Медицинская биотехнология. Генетическая инженерия

Медицинская биотехнология – наука, которая на основе изучения процессов жизнедеятельности микроорганизмов, использует эти биопроцессы, а также сами биообъекты для промышленного производства продуктов, необходимых для жизни человека. Биотехнология возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, иммунологии и других наук.

Цель биотехнологии: получение продуктов из биообъектов или с их применением, а также воспроизведение биоэффектов, не встречающихся в природе.

История развития биотехнологии:

Эмпирический этап биотехнологии (около6000–5000лет до н. э.): люди научились выпекать хлеб, варить пиво, приготовлять сыр и вино.

Второй, научный этап биотехнологии (открытие Л. Пастером в XIX в. ферментативной природы брожения): получены и выделены ферменты; открыты многие м/о; разработаны способы их выращивания: получены культуры животных и растительных клеток, и разработаны способы искусственного культивирования;

Новая биотехнология основана на достижениях молекулярной биологии и микробиологии, генетики и генной инженерии, иммунологии и химической технологии (искусственно полученные штаммы). Сердцевиной ее явилась генетическая инженерия, индустрия рекомбинантных ДНК.

Одной из важных задач генной инженерии и биотехнологии в наши дни является расшифрование генома человека. Создана программа «Геном человека». Основная цель этой программы — прочтение наследственной информации для исправления наследственных повреждений генома человека. На сегодня расшифровано около 5 тыс. из 40-50тыс. генов ДНК человека, а также расшифрована нуклеотидная последовательность всей ДНК человека.

Направления биотехнологии. В настоящее время выделяют 4

приоритетных направления: медико-фармацевтическое;продовольственное; сельскохозяйственное; экологическое.

Промышленное производство в биотехнологии. Основано на нескольких принципах:

брожении (ферментация); биоконверсии (превращение одного вещества в другое);

культивировании растительных и животных клеток, бактерий и вирусов;

на генетических манипуляциях (генно-инженерныепроцедуры).

Значение биотехнологии:

оздоровление окружающей среды; создание трансгенных животных и растений;

получение уникальных биотехнологических эффектов в целях диагностики, профилактики и лечения врожденных болезней, влияния на свойства генома человека, животных и растений.

Биосенсоры – продукт биотехнологии. Используются для опре-

деления, индикации и идентификации БАВ и макромолекул. Принцип работы биосенсоров: регистрация с помощью датчиков и детекторов физических, химических или биологических эффектов, возникающих при взаимодействии детектируемых клеток и молекул с биореагентами. Биологические объекты – одноклеточные м/о, животные и растительные клетки, организм животных, человека или растений.

Причины выбора биообъектов. Клетки – биофабрики: вырабаты-

вают ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины и т.д.

Короткие сроки воспроизводства (бактерии делятся в течение 20-60мин, дрожжеподобные грибы –1,5-2,0ч., животная клетка – 24 ч.), т.е. за ограниченное время можно нарастить огромное количество биомассы. Биосинтез сложных веществ (белки, а/б, а/г, а/т и др.) значительно экономичнее и технологически доступнее. Исходное сырье для биосинтеза дешевле и доступнее, чем сырье для других видов синтеза (используются отходы сельскохозяйственные, рыбной продукции, пищевой промышленности, растительное сырье). Возможно проведение биотехнологического процесса в промышленных масштабах (наличие технологического оборудования, доступность сырья, технология переработки и т. д.).

Продукты одноклеточных в биотехнологии: сами клетки – ис-

точник целевого продукта; крупные молекулы – продукты синтеза клеток: ферменты, токсины, а/г, а/т, пептидогликаны и др.; первичные метаболиты – низкомолекулярные вещества для роста клеток (аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты и др.); вторичные метаболиты (идиолиты) низкомолекулярные и макромолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток (антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны и др.). Для получения инсулина используется поджелудочная железа КРС и свиней. Для получения гормона роста – гипофизы трупов человека. Для получения Ig используют организм лошадей и других животных, препаратов крови – доноров.

Микроорганизмы и процессы в биотехнологии. На Земле сущест-

вует около 100 тыс. видов бактерий, не считая грибов (250 тыс. видов), вирусов, простейших. В практике используют не более 100 видов микроорганизмов, т.к. остальные мало изучены. Например, дрожжи используют в хлебопечении, пивоварении, виноделии, получении соков, кормового белка, питательных сред для выращивания бактерий и культур животных клеток.

Бактерии используются в биотехнологии. Род Асеtоbасter – для превращения этанола в уксусную кислоту, углекилый газ и воду; род Васillиs – для получения ферментов, средств защиты растений; род Сlоstridium – для сбраживания cахаров в ацетон, этанол, бутанол; псевдомонады – для получения витамина В12; Соrinеbасtеriuт gеntamicum – для получения аминокислот; грибы – для получения разнообразных антибиотиков.

Генетическая инженерия основана на обмене генами между 2- мя хромосомами, который приводит к возникновению клеток или

организмов с двумя и более наследственными детерминантами (генами), по которым родители различались между собой.

Метод генной инженерии заключается в выделении или синтезе ДНК из отличающихся друг от друга организмов или клеток; в получении рекомбинантных молекул ДНК; введении рекомбинантных молекул в живые клетки; создании условий для получения новых клональных клеток.

Ферменты генной инженерии: рестриктазы ДНК; рибозимы РНК

– ферменты, необходимые для получения генетических образований определенной длины.

Технология генной инженерии

Небольшие гены могут быть получены с помощью химического синтеза.

Вначале расшифровывают число и последовательность аминокислот, и по этим данным узнают очередность нуклеотидов в гене (каждой аминокислоте соответствует три нуклеотида (кодон).

С помощью синтезатора создают химическим путем ген, аналогичный природному гену.

Полученный ген с помощью ферментов лигаз сшивают с другим геном (вектором) для встраивания гибридного гена в клетку.

Вектором могут служить плазмиды, бактериофаги, вирусы человека и т.д.

ДляРНК-вирусовпередача генетической информации возможна с помощью ревертазы (обратной транскриптазы), которая передает информацию о структуре белка от РНК к ДНК, и является комплементарной иРНК.

Синтезированный ген в виде рекомбинатной ДНК (плазмида, фаг, вирусная ДНК) встраивается в бактериальную или животную клетку, появляется новое свойство продуцировать несвойственное этой клетке вещество, кодируемое этим геном.

Реципиентом встраиваемого гена могут служить Е. соli, псевдомонады, дрожжи, вирусы.

Также учитывают уровень синтеза вещества, возможности его секреции в окружающую среду, легкости и доступности массового культивирования, экологической безопасности.

Штаммы рекомбинантных бактерий способны переключать на синтез чужеродного вещества до 50 % своей синтетической возможности.

Такие штаммы – суперпродуценты целевых продуктов – уже получены и применяются в биотехнологической промышленности: суперпродуценты триптофана, интерферона и других веществ.

Также с целью повышения уровня секреции целевого белка к гену целевого белка присоединяютген-индикатор.

В результате этой манипуляции получают химерный белок, а из него – целевой белок.

В качестве индикатора может быть, например, β - галактозидаза, можно использовать ген интерферона и т. д.

Продукты генной инженерии. Препараты медицинского и вете-

ринарного назначения: рекомбинантныештаммы-суперпродуценты:вакцины против гепатита В, интерлейкины-1,-2,-3,-6и др., инсулин, гормоны роста, интерфероны α, β, γ, ФНО, антигены ВИЧ, фактор свертываемости крови и т.д.

Препятствия для развития генной инженерии:

Экологическая настороженность кгенно-инженернымпрепаратам и рекомбинантным штаммам м/о. Хотя в настоящее время доказана их безопасность при соблюдении определенных правил.

Использование рекомбинантныхштаммов-продуцентовтребует разработки технологических процессов, что значительно дороже, чем получение штамма.

Требуется проведение исследовательских работ для доказательства их идентичности, решения задач по приданию натуральных свойств продукту.

Тем не менее генно-инженерныйспособ относится к числу самых перспективных при получении многих белковых биологических веществ, ценных для медицины.

Лекция 11