7. Перспективы развития биотехнологии.

Поясним возможности биотехнологии на ряде отдельных примеров.

Изучение медикаментов является предметом многих дисциплин, среди которых основная роль принадлежит химии и фармакологии. Роль биотехнологии еще примерно 20 лет назад была ограничена разработкой антибиотиков и вакцин. Благодаря разработке технологии рекомбинантной ДНК значимость биотехнологии для изучения медикаментов возросла. В конце 1993 г. в США были доступны уже более 20 новых медикаментов, разработанных с помощью биотехнологии, общая стоимость которых составляла примерно 8 млрд. долларов. Однако эта большая абсолютная цифра составляет лишь малый процент от общего оборота средств, получаемых от продажи медикаментов. Ожидается, что вклад биотехнологии в ближайшие годы возрастет еще сильнее. В настоящее время клиническое изучение проходят около 150 биотехнологических продуктов. Еще больше проектов находятся в стадии лабораторных разработок. Недавно проведенное изучение направлений работы больших американских фармацевтических компаний показало, что более 30 % исследовательских проектов базируется на биотехнологии.

Большая ценность современной биотехнологии заключается, главным образом, в возможности идентифицировать специфическую генетическую информацию, клонировать и привести к экспрессии. Благодаря этому индивидуальные гены и продукты, которые эти гены кодируют, становятся доступными для исследования и использования. Иногда в качестве медикамента может быть использован сам генетический продукт. К первому поколению биотехнологических продуктов принадлежат «биопрепараты». Медико-биотехнологические исследования также позволили достичь лучшего понимания патогенеза и фармакологии. В связи с этим при разработке улучшенных и новых медикаментов очень важно изучение эндогенных медиаторов (таких, как гормоны, факторы роста, нейромедиаторы и т.д.), их рецепторов и клеточных реакций, которые эти медиаторы осуществляют.

Биопрепараты.

Первой важной разработкой явилось создание технологии, позволяющей идентифицировать, изолировать или синтезировать и привести к экспрессии в клетке хозяина гены, которые кодируют человеческие полипептидные гормоны. Первые «рекомбинантные биопрепараты», инсулин и гормон роста, являются относительно простыми белками, которые могут производится бактериями, например, Escherichia coli. Другие белки, такие как эпоэтин (эритропоэтин), человеческий хориогонадотропин (ЧХГ) и менопауза-гонадотропин (фолликулостимулирующий гормон – ФСГ), имеют гораздо более сложное строение. При продукции этих гормонов после синтеза белков (трансляции) следует еще несколько биохимических реакций, например, реакция присоединения углеводородных боковых цепей. Эти углеводороды обеспечивают биологическую активность белков. Так как бактерии не в состоянии осуществлять комплексные биохимические реакции, такие как гликозилирование, для подготовки рекомбинантных ДНК гликопротеинов должны использоваться клетки более высокоорганизованных организмов, например, клетки млекопитающих. В настоящее время разработано большое число «систем хозяев» (например, бактерии – дрожжи – клетки млекопитающих), благодаря чему возможна эффективная продукция большого числа разнообразных белков.

Некоторые медикаменты уже производятся с использованием биотехнологии. Инсулин (хумулин), соматотропин (химатроп), интерферон (роферон, интрон А, имукин, фрон), эпоэтин (апрекс, рекормон), и различные человеческие антитела уже применяются при лечении гормональных недостаточностей, тромбоза, воспалений и рака. Многие другие белки в настоящий момент проходят клинические испытания на терапевтическую ценность. Ожидается, что в ближайшие годы будет идентифицировано еще много новых белков. Некоторые из них, безусловно, окажутся ценными медикаментами.

Новым направление получения биопрепаратов является мутагенез – синтез биологически активных белков с измененным действием. Белки часто представляют собой большие молекулы, различные участки которых выполняют собственные функции, например, связывание с другими белками и ферментативная активность. Участки одних белков часто могут быть встроены в другие, благодаря чему возникает новый продукт, объединяющий в себе желательные качества нескольких различных белков. Этот подход используется в «инженерии антител», с его помощью осуществляются, например, «гуманизация» моноклональных антител, выделенных от мышей, и приготовление иммунотоксинов. Однако с использованием белков связаны не только большие ожидания, но и серьезные проблемы. При парентеральном применении белка быстро расщепляются протеазой в плазме и в печени. Оральное применение белков практически невозможно из-за расщепления в желудочно-кишечном тракте и отсутствия абсорбции. С терапевтическими целями белки, таким образом, должны применятся парентерально. Это приемлемо в острых случаях, когда существует угроза жизни. При хронических заболеваниях длительное парентеральное применение создает много неудобств для пациента. Проводится много исследований, направленных на поиск альтернативных фармацевтических лекарственных форм, таких как назальный спрей и имплантанты.

Другим способом решения проблемы является модификация белков и пептидов с тем, чтобы сделать возможным их оральное применение, причем изменяются физико-химические качества белка, а его физиологическая активность сохраняется. В общем модификация направлена на стабилизацию белка против протеолитического разложения и на улучшение транспорта через мембрану. Часто стараются применять лишь ту часть или те части белка, которые непосредственно взаимодействуют с «мишенью» в организме. Полученные таким образом биоактивные пептиды могут быть впоследствии использованы в качестве «ведущего состава» для синтеза орально активных и/или метаболически стабильных пептидов. Подобный подход был применен при разработке нейропептидов, производных кортикотропина (адренокортикотропный гормон – АКТГ).

Большое будущее принадлежит работам по расшифровке и пересадке генов азотфиксации. Известны микроорганизмы (клубеньковые бактерии), которые в симбиозе с некоторыми растениями способны усваивать атмосферный азот. Если ввести гены с таким «характером» в генетический аппарат других микроорганизмов и злаковых растений, то была бы снята проблема азотистых удобрений. Сейчас над этой проблемой трудятся коллективы многих институтов.

Современная наука позволяет культивировать на искусственных средах не только микроорганизмы, но и клетки растений и животных. Из одной растительной клетки в определенных условиях можно выращивать целое растение, а также получать биомассу, содержащую все компоненты взрослого растительного организма.

Таким образом, биотехнология, это, в сущности, не что иное, как использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ.

Согласно определению Европейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 г., биотехнология на основе применения знаний и методов биотехнологии, генетики и химической техники позволяет извлекать выгоду в технологических процессах из свойств микроорганизмов и клеточных культур. Она создает возможность получения с помощью легко доступных и возобновляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для жизни и благосостояния людей.

В промышленном масштабе подобная биотехнология представляет собой уже биоиндустрию. Последняя включает в себя, с одной стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успехом заменить широко используемые в настоящее время традиционные методы, а с другой – отрасли, в которых биотехнология играет ведущую роль. Среди первых в области химической промышленности назовем синтез искусственных приправ, полимеров и сырья для текстильной промышленности, в области энергетики – получения метанола, этанола, биогаза и водорода, в области биометаллургии – извлечение некоторых металлов. Во второй группе отраслей биотехнологии охватывает производство продовольствия (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов, а также для использования их ферментов); увеличение продуктивности сельского хозяйства (клонирование и селекция сортов растений, исходя из тканевых и клеточных культур, производство биоинсектицидов); фармацевтическую промышленность (разработка вакцин, синтез гормонов, интерферонов и антибиотиков); защиту окружающей среды и уменьшение ее загрязнения (очистка сточных вод, переработка хозяйственных отходов, изготовление компоста, а также производство соединений, поддающихся расщеплению микроорганизмам).

Литература:

1. Биотехнология в 8-ми томах/ Под ред. Егорова Н.С., Самуилова В.Д. – М.: Высш.шк. – 1988.

2. Биотехнология: принципы и применения/ Под ред. Хиггинса И., Беста Д., Джонса Дж. – М.: Мир. – 1988.

3. Елинов Н.П. Основы биотехнологии. СПб.: ИФ Наук. – 1995.

4. Сельскохозяйственная биотехнология: Учеб. / Под ред. В.С. Шевелухи. – М.: Высш. шк. – 1988. – 416с.

5. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды/ Пер. с англ. Мехедова С.Л., Миркина С.М. – М.: Мир. – 1987. – 410с.

6. Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. – М.: Высш. шк. – 1998. – 287с.

7. Словарь по биотехнологии / Симонян А.В., Покровская Ю.С. – Волгоград. – 2002.

8. Лекционный материал по биотехнологии.

Темы рефератов.

1. Этапы становления биотехнологии как науки и сферы производства.

2. Биотехнология: основные направления развития.

3. Связь биотехнологии с различными отраслями народного хозяйства.

4. Состояние и направления развития биотехнологии лекарственных форм – традиционных и инновационных.

5. Проблемы и перспективы совершенствования генома человека.

6. Природные и синтетические материалы, используемые для создания репродуктивных тканей.

7. Современные проблемы геронтологии и роль биотехнологии в их решении.

Приложение 1.

Основные направления практического применения достижений биотехнологии:

Микробиотехнология	Фитобиотехнология	Зообиотехнология
В легкой, пищевой, медицинской, химической, нефтедобывающей, косметической промышленности, металлургии, водном хозяйстве, области защиты окружающей среды, энергетике.	В агропромышленном комплексе, в медицинской и косметической промышленности.	В животноводстве, медицинской и пищевой промышленности.

Приложение 2.

Процессы в промышленной микробиотехнологии:

Характеристика процесса	Целевые продукты	Название целевых продуктов или процессов
Биосинтез	Метаболиты:	Аминокислоты, нуклеозиды, нуклеотиды
	первичные	Нуклеиновые кислоты, ферменты
	вторичные	Алкалоиды, антибиотики, гибберелины, гликаны, органические кислоты, кетоны, спирты, липиды, амнокислоты, пептидные гормоны
	Клеточная масса	Пекарские и пивные дрожжи, кормовой и пищевой белок, вакцины и антигенные вещества
Трансформация	Неорганические вещества	Обнаружение металлов, обогащение бедных руд
	Органические вещества	Компостирование отходов, получение биогаза, детоксикация, дезодорация и обезвреживание, например, поверхностно-активных веществ, определение (анализ) веществ по продуктам трансформации, кисломолочные продукты и сыры, хлебно-булочные изделия, квашение и соление овощей, силосование кормов, мочка льна и джута, ферментация чая, табака, кофе, какао, маслин, пивоварение, виноделие, винокурение

19