Файл: 1. Биотехнология и медицина. 2.docx

Содержание

1. Биотехнология и медицина.

Медицинские биотехнологии подразделяются на диагностические и лечебные.

Диагностические медицинские биотехнологии подразделяются на химические (определение диагностических веществ и параметров их обмена) и физические (определение физических полей организма).

Определение физических полей человеческого организма имеет большое диагностическое значение. Физическая диагностика дешевле и быстрее, чем химическая, поэтому ее роль в будущем будет возрастать.

Раньше диагностические химические биотехнологии сводились к определению в тканях и биологических жидкостях веществ, имеющих диагностическое значение. Назовем этот подход статическим. В настоящее время диагностика использует определение скоростей образования и распада, представляющих интерес веществ, а также определение активности ферментов, осуществляющих соответственно синтез и деградацию этих веществ. Назовем этот подход динамическим. И, наконец диагностика стала оценивать влияние на метаболизм диагностических веществ определенных функциональных воздействий. Такой подход можно назвать функциональным. Он позволяет выявить резервные возможности организма.

Наиболее актуальными проблемами современной медицины являются борьба с сердечно-сосудистыми заболеваниями (прежде всего с атеросклерозом), с онкологическими заболеваниями, с аллергиями, старением и с вирусными инфекциями (в том числе со СПИДом)[2].

По мнению ряда специалистов, решение проблемы онкологических заболеваний будет достигнуто с помощью иммунологических методов, позволяющих избирательно уничтожать опухолевые клетки. Решение проблемы рака должно повысить среднюю продолжительность жизни.

Решение проблем аллергических заболеваний определяется развитием иммунологии и прогрессом в изучении такой фундаментальной проблемы медицины, как воспаление. Химиотерапия и антибиотики, позволяющие эффективно бороться с бактериальной инфекцией, не эффективны в отношении вирусов. Предполагается, что существенный прогресс в деле борьбы с вирусными инфекциями будет, достигнут за счет развития молекулярной биологии вирусов, в частности изучения взаимодействия вирусов со специфическими для них клеточными рецепторами.

---

Расшифровка генома человека и успехи в клонировании животных открывают ошеломляющие перспективы в медицине. Использование метода клонирования человека может привести к созданию банка "запасных частей" для конкретных людей и обеспечить весьма значительное продление их жизни. Однако против этого выдвигаются возражения морального порядка. Представляется, что дилемма будет разрешена с созданием технологий клонирования тканей и органов.

Еще одну революцию в медицине вызывает изучение так называемых стволовых клеток, т.е. клеток, которые являются предшественниками других типов клеток, включая нервные.

Стволовые клетки могут давать начало любым клеткам организма - и кожным, и нервным, и клеткам крови. Стволовые клетки способны превращаться в клетки всех типов тканей: клетки крови, внутренних органов, мышечных и костных тканей, кожного покрова, нейроны и др. Также они принимают непосредственное участие в регенеративных процессах организма и могут замедлять процесс старения. Использование стволовых клеток - это в перспективе решение проблемы регенерации, т.е. радикального лечения инсульта, инфаркта, восстановления утраченных конечностей и т.п., а также весьма существенное продление жизни.

Представляется, что сейчас лидерами медицинской науки являются медицинская генетика и иммунология. Медицинская генетика может не только предотвращать появление на свет генетически неполноценных детей путем генетического консультирования их родителей и диагностировать генетические заболевания. Ее перспектива-это пересадка генов и управление их активностью. Иммунология позволяет создавать новые подходы к лечению иммунологических заболеваний (в том числе иммунодефицитов, аутоиммунных заболеваний и аллергии), инфекционных и онкологических заболеваний.

