Биокаталитические биосинтетические и биосенсорные технологии реферат
Обновлено: 03.07.2024
3 Живые системы Технологии Живых Систем – одно из основных направлений, определяющее место и роль России в современном мире Уже сейчас биотехнологии определяют состояние крупнейших отраслей. Пищевая промышленность, фарминдустрия, целлюлозно-бумажная, текстильная промышленности и многие другие сектора экономики с многомиллиардными оборотами во многом зависят от прогресса в области новых, т.н. постгеномных биотехнологий. Лекарственная и продовольственная безопасность, борьба с террористической угрозой, экологическая и демографическая обстановка в стране, усиление экономического потенциала – все это напрямую связано и обусловлено состоянием дел в отечественной биотехнологии.
4 В этих областях в России существуют сложившиеся научные коллективы, проводящие исследования на мировом уровне Живые системы Критические Технологии РФ в области Живых Систем 1.клеточные технологии 2.технологии биоинженерии 3.геномные и постгеномные технологии создания лекарственных средств 4.технологии биокатализа и биосинтеза 5.биосенсорные технологии 6.биомедицинские технологии жизнеобеспечения и защиты человека
5 Живые системы Представлен краткий анализ ситуации в каждой из Критических Технологий в области наук о жизни в контексте необходимых мероприятий со стороны Министерства образования и науки РФ по их поддержке, развитию, созданию точек роста и разработке инновационных продуктов и технологий для перспективных сегментов рынка.
6 Живые системы I.I. Проблемно-ориентированные поисковые исследования фундаментального характера 3 млн руб/год II. Прикладные разработки в рамках приоритетных направлений 5 млн руб/год III. Опытно-конструкторские, технологические и экспериментальные разработки по приоритетным направлениям 10 млн руб/год IV.Комплексные проекты 60 млн руб/год Типы проектов
7 Живые системы Комплексный проект Основной целью формирования данных проектов является концентрация ресурсов и повышение эффективности управления НИОКР, ориентированных на коммерциализуемый результат. Комплексный проект представляет собой совокупность взаимосвязанных общей генеральной целью проектов и мероприятий: опытно-конструкторских и технологических разработок, развития приборной базы, уникальных стендов и центров коллективного пользования. В результате реализации комплексных проектов должен быть преодолен разрыв в уровне готовности к коммерциализации разработок, осуществляемых в отдельных проектах, и в уровне разработок, на котором может быть осуществлено вовлечение в проект коммерческих партнеров.
8 Основное назначение Контролируемое изменение и создание нового генетического материала клеток, приводящее к исправлению наследственных или приобретенных генетических дефектов живого организма, использование клеток для терапевтических целей. Инновационный потенциал использование фетальных тканей и стволовых клеток в лечебных. целях; продукты на основе стволовых клеток; продуценты клеток, тканей и органов для трансплантационной. хирургии; банки стволовых клеток. Живые системы Клеточные технологии
9 Клеточные технологии являются одной из наиболее молодых и бурно растущих областей современной биотехнологии. В ближайшие несколько лет исследования будут носить в основном ориентированный характер, будет разработан и освоен набор базовых технологий, на основе которых уже в ближайшем времени можно ожидать появления новых инновационных идей и продуктов. Целесообразно провести широкий конкурс с целью выявления новых идей и идентификации наиболее конкурентоспособных коллективов, сделав упор на проблемно-ориентированные проекты, подкрепив их 2-3 прикладными темами. Целесообразно также осуществление комплексного проекта с целью создания технологической платформы для применения мультипотентных стволовых клеток человека в медицине. Живые системы Клеточные технологии
10 Живые системы Технологии биоинженерии Основное назначение Использование и совершенствование живых организмов, биологических молекул, получение биологически активных соединений, не имеющих природных аналогов. Генно-инженерные организмы для получения биологически активных соединений. Инновационный потенциал индивидуальная диагностика, профилактика и терапия; иммунобиопрепараты на основе гуманизированных антител,. вакцины нового поколения; высокоселективные лекарственные препараты; трансгенные высокорезистентные и высокоурожайные сорта. растений; микроорганизмы для получения биологически активных. соединений, ремедиации окружающей среды, обогащения почв,. полезных ископаемых.
11 Живые системы Технологии биоинженерии Биоинженерия является непременным компонентом любого современного исследования в области постгеномной биологии и во многом определяет прогресс в этой области. Целесообразна поддержка нескольких взаимоувязанных проектов, приводящих к созданию комплексных технологических платформ. Дополнительно предлагается объявить широкий конкурс ориентированных проектов с целью скрининга новых идей.
12 Живые системы Постгеномные технологии создания лекарственных средств Основное назначение Создание новых поколений лекарственных средств, базирующихся на достижениях в расшифровке генома человека и характеризующихся высокой эффективностью и отсутствием побочных эффектов. Инновационный потенциал высокоселективные лекарственные препараты, направленные на. мишени клеточных мембран; лекарственные препараты внутриклеточного действия; лекарственные препараты на основе модифицированных. фрагментов ДНК для генной терапии; лекарственные препараты на основе гуманизированных. моноклональных антител; высокотехнологичные научно-производственные услуги для. российских и международных научных учреждений и. фармацевтических компаний.
13 Живые системы Постгеномные технологии создания лекарственных средств Расшифровка человеческого генома привела к резкому росту числа потенциальных мишеней для создания новых лекарственных средств. С другой стороны, крупные фармкомпании заинтересованы в проведении научно- исследовательских работ, связанных с поиском т.н. соединений- лидеров, нацеленных на определенный круг белковых мишеней и способных стать прообразами новых лекарственных препаратов. В РФ имеется небольшое число коллективов, способных к выполнению работ полного цикла - до уровня подтвержденных кандидатов на создание новых лекарственных средств. Целесообразно объявление конкурса на 2 комплексных проекта и шлейфа поддерживающих активностей в сфере ориентированных и прикладных исследований.
14 Живые системы Технологии биокатализа и биосинтеза Основное назначение Создание новых высокоэффективных и специфичных биокатализаторов, существенное повышение эффективности использования сырья и улучшение экологических показателей производственных процессов, улучшение существующих и разработка новых процессов и технологий получения биологически активных веществ, базовых химических структур и блоков, разработка и производство биосовместимых и биоразлагаемых материалов. Инновационный потенциал биосовместимые и биоразлагаемые материалы; новые биоматериалы; ферменты для пищевой и целлюлозно - бумажной промышленности; ферменты для сельского хозяйства; ферменты для молекулярной биологии и генетической инженерии.
15 Живые системы Технологии биокатализа и биосинтеза В РФ существует ряд стабильно развивающихся секторов экономики, которые технологически основаны на использовании ферментов или ферментных препаратов. Это – пищевая, спиртовая, целлюлозно-бумажная и текстильная отрасли, а также производство кормов. Российские компании уже продемонстрировали свою конкурентоспособность в жестком противостоянии с импортной продукцией, которая оказывает сильное давление на отечественный рынок. Следует объявить конкурсы по нескольким комплексным проектам с существенным развитием лабораторной базы и созданием одного-двух центров коллективного пользования. Необходимо обеспечить участие в проектах как научно- исследовательских, так и внедренческих структур. Чтобы не ослаблять приток новых идей в это конкурентоспособное направление, целесообразно объявить конкурс на ориентированные и поисковые работы (7-10 проектов) с широкими формулировками тем для выявления новых идей и коллективов.
16 Живые системы Биосенсорные Технологии Основное назначение Разработка и производство высокочувствительных биосенсоров различных типов, обладающих высокой разрешающей способностью. Инновационный потенциал молекулярная диагностика наиболее распространенных. болезней человека, а также возбудителей инфекционных. заболеваний в пищевых продуктах и окружающей среде; средства индивидуальной диагностики; системы мониторинга окружающей среды и предупреждения. экологических и техногенных катастроф; новая реагентная база для био(иммуно)сенсорных систем.
17 Кроме социально значимых секторов народного хозяйства эти технологии также востребованы в таких критических для безопасности страны областях как борьба с биотерроризмом, наркотрафиком и т.п. В области молекулярных методов многопараметрического анализа (биочипы) Россия имеет прочные позиции, которые позволяют ей рассчитывать на значительную долю как отечественного, так и мирового рынка. Рекомендуется поддержать 2 комплексных проекта, включающие в себя прикладные исследования, ОКР и развитие лабораторной базы. Целесообразно также поддержать перспективные работы по созданию биосенсорных технологий. Для чего объявить конкурс в сфере прикладных и поисковых проектов с широкими формулировками для продвижения исследований перспективных групп и для поиска новых. Живые системы Биосенсорные Технологии
18 Живые системы Биомедицинские технологии жизнеобеспечения и защиты человека Данное направление характеризуется высокой социальной значимостью поскольку напрямую связано с обеспечением качества жизни и увеличением ее продолжительности. В России существуют значительные заделы, которые в течение многих лет накапливались в экстремальной и космической медицине. Здесь у нас несомненный мировой приоритет. Созданные продукты и технологии могут быть востребованы в таких областях как практическое здравоохранение, спортивная медицина. Ряд разработок напрямую связан с обеспечением безопасности страны и населения: предотвращение техногенных катастроф, снижения аварийности и т.п. Возможно объявление конкурсов на два комплексных проекта и проект ОКР, ориентированных на конкурентоспособные технологические разработки, на 4 прикладных проекта в областях, где признается продвинутость разработок, и на 3 поисковых проекта для систематизации ранее полученных результатов и восстановления системы генерации идей.
19 Живые системы В целом, концентрация усилий и финансовых средств на данных основных направлениях сферы технологии живых систем позволит в сравнительно короткие сроки и при относительно невысоких дополнительных инвестициях обеспечить запуск в производство ряда инновационных продуктов в области здравоохранения, сельского хозяйства и промышленности, способствуя тем самым решению задачи опережающего развития высокотехнологичных отраслей экономики, конкурентоспособных на мировом рынке.
20 Живые системы Участие ВУЗов в работах ФЦНТП (млн. руб.) Приоритетное направлениеЛотыЗаявкиКон- тракты Бюджет 2005Бюджет 2006 БЕ – Безопасность и противодействие терроризму 9 из 1522 из 874 из 1520,15 из 222,15 (9%) 24,35 из 216,35 (11%) ЖС – живые системы33 из 6875 из из из 749,8 (19%) 146 из 655,1 (23%) ИН – Индустрия наносистем и материалы 48 из из из ,5 из 735,6 (22%) 183,2 из 1000,7 (18%) ИТ – Информационно- телекоммуникационные системы 28 из 4648 из из 4381 из 388,5 (21%) 76,9 из 374,9 (20%) РП – Рациональное природопользование 13 из 2919 из 1175 из 2816 из 204,5 (8%) 17,5 из 243,5 (7%) ЭЭ – Энергетика и энергосбережение 22 из 4142 из 1865 из 4131,5 из 445,5 (7%) 21,5 из 427 (5%)
Оптические биосенсоры представляют собой еще одну важную технологию в области биосенсорного анализа, основывающуюся на применении оптоволоконной химии. Выявление индивидуальных молекул, например, ДНК или пептидов, наиболее эффективно при использовании перекрестно-сшитых гидрогелей, имеющих высокий коэффициент вместимости и гидрофильную природу. Были разработаны оптические биосенсоры для измерения количества ДНК, имеющие широкое применение в биомедицине и криминалистике. Комбинации биологических материалов, такие как фермент/субстрат, антитело/антиген и нуклеиновые кислоты совершили революцию в технологии оптических биосенсоров.
Помимо этого, в биосенсорную систему можно инкорпорировать микроорганизмы, животные или растительные клетки, а также срезы тканей. Недавние достижения в области молекулярной оптоэлектроники обусловили возможность появления оптических биометрических систем распознавания. Интегрированная оптическая технология позволяет инкорпорировать как пассивных, так и активных оптических компонентов в один и тот же субстрат для разработки минимизированных компактных регистрирующих устройств при производстве множества сенсоров на одном чипе. В данном контексте высококачественные полимеры используются для изготовления гибридных систем для оптических биосенсоров. Фактически технология оптических биосенсоров была усовершенствована с помощью современных инноваций в области анализа морфологии поверхностей с помощью высокотехнологичных электронной и атомно-силовой микроскопии. Несмотря на это, порог обнаружения оптических биосенсоров никогда не приближался к фемто-уровню из-за стоимости приборного оснащения и непортативности устройства. Современные оптические технологии с использованием наномеханических биосенсоров на основе микрокантилеверов или технологии поверхностного резонанса легли в основу инновационных ДНК-чипов, по крайней мере, для проведения специфичного и чувствительного анализа в режиме реального времени. Преимущества оптических биосенсоров главным образом заключаются в высокой скорости проведения анализа с устойчивостью сигнала к электрической или магнитной интерференции, а также потенциальном спектре предоставляемой информации. С другой стороны, основным недостатком является высокая стоимость, обусловленная определенными требованиями к оборудованию. Решение других технических проблем, таких как сложность иммобилизации, в особенности для биопроизводства, и необходимость стерильных условий, является критичным вопросом для получения максимальной пользы от оптических биосенсоров.
Биопроизводство медицинских устройств обеспечивает лучшие результаты с точки зрения массового производства биосенсоров. Электрохимические и оптические биосенсоры являются основными технологическими компонентами при разработке высококлассных биосенсоров. Серьезные достижения в области технологий микро- и нанопроизводства обеспечили возможность разработки механических устройств с движущимися деталями наноразмеров. Возможность производства таких структур с применением процедур обработки полупроводниковых материалов объединила биофизические и биоинженерные принципы в направлении прогресса микро- и наноэлектромеханических биосенсоров, пригодных для массового производства. Материалы на основе стекла, оксида кремния и кварца успешно используются после мечения флуоресцирующими агентами или золотыми наночастицами. Несмотря на то, что такие биосенсоры обладают более высокой точностью при выявлении индивидуальных молекул, их малозатратное массовое производство менее реально. Массовое производство сенсоров связано с рядом проблем, а именно со сложностью более прочного связывания агентов на наноуровне при производстве с помощью микроэлектронных технологий для высокоскоростного анализа. В этом отношении стоит упомянуть огромный потенциал применения полупроводниковых материалов и технологии квантовых точек. На сегодняшний день ни одна из существующих биосенсорных технологий не позволяет в режиме реального времени осуществлять одновременный количественный анализ больших массивов образцов, однако внедрение технологий производства кантилеверов в микро- и наномасштабах может сделать это реальностью.
Еще одним важным техническим переворотов в области биосенсоров стала возможность создания генетически закодированных или синтетических флуоресцентных биосенсоров для анализа молекулярных механизмов биологических процессов. Несмотря на то, что такие биосенсоры имеют огромные перспективы в области выявления отдельных молекул с измерением количества специфичного аналита, методология пробоподготовки и выявления очень сложна и требует высокотехнологичного оборудования. С точки зрения биоматериалов, хорошими характеристиками в плане высокой чувствительности и избирательности обладают биосенсоры, работающие микробиологических топливных элементах. Однако методы массовой продукции и генной инженерии, требующиеся для создания штамма микроорганизмов, очень сложны и затратны. В то же время, преимуществом микробных биосенсоров является возможность их использования в качестве инструмента для биоремедиации, что имеет большую значимость с точки зрения мониторинга состояния окружающей среды. Однако разработка и высвобождение в окружающую среду такого генетически модифицированного штамма микроорганизмов, помимо регулирования затрат на производство, должно подвергаться строгому контролю, соответствовать этическим требованиям, а также регулироваться законодательством.
Ключевые факторы успеха выделены в таблице 1.
Таблица 1 – Ключевые факторы успеха (КФУ)
Ключевые факторы успеха (КФУ) Значимость КФУ Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой Биосенсоры на основе оксида кремния Биосенсоры на кристаллах кварца Балл Балл с учетом значимости Балл Балл с учетом значимости Балл Балл с учетом значимости Качество проведения диагностики 0,20 5 1,00 4 0,80 4 0,80 Возможности применения 0,20 5 1,00 5 1,00 5 1,00 Стоимость разработки технологии 0,20 5 1,00 5 1,00 4 0,80 Спрос на технологию 0,20 5 1,00 4 0,80 5 1,00 Будущее технологии 0,20 5 1,00 5 1,00 4 0,80 Взвешенная общая оценка 1,00 - 5,00 - 4,60 - 4,40
Можно отметить, что биосенторы имеют достаточно много ключевых факторов успеха.
Результаты STEP-анализа представлены в следующей таблице 2.
Таблица 2 - STEP - анализ
S- социум:
- появление класса населения, имеющих потребность в различных инновациях
- тесное развитие инновационных компаний T-технологические изменения:
- технологический прорыв
- стремительное развитие НТП
Э - экономика:
- стабильное развитие экономики
- коммерциализация исследований P-политика:
- создание нормативно-правовых актов
- политика государства
Таким образом, на основе STEP -анализа можно видеть, что на деятельность наибольшее влияние оказывают внутренние факторы, связанные с уровнем доходности населения и бизнеса, а также с активностью мелких конкурентов.
Список биосенсоров, принципов их работы и областей применения представлен в таблице 3.
Таблица 3 – Список биосенсоров, принципов их работы и областей применения
№ Тип Принцип Области применения 1 Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой Электрохимия с использованием окисления глюкозы Анализ уровня глюкозы в биологических образцах 2 HbA1c биосенсор Электрохимия с использованием ферроценбороновой кислоты Надежный аналитический метод для анализа гликированного гемоглобина 3 Биосенсор мочевой кислоты Электрохимия Для выявления клинический аномалий или заболеваний 4 Биосенсоры на основе ингибирования ацетилхолинестеразы Электрохимия Анализ влияния пестицидов 5 Пьезоэлектронные биосенсоры Электрохимия Выявления органофосфатов и карбаматов 6 Микротехнологические биосенсоры Оптические/визуальные биосенсоры с использованием фермента цитохрома Р450 Для разработки лекарственных препаратов 7 Биосенсоры на основе гидрогеля (полиакриламида) Оптические/визуальные биосенсоры Иммобилизация биомолекул 8 Биосенсоры на основе оксида кремния Оптические/визуальные/флуоресцентные Биовизуализация, биосенсорное обнаружение и терапия рака 9 Биосенсоры на кристаллах кварца Электромагнитные Для разработки ультравысокочувствительных методов выявления белков в жидкостях 10 Биосенсоры на основе наноматериалов Электрохимические или оптические/визуальные/флуоресцентные Для разнообразных областей применения, в том числе биомедицины, например, в качестве инструментов для диагностики 11 Генетически закодированные или меченые флуоресцентным агентом биосенсоры Флуоресценция Для изучения биологических процессов, в том числе различных внутриклеточных молекулярных систем 12 Биосенсоры на основе микробиологических топливных элементов Оптические Для мониторинга биохимической потребности в кислороде и токсичности в окружающей среде, а также токсичности тяжелых металлов и пестицидов
Таблица 4 – Применение биосенсоров в диагностике заболеваний
№ Биосенсоры Диагностика заболеваний или применение в медицине 1 Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой и HbA1c биосенсор Сахарный диабет 2 Биосенсор мочевой кислоты Диагностика сердечно-сосудистых заболеваний и заболеваний общего профиля 3 Микротехнологические биосенсоры Коррекция зрения 4 Биосенсоры на основе гидрогеля (полиакриламида) Регенеративная медицина 5 Биосенсоры на основе оксида кремния Разработка и применение иомаркеров рака 6 Биосенсоры на основе наноматериалов Для терапевтического применения
Таблица 5 – Типы биосенсоров, области их применения и характеристики
№ Тип биосенсора Области применения Характеристики Выявление аналитов: единичных (S) или множественных (M) Режим реального времени (***) и чувствительность (***) Портативность (да/нет) Стоимость ($$$$) и возможность адаптации (***) 1 Электрохимический (традиционный/старый) Диагностика заболеваний S Нет и * Нет $ и * 2 Электрохимический с применением микротехнологии (современный) Диагностика заболеваний и мониторинг состояния окружающей среды S & M *** и ** Да $$ и *** 3 Оптический/визуальный/флуоресцентный Разработка лекарственных препаратов, биовизуализация и биосенсорные исследования S *** и *** Нет $$$ и *** 4 Оптический/визуальный/флуоресцентный с использованием биопроизводства Разработка лекарственных препаратов, биовизуализация и биосенсорные исследования M *** и *** Нет $$$$ и *** 5 Микробный Производство энергии и изучения состояния окружающей среды S * и ** Да $$ и ** 6 Электромагнитный Биология белков S ** и ** Нет $ и *
В целом можно заявлять, что для создания высокочувствительных миниатюрных устройств требуется разработка различных микро- и нанобиосенсорных платформ с вовлечением интегрированных технологий, использующих электрохимический или оптический биоэлектронный принципы с комбинацией биомолекул или биологических материалов, полимеров и наноматериалов.
1. ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Основные принципы государственной политики в области
здорового питания:
Важнейшим приоритетом государства является здоровье человека.
Пищевые продукты не должны причинять ущерб здоровью
человека.
Рациональное питание детей, как и состояние их здоровья, должны
быть предметом особого внимания государства.
В связи с продолжающимся загрязнением воздуха, водоемов и
почв питание должно способствовать защите организма человека от
неблагоприятных условий окружающей среды.
Питание должно не только удовлетворять физиологические
потребности организма человека в пищевых веществах и энергии,
но и выполнять профилактические и лечебные задачи.
Одним из способов ликвидации дефицитных состояний и
повышения резистентности организма к неблагоприятным факторам
окружающей среды является систематическое употребление
продуктов питания, обогащенных комплексом биологически
активных добавок с широким спектром терапевтического действия.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИНГРЕДИЕНТЫ
По теории Д. Поттера, на сегодняшнем этапе развития рынка
эффективно
используются
семь
основных
видов
функциональных ингредиентов.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Пищевые волокна
Витамины
Антиоксиданты
Минеральные вещества
Полиненасыщенные жирные кислоты
Пребиотики, или олигосахариды
Пробиотики
ПОЛУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО
ПРОДУКТА
Различают два основных приема превращения
пищевого продукта в функциональный:
1. Обогащение продуктов нутриентами в процессе его
производства
2. Прижизненная модификация сырья, т. е. получение
сырья с заданным компонентным составом, что
позволит усилить его функциональную направленность.
Обогащение продукта нутриентами в процессе его производства
В зависимости от количества вносимого
функционального
ингредиента
в
обогащаемые
продукты возможно:
•во-первых,
восстановление
функционального
ингредиента частично и полностью потерянного в
процессе технологической обработки до исходного
содержания;
При этом продукт может быть отнесен к группе
функциональных, если восстановленный уровень
функционального ингредиента обеспечивает не менее
15 % его средней суточной потребности.
•во-вторых, обогащение, то есть введение в состав
продукта функционального ингредиента в количестве,
превышающем обычный уровень его содержания в
исходном сырье.
ТЕХНОЛОГИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
МЯСНЫХ ПРОДУКТОВ
В целом можно выделить следующие
группы функциональных мясных продуктов:
1. Низкокалорийные мясные продукты,
обогащенные пищевыми волокнами.
2. Мясные продукты, обогащенные витаминами.
3. Мясные продукты, обогащенные минеральными
веществами.
4. Мясные продукты, обогащенные
полиненасыщенными жирными кислотами.
5. Мясные продукты, обогащенные пребиотиками
и пробиотическими культурами микроорганизмов.
Использование пищевых волокон в
технологии мясопродуктов
В мясной промышленности пищевые волокна используются при
производстве всех групп мясопродуктов, а именно всех видов
колбасных изделий, включая продукты детского питания, консервов,
полуфабрикатов и деликатесных изделий.
С целью обогащения мясных продуктов пищевыми волокнами
используются все группы источников пищевых волокон, в
частности, натуральные продукты, богатые пищевыми волокнами,
вторичные продукты переработки растительного сырья и
очищенные препараты пищевых волокон.
Использование в технологии комбинированных мясных
изделий продуктов переработки зерновых культур позволяет
повысить пищевую и биологическую ценность изделия,
способствует устойчивому и равномерному распределению
ингредиентов, что приводит к созданию продукта стабильного
качества.
Сегодня человечество совершенно справедливо полагает, что биотехнологические науки занимают приоритет в области современных высоких технологий. Сиквенирование геномов и валидация новых мишеней для действия лекарственных соединений является одним из перспективных направлений современной фармакологии. Учитывая, что появились новые принципиальные возможности для сиквенирования, встает вопрос о генетической паспортизации населения, когда каждому будет выдан его генетический паспорт, и человек будет решать проблемы своего здоровья. Важнейшим достижением прошлого века являются стволовые клетки, что стало возможным благодаря развитию всей эмбриологии и цитологии. Это позволило подойти к разработке путей создания искусственных органов, получать новые вещества, специфически влияющие на органы-мишени.
На современном этапе развития биотехнологии большое внимание уделяется разработке подходов к созданию новых процессов в медицинской биотехнологии. Это различные методы модификации микроорганизмов, растений и животных, в т.ч. культивирование растительных клеток как источника получения новых веществ; конструирование молекул, нанотехнологии, компьютерное моделирование, биокаталитическая трансформация веществ и т.д.
Так, например, существуют многочисленные разработки лекарственных препаратов, созданных на основе морских организмов. Использование морских природных соединений в качестве основы лекарств - весьма перспективный путь создания новых фармацевтических препаратов, особенно методами биотехнологии. Коллекция морских микроорганизмов ТИБОХ, из которых можно продуцировать биологически-активные соединения, содержит 800 штаммов бактерий, актиномицетов и грибов. Эти штаммы можно культивировать, что важно для решения проблемы сохранения биологического равновесия.
Таким образом, в получении лекарственных препаратов, производимых биотехнологическим способом, можно выделить как бы два пула — новые соединения, получаемые с помощью биотехнологических процессов, комбинаторной химии, и новые мишени, которые идентифицируются в процессе изучения геномов. Это дает возможность отбирать молекулы, обладающие новыми биологическими и физиологическими свойствами, которые и будут выполнять роль лекарств.
Прежде всего, обратимся к медицинской ветви биотехнологии. Рассматривая различные классы соединений, используемые в клинической практике, и получаемые методами биотехнологии, в первую очередь, необходимо назвать антибиотики - самый большой класс фармацевтических соединений, синтез которых осуществляется микробными клетками. К этому же классу относятся противогрибковые агенты, противоопухолевые лекарства и алкалоиды. Производство антибиотиков исчисляется тысячами тонн. Пенициллины, как известно, были выделены при выращивании грибов рода Penicillium. В 1945 г. из пробы морской воды была выделена плесень Cephalosporium acremonium, синтезирующую несколько антибиотиков; один из них, цефалоспорин С, оказался особенно эффективен против устойчивых к пенициллину грамположительных бактерий.
Из нескольких тысяч открытых антибиотиков львиная доля принадлежит актиномицетам. Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род Streptomyces, один только вид Streptomyces griseus синтезирует более пятидесяти антибиотиков. Начиная с середины 1960-х гг. в связи с возросшей сложностью выделения эффективных антибиотиков и распространением устойчивости к наиболее широко применяемым соединениям у большого числа патогенных бактерий исследователи перешли от поиска новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. Они стремились повысить эффективность антибиотиков, найти защиту от инактивации ферментами устойчивых бактерий и улучшить фармакологические свойства препаратов. Антибиотики вырабатываются в результате совместного действия продуктов 10—30 генов, поэтому практически невозможно обнаружить отдельные спонтанные мутации, которые могли бы повысить выход антибиотика с нескольких миллиграммов на литр в штамме дикого типа до 20 г/л и более. Такие высокопродуктивные штаммы Penicillium chrysogenum или Streptomyces auerofaclens (продуценты пенициллина или тетрациклина) были получены в результате последовательных циклов мутагенеза и селекции. Определенные мутанты, так называемые идиотрофы, способны синтезировать только половину молекулы антибиотика, а среда должна быть обогащена другой ее половиной. Такая форма мутационного биосинтеза привела к открытию новых производных антибиотиков.
Число противоопухолевых веществ микробного происхождения довольно ограниченно. Блеомицин, выделенный из культур Streptomyces verticilliis, представляет собой гликопептид, который действует, разрывая ДНК опухолевых клеток и нарушая репликацию ДНК и РНК. Другая группа противоопухолевых агентов создана на основе комбинации аминогликозидной единицы и молекулы антрациклина. Недостатком обоих соединений является их потенциальная опасность для сердца.
Антибиотики используются грибами и актиномицетами в конкурентной борьбе в естественной среде обитания. Человек применил эти соединения для терапии инфекционных и онкологических заболеваний. Это явилось своеобразным толчком эволюционных преобразований в микробной среде, стали возникать устойчивые штаммы бактерий. В связи с этим вновь возникла проблема создания нового поколения более эффективных антибиотиков. В настоящее время протокол лечения инфекционной и хирургической патологии обязательно включает антибиотики. Но, имея неоспоримые преимущества, антибиотики оказывают на организм человека и негативное влияние: нарушается микрофлора желудочно-кишечного тракта, возможны осложнения в функционировании почек и печени, подавляется работа иммунной системы. Поэтому современные схемы лечения являются комплексными и направлены на поддержание адаптационных возможностей человека.
Другим важным классом лекарственных соединений являются генно-инженерные ферменты, соответствующие ферментам человека. По сравнению с ферментами, которые получают из природного сырья, они обладают рядом преимуществ: низкой антигенностью, высокой специфичностью фармакологического действия, отсутствием контаминирующих инфекционных агентов. Генно-инженерные технологии позволяют легко увеличивать промышленное производство ферментов.
Ферменты находят все более широкое применение как биокатализаторы в фармацевтическом производстве.
Направленная модификация с помощью методов генной инженерии открывает возможности трансформации структуры ферментов таким образом, что они приобретают качественно новые свойства. Так, особый интерес в мире сейчас представляет возможность перехода от пенициллинов к цефалоспоринам с помощью генно-инженерного фермента экспандазы, благодаря чему унифицируется биотехнологическая часть получения антибиотиков. Далее с помощью других биокаталитических процессов и совмещения их с химическими можно производить класс новых антибиотиков для борьбы с инфекциями.
Биокаталитические подходы открывают большое поле для различных вариантов построения новых фармацевтических процессов. В частности, использование генно-инженерных ферментов позволяет получить оптически активные изомеры соединений, которые составляют более 70% всех лекарств. При этом период окупаемости биокаталитических процессов значительно короче по сравнению с химическим синтезом, а по энергозатратам и капиталовложениям они тоже имеют большие перспективы. Техноинженерные ферменты широко используются для создания диагностических тест-систем в биохимическом, иммуноферментном и ДНК-анализах.
Биотехнология - это производственное использование биологических агентов или их систем для получения ценных продуктов и осуществления процессов различного назначения. В целом, биотехнология представляет собой систему приемов, позволяющих получать промышленным способом ценные продукты за счет использования процессов жизнедеятельности живых организмов.
В фармацевтической промышленности биотехнологии применяются для производства антибиотиков, иммунобиологических препаратов, генно-инженерных лечебно-профилактических препаратов, для производства энзимов, биологически активных веществ и других медицинских препаратов. Важным направлением биотехнологий в медицине является использование биотехнологий для реконструкции тканей и органов человека с использованием стволовых клеток.
Одним из перспективных направлений является использование нанотехнологий в медицинских целях, создание новых носителей и средств целевой доставки лекарственных препаратов.
Новые биологические технологии используются в диагностике и лечении сердечно-сосудистых, онкологических, аллергических и эндокринных заболеваниях.
Ежегодный прирост мирового рынка биотехнологической продукции составляет 7-10%. Уже сегодня использование биотехнологических разработок позволяет решать многие проблемы диагностики и лечения особо опасных заболеваний, недостаточного или несбалансированного питания, повышения качества питьевой воды, обеззараживания опасных для человека и окружающей среды отходов.
1. Корочкин Л.И. Биология индивидуального развития. - М.: Наука, 2002. 263 с.
2. Корочкин Л.И., Михайлов А.Т. Введение в нейрогенетику. - М.: Наука, 2000. 312 с.
3. Репин В.С., Сухих Г.Т. Медицинская клеточная биология. - М.: БЭБиМ, 1998. - 250 с.
Технологии живых систем (ТЖС) призваны формировать основу для решения острейших социальных проблем, касающихся каждого человека, - профилактики и лечения наиболее распространённых и опасных заболеваний, а также обеспечения радикального повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Наиболее перспективные направления использования ТЖС связаны с интеграцией био-, нано- и информационных технологий. При этом согласно экспертным оценкам, наиболее важными для будущего являются разработки в сфере биосенсоров, биомедицины, клеточных, биокаталитических и биосинтетических технологий. Основное практическое применение ТЖС ожидается в сфере медицины, включая методы диагностики, профилактики и лечения заболеваний. Актуальные темы охватывают профилактику социально значимых заболеваний, выявление роли генетических факторов в патогенезе мультифакториальных заболеваний; комплексная диагностика наследственных заболеваний; индивидуальное генетическое тестирование, а также прогнозирование риска развития, степени тяжести течения и оценки эффективности терапии сердечнососудистых заболеваний. В области клеточных технологий большое значение придаётся проведению фундаментальных исследований, направленных на выяснение молекулярных и клеточных механизмов трансформации нормальных клеток в раковые; выявление связей между популяциями нормальных, стволовых и раковых клеток, а также раскрытие молекулярных механизмов регенерации тканей. Практическое применение этих технологий ожидается в области регенерации тканей и органов на основе стволовых клеток, получения иммунокомпетентных клеток, систем экспресс-диагностики инсульта мозга. Биосенсорные технологии являются междисциплинарным направлением и имеют огромное влияние на повышение качества жизни человека, предлагая раннюю диагностику заболеваний, выявление вредных веществ в пище и окружающей среде. В качестве наиболее важной тематики в данной области: тест-системы для диагностики рака, системных, инфекционных и наследственных заболеваний; биосенсоры и биочипы для клинической диагностики с использованием новых типов биологических устройств; биочипы для полуавтоматической регистрации генных маркеров наиболее значимых патологий; технологии быстрой идентификации токсических веществ и патогенов. Прогресс геномных и постгеномных технологий создания лекарственных средств будет определяться решением таких исследовательских задач, как: установление взаимосвязи между мутациями в геноме и профилем лекарственной устойчивости патогенных микроорганизмов; раскрытие причин многофакторных генетических заболеваний и предрасположенностей к ним. В практическом плане наиболее перспективны поиск новых молекулярных мишеней для создания новых лекарственных средств и ранних маркеров заболеваний, создание вакцин против широкого круга заболеваний. Биокаталические и биосинтетические технологии будут играть решающую роль для систем защиты окружающей среды; переработки ресурсов животного и растительного происхождения. Такие технологии могут использоваться для решения актуальных научных задач: выяснение молекулярных механизмов взаимодействия клеточных и вирусных геномов; структуры бактериальных сообществ и механизмов их взаимодействия; выявление механизмов эпигенетического наследования; анализ вариабельных участков генома человека. Ожидается выявление фундаментальных механизмов образования злокачественных опухолей, внедрение в лечебную практику методов ранней и дифференциальной диагностики рака; биотехнологий, автоматизирующих процесс индивидуального генетического тестирования; технологий иммунной терапии опухолей.
Читайте также: