Методи виділення та очищення клітинних макромолекул для отримання цільового біотехнологічного
Традиційна біотехнологія зародилася десять-дванадцять тисяч років тому, коли закінчилося останнє заледеніння. Повіками людина використовувала мікроорганізми для випікання хліба, приготування пива, сиру, вирощування сої, виробництва вина, вітамінів. Інтерес до виробництва харчових продуктів не слабшає і в наш час, але ці виробництва перейшли на новий рівень з використанням нових досягнень сучасної біології.
Розробляються біотехнології отримання екологічно чистої їжі задля забезпечення збалансованого харчування як у основі вищих рослин, і з допомогою мікробіологічного синтезу.
Продукти біотехнологічного виробництва
Продукти біотехнології є результатом функціонування біологічних систем для технічних та промислових процесів. Сюди відносяться як традиційні організми, так і організми, що стали результатом генної інженерії.
До теперішнього часу вже показано, що рослини можуть виробляти білки тваринного походження, такі як енкефалін, моноклональні антитіла, специфічні для бактерій, які викликають зубний карієс. Передбачається, що на основі таких моноклональних антитіл, що продукуються трансгенними рослинами, вдасться створити дійсно антикарієсну зубну пасту.
З інших білків тваринного походження, які становлять інтерес для медицини, показано продукцію в рослинах людського в-інтерферону. Отримано картопля, що експресує олігомери нетоксичної субодиниці В-токсину холери. Ці трансгенні рослини можуть бути використані для отримання дешевої вакцини проти такого захворювання, як холера. Причому у разі холери імунізація цілком ефективно відбуваєтьсяпри пероральному прийомі вакцини
Генетична інженерія метаболізму рослинних жирів вже призвела до нових комерційних продуктів. Найважливішою сировиною для отримання різноманітних хімічних речовин є жирні кислоти - основний компонент рослинної олії. У 1995 р. було закінчено експериментальну перевірку та отримано дозвіл від федеральної влади США на вирощування та комерційне використання трансгенних рослин ріпаку зі зміненим складом рослинної олії, що включає разом із звичайними 16- та 18-членними жирними кислотами також і до 45 % 12-членної жирної кислоти – лауринової. Ця речовина широко використовується для виробництва пральних порошків, шампунів, косметики.
Подальше вивчення специфіки біохімічного синтезу жирних кислот, мабуть, призведе до можливості керувати цим синтезом з метою отримання жирних кислот різної довжини та різного ступеня насичення, що дозволить значно змінити виробництво детергентів, косметики, кондитерських виробів, затверджувачів, мастильних матеріалів, ліків, полімерів. , дизельного палива та багато іншого, що пов'язано з використанням вуглеводневої сировини.
Однак однією з галузей біотехнології, що бурхливо розвиваються, вважається технологія мікробного синтезу цінних для людини речовин. За прогнозами, подальший розвиток цієї галузі спричинить перерозподіл ролей рослинництва та тваринництва, з одного боку, та мікробного синтезу, з іншого, у формуванні продовольчої бази людства.
Левову частку продуктів, створених на основі сучасних біотехнологій (генетичної інженерії), склали фармацевтичні білки, насамперед інсулін, альфа-інтерферон, антиген вірусу гепатиту В, еритропоетин, фактор стимулювання гранулоцитів та багато інших речовин. В цихмолекулах укладена така міць, що у багатьох різноманітних захворювань, ще п'ять років тому колишніх невиліковними, з'являється зовсім інший прогноз.
Наприклад, досягнуто суттєвого прогресу у боротьбі з раком та віковою сліпотою – захворюваннями насамперед невиліковними. Кілька років тому у стадії клінічних випробувань перебувало менше 10 протиракових препаратів, більшість з яких являли собою високотоксичні засоби хіміотерапії. Сьогодні випробування за участю людей проходять понад 400 протиракових ліків, і майже всі вони – цільової дії, на основі біотехнологій та з мінімальними побічними ефектами.
На основі біотехнологій створено 230 лікарських препаратів та супутніх продуктів, включаючи ліки від безсоння, множинного склерозу, гострого болю, хронічної хвороби нирок, нетримання, виразок порожнини рота та раку.
Для жодного розділу медицини біотехнологія не зробила так багато, як для онкології. З появою нових ліків, що знищують лише клітини пухлини, майже не пошкоджуючи здорові тканини, змінилася вся парадигма лікування раку.
Тепер медицина розглядає рак як хронічне захворювання, що піддається лікуванню. Тільки в 2004 р. FDA схвалила чотири цільові препарати проти раку - Avastin, Tarceva, Iressa та Erbitux. Застосування Avastin від компанії Genentech дозволяє продовжити життя пацієнтів з раком легень, грудей та кишечника – найперше завдання для будь-якого препарату від раку.
Створено та випущено на ринок безліч нових біотехнологічних продуктів, що підвищують урожайність сільськогосподарських культур та продуктивність сільськогосподарських тварин.
Продуктами біотехнології є відновлювані джерела енергії – різні види біопалива. Налагоджено виробництво етанолу із сировини, що міститьсахарозу, глюкозу, фруктозу, інші моно-або олігосахариди, крохмаль або целюлозу, за допомогою дріжджів або бактерій. В даний час етанол все більшою мірою застосовується як екологічно чисте моторне паливо. Поставлено виробництво бутанолу та ацетону з використанням бактерій-бродильників роду Clostridia. Технологію виробництва водню випробувано поки що лише в масштабі лабораторії.
Одержання метану, або біогазу, яке здійснюється змішаною мікробною культурою, усуває відходи, що загрожують планеті, і виробляє цінне газоподібне паливо, замінник природного газу. Перспективне виробництво довголанцюгових вуглеводнів (біонафти) з біомаси вуглеводнів синтезуючих одноклітинних водоростей. Ці водорості можуть бути вирощені у біореакторі у вигляді чистої культури. Їх можна також культивувати у складі природних екосистем в озерах, ставках чи лагунах.
Продовжують розвиватися процеси отримання традиційних біотехнологічних продуктів, яких можна віднести антибіотики, алкалоїди, гормони росту рослин, ферменти, амінокислоти, вітаміни тощо. Молекули антибіотиків дуже різноманітні за складом та механізмом дії на мікробну клітину. При цьому у зв'язку із виникненням стійкості патогенних мікроорганізмів до старих антибіотиків постійно існує потреба у нових. У деяких випадках природні мікробні антибіотичні продукти хімічним або ензиматичним шляхом можуть бути перетворені на так звані напівсинтетичні антибіотики, що мають більш високі терапевтичні властивості.
Мікроорганізми здатні здійснювати реакції трансформації, у яких ті чи інші сполуки перетворюються на нові продукти. Умови перебігу цих реакцій м'які, і у багатьох випадках мікробіологічні трансформації переважнохімічних. Приклад існуючих великомасштабних промислових біоконверсій – виробництво оцту з етанолу, глюконової кислоти з глюкози. Широко використовується мікробна модифікація стероїдів, які складні поліциклічні ліпіди. Тепер з використанням біоконверсії отримують кортизон, гідрокортизон, преднізолон та цілу низку інших стероїдів, що в сотні разів знижує собівартість виробництва стероїдів.
Поки що отримання ферментів з допомогою мікроорганізмів вигідніше, ніж із рослинних і тваринних джерел. Мікробні клітини продукують понад 2 тисячі ферментів, що каталізують біохімічні реакції, пов'язані зі зростанням, диханням та утворенням продуктів. Багато з цих ферментів можуть бути виділені та виявляють свою активність незалежно від клітини. У світі виробляється близько 20 ферментів обсягом 65 тис. т (а існує, як припускають 25 000 ферментів).
Наприклад, промисловим способом виробляють такі ферменти, як амілаза, глюкоамілаза, протеаза, інвертаза, пектиназа, каталаза, стрептокіназа, целюлаза, ліпаза, целюлаза, оксидаза та ін.
Мікробні ферменти активно використовують у клінічній діагностиці щодо рівня холестерину в крові та сечової кислоти. Ферменти пропонують використовувати для очищення каналізаційних та водопровідних труб та у багатьох інших сферах людської діяльності. Ферменти для медичних чи аналітичних цілей мають бути високоочищеними.
Виробництво амінокислот відноситься до однієї з найбільш передових галузей біотехнології. Амінокислоти одержують шляхом хімічного синтезу або екстракцією з білкових гідролізатів. Незамінні амінокислоти можуть виходитимікробіологічним шляхом ефективніше, ніж шляхом хімічного синтезу. За кордоном 60% потужностей з виробництва амінокислот займає глутамінова кислота, далі йдуть метіонін, лізин та гліцин. За допомогою мікроорганізмів можна одержати до 60 органічних кислот. Чимало їх ми одержують у промисловому масштабі - итаконовая, молочна, оцтова, лимонна.
Вітаміни синтезують в основному хімічним шляхом або одержують із природних джерел. Однак рибофлавін (В2), вітамін В12 та аскорбінову кислоту отримують мікробіологічним шляхом. Існує виробництво рибофлавіну на основі використання дріжджоподібних грибів Eremothecium ashbyii та Ashbia gossypii. Рибофлавін продукується також видами Clostridium та Ascomycetes. Мікроорганізми є цінним джерелом отримання нікотинової кислоти (вітамін РР).
Мікроорганізми є джерелом отримання ліпідів спеціального призначення із заздалегідь визначеними властивостями. Мікробні жири замінюють рослинні (а часом і перевершують) і можна використовувати у різних галузях промисловості, сільського господарства, медицині.
Мікроорганізми є важливим джерелом одержання полімерних матеріалів на основі полісахаридів. Цінним мікробним полісахаридом є декстран, що утворюється бактеріями роду Leucomonstoc. Декстран служить основою отримання медичних препаратів (кровозамінників) та препаратів для біохімічних досліджень – сефадексів та інших молекулярних сит. Одним з перспективних біодеградованих полімерів, що синтезуються бактеріями, є полігідроксиалканоати. Область використання цього класу полімерів широка – від сільського господарства до медицини.
З молекулярною біотехнологією людство пов'язують найбільші надії і по можливості точної діагностики, профілактики талікування безлічі інфекційних та генетичних захворювань, і за значним підвищенням урожайності сільськогосподарських культур, і з багатьох інших досі невирішених проблем.
На жаль, левову частку вартості виробництва найчастіше становить не нарощування біомаси, а подальші процеси виділення та очищення продукту. Вартість очищення тим вища, що нижча концентрація речовини в клітинах. Це особливо важливо у разі фармацевтичних препаратів, які потребують високого ступеня чистоти.
У цьому розділі розглядатиметься остання стадія отримання цільового продукту - його виділення. Ця стадія значно різниться залежно від локалізації продукту та її хімічної природи. Якщо продукт знаходиться в культуральній рідині, то він, як правило, утворює дуже розбавлені розчини та суспензії, що містять, крім цільової, велику кількість інших речовин. При цьому доводиться розділяти суміші речовин дуже близької природи, тому необхідно використовувати методи, що дозволяють провести поділ, наприклад, той чи інший вид хроматографії.
Якщо цільовий продукт локалізується в клітині, необхідно використовувати більш складний підхід до його вилучення з клітини.