План лекции

1. Понятие биообъекта.

2. Классификация биообъектов как продуцентов лекарственных и диагностических препаратов и их функции.

3. Макромолекулы природного происхождения – промышленные биокатализаторы.

4. Совершенствование биообъектов методами мутагенеза и селекции.

5. Мутации

а) понятие

б) мутагены

в) классификация

6. Вариационный ряд.

7. Методы отбора.

8. Мутасинтез.

9. Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии.

а) этапы работы

б) перспективы

Самым главным элементом биотехнологического производства, определяющим его специфику, является биообъект.

Биообъектом может быть целостный, сохранивший жизнеспособность, многоклеточный или одноклеточный организм. Им могут являться изолированные клетки многоклеточного организма, а также вирусы и выделенные из клеток мультиферментные комплексы, включенные в определенный метаболический процесс. Наконец, биообъектом может быть индивидуальный изолированный фермент.

Функция биообъекта – полный биосинтез целевого продукта, включающий обычно ряд этапов, то есть последовательных ферментативных реакций или, в крайнем случае, катализ лишь одной ферментативной реакции, которая имеет ключевое значение для получения целевого продукта.

Биообъект, осуществляющий полный биосинтез целевого продукта принято именовать продуцентом. Иммобилизированный биообъект, являющийся индивидуальным ферментом или выполняющий функцию одной ферментативной реакции используемой биотехнологом – именуют промышленным биокатализатором.

Таким образом, к биообъектам могут быть отнесены как макромолекулы, так микро- и макроорганизмы, то есть от вирусов до человека. В качестве макромолекул в промышленном производстве используются все известные классы ферментов, но наиболее часто - гидролазы и трансферазы.

Наиболее широко в качестве биообъектов используются микроорганизмы . Как биообъекты, микробные клетки прокариот и эукариот в современном биотехнологическом производстве являются продуцентами первичных метаболитов, используемых в качестве лекарственных средств: аминокислот, азотистых оснований, липидных структур, коферментов, моно- и дисахаров, ферментов медицинского назначения, применяемых в заместительной терапии и т.д.

Микроорганизмы образуют также огромное количество вторичных метаболитов, многие из которых также нашли применение в клинике. Например, гормоны, антибиотики, витамины и другие перспективные корректоры гомеостаза клеток млекопитающих.

Итак, что же мы подразумеваем под термином "совершенствование биообъекта"? - Прежде всего – это повышение продуктивности биообъекта. Далее, какие же изменения нужны при совершенствовании биообъекта? - только наследственные. Это изменения, локализованные в ДНК, передающиеся при репликации ДНК и, соответственно, при размножении биообъекта (наследственные изменения). Только это, собственно, и интересует биотехнологов. То есть, наследственные изменения фенотипа - это изменения, которые реализуются, при изменении ДНК.

По выраженности почти любого признака в микробной популяции составляют вариационный ряд. Большинство клеток имеют среднюю выраженность признака.

Итак, по каким же специфическим свойствам мы совершенствуем биообъект?

1. Продуктивность

2. Экономичность (микроорганизм использует более дешевую и питательную среду).

3. Дефицитность (микроорганизм использует более доступную питательную среду).

4. Вязкость (в случае жидкой культуральной среды).

Поскольку из цеха ферментации культуральная среда (жидкость) идет в цех выделения и очистки, то там сотрудники часто жалуются на высокую вязкость культуральной жидкости, в результате чего мицелий невозможно ни отцентрифугировать, ни отфильтровать. Значит, задача селекционеров - улучшение свойств культуральной жидкости.

5. Промышленная гигиена.

Например, когда нарабатывается антибиотик цефалоспорин, очень трудно находиться в помещении (запах тухлой капусты). Значит, в идеале штамм должен выделять как можно меньше летучих веществ.

6. Устойчивость к заболеваниям.

Вы знаете, что если у вас биообъект – растение, то он может быть поражен бактериями, грибами и т.д. А если у вас биообъектом является микробный гриб или актиномицет, то он может быть поражен фагами (т.е. микробными вирусами).

Если рассмотреть цели клеточной инженерии, то можно сказать, что в идеале с ее помощью мы можем получать межвидовые и межродовые гибриды микроорганизмов, а также – можем получать гибриды клеток между отдаленными в эволюционном отношении многоклеточными организмами. Новое направление в биотехнологии – сочетание клеточной инженерии с инженерной энзимологией непосредственно в производстве.

Лекция №3

Совершенствование продуцентов (биообъектов) методами генетической инженерии.

План лекции

1. Понятие генетической инженерии.

2. Схема этапов работы генного инженера.

3. Факторы, определяющие выбор микроорганизма-продуцента.

4. Понятие и функции плазмидного вектора.

5. Функции рестриктаз и лигаз.

6. Гены-маркеры.

7. Явление сплайсинга

Наибольшие практические успехи генетической инженерии применительно к биотехнологии лекарств достигнуты в настоящее время в области создания штаммов микроорганизмов-продуцентов видоспецифичных для человека белков. Такие белки для микробной клетки являются чуждыми, в организме же человека одни из них играют роль биорегуляторов (белковые гормоны), другие – факторов врожденного иммунитета (интерфероны) и т. д.

Технология рекомбинантных ДНК (её называют также молекулярным клонированием или генной инженерией) – это совокупность экспериментальных процедур, позволяющая осуществить перенос генетического материала из одного организма в другой. Никакого единого универсального набора методик здесь не существует, но чаще всего эксперименты проводятся по строго определенной схеме. Генетическая инженерии – это соединение фрагментов ДНК (природного происхождения, синтетических или тех и других) в пробирке, т. е. in vitro и последующее введение новых (рекомбинантных) структур в живую клетку с тем условием, чтобы введенный, точно охарактеризованный фрагмент ДНК реплицировался после включения в хромосому или автономно экспрессировался.

Схему этапов работы генного инженера.

1. Соединение фрагментов ДНК, т.е. нуклеотидных последовательностей в пробирке (могут быть и синтетические последовательности или смесь природных и синтетических последовательностей).

2. Далее, к гену, кодирующему целевой белок присоединяется нуклеотидная последовательность, кодирующая так называемую лидерную последовательность аминокислот (преимущественно гидрофобных). Синтезированный в клетке целевой продукт с такой лидерной последовательностью аминокислот проходит с их помощью через липидные слои цитоплазматической мембраны из клетки наружу.

3. Затем, производится включение гена в клетку, но «не прямо в клетку, конечно» так как, вы понимаете, что клетка окружена оболочкой и для включения в неё генов приходится использовать так называемые «транспортные устройства» на основе плазмид.

При выборе микроорганизма учитывается ряд обстоятельств.

1. Поскольку микроорганизм будет выращиваться в производственных условиях в большом количестве и с ним будут контактировать многие работники предприятия (биологи, химики и т.д.), поэтому желательно, чтобы он не был патогенным. Также необходимо, чтобы в целевом генно-инженерном продукте не было присутствия даже следов микробных токсинов.

2. Как чужеродная для клетки структура, проникший в клетку вектор не должен расщепляться нуклеазами клетки. Генетический материал должен сохраняться.

3. У будущего продуцента целевого продукта необходимо ослабить те системы репарации на уровне ДНК, которые могут уничтожить вектор. То есть рибосомы потенциального продуцента должны воспринимать информационную РНК, соответствующую чужеродному материалу.

4. Образовавшийся чужеродный для клетки белок (для биотехнолога - целевой продукт) не должен расщепляться ее протеазами, т.е. он не должен подвергаться воздействию систем, гидролизующих чужеродные белки.

5. Наконец, желательно, чтобы у потенциального продуцента чужеродного белка, последний выводился из клетки в среду. Этим облегчается его последующее выделение и очистка.

Таким образом, нужно иметь ген, подходящую клетку и транспортное устройство, которое получило название вектор. Вектор конструируется на основе плазмид. Плазмида состоит из 2-х спиральной ДНК (замкнутая кольцевая молекула), в принципе тоже самое, как и у бактериальной хромосомы. Отличие заключается в том, что плазмида раз в 100 меньше хромосомы. Например, если в бактериальной хромосоме содержится примерно 3000 генов (от 1 тысячи до 6-7 тысяч), то в плазмиде - примерно 30 генов.

Так вот, надо. Что используется для этого? Для того чтобы ввести ген в вектор используются ферменты рестриктазы (от слова restrict - разрезание), которые по биохимической классификации относятся к нуклеазам (к эндонуклеазам). Затем, чтобы ген закрепить прочно в векторе (транспортном устройстве) вступают в действие другие ферменты - это лигазы (от слова "лигатура" - сшивание), которые "сшивают" ген и вектор ковалентной связью.

Сплайсинг (от англ. splice - сращивать или склеивать концы чего-либо) - процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе процессинга РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании информационной РНК (иРНК) у эукариот.

Лекция №4

Геномика и протеомика

План лекции

1. Периоды развития генетики.

2. Секвенирование генома.

3. Цель и классификация геномики.

4. Модельные микроорганизмы.

5. Существенность гена.

6. Философские проблемы геномики.

7. «house kеeping genes» и «ivi genes».

8. Система «IVET».

9. Протеомика.

Что собственно значит геномика? Чем она отличается от генетики? Геномика во главу угла ставит уже не ген, а полный геном микробной, растительной и животной клеток. Геном - это уже качественный скачок вперед, демонстрирующий преодоление массы трудностей как технических и теоретических. Итак, геном прокариот, как вы знаете, в наследственном, т.е. генетически рассматриваемом отношении - это одна хромосома, т.е. кольцевая, замкнутая ДНК. Что касается генома эукариот (помните, там оформленное ядро, мембрана), то он, как правило, сложнее, так как клетки эукариот имеют несколько хромосом. У прокариот геном - гораздо проще, чем у эукариот, количество генов у них гораздо меньше, чем у эукариот. И мы с вами будем рассматривать некоторые примеры, используя клетки именно прокариот, геном которых является более простым.

Теперь, геномика расматривающая ген целиком, возможна только тогда, когда осуществлено секвенирование этого гена. От (англ.) секвенс- последовательность. В данном случае «секвенс» - последовательность нуклеотидных пар ДНК. Цель геномики - установление полной генетической характеристики всей клетки: установление количества содержащихся в ней генов и их последовательности, установление количества нуклеотидов в каждом гене и их последовательности, установление функций каждого гена применительно к метаболизму организма.

Несмотря на то, что геномика как наука, возникла относительно недавно, условно можно выделить определенные направления. Ну сама по себе геномика - это структурная оценка генома в целом: вы определяете путем секвенирования последовательность пар нуклеотидов, то есть сначала структуру отдельного гена, а затем и структуру всего генома.

Однако по ряду отдельных вопросов вы ведете исследования в направлении, так называемой сравнительной геномики . Значит, секвенируете геномы и гены в разных организмах и сопоставляете их друг с другом и решаете определенные теоретические и практические вопросы.

Еще одно очень важное направление, оказавшееся в дальнейшем ещё и очень трудоемким - это геномика функциональная или метаболическая . Идентификация генов проводится с помощью специальных компьютерных программ, в которых описаны геномы так называемых модельных микроорганизмов.

Теперь следующий очень важный момент - у каждого гена есть стартовая часть, есть детерминирующая часть и есть рамка считывания, т.е. структурный ген, которой индивидуален для каждого гена. А вот стартовая и детерминирующая части, как правило, стандартны (за редким исключением).

Итак, важнейшая проблема заключается в том, - каким образом от шифра перейти к функции.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

ФГАОУ ВПО «Северо-восточный федеральный университет

им. М.К. Аммосова»

Медицинский институт

Кафедра фармакологии и фармации

Курсовая работа по биофармацевтической технологии

«Биотехнологическое производство лекарств и проблемы биобезопасности»

Выполнила: студентка V курса

группы ФАРМ-501/2 Афанасьева Е.К.

Проверила: доцент, к.ф.н., Абрамова Я.И.

Якутск, 2013г.

Введение

1. Современная биотехнология в создании и производстве лекарственных средств

1.1 Роль биотехнологии в современной фармации

1.2 Определение понятия биотехнологии

1.3 Краткая историческая справка по развитию биотехнологии в мире

1.4 Биосинтез биологически активных веществ (БАВ) в условиях биотехнологического производства (общие положения)

2. Определения понятий GLP , GCP, GMP

3. Вклад биотехнологии в окружающую среду

3.1 Экологические проблемы промышленной биотехнологии

3.2 Общие показатели загрязненности сточных вод

3.3 Методы очистки сточных вод

3.4 Факторы определяющие биоценоз активного ила

3.5 Основные параметры биологической очистки

Заключение

Использованная литература

В ведение

Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая зародилась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики, цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники позволили получить новые сведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрый рост численности населения нашей планеты, увеличение потребления природных ресурсов при постоянном уменьшении площадей агросферы привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека.

Биотехнология призвана сыграть значительную роль при создании безотходных технологий и, конечно, при разработке различных схем очистки производственных стоков и твердых отходов.

Однако нельзя забывать, что биотехнологические производства сами по себе могут быть опасными как для обслуживающего персонала, так и для потребителей продукции. Таких примеров можно привести много.

Поэтому, с целью обеспечения защиты жизни и здоровья граждан, животных, растений, а также охраны окружающей среды и обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия созданы и утверждены документы (стандарты GLP, GCP, GMP и GPP и пр.), регламентирующие деятельность предприятий фармацевтического профиля, в т.ч. микробиологических и биотехнологических, по проведению исследований, производству, хранению, перевозке, использованию, утилизации и уничтожении их продукции.

1. Современная биотехнология в создании и производстве лекарственных средств

1.1 Роль биотехнологии в современной фармации

Номенклатура лекарственных препаратов, полученных на основе биообъектов в силу объективных причин имеет тенденцию к своему расширению. В категорию таких лекарственных препаратов входят:

1. лекарственные средства для лечения, в число которых входят аминокислоты и препараты на их основе, антибиотики, ферменты, коферменты, кровезаменители и плазмозаменители, гормоны стероидной и полипептидной природы, алкалоиды;

2. профилактические средства, в число которых входят вакцины, анатоксины, интерфероны, сыворотки, иммуномодуляторы, нормофлоры;

3. диагностические средства, в число которых входят ферментные и иммунные диагностикумы, препараты на основе моноклональных антител и иммобилизованных клеток.

Это далеко не полный перечень лекарственных препаратов, которые имеются в современной фармации, в основе производства которых используются биообъекты.

1.2 Определение понятия биотехнология

Что касается определения самого понятия биотехнологии, то оно следует из понятия самой технологии. Технология - это наука о развитии естественных процессов в искусственных условиях. Если эти процессы относятся к биосинтетическим или биокаталитическим, присущих клеткам прокариот и эукариот, когда в качестве элементной базы используются биообъекты для получения целевого (конечного) продукта, то такое производство называют биотехнологическим. Если же в роли целевого (конечного) продукта выступает лекарственное средство, то такая биотехнология называется «биотехнология лекарственных средств».

В настоящее время фармацию характеризует как минимум третья часть лекарственных средств от общего объема производимых лекарств, которая использует современные биотехнологии. Суммируя все позиции определения биотехнологии, указанные выше, можно сказать, что «Биотехнология - это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также для промышленного получения полезных для человека продуктов, в том числе лекарственных средств».

Биотехнология - комплексная наука, это и наука и сфера производства со своим специфическим аппаратным оформлением. Биотехнология какьсфера производства - это наукоемкая технология.

Биообъект - это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

Биотехнология использует либо продуценты - микроорганизмы, растения, высшие животные, либо использует изолированные индивидуальные ферменты. Фермент иммобилизируется (закрепляется) на нерастворимом носителе, что позволяет его использовать многократно.

Современная биотехнология использует такие достижения, как искусственные культуры клеток и тканей. Особое достижение биотехнологии - это генноинженерные продуценты, микроорганизмы,

имеющие рекомбинантные ДНК. Ген четко изолируется и вводится клеткам микроорганизма. Этот микроорганизм будет продуцировать вещество, структура которого закодирована во введенном гене.

1.3 Краткая историческая справка по развитию биотехнологии в мире

В истории развития биотехнологии можно выделить три основных

1. эмпирическая биотехнология (тысячелетия). Самый первый

биотехнологический процесс, осуществленный человеком - получение

пива, был изобретен шумерами приблизительно 5 тысяч лет назад;

2. научная биотехнология (с Пастера);

3. современная биотехнология.

Биотехнологию можно условно разделить на три категории по получаемым продуктам:

1. природны е биотехнологические продукты, вырабатываемые

собственно микроорганизмами (например, антибиотики);

2. биотехнологические продукты второго поколения , полученные с помощью генноинженерных штаммов (например, человеческий инсулин);

3. биотехнологические продукты третьего поколения - продукция XXI века, основана на изучении взаимодействия биологически активных

веществ и рецепторов клеток и создании принципиально новых препаратов. Примером таких препаратов могут быть антисмысловые нуклеиновые кислоты . В клетке человека приблизительно 100 тысяч генов. Используя принцип комплементарности можно создать цепь нуклеиновых кислот, которые могут выключать тот или иной ген, что позволяет с помощью антисмысловых нуклеиновых кислот управлять генами, корректируя обмен.

Биотехнология в зарубежных странах .

Первое место в мире по выпуску биотехнологической продукции занимает США, которая ежегодно выделяет 3 млрд. долларов на поддержку фундаментальных исследований в области медицины, из которых 2,5 млрд. долларов относится к области биотехнологии. Второй страной по выпуску биотехнологической продукции является Япония, третье место за Израилем.

Современная биотехнология - это наука, которая на практике использует достижения современных фундаментальных наук, таких как:

1. молекулярная биология

2. молекулярная генетика

3. биоорганическая химия.

Начиная с первых шагов и до наших дней технология изготовления лекарственных средств предусматривает использование субстанций, получаемых из разных источников. Это:

Ткани животных или растений;

Неживая природа;

Химический синтез.

Первый путь (использование тканей животных или растений) предполагает сбор дикорастущих лекарственных растений. Это, прежде всего, плантационное культивирование растений. Это также выращивание каллусных и суспензионных культур. Это наиболее современные методы культивирования клеток, в геном которых встроены опероны, ответственные за биосинтез лекарственной субстанции, то есть генная инженерия.

Можно привести пример такого растения как женьшень при извлечении из него панаксозидов, как биологически активного вещества:

В естественных условиях, в дикорастущем виде, сбор такого растения может производится только на шестидесятом году его роста;

В условиях его выращивания на плантациях - на шестом году его

произрастания;

В каллусной культуре, то есть в культуре клеток растительной ткани панаксозиды можно извлекать в достаточном количестве, обеспечивая рентабельность производства уже на 15-25-тый день роста культуры ткани.

Второй и третий путь получения лекарственных субстанций из неживой природы или путем химического синтеза раньше рассматривали в качестве конкурентного пути для биотехнологии. Жизнь внесла коррективы в это положение. Например, если мы говорим о возможностях перевода сорбита в сорбозу, или ситостерина в 17-кетоандростаны, или фумаровой кислоты в аспарагиновую и т.д., то в этих случаях биотехнология успешно конкурирует с тонкими химическими технологиями на отдельных этапах изготовления лекарственных средств, а в ряде случаев, например, при синтезе витаминав В12 биотехнология может обеспечить всю последовательность сложных химических реакций, необходимых для превращения исходного предшественника (5,6 диметилбензимидазола), в конечный продукт - цианокобаламин.

Конечно, в последнем случае, когда всю технологическую цепочку осуществляет биообъект, находящийся в искусственных условиях, то он должен иметь условия наибольшего (максимального) благоприятствования (комфорта), что в свою очередь, предполагает обеспечение биообъекта необходимыми источниками питания, защиту от внешних неблагоприятных воздействий. Не менее важную роль в работе биообъекта играет и инженерно-техническая база, то есть процессы и аппараты биотехнологических производств.

В заключение можно сказать, что современная биотехнология

функционирует с одной стороны на достижениях:

Биологии,

Генетики,

Физиологии,

Биохимии,

Иммунологии и, конечно, биоинженерии, а с другой стороны, на совершенствовании самой технологии получения лекарственных средств, имея в виду:

Способы подготовки сырья,

Способы стерилизации оборудования и всех потоков системы, обеспечивающий - процесс получения биологически активных веществ,

Способы оперативного контроля и управления биотехнологическими процессами.

Сегодня бизнес в области лекарственных средств, чтобы выстоять в конкуренции огромного числа производителей лекарственных средств,

предполагает знания специалиста в области не только применения, но и

получения медицинских препаратов на основе как тонкой химической

технологии, так и биотехнологии.

Сферой интересов специалиста, работающего на рынке лекарственных средств являются следующие разделы биотехнологии:

1. Общая биотехнология лекарственных средств

1.1.биообъекты как средства производства

1.2.особенности процессов биосинтеза

2. Основные процессы и аппараты биотехнологического производства.

3. Частная биотехнология лекарственных средств

3.1.получение наиболее распространенных групп лекарственных средств,

3.2.новейшие биотехнологии с использованием генной инженерии

4. Экономические, правовые и экологические аспекты биотехнологического производства лекарственных средств.

1.4 Биосинтез биологически активных веществ (БАВ) в условиях биотехнологического производства (общие положения)

Биосинтез БАВ (биологически активные вещества) в условиях производства.

1. Создание стерильных условий для биосинтеза

Биосинтез БАВ - это многостадийный процесс. Для успешного осуществления биосинтеза необходимо использовать простерилизованный воздух, стерильную питательную среду и оборудование.

> Стерильное оборудование

БИОСИНТЕЗ > Стерильная питательная среда

> Стерильный воздух

Биосинтез осуществляется с использованием жидкой питательной среды, т.е. используется глубинное культивирование.

Биосинтез микроорганизмов осуществляется в ферментерах различной емкости от 100 литров(1м. куб.) до 10000 литров (100 м. куб.).

Стерилизация воздуха осуществляется методом фильтрации, т.е. из воздушного потока удаляют микроорганизмы с помощью фильтров.

Стерилизация питательных сред осуществляется термическим способом прямо в ферментере или в отдельной емкости.

Продуцент может храниться разными способами, например, на скошенном агаре, с поверхности которого он переносится в колбы с жидкой питательной средой. После накопления биомассы и проверки культуры на чистоту 0,5-1% посевного материала переносится в инокулятор. В нем происходит рост и деление микроорганизмов. Из инокулятора 2-3% материала переносится в посевной аппарат. Из посевного аппарата 5-10% посевного материала переносится в ферментер.

2. Параметры, влияющие на биосинтез (физически, химические,

биологические)

1. Температура

Бактерии - 28°

Актиномицеты 4~-- 26-28°

Грибы -- 24°

2. Число оборотов мешалки (для каждого м/о (микроорганизмы) -- разное число оборотов, разные 2х, 3х, 5-ти ярусные мешалки).

3. Расход подаваемого на аэрацию воздуха.

4. Давление в ферментере

5. рН среды

6. Парциальное давление растворенного в воде кислорода (количество кислорода)

7. Концентрация углекислого газа при выходе из ферментера

8. Биохимические показатели (потребление питательных веществ)

9. Морфологические показатели (цитологические) развитее клеток м/о, т.е. надо следить в процессе биосинтеза за развитием м/о

10. Наличие посторонней микрофлоры

11. Определение в процессе ферментации биологической активности

Для проведения ферментации необходимо добавлять пеногасители -- жиры (рыбий жир, синтетические жиры. В процессе ферментации в результате метаболизма м/о образуется пена.

3. Виды процессов биосинтеза.

Процесс биосинтеза подразделяют на:

*. периодический,

*. полупериодический,

*. непрерывный,

*. многоциклический.

1. Периодический процесс - это такой процесс, когда в ферментер подается посевной материал, задаются определенные технологические параметры (температура, рН, обороты мешалки) и процесс проходит самостоятельно с образованием целевого продукта. Этот процесс экономически не выгоден, т.к. образуется мало целевого продукта.

2. Полупериодический процесс или регулируемая ферментация .

Отличается от периодического процесса тем, что в процессе ферментации в ферментер добавляются различные питательные вещества (источники углеводов, азота), регулируется рН в процессе ферментации, добавляется предшественник в определенный момент ферментации. Полупериодический процесс является экономически выгодным, имея большой выход продукции.

3. Непрерывный процесс

Сущность которого в том, что из ферментера в процессе биосинтеза берется определенное количество культуральной жидкости и вносится в другой ферментер, в котором тоже начинается биосинтез. Культуральная жидкость выполняет функции посевного материала. В ферментер, из которого взяли часть культуральной жидкости, добавляется такое же количество воды и процесс биосинтеза в нем продолжается. Эта операция постоянно повторяется. Используя необходимое количество ферментеров и постоянно перенося часть культуральной жидкости из одного ферментера в другой достигается замкнутый цикл. Преимущество непрерывного процесса в том, что сокращается стадия выращивания посевного материала.

4. Многоциклический процесс

Заключается в том, что в конце ферментации 90% культуральной жидкости сливается из ферментера, а оставшаяся часть выполняет роль посевного материала.

2. Определения понятий GLP , GCP, GMP

GLP - (Good Laboratory Practice) - хорошая лабораторная практика - правила организации лабораторных направлений.

GCP - (Good Сlinical Practice) - хорошая клиническая практика - правила организации клинических испытаний.

GMP - (Good Manufacturing Practice) - хорошая производственная практика - правила организации производства и контроля качества лекарственных средств, это единая система требований к производству и контролю.

Правила GMP - это руководящий, нормативный документ, которому и производство и фирма обязаны подчиняться.

Правила GMP обязательны для всех предприятий, выпускающих готовые лекарственные формы (ГЛФ), продукцию медицинского назначения, а также субстанции.

Самые жесткие требования предъявляются к инъекционным лекарственным препаратам.

В 1969 году около 100 государств в мире заключили многостороннее соглашения между собой. «Система удостоверения качеств фармацевтических препаратов в международной торговле». Система была введена под эгидой Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ). Эта система была введена для оказания помощи органам здравоохранения импортирующих стран в оценке технического уровня производства и качества закупаемых ими лекарственных препаратов. В последующие годы эта система многократно пересматривалась.

Система дает выгоды импортерам. Эта система дает преимущества и экспортерам (высокоразвитые страны), когда препараты идут на экспорт без лишних препятствий.

К экспортерам лекарственных средств предъявляются следующие требования:

1. В стране должна быть государственная регистрация лекарственных средств.

2. В стране должно быть государственное инспектирование фармацевтических предприятий.

3. В стране должны быть приняты правила GMP.

Подобно Фармакопеям правила GMP неоднородны. Имеются:

* Международные правила GMP , принимает и разрабатывает Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ),

* Региональные - страны европейского экономического сообщества (ЕЭС),

* Правила GMP ассоциации стран Юго-Восточной Азии,

* Национальные правила GMP приняты в 30 странах мира.

Международные правила GMP по строгости требований усреднены, в ряде стран правила более либеральные (в соответствии с техническим уровнем производства). В Японии национальные правила GMP строже международных.

Правила GMP имеют 8 разделов:

I Терминология

II. Обеспечение качества

III. Персонал

IV Здания и помещения

V Оборудование

VI Процесс производства

VII Отдел технического контроля (ОТК)

VIII Валидация (утверждение)

1-вый раздел: терминология состоит из 25 пунктов (определений).

Определения, что такое:

Фармацевтическое предприятие

Лекарственное вещество

Лекарственное средство

Карантин на сырье

Определение чистоты помещений, асептических условий и т.д.

2-ой раздел: обеспечение качества

Гарантию качества дает руководитель и квалифицированный персонал.

Условия обеспечения качества продукции на производстве:

Четкая регламентация всех производственных процессов

Квалифицированный персонал

Чистые помещения

Современное оборудование

Регистрация всех этапов производства и всех проводимых анализов

Соблюдение и регистрация порядка возврата неудачных серий

3-тий раздел: персонал

Руководящий персонал должен иметь профильное образование и практический опыт по производству лекарственных средств

Каждый специалист и руководящий работник на предприятии должен иметь строго определенные функции

Неруководящий персонал должен иметь график подготовки и переподготовки и график должен быть зарегистрирован

Требования соблюдения личной гигиены, гигиена и поведение

регламентируются

4-тый раздел: здания и помещения

Производство должно располагаться вне жилых зон

Требуется исключить пересечение технологических линий

Производство беталактамных антибиотиков должно осуществляться в отдельном помещении (для исключения аллергических реакций)

Классификация помещений по степени загрязненности механическими и микробными частицами

Помещения должны быть сухими

Помещения для производства и контроля качества должны иметь гладкие поверхности, доступные для мытья и дезинфекции, должны быть ультрафиолетовые установки (УФ), стационарные и переносные)

Для производства стерильных лекарственных средств соединения между стенами и потолками должны быть закругленными

Давление внутри помещений должно быть выше, чем снаружи на несколько мм ртутного столба

Должен быть минимум открытых коммуникаций

Не должно быть скользящих дверей, двери должны быть загерметизированы

Помещения для хранения сырья должны быть отделены от цехов производства.

5-ый раздел: оборудование

Оборудование должно быть адекватно технологическому процессу

Оборудование должно размещаться та, чтобы его можно было легко эксплуатировать

Все регистрирующие приборы должны быть откалиброваны

Поверхность оборудования должна быть гладкой, не коррозирующей, не должна реагировать с веществами, задействованными в производстве

Должно быть рациональное и продуманное размещение оборудования - у персонала не должно быть лишних переходов в процессе работы

Оборудование должно регулярно проходить профилактический осмотр, что регистрируется в журналах

Оборудование для производства беталактамных антибиотиков должно быть отдельным.

6-ой раздел: процесс производства

Должен быть сертификат качества на сырье

Перед отправлением на производство партия сырья проверяется

Выдача сырья регистрируется

Сырье подвергается проверке на микробную кантаминацию или стерильность

Производственный процесс должен быть так построен, чтобы все было согласовано и безаварийно

Постадийный контроль процесса производства и его регистрация в журналах (сырье -полупродукты - рабочее место - операции технологический режим и т.д.). Порядок регистрации регламентируется, все записи делаются сразу после контроля и результаты хранят не менее 1 года.

7-ой раздел: отдел контроля качества (ОТК) - обязательный для

фармацевтических предприятий

ОТК руководствуется государственными и отраслевыми документами, регламентирующими его деятельность

Задачи ОТК:

Не допускать выпуска брака

Укреплять производственную дисциплину

ОТК контролирует сырье и полупродукты, участвует в планировании и проведении постадийного контроля и хранит образцы каждой серии продукции не менее 3-х лет.

8-ой раздел: валидация

Валидация - это оценка и документальное подтверждение соответствия производственного процесса и качества продукции установленным требованиям.

Директор предприятия специальным приказом назначает руководящего сотрудника или специалиста со стороны для проверки качества работы какого- либо цеха, технологической линии и т.д.

Валидация может быть:

Периодическая, (проводится постоянно)

Внеплановая (при чрезвычайных происшествиях, при изменении технологии).

Валидация позволяет установить:

Соответствует ли технологический процесс регламенту

Соответствует ли качество готовой продукции требованиям нормативной технологической документации

Соответствует ли оборудование производственным целям

Каков предел возможности производственного процесса

Валидация оценивает:

Сам процесс

Предел возможных отклонений

При этом составляется отчет, если имеются какие либо не соответствия или нарушения - то производственный процесс прерывается.

На биотехнологическом производстве внеплановая валидация проводится если:

Производство меняет штамм продуцента

Изменена питательная среда (так как изменяется метаболизм продуцента и он может давать примеси).

GLP - правила организации лабораторных исследований

Новое лекарственное средство необходимо подвергнуть лабораторным испытаниям, прежде чем приступать к проведению клинических испытаний.

Лабораторные испытания (in vitro, in vivo) проводятся на клетках,

бесклеточных системах и животных.

При испытании на животных можно получить различные результаты, поэтому важна правильная организация исследований.

Животные должны быть гетерогенны (разные), корм должен быть постоянным, одинаковым; требуется определенная планировка вивария, чтобы исключить стресс у животных; животные должны быть жизнеспособны.

GCP - правила организации клинических испытаний

Лекарственное средство допускается к клиническим испытаниям только после проведения лабораторных испытаний.

В правилах GCP изложены права больных и добровольцев:

Испытуемые должны быть информированы о том, что им вводится новый лекарственный препарат и о его свойствах

Больные имеют право на финансовое вознаграждение

Должен быть контроль за ходом испытаний со стороны медиков.

В Европе, Соединенных Штатах Америки (США) и России введены общественные комитеты по контролю за клиническими испытаниями лекарственных препаратов. В эти комитеты входят священники, представители смилиции и прокуратуры, медицинской общественности, которые наблюдают за испытаниями лекарственных препаратов.

Цель клинических испытаний - получение достоверных результатов: лекарство лечит, оно безвредно и т.д.

3. Вклад биотехнологии в окружающую среду

3.1 Экологические проблемы промышленной биотехнологии

Экологические проблемы промышленной биотехнологии связаны с огромными технологическими выбросами воды и воздуха

Экологическая опасность определяется присутствием в выбросах живых или убитых клеток микроорганизмов:

1. живые клетки продуцентов могут изменить структуру экологических ниш в окружающей заводы почве, воде и т.д. и как результат - нарушить сообщества микроорганизмов .

2. прямое или косвенное воздействие на человеческий организм , (обслуживающий персонал и окружающее население).

3.2 Общие показатели загрязненности сточных вод

Под качеством воды понимают совокупность ее характеристик и свойств, обусловленных природой и концентрацией содержащихся в ней примесей.

Общие показатели загрязненности - характеризуют общие свойства воды:

1. органолептические,

2. физико-химические, содержание нерастворимых примесей (взвешенных веществ или зольность),

3. концентрацию растворенных веществ (общее содержание органических и неорганических примесей, «органический» углерод),

4. перманганатную и дихроматную окисляемость (химическое потребление кислорода - ХПК),

5. биохимическое потребление кислорода (БПК).

Совокупность этих показателей позволяет оценить общее состояние сточных вод и предложить наиболее эффективный способ их очистки.

Определение органических загрязнений

Химическое потребление кислорода (ХПК). дихроматный способ Методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25 % раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 ч в 50 % (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ применяется катализатор - сульфат серебра. Большинство органических соединений окисляются до воды и углекислого газа, (кроме: пиридина, бензола и его гомологов, нафталина).

Биохимическое потребление кислорода (БПК).

Измеряется количеством кислорода, которое расходуется микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени. Определение БПК требует применения специальной аппаратуры.

Манометрический способ основан на измерении уменьшения давления в аппарате за счет потребления кислорода. Определение проводят в аппарате Варбурга или в специальном респираторе: в герметичный ферментер помещают аликвоту исследуемой сточной воды, засевают микроорганизмами, и в процессе культивирования регистрируют изменение количества кислорода (или кислорода воздуха), пошедшего на окисление присутствующих соединений.

Кулонометрический способ более сложен в аппаратурном оформлении, основан на компенсации объема кислорода, потребленного микроорганизмами, за счет электролиза соответствующего количество воды, при этом объем выделившегося кислорода определяется по затратам электричества.

Определение органических загрязнений

Для стандартизации условий проведения эксперимента:

в зависимости от длительности культивирования различают биохимическое потребление кислорода за 5, 20 сут и полное окисление (БПК5, БПК20, БПКп):

БПК5 - для стоков, содержащих легкоусвояемые загрязнения - углеводы, низшие спирты.

Для стоков химических производств БПКп.

Кислые и щелочные стоки перед определением БПК нейтрализуют.

Высококонцентрированные стоки перед анализом разбавляют, для предотвращения ингибирования

Для определения БПК оптимально использование микрофлоры из уже работающих биологических систем, адаптированной к данному спектру загрязнений. Количество соответствует ее концентрации в работающих очистных сооружениях.

Определение одного из показателей качества сточной воды (ХПК или БПК) не достаточно для оценки возможности ее биологической очистки.

3.3 Методы очистки сточных вод

Целью очистки сточных вод является удаление из них взвешенных и растворенных органических и неорганических соединений до концентраций, не превышающих регламентированные (ПДК).

В зависимости от характера загрязнений и их концентраций применяют различные способы очистки сточных вод:

1. механические (отстаивание, фильтрация);

2. механофизические (коагуляция, нейтрализация с последующим отстаиванием);

3. физико-химические (ионный обмен, сорбция);

4. Термические;

5. биохимические методы

Каждый из перечисленных способов имеет свои области применения, преимущества и недостатки, поэтому пользуются несколькими способами очистки.

Достоинства биохимической очистки сточных вод

1. Возможность удаления из сточной воды широкого спектра органических соединений;

2. Самоподстраиваемость системы к изменению спектра и концентраций органических загрязнений;

3. Простота аппаратурного оформления;

4. Относительно невысокие эксплуатационными затратами.

Недостатки биохимической очистки сточных вод

1. Высокие капитальные затраты идущие на сооружение очистных систем;

2. Необходимость строгого соблюдения технологических режимов очистки;

3. Токсичность некоторых органических соединений для штаммов-деструкторов и биоценозов;

4. Необходимость предварительно разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды.

Способы биохимической очистки сточных вод

А) аэробные:

Экстенсивные (поля орошения, поля фильтрации, биопруды);

Интенсивные (активный ил, биопленка в специальных сооружениях).

Б) анаэробные.

Аэробные процессы биохимической очистки

1. экстенсивные основаны на использовании природных биоценозов водоемов и почвы;

2. интенсивные основанные на деятельности активного ила или биопленки , т.е. естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Формирование биоценоза - процесс достаточно длительный и идущий постоянно в ходе очистки сточной воды в промышленных аппаратах - аэротенках или биофильтрах.

Биоценоз активного ила

Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров; содержит 70 % живых микроорганизмов и 30 % твердые неорганические частицы.

Живые организмы с твердым носителем образуют зооглей - симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой оболочкой.

зооглей формируется за счет флокуляции или адгезии клеток на поверхности носителя

Соотношение капсульных и бескапсульных форм клеток в иле называется коэффициентом зооглейности kz .

Состав : Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfotomaculum, Miсrоcoccus, Pseudomonаs, Sarcina и др.

Pseudomon а s - окисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, углеводы и другие соединения.

Bacterium (выделено более 30 видов) - осуществляют деградацию нефти, парафинов, нафтенов, фенолов, альдегидов и жирных кислот.

Bacillus - алифатические углеводороды.

Состав постоянен практически на протяжении всех очистных сооружений

В зависимости от состава очищаемой воды, та или иная группа бактерий может преобладать, а остальные становятся ее спутниками в составе биоценоза.

На взаимоотношения микроорганизмов ила влияют и продукты биосинтеза различных групп: возможен не только симбиоз или антагонизм микроорганизмов, но также и взаимодействие их по принципу аменсализма, комменсализма, нейтрализма.

Существенная роль в создании и функционировании биоценоза принадлежит простейшим. Функции простейших :

1. регулируют видовой и возрастной состав микроорганизмов в активном иле (не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ),

2. способствуют выходу значительного количества бактериальных экзоферментов участвующих в деструкции загрязнений (поглощают большое количество бактерий).

В активных илах высокого качества на 1 млн. бактерий должно быть 10-15 простейших, это соотношение называется коэффициентом протозойности kp.

Скорость биохимического окисления растет с увеличением с увеличением коэффициентов зооглейности и протозойности.

Простейшие очень чувствительны к присутствию в сточных водах небольших концентраций фенола и формальдегида которые угнетают их развитие.

3.4 Факторы , определяющие биоценоз активного ила

На формирование ценозов активного ила влияют:

1. сезонные колебания температуры (ведущие к преобладанию психрофильных форм микроорганизмов в зимний период);

2. обеспеченность кислородом;

3. присутствие в сточных водах минеральных компонентов.

Роль всех этих параметров при формировании активного ила обуславливает сложным и практически невоспроизводимым: даже для стоков, имеющих одинаковый состав, но возникающих в разных регионах, невозможно получить одинаковые биоценозы активного ила

Биоценоз активной пленки

Биоценоз в биофильтре . На поверхности загрузочного материала биофильтра образуется биологическая пленка: микроорганизмы прикрепляются к носителю и заполняют его поверхность.

На разных уровнях биофильтра создаются количественно и качественно различные биоценозы, поскольку по мере прохождения сточной воды через биофильтр за счет предыдущего ценоза меняется состав воды, попадающей на следующий уровень:

1. сначала потребляются более легкоусвояемые загрязнения, и развивается микрофлора, усваивающая эти соединения с большей скоростью сточная вода обогащается продуктами жизнедеятельности этого ценоза.

2. по мере продвижения воды происходит потребление все более трудно усвояемых веществ и развиваются другие микроорганизмы, способные их усваивать.

3. в нижней части биоценоза в большом количестве скапливаются простейшие, потребляющие биопленку, оторвавшуюся с носителя, такой биоценоз способен практически полностью извлечь из сточной воды все органические примеси.

биотехнология загрязненность биоценоз

3.5 Основные параметры биологической очистки

1. температура,

3. концентрация растворенного О2,

4. уровень перемешивания,

5. концентрация и возраст циркулирующего в очистных системах активного ила,

6. наличие в воде токсичных примесей.

Температура

Большинство очистных сооружений аэробного типа работают под открытым небом и не предусматривают регулирования температуры.

Изменение температуры зависит от времени года и климата в диапазоне от 2-5 до 25-35 0С.

При понижением температуры до 10-15 0С

Преобладают психрофильные микроорганизмы,

Снижается общее количество представителей микрофлоры и микрофауны

Уменьшается скорость очистки

Снижается и флокулирующая способность микроорганизмов, что приводит к вымыванию активного ила из систем вторичных отстойников.

Можно уменьшить аэрирование сточных вод

Необходимо повысить концентрацию активного ила в сточных водах, и увеличить время пребывания сточных вод в системе очистки.

При повышении температуры от 20 до 37 0С

Возрастает скорость и полнота очистки в 2-3 раза.

Преобладают мезофильные и термофильные микроорганизмы, возрастает очистки.

Снижается растворимость кислорода в воде, необходимо усилить аэрацию.

Оптимальный диапазон рН для систем биологической очистки от 5,5 до 8,5.

рН как правило не регулируется, поскольку:

1. объемы очищаемой воды очень большие;

Обычно используют сточные воды с различными значениями рН так, чтобы при смешении суммарное значение рН оказалось близкой к оптимуму.

оптимальное количество растворенного кислорода от 1 до 5 мг/л.

Скорость растворения кислорода в сточной воде не должна быть ниже скорости его потребления микроорганизмами активного ила.

Это требование обусловлено тем, что для кислорода, как и для всякого субстрата, наблюдается влияние его концентрации на скорость роста микроорганизмов, описываемое зависимостью, аналогичной уравнению Моно.

Снижение концентрации растворенного кислорода приводит:

1. к снижению скорости роста ила и, следовательно, к снижению скорости очистки;

2. к ухудшению потребления органических загрязнений;

3. К накоплению продуктов жизнедеятельности микроорганизмов;

4. к развитию нитчатых формы бактерий Sphaerotilus nataus, концентрация которых при нормальный работе очистных сооружений невелика

Конвекция (перемешивание)

Этот процесс обеспечивает поддержание активного ила во взвешенном состоянии, создает благоприятные условия для массопереноса компонентов питания и кислорода

Биогенные элементы

Кроме С микроорганизмам для нормального функционирования необходимы N и P , а такжеMg , K , Na

Недостаток N и P резко снижает эффективность процесса очистки и приводит к накоплению нитчатых форм бактерий. Количество их, необходимое микроорганизмам для нормального функционирования, определяется видом органических соединений, присутствующих в сточных водах, его можно рассчитать теоретически.

Mg , K , Na - как правило, присутствуют в сточных водах в достаточном количестве, при недостатке добавляют водорастворимые соли.

В качестве добавок биогенных элементов при очистке производственных стоков используют фекальные сточные воды, содержащие N и P в большом избытке, при этом снижается концентрация синтетических органических загрязнений.

Доза и возраст активного ила

В обычных очистных сооружениях типа аэротенка текущая концентрация активного ила не превышает 2--4 г/л.

Увеличение концентрации активного ила в сточной воде приводит к росту скорости очистки, но требует усиления аэрации.

Чем меньше возраст активного ила тем эффективнее очистка воды «молодой» активный ил более рыхлый, имеет хлопья меньшего размера, с низким содержанием простейших; одновременно с этим осаждаемость «молодого» активного ила в системах вторичных отстойников несколько лучше.

Возраст активного ила Т - время его рециркуляции в системе очистных сооружений, вычисляется формуле:

V - объем аэратенка, м3 ;

Хср - средняя концентрация активного ила, кг/м3 ;

Q ст - расход сточной воды, м3/ч ;

Wn - скорость прироста активного ила, кг/(м3ч).

Техническая реализация аэробных способов очистки

Аэробный способ очистки сточной воды основан на использовании системы аппаратов аэротенк -- вторичный отстойник.

Выбор конкретной схемы определяется:

1. расходом сточной воды,

2. составом и концентрацией загрязнений,

3. требованиями к качеству очищенной воды и т. п.

Аэротенк

Открытое железобетонное сооружение, через которое пропускается сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом.

В зависимости от способа смешения суспензии активного ила с очищаемой водой и гидродинамического режима движения суспензии активного ила аэротенки делятся

Аэротенк-вытеснитель

Свежая порция активного ила и очищаемая вода одновременно подаются в аппарат и далее происходит движение суспензии активного ила по аппарату в режиме, приближающемся к идеальному вытеснению.

Развитие микроорганизмов в этом объеме определяется законами периодического роста.

«+» полностью извлекаются все загрязнения.

«-« длительно, сточная вода с низкими концентрациями (ХПК не более 200-400 мг/л);

Аэротенк-смеситель

Активный ил и очищаемая сточная вода поступают по всей длине аппарата одновременно и в аппарате создается режим, близкий к полному смешению, одновременно из аппарата отводится суспензия активного ила.

Развитие популяции микроорганизмов происходит как в хемостате все микрооргнизмы в фазе лимитированного роста;

аэротенк сложного типа

на разных этапах очистки одновременно реализуются оба режима:

1. смешения на первой стадии,

2. вытеснения на второй.

Схема аэробной биологической очистки

А) усреднение и осветление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, отстойники);

Б) аэробная биологическая очистка осветленных сточных вод (аэротенки, регенераторы активного ила, вторичные отстойники);

В) доочистка сточных вод (биологические пруды, фильтровальные станции);

Г) обработка осадков (иловые площадки, сушилки, печи и т. д.).

Биофильтр

Биопленка представляет собой уникальны по качественному и количественному составу и различающийся в зависимости от места его нахождения консорциум микроорганизмов, иммобилизованный поверхности пористого носителя.

Нельзя проконтролировать содержание кислорода на каждом уровне биофильтра, поэтому нельзя с определенностью говорить о строго аэробном способе очистки.

«+» формирование конкретного биоценоза на определенных этапах очистки приводит к полному удалению всех органических примесей.

1. нельзя использовать стоки с высоким содержанием органических примесей (начальное значение по ХПК не более 500--550 мг/л, т.к. можно уничтожить активную пленку);

2. необходимо равномерно орошать поверхность биофильтра сточными водами, с постоянной скоростью;

3. перед подачей на биофильтры сточные воды необходимо очистить от взвешенных частиц, т.к. забьются капиллярные каналы и произойдет заиливание.

Наполнитель биофильтра : керамику, щебень, гравий, керамзит, металлический или полимерный материал с высокой пористостью.

Биофильтры подразделяются в зависимости от способа и вида загрузочного материала и от режима подачи жидкости.

По режиму аэрации: с принудительной и естественной циркуляцией.

В обоих случаях в биофильтрах наблюдается режим противотока воды, которая поступает сверху вниз, и воздуха, который поступает снизу вверх.

Технологические схемы с использованием биофильтров мало отличаются от схем очистки с применением аэротенков, однако, оторвавшиеся частицы биопленки после отделения их во вторичном отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а отводятся на иловые площадки.

Принцип вытеснения жидкости с одновременной фиксацией клеток микроорганизмов в иммобилизованном состоянии положен и в основу работы аэротенков-вытеснителей с применением стеклоершей. Стеклоерши погружают в аэрируемую воду и на их поверхности происходит накопление биоценоза активного ила, который как и в биофильтре, развивается на каждом участке ершей неодинаково и изменяется по количественному и качественному составу.

«+» системы с иммобилизованными на стеклоершах клетками от биофильтров является возможность интенсификации аэрации.

Это позволяет получать в биологических системах очистки биоценозы микроорганизмов, адаптированные именно к данному узкому спектру загрязнений, при этом скорость очистки и ее эффективность резко возрастают.

Экстенсивные способы очистки сточных вод

Пруды с искусственной или естественной аэрацией также под воздействием биоценоза активного ила происходит окисление органических примесей.

Состав определяется глубиной нахождения данной группы микроорганизмов: в верхних слоях - аэробные культуры, в придонных слоях - факультативные аэробы и анаэробы, способные осуществлять процессы метанового брожения или восстановление сульфатов.

Chlorella, Scenedesmus, Ankistrodesmus, эвгленовые, вольвоксовые - насыщают воду О2 за счет фотосинтеза; микро и макрофауна: простейшие, черви, коловратки, насекомые и другие организмы.

В биопрудах осуществляется:

1. доочистка стоков после очистных сооружений, когда остающиеся примеси осложняют процесс дальнейшей утилизации вод -это позволяет практически полностью удалять остаточные количества многих соединений.

2. полная очистка, качество очистки воды и в этом случае очень высоко; хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие органические соединения из воды.

«-» полная неуправляемость процесса, низкая скорость окисления органических соединений, время пребывания воды в биологических прудах несколько суток, занимают огромные площади.

Поля фильтрации - служат только для целей очистки, на них подается максимально возможное количество жидкости.

Поля орошения - предназначены для выращивания сельскохозяйственных культур, и вода на них подается по мере необходимости.

Процесс самоочищения воды осуществляется за счет жизнедеятельности почвенных организмов -- бактерий, грибов, водорослей, простейших, червей и членистоногих;

Состав почвенного биоценоза определяется структурой почвы, т.к. на поверхности почвенных комочков образуется биопленка.

О2 проникает в почву на 20--30 см, поэтому самая интенсивная минерализация органики происходит в поверхностных слоях.

Существенную роль в процессах очистки сточных вод на полях фильтрации и орошения играют нитрифицирующие бактерии. В летний период на 1 га площади образуется до 70 кг нитратов, которые с током жидкости поступают в нижние горизонты, где господствуют анаэробные условия. Кислород нитратов у денитрифицирующих бактерий идет на окисление сохранившихся в воде органических соединений.

Анаэробные процессы переработки отходов

Анаэробные способы очистки применяются для сбраживания высококонцентрированных стоков и осадков, содержащих большое количество органических веществ.

Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах -- метантенках.

Процесс брожения состоит из двух стадий -- кислой и метановой. Каждая из этих стадий осуществляется определенной группой микроорганизмов:

Кислая -- органотрофами,

Метановая -- литотрофами.

Обе группы присутствуют в метантенке одновременно, поэтому кислото- и газообразование протекают параллельно. В нормально работающем метантенке появляющиеся при кислом брожении продукты успевают переработаться бактериями второй фазы, и в целом процесс протекает в щелочной среде.

Формирование микрофлоры происходит за счет микроорганизмов, попавших вместе со сточными водами или осадком.

Состав биоценозов метантенков беднее аэробных биоценозов

первую стадию (кислотообразования) осуществляют: Вас. cereus , Вас. megaterium . Вас. subtilis , Ps. aeruginosa , Sarcina . Наряду с облигатными анаэробами в метантенке могут встречаться и факультативные анаэробы. Общее количество бактерий в осадке колеблется от 1 до 15 мг/мл. Конечным продуктом процесса брожения этой группы микроорганизмов являются низшие жирные кислоты, СО2 , +NH4, H2S.

вторую стадию (метанообразования ) осуществляют строгие анаэробы метанобразующие бактерии - Methanococcus , Methanosarcina , Methanobacterium .

В результате жизнедеятельности биоценоза метантенка происходит снижение концентрации органических загрязнений в отходах или сточных водах с одновременным образованием биогаза. В состав биогаза входят СН4 и С02 .

при распаде 1 г жиров образуется 1200 мл газа (в %): СН4-68, С02-32.

при распаде 1 г углеводов образуется 800 мл газа (в %): СН4-50, СО2-50.

предел сбраживания: жиры - 70%, углеводы - 62,5%, дальнейшее разложение органического вещества не приводит к образованию биогаза.

Особенности процессов анаэробной очистки

Концентрация токсичных компонентов не должна ингибировать процессы брожения.

Конвекция - 3 - 5 об/мин.

Температура

мезофильный режим(30--35°С)

термофильный режимы (50--60°С) - скорость распада органических соединений увеличивается, возрастает доза суточной загрузки в метантенк.

1. как и всякий анаэробный процесс, практически неуправляем

2. низкая скорость,

3. расход энергии, потребляемой клеткой на биосинтез, практически постоянен как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Метантенк - строго герметичный ферментер объемом до нескольких кубических метров с перемешиванием и рубашкой для обогрева, оборудован газоотделителями с противопламенными ловушками, работает в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка по мере завершения процесса.

С осадком из метантенка удаляется и часть имеющихся в нем микроорганизмов, что ведет к увеличению времени сбраживания следующей порции.

Обеспечение задержки клеток в объеме аппарата при его разгрузке позволяет значительно интенсифицировать процесс и увеличить выход газа.

назначение:

Для сбраживания осадков, избыточного активного ила,

В качестве первой ступени очистки высококонцентрированных стоков, с последующей их аэробной доочисткой.

В целом, активное использование метаногенеза при сбраживании органических отходов является, одним из наиболее перспективных путей совместного решения экологических и энергетических проблем, который позволяет, например, агропромышленным комплексам перейти на практически полностью самостоятельное энергоснабжение.

Заключение

Деятельность любого биотехнологического производства может привести к возникновению экологических проблем общего и частного характера:

1)истощению и гибели естественных экосистем вокруг биотехнологических предприятий или неадекватному популяционному давлению одних видов живых существ на другие (например, разрастание цианобактерий в водохранилищах);

2)возрастанию стрессовых нагрузок на людей, проживающих вблизи крупных биотехнологических предприятий (выхлопные газы, шум, испарения, корпускулярные аллергены в атмосфере и пр.);

...

Подобные документы

Характеристика современной очистки сточных вод для удаления загрязнений, примесей и вредных веществ. Методы очистки сточных вод: механические, химические, физико-химические и биологические. Анализ процессов флотации, сорбции. Знакомство с цеолитами.

реферат , добавлен 21.11.2011


Мировая экологическая ситуация и роль биотехнологии в ее улучшении. Характеристика стоков перерабатывающей промышленности. Роль биотехнологии в защите и оздоровлении биосферы. Аэробные и анаэробные системы очистки стоков. Метановое сбраживание.

статья , добавлен 23.10.2006


Экологические проблемы Балтийского моря. Общая характеристика предприятия, социально-экологических аспектов функционирования. Деятельность терминала. Природоохранные технологии. Проблемы очистки сточных вод от соединений марганца и железа, пути решения.

дипломная работа , добавлен 02.05.2016


Организмы активного ила, биохимическое окисление загрязняющих веществ сточных вод как его функция. Типы активного ила, понятие его возраста. Индикаторные организмы активного ила. Массовые виды аэротенков в пробах. Индикаторы высокой степени очистки вод.

контрольная работа , добавлен 02.12.2014


Физико-химическая характеристика сточных вод. Механические и физико-химические методы очистки сточных вод. Сущность биохимической очистки сточных вод коксохимических производств. Обзор технологических схем биохимических установок для очистки сточных вод.

курсовая работа , добавлен 30.05.2014


Анализ экологической обстановки в крупнейших индустриальных центрах и крупных портовых городах Украины. Характеристика проблем загрязненности воздуха промышленными предприятиями, транспортом, состояния канализационного хозяйства и очистки сточных вод.

реферат , добавлен 25.03.2010


Характеристика экологических проблем и оценка их особенностей в выявлении критериев взаимодействия человека и окружающей среды. Факторы экологических проблем и периоды влияния общества на природу. Анализ взаимосвязи экологических и экономических проблем.

контрольная работа , добавлен 09.03.2011


Характеристика предприятия как источника образования загрязнённых сточных вод. Цех производства обувной кожи. Характеристика сточных вод, поступающих на локальную систему очистки от цехов производства кожи. Расчет концентраций загрязняющих веществ.

курсовая работа , добавлен 09.05.2012


Состав сточных вод. Характеристика сточных вод различного происхождения. Основные методы очистки сточных вод. Технологическая схема и компоновка оборудования. Механический расчет первичного и вторичного отстойников. Техническая характеристика фильтра.

дипломная работа , добавлен 16.09.2015


Загрязнение водных ресурсов сточными водами. Влияние выпуска сточных вод металлургических предприятий на санитарное и общеэкологическое состояние водоемов. Нормативно-правовая база в области очистки сточных вод. Методика оценки экологических аспектов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос 1. Биообъект как средство производства лекарственных, диагностических и профилактических п репаратов. Определение. Требования. Классификация. Примеры

Биообъект -это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

Требования, предъявляемые к биологическим объектам

Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микробов - контаминантов, или загрязнителей. Представителями контаминирующей микрофлоры являются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. При использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофитной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие нестерильности системы.

Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов - одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.

Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках животного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником ферментов также являются изолированные клетки или специализированные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.

Классификация биообъектов

1) Макромолекулы

Ферменты всех классов (чаще гидролазы и трансферазы); в т.ч. в иммобилизированном виде (связанные с носителем) обеспечивающем многократность использования и стандартность повторяющихся производственных циклов;

ДНК и РНК - в изолированном виде, в составе чужеродных клеток.

2) Микроорганизмы

Вирусы (с ослабленной патогенностью используются для получения вакцин);

Клетки прокариоты и эукариоты - продуценты первичных метаболитов: аминокислот, азотистых оснований, коферментов, моно- и дисахаров, ферментов для заместительной терапии и т.д.); -продуценты вторичных метаболитов:антибиотики, алкалоиды, стероидные гормоны, и др.;

Нормофлоры - биомасса отдельных видов микроорганизмов применяемые для профилактики и лечения дисбактериозов;

Возбудители инфекционных заболеваний - источники антигенов для производства вакцин;

Трансгенные м/о или клетки - продуценты видоспецифичных для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета и т.д.

3) Макроорганизмы

Высшие растения - сырье для получения БАВ;

Животные - млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, членистоногие, рыбы, моллюски, человек;

Трансгенные организмы.

В качестве биологических объектов или систем, которые использует биотехнология, прежде всего, необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетка. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:

1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимы в жизни человека, пока недоступны для получения «небиотехническими» способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья или же сложности технологических процессов.

2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 минут, дрожжевая - через каждые 1,5-2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток. Например, в биореакторе емкостью 100 м 3 за 2-3-сут. можно вырастить 10 16 -10 18 микробных клеток. В процессе жизнедеятельности клеток при их выращивании в среду поступает большое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют собой кладовые этих продуктов.

3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырье для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырье для других видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной, пищевой промышленности, растительное сырье, дрожжи, древесина, меласса и др.).

4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технология переработки и т.д.

Вопрос 2 . Иммобилизация ферментов физическими методами. Используемые носители. Характеристика методов иммобилизации. Область применения иммобилизованных ферментов

Существует два основных метода иммобилизации ферментов: физический и химический.

Физическая иммобилизация ферментов представляет собой включение фермента в такую среду, в которой для него доступной является лишь ограниченная часть общего объема. При физической иммобилизации фермент не связан с носителем ковалентными связями. Существует четыре типа связывания ферментов:

Адсорбция на нерастворимых носителях;

Включение в поры геля;

Пространственное отделение фермента от остального объема реакционной системы с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны);

Включение в двухфазную среду, где фермент растворим и может находиться только в одной из фаз.

Перечисленные подходы проиллюстрированы рисунке 1.

Адсорбционная иммобилизация является наиболее старым из существующих способов иммобилизации ферментов, начало ей было положено еще в 1916 г. Этот способ достаточно прост и достигается при контакте водного раствора фермента с носителем.

Рис. 1. Способы иммобилизации ферментов: а - адсорбция на нерастворимых носителях, б - включение в поры геля, в - отделение фермента с помощью полупроницаемой мембраны, г - использование двухфазной реакционной среды

После отмывки неадсорбировавшегося белка иммобилизованный фермент готов к использованию. Удерживание адсорбированной молекулы фермента на поверхности носителя может обеспечиваться за счет неспецифических ван-дер-ваальсовых взаимодействий, водородных связей, электростатических и гидрофобных взаимодействий между носителем и поверхностными группами белка. Вклад каждого из типов связывания зависит от химической природы носителя и функциональных групп на поверхности молекулы фермента. Взаимодействия с носителем могут оказаться настолько сильными, что сорбция биокатализатора может сопровождаться разрушением его структуры. Например, при адсорбции некоторых растительных клеток на гранулах цитодекса клеточная стенка деформируется, повторяя рельеф поверхности частиц носителя. Преимуществом метода адсорбционной иммобилизации является доступность и дешевизна сорбентов, выступающих в роли носителей. Им также можно придать любую конфигурацию и обеспечить требуемую пористость. Важный фактор - простота применяемых методик. При адсорбционном связывании можно решить и проблему очистки фермента, так как связывание белка с носителем во многих случаях достаточно специфическое. К сожалению, прочность связывания фермента с носителем не всегда достаточно высока, что ограничивает применение метода. К недостаткам адсорбционной иммобилизации следует отнести отсутствие общих рекомендаций, позволяющих сделать правильный выбор носителя и оптимальных условий иммобилизации конкретного фермента.

Некоторых из перечисленных затруднений можно избежать при иммобилизации ферментов путем включения в гели. Суть этого метода иммобилизации состоит в том, что молекулы фермента включаются в трехмерную сетку из тесно переплетенных полимерных цепей, образующих гель. Среднее расстояние между соседними цепями в геле меньше размера молекулы включенного фермента, поэтому он не может покинуть полимерную матрицу и выйти в окружающий раствор, т.е. находится в иммобилизованном состоянии. Дополнительный вклад в удерживание фермента в сетке геля могут вносить также ионные и водородные связи между молекулой фермента и окружающими ее полимерными цепями. Пространство между полимерными цепями в геле заполнено водой, на долю которой обычно приходится значительная часть всего объема геля. Например, широко применяемые гели полимеров акриловой кислоты в зависимости от концентрации полимера и его природы содержат от 50 до 90% воды.

Для иммобилизации ферментов в геле существует два основных способа. При одном из них фермент помещают в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию, в результате чего образуется полимерный гель с включенными в него молекулами фермента. В реакционную смесь часто добавляют также бифункциональные (содержащие в молекуле две двойные связи) сшивающие агенты, которые придают образующемуся полимеру структуру трехмерной сетки. В другом случае фермент вносят в раствор готового полимера, который затем каким-либо образом переводят в гелеобразное состояние. Способ иммобилизации ферментов путем включения в полимерный гель позволяет создавать препараты любой геометрической конфигурации, обеспечивая при этом равномерное распределение биокатализатора в объеме носителя. Метод универсален, применим для иммобилизации практически любых ферментов, полиферментных систем, клеточных фрагментов и клеток. Фермент, включенный в гель, стабилен, надежно защищен от инактивации вследствие бактериального заражения, так как крупные клетки бактерий не могут проникнуть в мелкопористую полимерную матрицу. В то же время, эта матрица может создавать значительные препятствия для диффузии субстрата к ферменту, снижая каталитическую эффективность иммобилизованного препарата, поэтому для высокомолекулярных субстратов данный метод иммобилизации не применим вообще.

Общий принцип иммобилизации ферментов с использованием мембран заключается в том, что водный раствор фермента отделяется от водного раствора субстрата полупроницаемой перегородкой. Полупроницаемая мембрана легко пропускает небольшие молекулы субстрата, но непреодолима для крупных молекул фермента. Существующие модификации этого метода различаются лишь способами получения полупроницаемой мембраны и ее природой. Водный раствор фермента можно включать внутрь микрокапсул, представляющих собой замкнутые сферические пузырьки с тонкой полимерной стенкой (микрокапсулирование). При двойном эмульгировании получается водная эмульсия из капель органического раствора полимера, содержащих, в свою очередь, еще более мелкие капли водного раствора фермента. Через некоторое время растворитель затвердевает, образуя сферические полимерные частицы с иммобилизованным в них ферментом. Если вместо водонерастворимого отвердевающего полимера используются жидкие углеводороды с высокой молекулярной массой, метод называется иммобилизацией путем включения в жидкие мембраны. К модификациям метода иммобилизации ферментов с использованием полупроницаемых оболочек относятся также включение в волокна (при этом вместо капель, содержащих ферменты, получаются нити) и включение в липосомы. Применение систем мембранного типа позволяет получать иммобилизованные препараты с высоким содержанием фермента. Метод, как и предыдущий, достаточно универсален, т.е. применим как ферментам, так и к клеткам, а также их фрагментам. Благодаря высокому отношению поверхности к объему и малой толщине мембраны удается избежать значительных диффузионных ограничений скорости ферментативных реакций. Основной недостаток мембранных систем - невозможность ферментативного превращения высокомолекулярных субстратов.

При иммобилизации ферментов с использование систем двухфазного типа ограничение свободы перемещения фермента в объеме системы достигается благодаря его способности растворяться только в одной из фаз. Субстрат и продукт ферментативного превращения распределяются между обеими фазами в соответствии с их растворимостями в этих фазах. Природа фаз подбирается таким образом, что продукт накапливается в той из них, где фермент отсутствует. После завершения реакции эту фазу отделяют и извлекают из нее продукт, а фазу, содержащую фермент, вновь используют для проведения очередного процесса. Одним из важнейших преимуществ систем двухфазного типа является то, что они позволяют осуществлять ферментативные превращения макромолекулярных субстратов, которые невозможны при применении жестких носителей с ограниченным размером пор.

Главным отличительным признаком химических методов иммобилизации является то, что путем химического взаимодействия на структуру фермента в его молекуле создаются новые ковалентные связи, в частности между белком и носителем. Препараты иммобилизованных ферментов, полученные с применением химических методов, обладают, по крайней мере, двумя важными достоинствами. Во-первых, ковалентная связь фермента с носителем обеспечивает высокую прочность образующегося конъюгата. При широком варьировании таких условий, как рН и температура, фермент не десорбируется с носителя и не загрязняет целевых продуктов катализируемой им реакции. Это особенно важно при реализации процессов медицинского и пищевого назначения, а также для обеспечения устойчивых, воспроизводимых результатов в аналитических системах. Во-вторых, химическая модификация ферментов способна приводить к существенным изменениям их свойств, таких как субстратная специфичность, каталитическая активность и стабильность. Химическая иммобилизация ферментов является искусством, уровень которого определяется, в первую очередь, умением экспериментатора. Основная задача экспериментатора заключается в формировании новых ковалентных связей в молекуле фермента при использовании его функциональных групп, несущественных для проявления его каталитической активности. При химической модификации фермента его активный центр желательно защищать. При сопоставлении различных приемов иммобилизации химические методы для крупномасштабных биотехнологических процессов кажутся малопривлекательными из-за сложности и дороговизны. В промышленных процессах обычно используются те или иные методы физической иммобилизации.

Применение иммобилизованных ферментов

Особенно ощутимый вклад иммобилизованные ферменты внесли в тонкий органический синтез, в анализ, в медицину, в процессы конверсии энергии, в пищевую и фармацевтическую промышленности.

Для синтетической органической химии важно то, что в двухфазных реакционных средах фермент сохраняет каталитическую активность даже при исключительно малом содержании воды, поэтому равновесие катализируемой реакции (выход продукта) экспериментатор может регулировать в широких пределах, подбирая нужный органический растворитель. Иммобилизованные ферменты дали толчок к созданию принципиально новых методов "безреагентного" непрерывного анализа многокомпонентных систем органических (в ряде случаев и неорганических) соединений.

В будущем важную роль в контроле окружающей среды и в клинической диагностике должны сыграть такие методы, как биолюминесцентный анализ и иммуноферментный анализ.

В медицине иммобилизованные ферменты открыли путь к созданию лекарственных препаратов пролонгированного действия со сниженной токсичностью и аллергенностью. Иммобилизационные подходы способствуют решению проблемы направленного транспорта лекарств в организме.

Проблемы биоконверсии массы и энергии в настоящее время пытаются решить микробиологическим путем. Тем не менее, иммобилизованные ферменты вносят ощутимый вклад в осуществление фотолиза воды и в биоэлектрокатализ.

Заслуживает внимание и использование иммобилизованных ферментов в процессах переработки лигноцеллюлозного сырья.

Иммобилизованные ферменты могут использоваться и как усилители слабых сигналов. На активный центр иммобилизованного фермента можно подействовать через носитель, подвергая последний ультразвуковой обработке, механическим нагрузкам или фотохимическим превращениям. Это позволяет регулировать каталитическую активность системы фермент - носитель под действием механических, ультразвуковых и световых сигналов. На этой основе были созданы механо- и звукочувствительные датчики и открыт путь к бессеребряной фотографии.

Промышленные процессы с применением иммобилизованных ферментов внедрены, прежде всего, в пищевую и фармацевтическую промышленность. В пищевой промышленности с участием иммобилизованных ферментов идут процессы получения глюкозо-фруктовых сиропов, глюкозы, яблочной и аспарагиновой кислоты, оптически активных L-аминокислот, диетического безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки и др.

В медицине иммобилизованные ферменты используются также как лекарственные препараты, особенно в тех случаях, когда необходимо локальное воздействие. Кроме того, биокатализаторы широко используются в различных аппаратах для перфузионной очистки различных биологических жидкостей. Возможности и перспективы использования в медицине ферментов в иммобилизованном состоянии гораздо шире, чем достигнутые на сегодняшний день, именно на этом пути медицину ждет создание новых высокоэффективных методов лечения.

биообъект иммобилизованый фермент витамин

Вопрос 3 . Биотехнология витаминов и коферментов. Биологическая роль витаминов. Достоинства и недостатки традиционных методов получения (выделение из природных источников, химический синтез) и микробиологического синтеза витаминов

Витамины (от лат. vita - жизнь + амины) - низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, абсолютно необходимые для нормальной жизнедеятельности организмов. Витамин являются незаменимыми пищевыми веществами, т.к. за исключением никотиновой кислоты они не синтезируются организмом человека и поступают главным образом в составе продуктов питания. Некоторые витамины могут производиться нормальной микрофлорой кишечника. В отличие от других жизненно важных пищевых веществ витамины не обладают пластическими свойствами и не используются организмом в качестве источника энергии. Участвуя в разнообразных химических превращениях, они оказывают регулирующее влияние на обмен веществ и тем самым обеспечивают нормальное течение практически всех биохимических и физиологических процессов в организме.

Коферменты (син. коэнзимы ) - органические соединения небелковой природы необходимые для осуществления каталитического действия многих ферментов, соединяясь с белковой частью молекулы фермента - апоферментом , кофермент образует каталитически активный комплекс - холофермент . Прочно связанные с белками коферменты называютсяпростетическими группами . Коферменты могут участвовать в активировании молекул субстрата, образуя с ними реакционно-способные соединения, которые затем подвергаются ферментативному превращению. Некоторые метаболиты, выступающие в ферментативных реакциях как обычные субстраты, в определенных условиях могут играть роль коферментов. Многие коферменты являются производными витаминов и, поэтому нарушение обмена веществ при витаминной недостаточности опосредовано через понижение активности определенных ферментов.

Коферменты, как правило, термостабильны, разнообразны по химическому строению и механизму действия.

Биологическая роль витаминов

Название витамина	Действие витамина на организм	Содержится в продуктах
Витамин А (Ретинол)	Витамин А предотвращает проблемы со зрением, способствует здоровью иммунной системы, имеет весомое значение для роста клеток и улучшает состояние кожи.	К основным источникам ретинола можно отнести печень, молоко, яйца и витаминизированные каши, зеленые и оранжевые овощи (например картофель, морковь, тыква и капуста), и оранжевые фрукты - персики, папайя, дыня, абрикосы или манго.
Витамин В12 (Цианокобаламин)	Витамин В12 помогает воспроизводству красным кровяным тельцам, нервным клеткам. Он участвует в делении клеток, поэтому без него невозможна регенерация тканей и рост мышц.	В рыбе, красном мясе, мясе птиц, молоке, сыре и яйцах можно найти этот витамин. Его также добавляют в некоторые сухие завтраки.
Витамин B6 (Пиридоксин)	Для правильной работы мозга и других неврологических функций незаменим Витамин В6. Также он помогает организму расщеплять белки и вырабатывать эритроциты.	Широкий спектр продуктов содержат витамин В6 - в том числе картофель, бананы, бобы, семена, орехи, красное мясо, рыба, яйца и птица, шпинат и витаминизированные каши.
Витамин В1 (Тиамин)	Тиамин служит катализатором для преобразования углеводов в энергию и необходим для мышц, для сердечной деятельности а также состояния нервной системы.	Люди получают тиамин из различных продуктов, в том числе разных сортов хлеба, круп и макаронных изделий; постного мяса, сушеных бобов, соевых продуктов и гороха, а также из пророщенных зерен, таких например - как зародыши пшеницы.
Витамин В3 (Никотиновая кислота)	Никотиновая кислота помогает поддержанию здоровья кожи, а также в работе нервной системы.	Вы найдете ниацин в птице, красном мясе, крупах, рыбе и арахисе.
Витамин В2 (Рибофлавин)	Рибофлавин нужен организму для роста, превращения углеводов в энергию, и в производстве эритроцитов.	Некоторыми из источников рибофлавина являются молоко, мясо, яйца, бобовые (например горох и чечевица), орехи, зелень. А также: спаржа, брокколи и витаминизированные каши.
Витамин B9 (Фолиевая кислота)	Фолиевая кислота (B9) - содействует в выработке эритроцитов. Кроме того, она необходима, для воссоздания ДНК.	Апельсиновый сок, печень, сушеные бобы и другие бобовые, зелень, спаржа - очень хороший источник этого витамина. А так же: хлеб, рис и зерновые культуры.
Витамин С (Аскорбиновая кислота)	Витамин С нужен для формирования коллагена (ткани, служащей для связывания клеток). Это важно и для здоровья десен, зубов и для роста костей. Также Витамин С - поддерживает в тонусе кровеносные сосуды. Он служит катализатором для усваивания железа организмом, стимулирует функции головного мозга и ускоряет заживление ран.	Витамин С - есть в клубнике, киви, гуаве, перце, шпинате помидорах и брокколи. И конечно самый высокий уровень этого витамина - в цитрусовых!
Витамин D (Кальциферол)	Витамин D, служит укреплению костей, потому что помогает организму усваивать укрепляющий кости кальций и наращивать прочность скелета человека.	Этот витамин является уникальным - ваше тело производит его, когда вы получаете солнечные ванны! Витамин D содержится также и некоторых продуктах, например он есть в жирной рыбе (такой как лосось) в яичных желтках, тунце или сардине а также в молоке коровьем, соевом молоке и апельсиновом соке.
Витамин Е (Токоферол)	Для выработки и поддержания красных кровяных телец в здоровом состоянии нужен витамин E. А еще токоферол - антиоксидант, и в его функции входит защита клеток от разрушений и повреждений.	Токоферол есть в зелени и орехах, растительных маслах и авокадо. Также его достаточно в пророщенных зернах пшеницы и ячменя.
Витамин K	Помогает контролировать свертывание крови в организме и необходим для синтеза в печени белков, которые управляют свертыванием. Нехватка этого витамина - может привести к носовым и внутренним кровотечениям.	Пополнить запасы витамина K - вам поможет брюссельская капуста, обычная капуста и брокколи, а также зелень. Много его в сое, рапсе и оливковом масле.

Достоинства и недостатки методов получения витаминов

Производство витаминов в нашей стране организовано в начале 30-х гг. прошлого века. Вначале выпускались витаминные препараты из натурального сырья. Затем было освоено производство синтетических витаминов С и K 3 . С 1949 по технологии, разработанной советскими учёными, в промышленном масштабе стал осваиваться синтез других витаминов, например тиамина (витамин B 1). В 1950 производство витаминов увеличилось по сравнению с 1940 в 5,6 раза. К 1955 г. были разработаны схемы синтеза всех известных основных витаминов. Дальнейшее развитие витаминной промышленности связано главным образом с разработкой и внедрением синтетических методов производства витаминов. Эти методы по характеру технологических процессов значительно сложнее, чем метод извлечения витаминов из натурального сырья, но они позволяют получать продукцию в химически чистом виде, что имеет большое значение для их лечебного применения и точных дозировок при изготовлении кормовых концентратов. Кроме того, издержки на производство синтетических витаминов ниже издержек на получение соответствующих витаминов из натурального сырья.

Метод выделения витаминов из природных источников, безусловно, проще с точки зрения производства, но не удобен тем, что требует переработки огромного количества сырья. Что касается химического синтеза, то недостатками его является все же: многостадийность процессов, значительная материалоёмкость, обусловливающая необходимость размещения предприятий вблизи сырьевых баз; необходимость выработки высокочистой продукции.

Витаминная промышленность нуждается в более эффективных технологиях, и такие технологии успешно создаются.

С помощью лишь генетических манипуляций (воздействием на регуляцию метаболизма) были получены штаммы микроорганизмов, которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов, чем необходимо для их роста. Это штаммы Ashbya gossypii - продуцент рибофлавина, штаммы Pseudomonas denitrifikans и Propionibacterium freudonreichii, производящие витамин В 12 и др. В России на базе бактерий рода Bacillus subtilis сконструирован эффективный продуцент витамина В 2.

Для микробиологического синтеза органических соединений в качестве сырья применяют наиболее дешевые источники азота (например, нитраты или соли аммония) и углерода (напр., углеводы. орг. кислоты, спирты. жиры. углеводороды. в т.ч. газообразные).

Применение биосинтеза дает возможность сокращения стадий химического синтеза за счет использования высокоактивных штаммов микроорганизмов. Например производство витаминов В 12 , В 2 , В 3 и D (эргостерина) стало возможным осуществлять в 1 стадию. БТ методы нашли применение в синтезе вит. С, убихинона, каротиноидов. В 12 - получают и спользованием прокариотической микрофлоры - мутагенных штаммов пропионовых бактерий - 50 мг/л среды и его предшественника - ди метилбенимидазола - до 200 мг/л. В 2 , - (рибофлавин) поучают с использованием дрожжеподобных грибов Eremothecium и Ashbya - 3,8-6,4 г/л. В последнее время используется мутантный штамм Bacillus subtilis - 3,5-4,5 г/л. - В 3 - (пантотеновая к-та) и синтез кофермента КоА актиномицетами из аланина и пантотената К с помощью иммобилизованных клеток бактерий Brevibacteria. Недостатки - небольшой выход готового продукта, для этого проводят совершенствование по направлениям: селекция мутантных штаммов, оптимизация состава и удешевление сред, оптимизация условий культивирования продуцента.

Используемая литература

1. Биотехнология: учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений / Ю.О. Сазыкин, С.Н. Орехов, И.И. Чакалева; под ред. А.В. Катлинского.-3-е изд.,- М.: Издательский центр «Академия», 2008-256 с.

2. Биотехнология лекарственных средств. Учебное пособие / Под ред. Быкова В.А. и Далина М.В. - М.: Медбиоэкономика- 303с.

3. Основы фармацевтической биотехнологии: учеб. Пособие / под ред. Чучалин В.С. Прищеп Т.П. Белова Л.С. Зайков К.Л. Михалева Л.К.,- Ростов н/Д, «Феникс», 2006 г.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Виды носителей для иммобилизации клеток и ферментов. Иммобилизованные культуры и возможность их применения в различных отраслях. Типы реакторов с использованием иммобилизованных культур. Преимущества и недостатки использования иммобилизованных культур.

курсовая работа , добавлен 15.01.2012


Химический состав, природа и структура белков. Механизм действия ферментов, виды их активирования и ингибирования. Современная классификация и номенклатура ферментов и витаминов. Механизм биологического окисления, главная цепь дыхательных ферментов.

шпаргалка , добавлен 20.06.2013


Биологическая химия как наука, изучающая химическую природу веществ живых организмов. Понятие витаминов, коферментов и ферментов, гормонов. Источники жирорастворимых и водорастворимых витаминов. Понятие обмена веществ и энергии, обмена липидов и белков.

курс лекций , добавлен 21.01.2011


Характеристика ферментов, органических катализаторов белковой природы, которые ускоряют реакции, необходимые для функционирования живых организмов. Условия действия, получение и применение ферментов. Болезни, связанные с нарушением выработки ферментов.

презентация , добавлен 19.10.2013


Витамины как один из факторов питания человека. Биологическая роль витаминов. Номенклатура и классификация витаминов. Понятие рекомендуемой суточной нормы. Понятие гипо-, гипер- и авитаминоза. Характеристика жирорастворимых и водорастворимых витаминов.

реферат , добавлен 27.05.2015


Классификация ферментов, их функции. Соглашения о наименовании ферментов, структура и механизм их действия. Описание кинетики односубстратных ферментативных реакций. Модели "ключ-замок", индуцированного соответствия. Модификации, кофакторы ферментов.

презентация , добавлен 17.10.2012


Технология ферментных препаратов. Производство ферментов при поверхностном культивировании продуцентов. Характеристика ферментных препаратов. Перспективы совершенствования приемов ферментативного катализа в виноделии. Биологическая очистка сточных вод.

контрольная работа , добавлен 15.12.2009


Специфические белки, катализирующие химические реакции в живых системах. Характеристика и классификация ферментов, их размеры и строение. Влияние условий среды на активность ферментов: факторы и кофакторы; заболевания, связанные с нарушением их выработки.

презентация , добавлен 07.05.2015


Биологическое значение, классификация, изучение и регуляция каталитической активности ферментов биологической мембраны, их отличия от растворимых ферментов. Методы реконструкции белка. Функции липидов и методы изучения их влияния на мембранные ферменты.

курсовая работа , добавлен 13.04.2009


Роль витаминов в продлении здоровой жизни. Болезни, причина которых – авитаминоз: цинга, рахит, пеллагра. Низкомолекулярные органические соединения. Функция витаминов в регулировании обмена веществ через систему ферментов и гормонов, биокатализаторы.

20.5. Совершенствование биообъектов как источников ЛС включает несколько направлений. Определите эти направления в соответствии с целевыми задачами.

Современный биообъект, используемый в биотехнологической промышленности, - это суперпродуцент, отличающийся от исходного природного штамма по нескольким показателям.

высокий выход целевого продукта

2) способность расти на относительно дешевых питательных средах

3) благоприятные реологические свойства биомассы, обеспечивающие относительно несложное выделение продукта

4) устойчивость к фагам

5) благоприятные экологические показатели процесса (низкое спорообразование, запах и т.д.)

Методы совершенствования биообъектов

Мутации . Изменение биообъекта, благоприятное для его использования в производстве, должно передаваться по наследству и, соответственно, вызываться мутацией. На биохимическом уровне мутация - изменение первичной структуры ДНК в конкретном ее участке, что, в конечном счете, приводит к изменению фенотипа биообъекта.

Долгое время понятие мутации относили только к хромосомам у прокариот и хромосомам (ядру) у эукариот. В настоящее время кроме хромосомных мутаций появилось также понятие мутаций цитоплазматических (плазмидных - у прокариот, митохондриальных и плазмидных - у эукариот).

Спонтанные мутации встречаются, как правило, довольно редко. Разброс по степени выраженности признаков обычно невелик. Совершенствование биообъектов путем предварительного мутагенеза и последующей селекции оказалось гораздо более действенным.

Мутагенез осуществляется при обработке биообъекта физическими или химическими мутагенами. В первом случае, как правило, это ультрафиолетовые, гамма-, рентгеновские лучи; во втором - нитрозометилмочевина, нитрозогуанидин, акридиновые красители, некоторые природные вещества (например, из ДНК-тропных антибиотиков вследствие их токсичности не применяемых в клинике инфекционных заболеваний).

Механизма активности как физических, так и химических мутагенов связан с их непосредственным действием на ДНК (прежде всего на азотистые основания ДНК, что выражается в сшивках, димеризации, алкилировании последних, интеркаляции между ними).

Подразумевается, естественно, что повреждения не приводят к летальному исходу. Последующей задачей является отбор и оценка именно нужных биотехнологу мутаций. Эта селекционная часть работы в целом весьма трудоемка.

В первую очередь биотехнолога интересуют мутантные культуры, обладающие повышенной способностью к образованию целевого продукта. Потенциальные возможности мутагенеза (с последующей селекцией) обусловлены зависимостью биосинтеза целевого продукта от многих метаболических процессов в организме продуцента. Весьма эффективный путь увеличения образования целевого продукта - нарушение системы ретроингибирования .

Повысить активность продуцента можно также, изменив (за счет мутаций) систему транспорта предшественников целевого продукта в клетку.

Наконец, иногда целевой продукт при резком увеличении его образования отрицательно влияет на жизнеспособность собственного продуцента (так называемый суицидный эффект). Повышение резистентности продуцента к образуемому им же веществу часто необходимо для получения, например, суперпродуцентов антибиотиков.

Одним из самых блестящих примеров эффективности мутагенеза с последующей селекцией по признаку увеличения образования целевого продукта является история создания современных суперпродуцентов пенициллина. Работа с исходными биообъектами - штаммами (штамм - клоновая культура, однородность которой по определенным признакам поддерживается отбором) гриба Penicillium chrysogenum, выделенными из природных источников, велась с 1940-х гг. в течение нескольких десятилетий во многих лабораториях. Вначале некоторый успех был достигнут при отборе мутантов, появившихся в результате спонтанных мутаций. Затем перешли к индуцированию мутаций физическими и химическими мутагенами. В результате ряда удачных мутаций и ступенчатого отбора все более продуктивных мутантов активность штаммов сейчас в 100 тыс. раз выше, чем у обнаруженного А.Флемингом исходного штамма, с которого и началась история открытия пенициллина.

Производственные штаммы крайне нестабильны вследствие того, что многочисленные искусственные изменения в геноме клеток штамма сами по себе для жизнеспособности этих клеток положительного значения не имеют. Поэтому мутантные штаммы требуют постоянного контроля при хранении:

Совершенствование биообъектов применительно к производству не исчерпывается только повышением их продуктивности. С экономической точки зрения весьма важно получение мутантов, способных использовать более дешевые и менее дефицитные питательные среды. Большое значение в отношении гарантии надежности производства приобретает получение фагоустойчивых биообъектов.

Из всего изложенного следует, что современный биообъект, используемый в биотехнологической промышленности, - это суперпродуцент, отличающийся от исходного природного штамма не по одному, а, как правило, по нескольким показателям. Хранение таких штаммов-суперпродуцентов представляет серьезную самостоятельную проблему.

В случае применения высших растений и животных в качестве биообъектов для получения лекарственных средств возможности использования мутагенеза и селекции для их совершенствования ограничены.

Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии

Клеточная инженерия - «насильственный» обмен участками хромосом у прокариот или участками и даже целыми хромосомами у эукариот. В результате создаются неприродные биообъекты, среди которых могут быть отобраны продуценты новых веществ или организмы с ценными в практическом отношении свойствами.

Перспективы клеточной инженерии заключаются прежде всего в том, что с ее помощью возможно получение межвидовых и межродовых гибридных культур микроорганизмов, а также гибридных клеток между отдаленными в эволюционном отношении многоклеточными организмами.

Первый этап работы связан с удалением у микроорганизмов клеточной стенки.

Пептидогликан клеточной стенки может быть расщеплен с помощью ферментов (гидролаз пептидогликана), из которых самым известным является лизоцим,

При протопластировании: для получения протопластов клеточную стенку удаляют ферментативной обработкой в «гипертонической» среде с 20 % раствором сахарозы или маннита, иногда с 10 % раствором натрия хлорида в зависимости от определенных особенностей биообъекта и преследуемых целей.

Если биообъект принадлежит к микроскопическим (плесневым и дрожжевым) грибам, то для получения протопластов используют, как правило, не лизоцим, а комплексный ферментный препарат, выделенный из пищеварительного тракта виноградной улитки. Связано это с тем, что состав клеточной стенки у грибов более сложен, чем у бактерий.

Следующий этап работы состоит в объединении суспензий двух образцов протопластов, принадлежащих разным штаммам или разным видам, в более редких случаях - даже разным родам. Частота слияния резко повышается при добавлении к протопластам полиэтиленгликоля, обладающего свойствами детергента.

Культуры таких клеток обладают новыми свойствами. В качестве примера можно привести получение «гибридных» антибиотиков.

Известно, что среди актиномицетов есть принадлежащие к разным видам продуценты антибиотиков гликозидной структуры с варьирующими агликонами и сахарами. Так, антибиотик эритромицин имеет 14-членный макроциклический агликон и два сахара (дезозамин и кладинозу), присоединенных к нему гликозидной связью, а у антибиотиков - антрациклинов агликон состоит из четырех сконденсированных углеродных шестичленных колец, соединенных с аминосахаром.

С помощью клеточной инженерии были получены продуценты таких антибиотиков, у которых макролидный агликон эритромицина был связан с углеводной частью, соответствующей антрациклинам, и наоборот, антрациклиновый агликон с сахарами,

свойственными эритромицину.

Создание биообъектов методами генетической инженерии

Генетическая инженерия гораздо конкретнее и точнее клеточной по характеристике используемых объектов и оперирует в основном с разными по форме и размерам фрагментами клетки.

Генетическая инженерия - соединение фрагментов ДНК природного и синтетического происхождения или их комбинацию с последующим введением полученных рекомбинантных структур в живую клетку для того, чтобы введенный фрагмент ДНК после включения его в

хромосому либо реплицировался, либо автономно экспрессировался.

Основные этапы генетической инженерии

1) Получение ДНК (химический синтез, из мРНК, обработка ДНК рестриктазой)

2) Линеаризация вектора для клонирования той же рестриктазой

3) Смешивание ДНК и разрезанного вектора

4) Трансформация сшитыми молекулами вектора клеток-хозяев

5) Амплификация рекомбинантной ДНК в трансформированных клетках

6) Получение белкового продукта

5.1.5 Инженерная энзимология. Иммобилизованные биообъекты в биотехнологическом производстве .

• 
  Инженерная энзимология и повышение эффективности биообъектов (индивидуальных ферментов, ферментных комплексов и клеток продуцентов) в

условиях производства. Иммобилизованные (на нерастворимых носителях)

биообъекты и их многократное использование. Ресурсосбережение.

Экологические преимущества.

• 
  Экономическая целесообразность. Повышение качества препаратов

лекарственных веществ (гарантия высокой степени очистки, отсутствия белковых

примесей).

Нерастворимые носители органической и неорганической природы. Микроструктура носителей.

• 
  Иммобилизация за счет образования ковалентных связей между ферментом и носителем. Предварительная активация носителя. Механизм активации. Влияние иммобилизации на их субстратный спектр и кинетические характеристики фермента.
• 
  Адсорбция ферментов на инертных носителях и ионообменниках. Причины частичных ограничений использования этого метода иммобилизации
• 
  Иммобилизация ферментов путем включения в ячейки геля. Органические и неорганические гели. Микрокапсулирование ферментов как один из способов их иммобилизации. Размеры и состав оболочки микрокапсул.
• 
  Иммобилизация целых клеток микроорганизмов и растений. Моноферментные биокатализаторы на основе целых клеток. Проблемы диффузии субстрата в клетку и выхода продукта реакции. Пути повышения проницаемости оболочки у иммобилизуемых клеток. использование ростового цикла для иммобилизации клеток в наиболее продуктивной фазе. Особенности физиологии клеток, находящихся в ячейках геля. Проблемы иммобилизации продуцентов при локализации целевого продукта внутри клетки. Пути решения этих проблем.
• 
  Ферменты как промышленные биокатализаторы. Использование иммобилизованных ферментов при производстве полусинтетических β-лактамных антибиотиков, трансформации стероидов и разделении рацематов аминокислот на стереоизомеры.
• 
  Создание биокатализаторов второго поколения на основе одновременной иммобилизации продуцентов и ферментов.
• 
  Производственные типы биореакторов для иммобилизованных ферментов и клеток продуцентов.
• 
  Иммобилизованные ферменты и лечебное питание. Удаление лактозы из молока с помощью иммобилизованной β-галактозидазы. Превращение глюкозы во фруктозу с помощью иммобилизованной глюкоизомеразы.

5.1.6. Геномика и протеомика. Их значение для современной биотехнологии.

• 
  Основные этапы развития генетики. Формальная генетика (генетика признаков). Молекулярная генетика (установление молекулярной структуры гена, дифференциация оперона и открытой рамки считывания, установление функций индивидуальных генов). Геномика (установление молекулярной структуры – последовательности пар нуклеотидов в целостном геноме и общих принципов его структурно-функциональной организации). Значение международного проекта «Геном человека» в медико-биологическом аспекте.
• 
  Протеомика. Белки и их взаимодействие в живых организмах. Методы протеомики. Совершенствование методов двухмерного электрофореза и «визуализация» протеома. Значение протеомики для фармации.
• 
  Техника секвенирования. Международные базы данных геномных исследований. Биоинформатика. Базы данных по структурной, сравнительной и функциональной геномике.
• 
  Значение геномики для целей фармации. Новые подходы к созданию лекарств. Целенаправленный поиск лекарственного агента, начиная с выбора гена, при взаимодействии с продуктами экспрессии которого, предполагается испытувать ряды природных и синтетических соединений как потенциальных лекарств.
• 
  Понятие жизненной необходимости (существенности) гена. Дифференциация генов патогенных микроорганизмов на “house keeping” и “ivi”-гены. Выявление у патогенов новых мишеней для антимикробных лекарственных агентов.

5.1.7. Биосинтез. Молекулярные механизмы внутриклеточной регуляции и управление биосинтезом.
Управление биосинтезом первичных и вторичных метаболитов

• 
  Индукция и репрессия синтеза ферментов. Функциональные участки оперона . Механизмы регуляции действия генов и их использование в биотехнологических процессах. Схема Жакоба и Мано.
• 
  Ингибирование активности ферментов по принципу обратной связи (ретроингибирование). Аллостерические ферменты. Значение этого механизма в регуляции жизнедеятельности клетки и пути преодоления ограничений биосинтеза целевых продуктов у суперпродуцентов. Создание мутантов с нарушением аллостерического центра у ключевых ферментов биосинтетических путей. Оптимизация подбора сред (среды с уменьшенным содержанием конечных продуктов биосинтетических путей).
• 
  Строгий (stringent ) аминокислотный контроль метаболизма. Гуанозинтетрафосфат как биорегулятор. Рибосома как сенсорная органелла. Ассоциированная с рибосомой пирофосфаттрансфераза. Rel А+-и Rel А-штаммы. Видовая специфичность структуры гуанозинфосфатных регуляторов. Биосинтез различных целевых биотехнологических продуктов и роль системы регуляции метаболизма, обусловленной гуанозинтетрафосфатом.

Защита рекомбинантных нуклеиновых кислот и белков от нуклеаз и протеаз продуцента.

• 
  Регуляция усвоения азотсодержащих соединений. Глутамин, глутамат, аспартат и их роль в ключевых реакциях обеспечения клетки-продуцента азотом. Глутамин-синтаза – главная мишень для регуляторных воздействий применительно к конкретным целям биотехнологии. Понятие кумулятивного ретроингибирования . Ингибирование активности глутамин-синтазы за счет аденилирования. Деаденилирование и состав среды. Ион аммония как регрессор синтеза глутамина и его метаболитов.
• 
  Катаболитная регрессия (глюкозный эффект) и подавление синтеза катаболических ферментов. Транзиентная репрессия. Исключение индуктора. Механизм катаболитной репрессии. Циклический 3"5"-аденозинмонофосфат (цАМФ). Аденилатциклаза. Биологические эффекты цАМФ. Мутанты, устойчивые к катаболитной репрессии, и их использование в биотехнологии. Противодействие этому эффекту за счет подбора сред: физиологический уровень или уровень конструирования устойчивых к катаболитной репрессии мутантов – генетический уровень.
• 
  Регуляция усвоения азотсодержащих соединений. Ключевые соединения в биосинтезе азотсодержащих соединений. Ферменты синтеза глутамата и глутамина. Понятие кумулятивного ретроингибирования. Мутанты с измененной регуляцией азотного метаболизма и возможности интенсификации биосинтеза ряда первичных, вторичных метаболитов и некоторых ферментов.
• 
  Явление ограниченного протеолиза и возможности его использования.
• 
  Защита клетки-продуцента от образуемых метаболитов с «суицидным» эффектом. Компартментация. Временная (обратимая) ферментативная инактивация с реактивацией при выбросе из клетки.
• 
  Защита в клетке рекомбинанта чужеродных генов и кодируемых этими генами белков от нуклеаз и протеаз хозяина.

Внутреклеточный транспорт и секреция биотехнологических продуктов у микроорганизмов.

• 
  Структура и видовая специфичность оболочки. Роль клеточной стенки, внешней и внутренней мембраны. Биосинтез полимеров оболочки. Литические ферменты.мембранные систему транспорта ионов и низкомолекулярных метаболитов.
• 
  Классификация систем транспорта. Регуляция их функций. Биотехнологические аспекты транспорта низкомолекулярных соединений в клетку и из клетки. Механизмы секреции высокомолекулярных биотехнологических продуктов.
• 
  Фосфорный обмен и энергообеспечение.

Сохранение свойств промышленных штаммов микроорганизмов – продуцентов лекарственных средств.

• 
  Проблемы стабилизации промышленных штаммов. Причины нестабильности суперпродуцентов. Способы поддержания их активности.
• 
  Международные и национальные коллекции культур микроорганизмов и их значение для развития биотехнологии. Банки данных о микроорганизмах, растительных и животных клетках и отдельных штаммах микроорганизмов.

5.1.8. Рекомбинантные белки и полипептиды. Получение путем микробиологического синтеза биорегуляторов с видоспецифичностью для человека.

• 
  Белковые и полипептидные гормоны. Факторы роста тканей и врожденного иммунитета. Иммуногенность препаратов, получаемых из тканей сельскохозяйственных животных.
• 
  Генно-инженерный инсулин. Технология его получения. Источники получения инсулина из животного сырья .
• 
  Технология получения инсулина человека на основе использования рекомбинантных штаммов.
• 
  Контроль за концентрацией инсулина в крови человека. Радиоиммунный анализ.
• 
  Эритропоэтин. Фактор созревания эритроцитов. Клонирование гена эритропоэтина человека. Технология получения. Лекарственные формы.
• 
  Интерфероны. Клонирование гена интеферона в клетках E. Coli и дрожжах.
• 
  Рекомбинантные вакцины. Актуальность их создания.

5.2. Биотехнологические производственные системы.
5.2.1. Слагаемые биотехнологического процесса производства лекарственных препаратов.

• 
  Основные "варианты" биотехнологий. Биотехнологический процесс как базовый этап, обеспечивающий сырье для получения лекарственных, профилактических или диагностических препаратов.
• 
  Различная степень сложности производственных биотехнологических процессов. Ее зависимость от природы биообъекта, целевого продукта, его назначения и лекарственной формы.
• 
  Ферментация определяющий этап биотехнологического процесса. Ферментационное оборудование. Цех ферментации. Конструкция ферментеров.
• 
  Подготовительные операции для проведения биосинтеза. Стерилизация ферментеров и трубопроводов. Проблемы гермитизации оборудования и коммуникаций. Питательные среды и методы их стерилизации. Критерий дейндорфера – Хемфри. Сохранение биологической полноценности сред при их стерилизации. Очистка и стерилизация технологического воздуха. Барботажное устройство. Многоэтапность подготовки посевного материала и контроль чистоты культуры.
• 
  Комплексные и синтетические питательные среды. Концентрация отдельного расходуемого компонента питательной среды и скорость размножения биообъекта. Уравнение Моро.
• 
  Критерии подбора ферментов. Классификация ферментационных процессов по технологическим параметрам (периодический, полупериодический, непрерывный). Глубинная и поверхностная ферментации.
• 
  Выделение и очистка целевого продукта. Методы отделения биопродуцента от целевого продукта. Методы отделения целевого продукта от культуральной жидкости. Методы разрушения клеток продуцента и извлечения целевого продукта при его внутриклеточной локализации.
• 
  Сорбционная и ионообменная хроматография. Аффинная хроматография для ферментов. Мембранные технологии разделения. Методы сушки.
• 
  Методы создания лекарственных форм препаратов, полученных биотехнологическим путем.
• 
  Стандартизация лекарственных средств, получаемых методами биотехнологии. Фасовка.

5.2.2. Контроль и управление биотехнологическими процессами.

• 
  Основные параметры контроля и управления биотехнологическими процессами. Общие требования к методам и средствам контроля . Современное состояние методов и средств автоматического контроля в биотехнологии.
• 
  Контроль состава технологических растворов и газов. Потенцио-метрические методы контроля рН и ионного состава. Датчики рН и ионоселективные электроды.
• 
  Газочувствительные электроды. Стерилизуемые датчики растворенных газов.
• 
  Контроль концентрации субстратов и биотехнологических продуктов. Титригметрические методы. Оптические методы. Биохимические (ферментативные) методы контроля.
• 
  Электроды и биосенсоры на основе иммобилизованных клеток.
• 
  Высокоэффективная жидкостная хроматография при решении задач биотехнологического производства.
• 
  Основные теории автоматического регулирования. Статические и динамические характеристики биотехнологических объектов. Классификация объектов управления в зависимости от динамических характеристик.
• 
  Компьютеризация биотехнологического производстве лекарственных препаратов. Создание автоматизированных рабочих мест. Разработка автоматизированных систем управления. Пакеты прикладных программ.
• 
  Применение компьютерной техники на различных этапах производства и получения биотехнологических продуктов. Принципы и этапы анализа данных и математического моделирования биотехнологических систем. Планирование и оптимизация многофакторных экспериментов.
• 
  Кинетические модели биосинтеза и биокатализа.
• 
  Организация автоматизированных банков данных по биотехнологическим процессам и продуктам.

5.3. Биобезопасность и государственный контроль. Единая система GLP-GCP И GMP для производства и контроля качества лекарственных средств, полученных биотехнологическими методами.

• 
  Основы законодательства в области здравоохранения. Порядок оказания лекарственной помощи; производство и качество лекарственных средств; «Федеральный закон о лекарственных средствах».
• 
  Связь медико-биологических требований (эффективность и безопасность) с качеством лекарственных веществ. Терминология: качество, уровень качества.

Стандартизация лекарственных средств, нормативная документация (НД): Государственная фармакопея, общие фармакопейные статьи (ОФС), фармакопейные статьи (ФС), фармакопейные статьи предприятий (ФСП). Законодательный характер фармакопейных статей. Общая характеристика НД (требования, нормы и методы контроля). Роль НД в повышении качества лекарственных средств.

• 
  Международные и региональные сборники унифицированных требований и методов испытания лекарственных средств, их роль и влияние на развитие фармацевтической химии и стандартизации лекарственных средств: Международная фармакопея ВОЗ, Европейская фармакопея и другие региональные и национальные фармакопеи.

• 
  Предклинические испытания лекарств в соответствии с правилами good laboratory practice (GLP): тесты in vitro и in vivo , стандартизация реагентов, линейные животные и их содержание.
• 
  Клиническое изучение лекарств в соответствии с требованиями good clinical practice (GCP). Информация для лиц, получающих испытываемые лекарства. Правила повышения достоверности результатов клинических испытаний.
• 
  Правила GMP при производстве и контроле качества лекарственных препаратов и их субстанций. Причины и история введения правил GMP. Международная организация по сертификации и удостоверению качества лекарств.
• 
  Правила GMP и меры безопасности для биотехнологических производств. Карантин.
• 
  Международная законодательная база по биобезопасности и ее реализация.
• 
  Законодательная база России по биобезопасности.

5.4. Биотехнология и проблемы экологии.

• 
  Преимущества биотехнологии в экологическом аспекте перед традиционными технологиями.
• 
  Охрана окружающей среды и пути совершенствования биотехнологических процессов. Малоотходные технологии.
• 
  Отходы биотехнологических производств и пути их утилизации.
• 
  Очистка жидких отходов. Биологический способ. Аэтотенки. Активный ил. Штаммы-деструкторы.
• 
  Уничтожение или переработка твердых отходов. Стерилизация биомассы. Биологические, физико-химические и термические методы обезвреживания мицелиальных отходов. Использование стерилизованной биомассы как подкормки для сельскохозяйственных животных. Использование биомассы при производстве строительных материалов и пеногасителей.
• 
  Методы уничтожения газообразных отходов. Биологические, физико-химические и термические методы рекуперации и обезвреживания выбросов в атмосферу.

5.5. Биомедицинские технологии

• 
  Определение понятия "биомедицинские технологии". Решение кардинальных проблем медицины на основе достижений биотехнологии. Международный проект "Геном человека" и его цели. Этические проблемы.
• 
  Антисмысловые нуклеиновые кислоты, пептидные факторы роста тканей и другие биологические продукты новых поколений - молекулярные механизмы их биологической активности и перспективы практического применения.
• 
  Коррекция наследственных болезней на уровне генотипа (генотерапия) и фенотипа.
• 
  Биопротезирование. Репродукция тканей. Трансплантация тканей и органов. Поддержание гомеостаза. Гемосорбция. Диализ.
• 
  Оксигенация. Перспективы использования гормонов, продуцируемых вне эндокринной системы.
• 
  Состояние и направления развития биотехнологии лекарственных форм - традиционных и инновационных.

5.6. ЧАСТНАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ.
5.6.1. Биотехнология первичных метаболитов .
5.6.1.1. Биотехнология аминокислот.

• 
  Биологическая роль аминокислот и их применение в качестве лекарственных средств.
• 
  Химический и химико-энзиматический синтез аминокислот. Проблемы стереоизомерии. Разделение стереоизомеров с использованием ферментативных методов (ацилаз микроорганизмов).
• 
  Микробиологический синтез аминокислот. Создание суперпродуцентов аминокислот. Особенности регыляции и схемы синтеза различных аминокислот у разных видов микроорганизмов. Мутанты и генно-инженерные штаммы-продуценты аминокислот.
• 
  Получение аминокислот с помощью иммобилизованных клеток и ферментов.
• 
  Основные пути регуляции биосинтеза и его интенсификация.
• 
  Механизмы биосинтеза глутаминовой кислоты, лизина, треонина.

5.6.1.2. Биотехнология белковых лекарственных веществ.

• 
  Биотехнология белковых лекарственных веществ. Рекомбинантные белки, принадлежащие к различным группам физиологически активных веществ.
• 
  Инсулин. Источники получения. Видовая специфичность. Иммуногенные примеси. Перспективы имплантации клеток, продуцирующих инсулин.
• 
  Рекомбинантный инсулин человека. Конструирование плазмид. Выбор штамма микроорганизма. Выбор лидерной последовательности аминокислот. Отщепление лидерных последовательностей. Методы выделения и очистки полупродуктов. Сборка цепей. Контроль за правильным образованием дисульфидных связей. Ферментативный гидролиз проинсулина. Альтернативный путь получения рекомбинантного инсулина; синтез А- и В-цепей в разных культурах микробных клеток. Проблема освобождения рекомбинантного инсулина от эндотоксинов микроорганизмов-продуцентов. Биотехнологическое производство рекомбинантного инсулина. Экономические аспекты. Создание рекомбинантных белков "второго поколения" на примере инсулина.
• 
  Интерферон (Интерфероны). Классификация, α-, β-, у- Интерфероны. Интерфероны при вирусных и онкологических заболеваниях. Видоспецифичность интерферонов Ограниченные возможности получения α- и γ-интерферонов из лейкоцитов и Т-лимфоцитов. Лимфобластоидный интерферон. Методы получения β-интерферона при культивировании фибробластов. Индукторы интерферонов. Их природа. Механизм индукции. Промышленное производство интерферонов на основе природных источников.
• 
  Синтез различных классов интерферона человека в генетически сконструированных клетках микроорганизмов. Экспрессия генов, встроенных в плазмиду. Вариации в конформации синтезируемых в клетках микроорганизмов молекул интерферонов за счет неупорядоченного замыкания дисульфидных связей. Проблемы стандартизации. Производство рекомбинантных образцов интерферона и политика различных фирм на международном рынке.
• 
  Интерлейкины. Механизм биологической активности. Перспективы практического применения. Микробиологический синтез интерлейкинов. Получение продуцентов методами генетической инженерии. Перспективы биотехнологического производства.
• 
  Гормон роста человека. Механизм биологической активности и перспективы применения в медицинской практике. Микробиологический синтез. Конструирование продуцентов.

5.6.1.3. Ферментные препараты

• 
  Ферменты в качестве лекарственных средств. Протеолитические ферменты. Амилолитические и липолитические ферменты. L-аспарагиназа.

• 
  Механизм каталитического действия, общие свойства и области применения медицинских ферментов (L-аспарагиназы, β-галактозидазы, α-амилазы, солизим, террилитин, стрептокиназы, трипсин, химотрипсин, пепсин, урокиназы, бромелин, папаин, фицин).
• 
  Микробиологический синтез ферментов для медицинских целей.

5.6.1.5. Иммунология как один из разделов биотехнологии.

• 
  Основные составляющие и пути функционирования иммунной системы.
• 
  Иммуномодулирующие агенты: иммуностимуляторы и иммуносупрессоры (иммунодепрессанты).
• 
  Усиление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Вакцины на основе рекомбинантных протективных антигенов или живых гибридных носителей. Антисыворотки к инфекционным агентам, к микробным токсинам.
• 
  Неспецифическое усиление иммунного ответа. Рекомбинантные интерлейкины, интерфероны и др. Механизмы биологической активности. Подавление иммунного ответа с помощью иммунобиопрепаратов. Рекомбинантные антигены. IgE - связующие молекулы и созданные на их основе толерогены. Иммунотоксины. Антиидиотипическне антитела в качестве мишени для аутоантител. Специфическая плазмоиммуносорбция. Неспецифическое подавление иммунного ответа. Моноклональные антитела против цитокинов. Неспецифичная гемосорбция и иммуноплазмофорез.
• 
  Медиаторы иммунологических процессов. Их функциональная совокупность. Обеспечение гомеостаза. Технология рекомбинантной ДНК и получение медиаторов иммунологических процессов.

5.6.1.6. Производство моноклоналъных антител и использование соматических гибридов животных клеток.

• 
  Механизмы иммунного ответа на конкретный антиген. Разнообразие антигенных детерминантов. Гетерогенность (полнклональность) сыворотки. Преимущества при использовании монеклональных антител. Клоны клеток злокачественных новообразований. Слияние с клетками, образующими антитела. Гибридомы.
• 
  Криоконсервирование. Банки гибридом. Технология производства моноклональных антител.
• 
  Области применения моноклинальных антител. Методы анализа, основанные на использовании моноклональных (в отдельных случаях поликлональных) антител
• 
  Иммуноферментный анализ (ИФА). Метод твердофазного иммуноанализа (EL1SA - enzyme linked immunosorbentassay).
• 
  Радиоиммунный анализ (РИА). Преимущества перед традиционными методами при определении малых концентраций тестируемых веществ и наличии в пробах примесей с близкой структурой и сходной биологической активностью.
• 
  ДНК- и РНК-зонды как альтернатива ИФА и РИА при скрининге продуцентов биологически активных веществ (обнаружение генов вместо продуктов экспрессии генов).
• 
  Моноклональные антитела в медицинской диагностике. Тестирование гормонов, антибиотиков, аллергенов и т.д. Лекарственный мониторинг. Ранняя диагностика онкологических заболеваний. Коммерческие диагностические наборы на международном рынке.
• 
  Моноклональные антитела в терапии и профилактике. Перспективы высокоспецифичных вакцин, иммунотоксинов. Включение моноклональных антител в оболочку липосом и повышение направленности транспорта лекарств.
• 
  Типирование подлежащих пересадке тканей. Обязательное тестирование препаратов моноклональных антител на отсутствие онкогенов.
• 
  Моноклональные антитела как специфические сорбенты при выделении и очистке биотехнологических продуктов.

5.6.2. Биотехнология вторичных метаболитов.
5.6.2.1. Плантационные и дикорастущие лекарственные растения.

• 
  Лекарственные растения – традиционный источник лекарственных средств. Применение вторичных метаболитов высших растений для медицинских целей. Основные классы вторичных метаболитов (эфирные масла, фенольные соединения, алкалоиды, стероиды, сердечные гликозиды).
• 
  Биотехнологические методы повышения продуктивности лекарственных растений. регуляторы роста растений. Фитогормоны.
• 
  Трудности со сбором лекарственного сырья. Проблемы нестандартности.

5.6.2.2 . Вторичные метаболиты растений. Культуры растительных клеток и тканей как источник получения лекарственных средств.

• 
  Разработка методов культивирования растительных тканей и изолированных клеток как достижение биотехнологической науки.
• 
  Культивирование растительных клеток и тканей на искусственной питательной среде в биореакторах различных конструкций.
• 
  Каллусные и суспензионные культуры. Особенности роста и метаболизма растительных клеток в культурах. Питательные среды для культивирования растительных клеток. Макроэлементы, микроэлементы, источники железа и углерода, витамины. Фитогормоны-специфические регуляторы роста (ауксины, цитокинины). Проблемы стерильности.
• 
  Биореакторы.
• 
  Примеры лекарственных средств, полученных на основе каллусных и суспензионных культур клеток растений.
• 
  Иммобилизация растительных клеток и ее использование в биотехнологическом производстве. Нерастворимые носители, используемые при иммобилизации растительных клеток.
• 
  Применение иммобилизованных растительных клеток для целенаправленной биотрансформации лекарственных веществ. Преимущество ферментативной трансформации по сравнению с химической .
• 
  Методы контроля и идентификации (цитофизиологические, химические, биохимические и биологические) биомассы и препаратов, полученных методами клеточной биотехнологии.
• 
  
• 
  
• 
  
• 
  Возможность изменения состава и повышения выхода вторичных метаболитов (потенциальных лекарственных средств) из клеток трансгенных растений.

5.6.2.3 Биотехнология витаминов и коферментов.

• 
  Биологическая роль витаминов. Классификация витаминов. Традиционные методы получения (выделение из природных источников и химический синтез).
• 
  Микробиологический синтез витаминов и конструирование штаммов-продуцентов методами генетической инженерии.
• 
  Витамин В2 (рибофлавин). Основные продуценты. Схема биосинтеза и пути интенсификации процесса
• 
  Коферменты как производные витаминов. Механизм каталитической активности витаминов.
• 
  Микробиологический синтез витаминов группы В. Витамин В 12 . Его продуценты – пропионовокислые бактерии. Схема и пути регуляции биосинтеза. Продуценты витамина В 12 , получаемые методом генной инженерии.
• 
  Микробиологический синтез пантотеновой кислоты, витамина РР.
• 
  Витамин В 2 (рибофлавин) и его продуценты из родов Eremothecium и Ashdea . Конструирование генно-инженерного штамма – промышленного продуцента витамина В 2 .
• 
  Микробиологический синтез витамина РР (никотиновая кислота).
• 
  Биотехнологическое производство аскорбиновой кислоты (витамина С). Технология производственного процесса. Микроорганизмы-продуценты. Различные схемы биосинтеза в промышленных условиях . Химический синтез аскорбиновой кислоты и стадия биоконверсии в производстве витамина С.
• 
  Витамины группы D. Эргостерин – провитамин D 2 в клетках дрожжей и плесневых грибов.
• 
  Витамин А. микробиологический синтез β-каротина
• 
  Убихиноны (коферменты Q). Источники получения: растительные ткани и микробная биомасса. Методы генной инженерии применительно к созданию продуцентов убихинонов Q 9 и Q 10

1. 
   Биотехнология стероидных гормонов

• 
  Традиционные источники получения стероидных гормонов. Проблемы трансформации стероидных структур. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией. Штаммы микроорганизмов, обладающие способностью к трансформации (биоконверсии) стероидов. Конкретные реакции биоконверсии

стероидов. Подходы к решению селективности процессов биоконверсии.

• 
  Микробиологический синтез гидрокортизона и получение из него путем биоконверсии преднизолона

5.6.2.5. Вторичные микробные метаболиты. Биотехнология антибиотиков.

• 
  Почвенные биоценозы и разнообразие составляющих их видов микроорганизмов. Поиск и первичная оценка вторичных метаболитов. Методы скрининга продуцентов.
• 
  Биологическая роль антибиотиков как вторичных метаболитов. Происхождение антибиотиков и эволюция их функций.
• 
  Основные группы микророрганизмов, образующих антибиотики: плесневые грибы (низшие эукариоты), актиномицеты и споровые эубактерии (прокариоты). Особенности структуры их клеток и физиологии.
• 
  Полусинтетические антибиотики. Биосинтез и оргсинтез при создании новых антибиотиков.
• 
  Биологическая роль антибиотиков как фактор преодоления стрессовых ситуаций для своего продуцента (ингибиторы роста других микроорганизмов и сигнальные молекулы при перестройке метаболизма в случае дефицита питательных веществ).
• 
  Молекулярный механизм антимикробного действия различных групп антибиотиков и системы защиты продуцентов от образуемых ими антибиотиков.
• 
  β-Лактамные антибиотики (пенициллины, цефалоспорины и др.) – ингибиторы синтезапептидогликана клеточной стенки.
• 
  Гликопептидные антибиотики
• 
  Антибиотики полиеновой структуры (амфотерицин В, нистатин и др.) и нарушение молекулярной организации цитоплазматической мембраны плесневых грибов и дрожжей.
• 
  Антибиотики – ингибиторы белкового синтеза (на уровне рибосимно-матричных систем).
• 
  Аминогликозиды (стрептомицин, канамицин и др.)
• 
  Летальные белки как результат нарушения считувания генетического кода при трансляции. Тетрациклины.
• 
  Макролиды (эритромицин и др.).
• 
  Антибиотики – ингибиторы белкового синтеза на дорибосомной стадии процесса (мупироцин и др.)
• 
  Антибиотики – ингибиторы синтеза и превращений нуклеиновых кислот (суперскручивание ДНК).
• 
  Анзамицины (рифампицин и др.)
• 
  Хинолоновые (фторхонолоновые структуры).
• 
  ДНК-тропные антибиотики, применяемые в онкологической практике (антрациклины, блеомицин, митомицины и др.).
• 
  Суперпродуценты антибиотиков, используемые в биотехнологическом производстве. Сборка углеродного скелета антибиотиков из первичных метаболитов. Схема биосинтеза β-лактамных антибиотиков (пенициллинов и цефалоспоринов) из аминокислот. Схема биосинтеза стрептомицина,
• 
  Направленный биосинтез. Получение бензилпенициллина при внесении в среду фенилуксусной кислоты.

5.6.2.6. Молекулярные механизмы резистентности бактерий к антибиотикам.

• 
  Генетические основы антибиотикоресистентности Хромосомная и плазмидная резистентность. Транспозоны. Целенаправленная биотрансформация и химическая трансформация β-лактамных структур.
• 
  Новые поколения цефалоспоринов, пенициллинов, эффективные в отношении резистентных микроорганизмов. Карбапенемы. Монобактамы. Комбинированные препараты: амоксиклав, уназин. Полусинтетические пенициллины используемые в клинике.
• 
  Полусинтетические пенициллины (ампициллин, азлоциллин, мезлоциллин, пиперациллин, карбенициллин и т.п.) используемые в клинике. Получение из бензилпеницилина 6-АПК методом ферментативного гидролиза. Получение полусинтетических пенициллинов методами ферментативного синтеза (биотрансформация 60АПК).
• 
  Четыре генерации цефалоспоринов, внедренных в кленическую практику. Схема превращения бензилпенициллина в 7-фенилацетамидооксицефалоспорановую кислоту. Полусинтетические цефалоспорины (цефалексин идр.). полусинтетические цефалоспорины на основе 7-аминодезаацетоксицефалоспорановой кислоты (7-АЦК). Цефалоспорины четвертого поколения – цефипим, цефпиром. Сочетание биосинтеза, органического синтеза, биологической и химической трансформации при получении новых, перспективных для клинической практики цефалоспоринов.
• 
  Механизмы резистентности к аминогликозидным антибиотикам. Целенаправленная трансформация аминогликозидов. Амикацин как полусинтетический аналог природного антибиотика бутирозина.
• 
  Новые полусинтетические макролиды и азалиды - аналоги эритромицина, эффективные в отношении внутриклеточной локализованных возбудителей инфекций.
• 
  Природные источники генов резистентности к антибиотикам. Организационные мероприятия как путь ограничения распространения генов антибиотикорезистентности.

• 
  Понятие «инфекционная резистентность» и «госпитальные инфекции».
• 
  Противоопухолевые антибиотики. Механизм действия. Ферментативная внутриклеточная активация некоторых противоопухолевых антибиотиков. Механизмы резистентности опухолевых клеток к противоопухолевым препаратам. Р-170 гликопротеин и плейотропная резистентность. Пути преодоления плейотропной антибиотикорезистентности.

5.6.2.7. Вторичные микробные метаболиты – ингибиторы сигнальной трансдукции. Иммуносупрессоры.

• 
  Множественность механизмов, обеспечивающих распознавание клеткой внешних воздействий и каскад ответных реакций на них.
• 
  Циклоспорин А – ингибитор иммунного ответа на уровне кальцийнейрина. Применение циклоспорина А в трансплантологии и для лечения аутоиммунных болезней. Молекулярный механизм действия циклоспорина. Возможность применения циклоспорина А и его производных MDR фенотипа в комбинированной противоопухолевой химиотерапии.
• 
  Новые иммуносупрессоры природного происхождения (рапамицин, FK 506 и др.). Перспективы применения в трансплантологии, при лечении аутоиммунных и онкологических заболеваний.

6. ПЛАН ЛЕКЦИЙ

	Тема лекции	Количество часов, лектор
1.	Предмет и содержание биотехнологии, ее взаимосвязь с химическими, медико-биологическими и техническими дисциплинами. История развития. Особенности и основные достижения современного этапа развития биотехнологии. Связь биотехнологии с фундаментальными науками второй половины ХХ века. Биомедицинские технологии. Основные объекты биотехнологии. Биообъекты как средство производства лекарственных, профилактических и диагностических средств. Макро- и микроорганизмы. Ферменты как промышленные биокатализаторы	2 (Курапов)
2.	Метаболизм. Основные процессы клеточного метаболизма. Понятие о первичных и вторичных метаболитах. Механизмы регуляции биосинтеза первичных метаболитов процессов. Теоретические основы получения первичных метаболитов. Анаэробные процессы (получение этанола, глицерина, молочной кислоты). Аэробные процессы. Методы промышленного получения кислот цикла Кребса и их производных (лимонной, итаконовой, кетоглутаровой, пировиноградной кислот).	2 (Курапов)
3.	Теоретические основы получения вторичных метаболитов. Методы регуляции биосинтеза антибиотиков и стероидов. 6-АПК. Полусинтетические антибиотики. Производство аминокислот и витаминов.	2 (Курапов)
4.	Биотехнология вторичного метаболизма растений. Культуры растительных клеток и тканей как источник получения лекарственных средств. Лекарственные средства, полученных на основе каллусных и суспензионных культур клеток растений. Иммобилизация растительных клеток и ее использование в биотехнологическом производстве. Биорегуляция продуктивности вторичного метаболизма растений. Трансгенные растения и перспективы их использования в качестве источника фармацевтических препаратов.	2 (Курапов)
5.	Слагаемые биотехнологического процесса. Структура биотехнологического производства. Культивирование клеток продуцентов – центральное звено биотехнологического процесса. Поверхностное и глубинное культивирование. Подготовка сырья, воздуха и посевного материала. Стерилизация и поддерживание асептических условий. Технологическое и аппаратурное оформление процесса глубинного культивирования (непрерывное и периодическое, по схеме идеального смешения или вытеснения, хемостатический и турбидостатический режим). Достоинства и недостатки этих схем.	2 (Курапов)
6.	Основное технологическое оборудование биотехнологиических производств. Особенности биотехнологических производств, по сравнению с аналогичными химическими. Методы аэрирования, перемешивания, теплоотвода и пеногашения. Проблемы и методы предварительной стерилизации технологического оборудования и поддержания асептических условий во время протекания процесса. Контроль и управление биотехнологическими процессами. Методы выделения и очистки продуктов биотехнологических производств. Экзо- и эндомета- болиты. Особенности и основные технологические приемы выделения продуктов белковой природы.	2 (Курапов)
7.	Инженерная энзимология. Применение ферментов. Достоинства и недостатки использования чистых ферментов по сравнению с клетками и неорганическими катализаторами. Иммобилизованные ферменты и клетки. Основные носители и методы иммобилизации. Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток. Инженерная энзимология и медицинские технологии (биосенсоры, лекарственные препараты на основе свободных и иммобилизованных ферментов и их комбинаций с другими лекарственными препапаратами.	2 (Курапов)
8.	Особенности технологии культивирования клеток и тканей растений и животных. Протопласты и гибридомы. Основы клеточной инженерии. Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии. Мутагенез. Совершенствование биообъектов методами мутагенеза и селекции.	2 (Курапов)
9.	Основы генетической инженерии. Преимущества и отличия генноинженерных методов совершенствования биообъектов по сравнению с классическими методами мутагенеза и селекции. Создание принципиально новых биообъектов методами генетической инженерии (технология рекомбинантных ДНК). Последовательность операций, осуществляемых биотехнологом – генным инженером. Контроль экспрессии. Проблемы и сложности . Направленный мутагенез.	2 (Курапов)
10.	Наночастицы в биотехнологическом производстве лекарств – рекомбинантных белков человека.	2 (Кузнецов)
11.	Биологически активные пептиды в биотехнологическом производстве лекарств.	2 (Кузнецов)
12.	Рекомбинантные белки и полипептиды (инсулин, гормон роста, интерфероны). Традиционные и генноинженерные методы получения. Использование рекомбинантных микроорганизмов для получения коммерческих продуктов (аминокислоты, витамины, антибиотики, природные биополимеры). Использование трансгенных животных и растений как биореакторы для получения лекарственных и других биологически активных веществ. Потенциальные опасности при работе с рекомбинантными и трансгенными организмами. Изотопно-модифицированнык культуральные среды. Новый подход к повышению продуктивности биотехнологического производства нуклеозидных антибиотиков, пептидов и рекомбинантных белков.	2 (Кузнецов)
13.	Моноклональные антитела. Технология получения. Применение моноклональных антител в иммунной диагностике (ферментный имуносорбентный анализ) и в качестве лекарственных препаратов и высокоспецифических катализаторов (“каталитические антитела”). Имунобиотехнология. Иммунные сыворотки и вакцины. Рекомбинантные вакцины (субъединичные, аттенуированные, ”векторные”).	2 (Курапов)
14.	Методы ДНК-диагностики. Молекулярная генетика человека. Генная терапия ex vivo и in vivo. Лекарственные препараты на основе “антисмысловых олигонуклеотидов”. Рибозимы как лекарственные средства.	2 (Курапов)
15.	Адъюванты и наноадъюванты в биотехнологическом производстве вакцин	2 (Кузнецов)
16.	Биотехнологическое производство лекарственных средств для генной терапии	2 (Меркулов)
17.	“Medicinal chemistry”- симбиоз химии и биотехнологии в “постгеномную эру”. Стратегия рационального drag-дизайнa лекарственных препаратов. Поиск соединений лидеров (hit- и led-compaunds). Комбинаторная химия и HTS-скрининг. Оптимизация соединений лидеров (докинг, QSAR-метод). Методы создания лекарственных препаратов на основе соединений – лидеров (пролекарства, биоизостеры, пептидомиметики, двойные лекарства).	2 (Курапов)

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Основная литература

1. 
   Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чакалева И.И. Биотехнология. Учебное пособие. М.: Академия. 2008, 256 с.
2. 
   Орехов С.Н. Фармацевтическая биотехнология. Руководство к практическим занятиям. М.: ГЕОТАР-МЕДИА, 2012, 384 с.

Дополнительная литература

1. 
   Загоскина Н.В., Назаренко Л.В., Калашникова Е.А., Живухина Е.А. Биотехнология. Теория и практика. М.: Оникс., 2009, 496 с.
2. 
   Курапов П.Б., Бахтенко Е.Ю. Многообразие вторичных метаболитов высших растений и их лечебные свойства. М.: Изд. РГМУ, 2012, 200 с.
3. 
   Егорова Т.А. Основы биотехнологии / Т.А. Егорова, С.М. Клунова, Е.А. Живухина. – М. : Издат. центр Академия, 2003. – 208 с.
4. 
   Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б. Глик, Дж. Пастернак. – М. : Мир, 2002. – 589 с.
5. 
   Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках / Н.С. Егоров. – М. : Наука, 2004. – 525 с.

8. ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЧЕТОВ, ЭКЗАМЕНОВ И РЕФЕРАТОВ. № п/п Перечень вопросов 1 История биотехнологии. Определения. Основные разделы биотехнологии. Проблемы и перспективы медицинской биотехнологии. 2 Характеристика продуцентов, применяемых в биотехнологических производствах (антибиотики, интерфероны, аминокислоты). 3 Основные методы хранения продуцентов, применяемых в фармацевтической промышленности. 4 Методы культивирования продуцентов, применяемые в фармацевтической промышленности. 5 Особенности культивирования клеток животных, получение вакцин медицинского назначения. Кинетические характеристики продуцентов, определяемые в производственных условиях при непрерывном культивировании. История генетической инженерии и основные этапы генно-инженерных исследований. Биотехнология вторичного метаболизма растительных клетоток. Получения классических эргоалкалоидов спорыньи биотехнологическими методами. Гормональная регуляция в системе гриб - растение. Трансгенные растения и перспективы их использования в качестве источника фармацевтических препаратов. Особенности образования целевого продукта (биологически активного вещества) популяции продуцента. Основные понятия генетической инженерии. Клеточная инженерия. Процессы каллусообразования. Тотипотентность растительных клеток. Производство дрожжей на углеводсодержащих и целлюлозных субстратах Производство аминокислот медицинского и пищевого назначения. Особенности культивирования растительных клеток. Суспензионные культуры. Методы получения моноклональных антител. Массовая наработка и их очистка. Основные направления применения. Ферменты, применяемые в генно-инженерных проектах . Основные этапы генно-инженерных проектов. Особенности конструкции и типы биореакторов, применяемых в производстве биотехнологической продукции. Методы получения генов. Источники ДНК для клонирования. Химико-ферментативный синтез гена. Метод обратной транскрипции Лекарственные препараты, получаемые из культур клеток женьшеня, родиолы розовой, воробейника, стевии, наперстянки, табака и др. Векторы, применяемые в генетической инженерии. Методы получения рекомбинантных молекул ДНК. Отжиг и лигирование. Соединение тупых концов. Коннекторная техника. Введение рекомбинантных ДНК в клетки реципиента. Идентификация клонов, содержащих чужеродный ген. История развития метода культур клеток. Каллусогенез - основа создания пересадочных клеточных культур. Культивирование отдельных клеток. Протопласты растительных клеток как объект биологического конструирования. Слияние протопластов и гибридизация соматических клеток. Иммуноферментный анализ и его применение. mbf -> Методические указания к разработке рабочей программы При разработке рабочей программы учебной дисциплины патология в основу положены: фгос впо по направлению подготовки mbf -> Рабочая программа учебной дисциплины общая патология направление подготовки (специальность) 060609 Медицинская кибернетика