Примеры заданий по биотехнологии. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 131 01 0102 Биология (научнопедагогическая деятельность)
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
Рис. 5. Структурные формулы антибиотиков. Устойчив к кислоте и клоксациллин, и к тому же он не разрушается β-лактамазами. Его часто назначают вместе с ампициллином тем больным, у которых обнаружены стафилококки, синтезирующие пенициллиназу. 2 Производство и применение гормонов. Применяемые методы биоконверсии наряду с традиционными химическими превращениями позволили получить многие стероиды более простыми и дешевыми способами. Именно благодаря этому такие стероиды, как дексаметазон, тестостерон, эстрадиол могут сегодня широко применяться в клинике. Микроорганизмы используются на отдельных стадиях синтеза лекарственных веществ, который ранее осуществлялся путем многоступенчатых и дорогостоящих химических реакций. Так, один из штаммов хлебной плесени, Rhizopus arrhizus, на начальном этапе синтеза производного стероида, кортизона, может гидроксилировать прогестерон. Инсулин 1-2% населения Европы страдает диабетом, и около 20% этих 212 больных не могут существовать без иньекций инсулина. Со времени проведения первых опытов по использованию инсулина для лечения диабета в 1922 г. этот гормон выделяли из поджелудочной железы животных (коров и свиней). Инсулин животных немного отличается по аминокислотной последовательности от инсулина человека. Особенно близки инсулины человека и свиньи: у инсулина свиньи С- концевой треонин В-цепи заменен на аланин. Инсулины коровы и человека отличаются по трем аминокислотным остаткам. Именно этими различиями определялась повышенная иммуногенная активность инсулина коровы по сравнению с инсулином свиньи. Почти у всех больных, которых лечили введением инсулина коровы, в крови появлялись антитела к инсулину. Антигенные свойства инсулина частично определялись и примесями в его препаратах. Скорее всего, именно образованием антител к инсулину объяснялись некоторые незначительные побочные эффекты при иньекциях инсулина коровы, например атрофия подкожной жировой прослойки в месте повторного введения. В случае высокоочищенного инсулина эти эффекты отсутствовали. Впоследствии благодаря генной инженерии и с помощью E. сoli был получен человеческий инсулин. Инсулин человека, полученный с помощью E. сoli, оказался первым “генно-инженерным” белком, испытанным на людях. В опытах со здоровыми добровольцами было установлено, что он безопасен (не вызывает аллергических и других нежелательных реакций) и обладает способностью снижать уровень глюкозы в крови при введении под кожу или внутривенно. В настоящее время такой инсулин человека получают множество диабетиков во всем мире. Этому предшествовали клинические испытания, в ходе которых изучались изменения метаболизма и иммунологические эффекты. Интерфероны Интерфероны– это группа белков, открытых в ходе изучения веществ, вырабатываемых клетками, зараженными вирусами. Они индуцируют как локальные, так и системные противовирусные реакции в других клетках. Кроме того, интерфероны обладают двумя важными свойствами: подавляют пролиферацию клеток (являются противоопухолевым средством) и модулируют иммунную систему. Интерфероны делят на несколько групп: α (лейкоцитарные интерфероны), β (интерфероны фибробластов), γ (иммунные интерфероны). До недавнего времени интерфероны были доступны лишь в 213 небольшом количестве. Частично очищенные препараты получали главным образом из лейкоцитов человека. В настоящее время синтезирован ген лейкоцитарного интерферона человека длиной 514 пар нуклеотидов; его включали в плазмиду и клонировали затем в E. сoli, таким же способом был получен ген фибробластного интерферона. Удалось достичь экспрессии гена интерферона человека в клетках дрожжей. Интерфероном можно лечить гепатит В, некоторые формы герпеса. Среди онкологических больных были проведены испытания на пациентах с метастазирующим раком молочной железы, и у 12 из 43 диаметр опухоли уменьшился на 50%. Однако действие интерферона на онкологические опухоли до конца не выяснено, имеются некоторые данные о побочных эффектах при применении интерферона (лихорадка, общее недомогание, потеря веса). Гормон роста Гормон роста человека (соматотропин) – это белок, состоящий из 191 аминокислотного остатка, и имеющий молекулярную массу 22000. Он образуется и секретируется передней долей гипофиза и необходим для роста костей. Выяснено, что у 7-10 людей на 1 млн. этот гормон образуется в недостаточном количестве, что приводит к задержке роста (карликовости). Хотя это заболевание обычно врожденное, задержка роста становится заметной лишь в более позднем, детском возрасте, так как гормон не нужен для внутриутробного развития. Строение гормона роста видоспецифично, и в клинике можно применять лишь гормон роста человека. До недавнего времени его получали из гипофиза людей, но этот способ имеет свои ограничения. В настоящее время производство гормона роста налажено на основе технологии рекомбинантных ДНК с использованием E. coli. Очищенный препарат гормона из бактерий по биологической активности подобен гормону из гипофиза. 3 Ферменты. Ферменты составляют основу многих тестов, используемых в клинической медицине. Они применяются при автоматизированном анализе и биохимическом исследовании жидкостей организма, которые ведутся в биохимических лабораториях современных клиник. Примером таких ферментов могут быть глюкозооксидаза, гексокиназа, эстераза, алкогольдегидрогеназа. Новым направлением в биотехнологии является так называемая инженерная энзимология, возникшая на стыке химии и биологии 214 вследствие развития современных методов изучения структуры и синтеза белков-ферментов и выяснения механизмов функционирования и регуляции активности этих соединений. Ее задачи заключаются в развитии прогрессивных методов выделения ферментов, их стабилизации и иммобилизации; конструировании катализаторов с нужными свойствами и разработке научных основ их применения. Важным этапом развития инженерной энзимологии стала раз- работка способов получения и использования иммобилизованных ферментов. Иммобилизованными ферментами называются ферменты, искусственно связанные с нерастворимым носителем, но сохраня- ющие свои каталитические свойства. Иммобилизованные ферменты имеют некоторые преимущества в сравнении со свободными молекулами. Прежде всего, такие фер- менты, представляя собой гетерогенные катализаторы, легко от- деляются от реакционной среды, могут использоваться многократно и обеспечивают непрерывность каталитического процесса. Кроме того, иммобилизация ведет к изменению свойств фермента: субстратной специфичности, устойчивости, зависимости активности от параметров среды. Иммобилизованные ферменты долговечны и в тысячи и десятки тысяч раз стабильнее свободных энзимов. Так, происходящая при температуре 65°С термоинактивация лактатдегидрогеназы, иммобилизованной в 60 %-м полиакриламидном геле, замедлена в 3600 раз по сравнению с нативным ферментом. Все перечисленное обеспечивает высокую экономичность, эффективность и конкурентоспособность технологий, использующих иммобилизованные ферменты. Иммобилизация многих ферментов осуществляется на носителях органической и неорганической природы. Существующие органические полимерные носители можно разделить на два класса: природные и синтетические полимерные носители. Среди природных полимеров выделяют белковые, полисахаридные и липидные носители, а среди синтетических – полиметиленовые, полиамидные и полиэфирные. К преимуществам природных носителей следует отнести их доступность, полифункциональность и гидрофильность, а к недо- статкам — биодеградируемость и достаточно высокую стоимость. Из полисахаридов для иммобилизации наиболее часто используют целлюлозу, декстран, агарозу и их производные. 215 Синтетические полимерные носителиобладают механической прочностью, а при образовании обеспечивают возможность варьирования в широких пределах величины пор, введения различных функциональных групп. Некоторые синтетические полимеры могут быть произведены в различных физических формах (трубы, волокна, гранулы). Все эти свойства полезны для разных способов иммоби- лизации ферментов. В качестве носителей неорганической природы наиболее часто применяют материалы из стекла, глины, керамики. Основное преимущество неорганических носителей — легкость регенерации. Подобно синтетическим полимерам, неорганическим носителям можно придать любую форму и получать их с любой степенью пористости. Таким образом, к настоящему времени созданы разнообразные носители для иммобилизации ферментов. Однако для каждого индивидуального фермента, используемого в конкретном тех- нологическом процессе, необходимо подбирать оптимальные ва- рианты как носителя, так и условий и способов иммобилизации. Существуют два различных метода иммобилизации ферментов: без возникновения ковалентных связей между ферментом и носителем (физические методы иммобилизации) и с образованием ковалентной связи между ними (химические методы иммобилизации). Каждый из этих методов осуществляется разными способами. Сочетание уникальных каталитических свойств энзимов с пре- имуществами иммобилизованных ферментов как гетерогенных катализаторов позволило создать новые промышленные техноло- гические процессы. Следует отметить, что в основном они относятся к производству пищевых продуктов и лекарственных препаратов. В настоящее время в мире с использованием иммобилизованных фер- ментов и клеток разработаны технологии крупномасштабного производства глюкозофруктозных сиропов, безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки. Иммобилизованные ферменты имеют огромное значение для медицины. В частности, большой рынок сбыта занимают тромболитические ферменты, предназначенные для борьбы с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Так, в клиническую практику внедрен препарат «стрептодеказа», содержащий стрептокиназу, предотвращающую образование тромбов в кровеносной системе. Ферменты, разрушающие некоторые незаменимые аминокислоты (например, аспарагиназа), используют для борьбы со злокачественным ростом опухолей. Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин, субтилизин), иммобилизованные на 216 волокнистых материалах (целлюлоза, полиамидные волокна), применяют для эффективного лечения ран, язв, ожогов, абсцессов, а их белковые ингибиторы - для лечения эмфиземы и панкреатитов. Таким образом, использование иммобилизованных ферментов во многих жизненно важных отраслях народного хозяйства становится все более массовым. Выгодное сочетание избирательности и эффективности с долговечностью и стабильностью иммобилизо- ванных ферментов в корне меняет химическое производство, способы добывания сырья, способствует созданию новых биотехнологических процессов и методов терапии, совершенствует медицинскую диагностику и органический синтез. В заключение следует отметить, что последние достижения биотехнологии оказывают и будут оказывать революционизирующее воздействие на диагностику, лечение и понимание основ патологии многих тяжелых заболеваний. 4 Иммунологический анализ. Разработка метода радиоиммунологического анализа (РИА) оказало глубочайшее влияние на многие области клинической медицины и науку вообще. Он позволяет определить очень небольшие количества вещества путем вытеснения меченного радиоактивным изотопом антигена при добавлении все возрастающего количества немеченого испытуемого или стандартного антигена. Особенно ярко достоинства метода проявились в эндокринологии, так как концентрация гормонов обычно невелика, а определение их при помощи биологических методов анализа – долгая, а иногда неосуществимая процедура. Анализируемые вещества бывают нестабильны даже вне условий анализа, а при анализе их нередко приходится концентрировать, кроме того, они содержат примеси, которые могут обладать биологической активностью, сходной с таковой у изучаемого гормона. Так, инсулиноподобные факторы роста, соматомедины, можно определять биологическими методами, но они не активируются антисыворотками против инсулина. Диагностика злокачественных новообразований. Известны несколько специфических опухолевых маркеров, которые с успехом используются в диагностике, прогнозировании и выявлении распространения опухолей. Некоторые из них обнаруживаются в крови, а другие находят в препаратах опухолей. Так, α-фетопротеин является главным белком сыворотки плода, его содержание 217 уменьшается в течение первого года жизни. Определяя содержание α- фетопротеина в плазме при помощи метода РИА, удалось установить, что оно повышается у многих больных с гепатомой (рак печени) и при раке семенников (тератоме). Были выделены антитела к клеткам злокачественной меланомы человека (рак кожи), которые не давали перекрестной реакции с нормальными клетками кожи. Введение радиоактивных и флуоресцентных меток в опухолеспецифичные антитела облегчает выявление метастазов и оценку первичных реакций опухолей в ходе лечения. Развитию новых способов лечения может способствовать направленное введение лекарственных препаратов, присоединенных к антителам против данных опухолей. Ключевые слова и понятия антибиотики гормоны гормон роста инсулин интерферон ферменты стрептокиназа иммунологический анализ ЛЕКЦИЯ 8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭНЕРГИИ 1 Применение методов биотехнологии в производстве энергии. 2 Производство этанола. 3 Получение метана. 1 Применение методов биотехнологии в производстве энергии. Неиссякаемым источником энергии является солнце. Каждый год 218 на поверхность Земли поступает 3•10 24 Дж энергии, в то время как запасы нефти, природного газа, угля, урана по оценкам эквивалентны 2,5•10 22 Дж. Т.е. менее чем за неделю Земля получает от Солнца такое же количество энергии, какое содержится во всех невозобновляемых ее запасах. Если бы только 0,1% поверхности Земли занимали накопители, использующие солнечную энергию с коэффициентом полезного действия около 10%, то были бы удовлетворены все текущие потребности в энергии в мире за год (3•10 20 Дж). Однако у солнечной энергии есть два недостатка: она поступает неравномерно и диффузно. Поэтому необходимо, во-первых, разработать какие-то системы накопления, так чтобы энергия была доступна по потребности, а во-вторых, создать накопители большой площади. Оба этих фактора накладывают определенные ограничения на использование систем на основе солнечной энергии. Обе эти проблемы решает производство биомассы путем фотосинтеза: Во-первых, в роли накопителей могут выступать растения, и во- вторых, получаемый продукт стабилен и может храниться. Впрочем, при получении и использовании биомассы для выработки энергии возникают свои проблемы, которые, однако, уравновешиваются преимуществами: ее можно получать во всем мире, она возобновляется в согласии с окружающей средой. Кроме этого, солнечная энергия запасается в биомассе в форме органических веществ, поэтому ее можно хранить и перемещать во времени и пространстве. К недостаткам относится малая эффективность (обычно менее 1% и редко более 2%) использования солнечной энергии при фотосинтезе; при образовании продукции растениеводства диффузный, а часто и сезонный характер продукции и высокое весовое содержание влаги. По этим причинам для получения высококачественного, богатого энергией сырья необходимо осуществить его сбор, перевозку, удаление воды, концентрирование или же химическую или биологическую переработку и упаковку. Если же задачей является превращение биомассы в ценные виды топлива, то думать приходится не только об удалении воды и увеличении удельного содержания энергии, но и о том, как получить продукт, совместимый с технологией, для которой он предназначен. Ранее основным путем использования растительного сырья в качестве топлива во всем мире было прямое сжигание главным образом древесины и в меньших масштабах – остатков урожая и 219 навоза. В настоящее время на разных стадиях разработки находится ряд систем термической модификации такого сырья. Среди них – установки на основе пиролиза, газификации и гидрогенизации. Для этой цели применяют главным образом сахарный тростник, кукурузу, древесину, навоз, бытовой мусор, а также отходы сельского хозяйства и промышленности. Основным поставщиком биомассы, идущей на топливо, служит сельское и лесное хозяйство. Оценивая нынешние возможности, следует исходить из наличных земельных площадей, урожайности современных культур, продуцирующих сахар и крахмал, и числа работников, занятых в сельском хозяйстве. Ежегодный прирост биомассы во всем мире составляет около 2•10 11 т. Из них приблизительно 1,2•10 11 т составляет древесина (в пересчете на сухое вещество). Примерно 60% вырубаемой древесины используется как топливо. Древесина, используемая в качестве биотоплива, обладает рядом достоинств: выход продукции в пересчете на гектар очень высок; из древесины получают значительно больше биомассы, чем из любого другого источника; разведение лесов требует гораздо меньших вложений, чем выращивание других культур. К числу недостатков нужно отнести длительность роста до зрелости, а также тот факт, что главный компонент древесины, лигноцеллюлоза, очень сложна для переработки. В ближайшем будущем наиболее удобным и доступным источником сырья будут отходы деревообрабатывающей промышленности, но впоследствии все возрастающее значение будет приобретать «выращивание» топлива. Поскольку основные затраты связаны с очисткой земли и посадкой, основное внимание уделяется сегодня выращиванию твердодревесного быстрорастущего порослевого леса. Большой биомассой отличаются пресноводные и морские водоросли, но чрезвычайно большое содержание воды в этих растениях и сложность сушки на солнце препятствуют использованию их как топлива путем прямого сжигания. Наиболее подходящей технологией переработки водных растений и сырых отходов земледелия в топливо, корма и удобрения является анаэробная ферментация. Эти растения просто процветают в сточных водах. Они успешно очищают воду и хорошо при этом растут. Таким образом, они могут играть двойную роль: улучшать состояние окружающей среды и служить важным источником энергии. В ряде стран из водных растений получают биогаз. Их стали использовать для этой цели, поскольку растения исключительно быстро растут, причем на поверхности воды, и их легко собирать. Можно 220 использовать и водоросли, растущие в прудах, в которых перерабатываются сточные воды, содержащие органические вещества. Такая технология особенно пригодна для стран, где много солнца, и к тому же нередко возникают проблемы переработки жидких отходов. Многие жидкие и полутвердые отходы – идеальная среда для роста фотосинтезирующих водорослей и бактерий. При хороших условиях они быстро наращивают биомассу и осуществляют эффективное превращение солнечной энергии (3,5%); выход продукции составляет 50-80 т с гектара в год. Собранные водоросли можно прямо скармливать животным, получать из них метан или сжигать для получения электроэнергии. При этом одновременно происходит переработка отходов и очистка воды. По существующим оценкам затраты на такие системы в условиях Калифорнии составляют около 50% от затрат на обычные системы переработки сточных вод. Главная хозяйственная проблема здесь – затраты на сбор продукции. Ее можно решить, используя иные виды водорослей, которые легче собирать, и новые технические приемы сбора. |