Помимо широкого применения в сельском хозяйстве, на основе генной инженерии возникла целая отрасль фармацевтической промышленности, называемая “индустрией ДНК” и представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии. Более четверти всех лекарств, используемых сейчас в мире, содержат ингредиенты из растений. Генно-модифицированные растения являются дешевым и безопасным источником для получения полностью функциональных лекарственных белков (антител, вакцин, ферментов и др.) как для человека, так и для животных. Примерами применения генной инженерии в медицине являются также производство человеческого инсулина, производство эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге. Разработка методов генной инженерии привела к тому "биотехнологическому буму", свидетелями которого мы являемся. Генетическая паспортизация позволяет прогнозировать и уменьшать риски сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, исследовать и предотвращать нейродегенеративные заболевания и процессы старения, анализировать нейро-физиологические особенности личности на молекулярном уровне), диагностирование генетических заболеваний, создание ДНК-вакцин, генотерапия различных заболеваний и т.д.

---

2. Системы теплообмена, пеногашения и стерилизации биореакторов. Аппараты периодического и непрерывного действия.

Теплообмен в биореакторах осуществляется с помощью труб с охлаждающим или нагревающим агентом, которые оплетают аппарат и образуют так называемую рубашку реактора. Иногда эта система труб располагается непосредственно в полости ферментера. Нагревающими агентами в промышленных биореакторах служат горячая вода или пар, в лабораторных ферментерах чаще используется электрический подогрев[3]. 

Система пеногашения биореактора – это средство борьбы с избыточным пенообразованием. Существуют химические, механические, акустические и другие виды пеногашения. Наиболее часто применяют химические и механические способы. К химическим средствам пеногашения относятся поверхностно активные вещества, которые, внедряясь в стенки пузырей, становятся центрами их неустойчивости. Эффективными пеногаситслями служат растительные масла и животные жиры. Недостатком этих пеногасителей является то, что при их утилизации микробными клетками сами по себе способствуют пенообразованию. Механические пеногасители представляют собой различные устройства, сбивающие пену: диски, лопасти, барабаны, располагающиеся в верхней части реактора. Более сложными приспособлениями являются сепараторы пены, которые одновременно служат для сбора биомассы, содержащейся в пенном слое. Устройства и режим стерилизации определяется конструкцией биореактора, вспомогательного оборудования, используемых питательных сред и т. п. Наибольшее значение имеют термический метод стерилизации оборудования и сред и фильтрационный способ, применяемый для удаления микроорганизмов из подаваемогов ферментеры воздуха или другого газа.

Периодический процесс состоит из следующих этапов:

1) стерилизация сред, биореактора и вспомогательного оборудования;

2) загрузка аппарата питательной средой;

3) внесение посевного материала (клеток, спор);

4) рост культуры, который может совпадать во времени со следующим этапом или предшествовать ему;

5) синтез целевого продукта;

6) отделение и очистка готового продукта;

7) мойка биореактора и его подготовка к новому циклу.

Этап роста культуры включает все основные фазы роста (см. § 5). Биотехнологически ценные продукты синтезируются в экспоненциальную фазу (нуклеотиды, многие ферменты, витамины) или в стационарную фазу роста (антибиотики, красящие вещества и др.).

---

Впервые изученное В.Н. Шапошниковым ацетонобутиловое брожение является классическим примером переключения культуры с синтеза одного продукта на синтез другого. Продуцент, анаэробная бактерия Clostridium acetobutylicum, образует вначале органические кислоты (в большей степени масляную). Это ведет к постепенному снижению рН среды культивирования. Когда рН достигает порогового значения, клетки бактерии переключаются на синтез нейтральных продуктов – ацетона и бутанола. Аналогичная двухфазность в образовании продуктов характерна для многих других организмов.

Периодическое культивирование с подпиткой: в процессе культивирования в аппарат добавляют питательные вещества через определенные промежутки времени порциями или непрерывно «по каплям». Иногда дополнительно вносят биообъект.

Отъемно-доливочное (или полунепрерывное)культивирование: часть объема из биореактора время от времени изымается при добавлении эквивалентного объема среды. В результате происходит регулярное омолаживание культуры и задержка ее перехода к фазе отмирания.

Непрерывные процессы.

В непрерывных процессах биообъект постоянно поддерживается в экспоненциальной фазе роста. Для этого обеспечивается непрерывный приток свежей питательной среды в биореактор и отток из него культуральной жидкости, содержащей клетки и продукты их жизнедеятельности. Фундаментальным принципом непрерывных процессов служит равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой.

3.Промышленное производство белка одноклеточных организмов (БОО и БВК). Основные константы при непрырывном культивировании микроорганизмов.

Понятие БОО появилось в литературе в 60-х гг. и обозначает инактивированную массу бактерий, дрожжей, грибов, водорослей (БВК - белково-витаминный концентрат).

Это высококачественный продукт, т. к. содержание белка может достигать 60% от сухой массы. При этом такой продукт содержит определенное количество углеводов, витаминов, микро- и макроэлементов. Отсутствие посевных площадей. Процесс не зависит от погоды, климата, поддается точному планированию и автоматизации. Получаемые продукты стандартны, возможна утилизация промышленных отходов.

Открывателем БОО был Пастер. На солях аммония и органических соединения. Затем стали использовать прессованные дрожжи. Во время I и II Мировой войн, дрожжи использовали как пищевую добавку. В 1935 г. в СССР был открыт 1-й завод по получению БОО из кукурузных кочерыжек. В 60-е гг. начали использовать парафины нефти. Среди бактерий используется ок. 30 видов[4].

---

Получают путем глубинного культивирования в хемостатах и ферментерах. После проведения полного цикла ферментации белок имеет вид слабоокрашенного порошка, хлопьев.

В зависимости от субстрата белок имеет разные названия:

Паприн – дрожжи на парафинах нефти;

Эприн – дрожжи на этаноле;

Меприн – дрожжи на метаноле;

Требования к белку: перевариваемость, питательность, экономическая эффективность при получении.

В отношении экономической эффективности учитывается доступность сырья. Это означает возможность замены одних субстратов другими.

БОО не должны содержать патогенных м/о, канцерогены, токсины, ионы тяжелых Ме.

Одной из самых основных характеристик БОО явл. сбалансированность его состава. Для оценки этого показателя СКОР – ВОЗ рекомендует использовать как эталон белок куриного яйца и молока человека. При определении СКОР учитывается содержание незаменимых аминокислот, по отношению к общему содержанию каждого из них. Незаменимая аминокислота, которая встречается в наименьшем количестве называется 1-я незаменимая аминокислота (лимитирующая). Отношение процентного содержания этой аминокислоты в эталонном белке и исследуемом и называется СКОР.

Получаемые БОО делят на 3 гр. по возможности использования.

Белки технические (используются как добавки в корм пушных зверей, для приготовления микробиологических сред);

Кормовые (в с/х);

Пищевые – для человека – микопротеин – продуценты грибы рода Fruzarium, выращиваются на глюкозе и аммиаке, как источник C, N.

После проведения ферментации культуральная жидкость подвергается вакуумной фильтрации и мицелий который образуется, высушивается и добавляется в пищу.

Процессы культивирования разделяют на периодические и непрерывные. При периодическом режиме в культиватор одновременно закладывают все необходимое для роста микроорганизмов (субстраты) и некоторую “затравку” биомассы, после чего популяция микроорганизмов растет и развивается по своим законам. В некоторый момент времени производится изъятие биомассы. Затем процесс повторяется. Таким образом, снятие урожая производится периодически, и каждый раз популяция проходит через все стадии роста.

Непрерывные культуры микроорганизмов ‑ это культуры, в которые все время добавляется питательная среды, а часть содержимого, в том числе живые организмы ‑ биомасса ‑ постоянно удаляется. Эти условия имитируют естественные проточные системы. Однако в отличие от естественных систем, условия среды и развития микроорганизмов в установках непрерывного культивирования в лабораториях и на промышленных предприятиях находятся под контролем и могут быть стабилизированы. Это позволяет проводить эксперименты с культурами микроорганизмов по изучению популяционных законов развития видов и их сообществ, наблюдать процессы микроэволюции.

---