехнологии или биотехнологические процессы используют в следующих отраслях: медицина, пищевая промышленность, сельское хозяйство, экология, энергетика, химическая промышленность, нефтедобыча, получение металлов, биоэлектроника, прочие приложения. В настоящее время в биотехнологии выделяют медико-фармацевтическое, продовольственное, сельскохозяйственное и экологическое направления. В соответствии с этим биотехнологию можно разделить на медицинскую, сельскохозяйственную, промышленную и экологическую. Медицинская в свою очередь подразделяется на фармацевтическую и иммунобиологическую [18; 19; 21].

Биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также в принципиально новых технологиях. Биотехнология — это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов. В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов). Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки.

Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты, обладающие разнообразными физико-химическими свойствами и биологическим действием.

Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, которое в результате технологической обработки превращается в конечный продукт, например в медицине (антибиотики, витамины, ферменты, аминокислоты, гормоны, вакцины, антитела, компоненты крови, диагностические препараты, иммуномодуляторы, алкалоиды, пищевые белки, нуклеиновые кислоты, нуклеозиды, нуклеотиды, липиды, анти метаболиты, антиоксиданты, противоглистные и противоопухолевые препараты).

Биотехнология значительно облегчает разработку новых лекарственных препаратов, делая их быстродействующими, дешевыми, безопасными и более эффективными. Вместо того чтобы просто проводить клинические испытания, ученые сейчас уже изучают общие механизмы закономерности возникновения заболеваний. С помощью моделирования они способны разрабатывать и изучать действие новых субстанций. Более 400 фармацевтических компаний по всему миру ведут исследования и разработку продуктов генной инженерии, с каждым годом количество этих продуктов растет, и, по прогнозам, в течение нескольких следующих лет рынок будет насыщаться такими лекарствами.

В 2010 г. на рынке уже были доступны генетические тесты для 25 наиболее распространенных генетических заболеваний, а к 2020 г., по мнению экспертов, новые лекарства, полученные с помощью знаний фармакогеномики, будут обычной практикой в лечении диабета и артериальной гипертензии. А к 2040 г. (по самым скромным подсчетам) наступит эра персонализированной медицины. Биотехнологическая революция в здравоохранении и медицине началась с освоения технологии рекомбинантной ДНК (генетическая инженерия). Произошло это в начале 1970-х гг. и позволило ученым переносить генетический материал от одного организма к другому, минуя процесс полового размножения. Успех технологии рекомбинантных ДНК (рДНК) принесло использование бактериальных ферментов, таких как, например, рестрикционные эндонуклеазы (рестриктазы), которые разрезают молекулы ДНК в определенных местах; ДНК-ли-газы, которые соединяют концы молекул ДНК; ДНК-полимеразы, которые участвуют в репликации ДНК. Каким бы ни было применение этой технологии, конечным итогом процедуры всегда является стабильная и наследуемая экспрессия какого-либо нового признака. Применяется рДНК для модификации различных организмов, но основные этапы работы схожи. Помимо плазмид также используются другие типы векторов — бактериофаги, ретровирусы и космиды.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >