СТАТЬЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

БИОТЕХНОЛОГИЯ. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Предмет и задачи биотехнологии

Биотехнология - область знаний об использовании биообъектов (бактерии, вирусы, грибы, растительные и животные клетки) для получения в промышленных условиях необходимых и ценных для человека продуктов или создания процессов и материалов, ранее не встречавшихся в природе. Биотехнология подразделяется на медицинскую, сельскохозяйственную, промышленную и экологическую.

Медицинская биотехнология решает следующие задачи:

1. создание новых диагностических, лечебных и профилактических препаратов;

2. разработка и использование в практике новых приборов, аппаратуры, а также материалов, восполняющих дефекты в работе отдельных органов и тканей человека;

3. анализ на основе знаний о геноме проблем генодиагностики, генотерапии генопрофилактики наследственных и других заболеваний путем пересадки генов;

4. создание принципиально новых методов для проведения лабораторных и клинических анализов с помощью биосенсоров.

Объекты и процессы в биотехнологии

Основными технологическими принципами, используемыми в биотехнологии, являются: а) брожение (ферментация); б) биоконверсия (превращение одного вещества в другое); в) культивирование бактерий, вирусов, растительных и животных клеток; г) генетическая инженерия.

Любая животная, растительная и микробная клетка своего рода биофабрика, синтезирующая огромное число макромолекул, химических соединений. Она служит своеобразным хранилищем веществ, обладающих биологической активностью и представляющих ценность для медицины, ветеринарии, пищевой промышленности и других сфер народного хозяйства.

Преимущество получения этих веществ из микробной клетки по сравнению, например, с химическим синтезом или другими технологиями очевидно.

Производственная схема получения биотехнологической продукции состоит из следующих основных этапов: 1) культивирование микробов; 2) выделение, концентрирование и очистка целевого продукта (микробной массы, ферментов, антибиотиков, интерферонов, гормонов); 3) приготовление, стандартизация и контроль готового целевого продукта (препарата).

При культивировании растительных клеток получают фармацевтические вещества (мочегонные, сердечно-сосудистые препараты и др.), а животные клетки используют для накопления вирусов с целью изготовления вакцин, антигенов, гормонов и других биологически активных веществ. Культивирование животных и растительных клеток значительно сложнее и дороже, чем культивирование бактерий. Поэтому в биотехнологии интенсивно разрабатываются и уже используются рекомбинантные штаммы бактерий, способные синтезировать продукты растительной и животной природы, в том числе биологически активные вещества, свойственные человеку (гормоны, ферменты, иммуномодуляторы и др.).

Генная инженерия в биотехнологии

Генная инженерия - наука, занимающаяся созданием организмов с новыми свойствами. Материалом для работы в генной инженерии являются нуклеиновые кислоты прокариот, эукариот и вирусов. С помощью современных физико-химических и биологических методов получают рекомбинантные ДНК, которые содержат комбинацию генов различных организмов. Встраивание рекомбинантных ДНК в живую клетку (вирусы, бактерии, дрожжи, растения, животные, человек) приводит к образованию рекомбинантных штаммов, продуцентов БАВ (биологически активных веществ).

При культивировании рекомбинантного штамма в процессе роста и размножения он синтезирует продукт, кодируемый встроенным чужеродным геном.

Получены рекомбинантные штаммы бактерий, дрожжей, вирусов, способные продуцировать разнообразные БАВ: антигены, антитела, ферменты, гормоны, иммуномодуляторы. Многие из них внедрены в практику и применяются в медицине. Это гормоны (инсулин и гормон роста человека), антикоагулянты и тромболитики (тканевой активатор плазминогена), вакцины (против гепатита В), иммуномодуляторы (интерфероны, интерлейкины, фактор некроза опухолей, пептиды тимуса, миелопептиды), ферменты (уреаза), диагностические препараты (на ВИЧ-инфекцию, на вирусные гепатиты), моноклональные антитела, колониестимулирующие факторы, а также многие биологически активные пептиды.

Расшифровка генома человека открывает для генной инженерии большое будущее и позволит решить проблему генотерапии, генопрофилактики и генодиагностики инфекционных и неинфекционных болезней.

ХИМИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ ПРЕПАРАТЫ

Химиотерапия

Химиотерапия - специфическое лечение инфекционных заболеваний, в частности паразитарных, при помощи химических веществ. Важнейшее свойство этих веществ - избирательность действия на болезнетворные микробы в условиях макроорганизма.

Основоположником химиотерапии является немецкий ученый П. Эрлих (1854 - 1915), получивший в 1910 г. первый химиотерапевтический препарат сальварсан (соединение мышьяка, убивающее возбудителя сифилиса, но относительно безвредное для макроорганизма).

Другое выдающееся открытие в химиотерапии было сделано английским бактериологом А. Флемингом (1881 - 1955), который в 1928 г. получил пенициллин. В нашей стране большой вклад в учение об антибиотиках внесли З. В. Ермольева (1898 - 1974) и Г. Ф. Гаузе. (1910 - 1986).

В настоящее время получены тысячи химиотерапевтических препаратов, широко используемых в медицине и ветеринарии.

Антибиотики

Наиболее эффективными препаратами для лечения заболеваний, вызываемых микробами, на современном этапе развития медицины являются антибиотики.

Антибиотики - химиотерапевтические препараты природного происхождения или их синтетические аналоги, обладающие избирательной способностью подавлять или задерживать рост микробов.

В настоящее время существует множество классификаций антибиотиков, однако ни одна из них не является общепризнанной. В основу одной из главных классификаций положена химическая структура антибиотиков (табл. 7.1.).

Таблица 7.1. Классификация природных антибиотиков в зависимости от химической структуры

Класс

Название класса

Некоторые представители

I

β-Лактамы (основные группы: пенициллины, цефалоспорины)

Бензилпенициллин, оксациллин, цефотаксин

II

Макролиды и линкозамиды

Эритромицин, линкомицин

III

Аминогликозиды

Стрептомицин, гентамицин

IV

Тетрациклины

Доксициклин

V

Полипептиды

Полимиксин

VI

Полиены

Нистатин, амфотерицин В

VII

Рифамицины

Рифампицин

Дополнительная группа

Левомицетин, гризеофульвин

Большая часть антибиотиков имеет природное происхождение, и их основными продуцентами являются микробами. Находясь в своей естественной среде обитания (в основном в почве), микробы продуцируют антибиотики в качестве средства борьбы за существование с себе подобными.

В зависимости от источника получения различают шесть групп антибиотиков:

1. антибиотики, полученные из грибов;

2. антибиотики, выделенные из актиномицетов;

3. антибиотики, продуцентами которых являются собственно бактерии;

4. антибиотики животного происхождения;

5. антибиотики растительного происхождения;

6. синтетические антибиотики.

Существуют три способа получения антибиотиков: 1) биологический синтез; 2) химический синтез; 3) комбинированный способ (представляет собой сочетание двух предыдущих). Антибиотики, полученные комбинированным способом, называются полусинтетическими.

По направленности действия антибиотики делят на пять групп в зависимости от природы микробов, на которые они воздействуют: антибактериальные, противогрибковые, антипротозойные, противовирусные и противоопухолевые. В отдельные группы выделяют противотуберкулезные, противолепрозные и противосифилитические препараты.

Различают два типа антимикробного действия антибиотиков: бактерицидное (фунгицидное), вызывающее гибель бактерий либо грибов и бактериостатическое (фунгиостатическое), задерживающее их рост и развитие.

По спектру действия антибактериальные антибиотики делятся на: узкого (действующие на грамположительные или грамотрицательные бактерии) и широкого (действующие на грамположительные и грамотрицательные бактерии) спектра действия.

При использовании антибиотиков для лечения инфекционных заболеваний они могут оказывать неблагоприятное побочное влияние на макроорганизм (токсические реакции, дисбиозы, аллергическое и иммунодепрессивное действие), а также вызывать изменения самих микроорганизмов (образование L-форм, формирование антибиотикоустойчивости).