Біотехнологія і медицина

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Індивідуальна робота

На тему:

«Біотехнологія і медицина»

виконала студентка

групи 74121-1з

Шеховцова Ольга Ігоревна

Запоріжжя

2013

Зміст

Вступ

1. Історія біотехнології

2. Біотехнологія і медицина

2.1 Плазміди

2.2 Методи генної інженерії

2.3 Моноклокальні антитіла і ДНК-або РНК-проби

2.4 Ферменти медичного призначення

Висновки

Список використаної літератури

Вступ

З давніх давен люди використовували біологічні тіла та певні організми задля забезпечення своїх потреб. Шороко використовувались біотехнології ще в стародавній медицині, хлібопекарстві, за індустріалізіції, - на підприємствах.

Біотехнологія (від грецької. bios - життя, techne - мистецтво, майстерність і logos - слово, навчання), використання живих ор-ганізмів і біологічних процесів у виробництві. Біотехнологія - міждисциплінарна галузь, що виникнла на стику біологічних, хімічних і технічних наук. З розвитком біотехнології пов'язують вирішення глобальних проблем людства - ліквідацію недостачі продовольства, енергії, мінеральних ресурсів, поліпшення стану охорони здоров'я і якості навколишнього середовища [1-3].

1. Історія біотехнології

З найдавніших часів людина використовувала біотехнологічні процеси при хлібопеченні, готуванні кисломолочних продуктів, у виноробстві і т.п., але лише завдяки роботам Л. Пастера в середині 19 ст., що довели зв'язок процесів шумування з діяльністю мікроорганізмів, традиційна біотехнологія взяла наукову основу. В 40-50-ті роки 20 ст., коли був здійснений біосинтез пеніцилінів методами ферментації, почалася ера антибіотиків, що дала поштовх розвитку мікробіологічного синтезу і створенню мікробіологічної промисло-вості. В 60-70-ті р. 20 ст. почала бурхливо розвиватися клітинна інженерія. Зі створенням в 1972 групою П. Берга в США першої гібридної молекули ДНК in vitro формально пов'язане народження ге-нетичної інженерії, що відкрила шлях до свідомої зміни генетичної структури організмів таким чином, щоб ці організми могли робити не-обхідні людині продукти і здійснювати необхідні процеси [1,2 3-5]. Ці два напрямки визначили образ нової біотехнології, що має мало загального з тією примітивною біотехнологією, що людина використовувала протя-гом тисячоріч. Показово, що в 70-і рр. взявши поширення і са-мий термін "біотехнологія". З цього годині біотехнологія нерозривно пов'язана з молекулярною і клітинною біологією, молекулярною генетикою, біохімією і біоорганічною хімією. За стислий період свого троянд-витку (25-30 років) сучасна біотехнологія не тільки домоглася істотних успіхів, але і продемонструвала необмежені можливості використання організмів і біологічних процесів в різноманітних галузях виробництва і народного господарства [4].

2. Біотехнологія в медицині

В медицині біотехнологічні прийоми і методи грають головну роль при створенні нових біологічно активних речовин і лікарських препаратів, призначених для ранньої діагностики і лікування різноманітних захворювань. Антібіотіки - найбільший клас фармацевтичних сполук, одержання яких здійснюється за допомогою мікробіологічного синтезу. Створено геноиіженерні штами кишкової палички, дріжджей, що культивуються клітин ссавців та комах, вико-ристовувані для одержання зрістового гормону інсуліну й інтерферону людини, різноманітних ферментів і противірусних вак-цин. Змінюючи нуклеотидну послідовність в генах, що кодирують відповідні білки, оптимизуюютт структуру ферментів, гормонів і анти-генів (так наз. білкова інженерія). Найважлівішим відкриттям стала розроблена в 1975 Р. Келером і С. Мільштейном техніка використання гібридом для одержання моноклональних антитіл бажаної спе-цифічності. Моноклональні антитіла використовують як унікальні реа-генти, для діагностики і лікування різноманітних захворювань [3,4].

Біологічній метод полягає у використанні для захисту рослин від шкідливих організмів їхніх природних ворогів (хижаків, паразитів, гербофагів, антагоністів), продуктів їхньої життєдіяльності (антибіотиків, феромонів, ювеноїдів, біологічно активних речовин) та ентомопатогенних мікроорганізмів для зменшення їхньої кількості та шкодочинності і створення сприятливих розумів для діяльності корисних видів в агробіоценозах, тобто застосування «живого проти живого». Позітівнім чинником в застосуванні біологічного методу є його екологічність. Біологічні засоби можна використовувати без обмеження кратності застосування, в тій година як кількість обробок рослин хімічними пестицидами суворо регламентована [6].

Біологічній захист рослин грунтується на системному підході і комплексній реалізації двох основних напрямків: збереження і сприяння діяльності природних популяцій корисних видів (ентомофагів, мікроорганізмів), самозахисту культурних рослин в агробіоценозах та поновлення агробіоценозів корисними видами, яких не вистачає або які відсутні. Прінциповою відміною біологічного методу захисту рослин від будь-якого іншого є використання саме першого напрямку, який здійснюють, застосовуючи біологічні препарати, способами сезонної колонізації інтродукції та акліматизації зоофагів і мікроорганізмів. Розмноженню і ефективності діяльності корисних видів сприяють агробіотехнічні заходь, та деякі способи обробітку грунту за допомогою яких можна створювати сприятливі умови для життєдіяльності зоофагів [5,6].

Вирощування стійких до шкідливих організмів сортів культурних рослин сприяє формуванню маложиттєздатних популяцій шкідників.Кожен з основних засобів біологічного методу (застосування зоофагів, корисних в захисті рослин мікроорганізмами) має свої особливості і ефективний у відповідних умовах. Ці засоби не виключають, а доповнюють один одного. Ніні особливу увагу приділяють пошуку шляхів спільного застосування біологічного захисту з іншими методами в інтегрованих системах захисту рослин від шкідливих організмів. Основнім завданням цього методу є вивчення розумів, які визначають ефективність природних ворогів шкідливих організмів і розробка способів регулювання їхньої кількості і взаємовідносин з популяціями шкідливих організмів.

До природних ворогів комах належать ентомофаги (хижаки і паразити) та хвороботворні (ентомопатогенні) мікроорганізми. До останніх належать збудники вірусних, бактеріальних, грибних, протозойних і нематодних (паразитичні відіа круглих червів) захворювань. Найчисельніші ентомофаги серед комах, павуків, кліщів. Значну користь в знищенні шкідників приносять хребетні тварини -- комахоїдні пташки, риби, плазуни і ссавці. Ефектівні хижаки належать до ряду твердокрилих, багато видів, що застосовуються для захисту рослин від шкідників, належать до родини кокцинелід або сонечок, які живляться попелицями, листокрутками, білокрилками, кліщами-фітофагами [7].

Біологічній метод боротьби з хворобами рослин полягає у використанні існуючих в природі явищ надпаразитизму, антибіозу, тобто антагоністичних відносин між організмами, які розвиваються на рослинах і у грунті. Ніні найбільша увага приділяється вивченню і використанню антагоністів і продуктів їхньої життєдіяльності -- антибіотиків. Як антагоністи багатьох фітопатогенів добрі вивчені і застосовуються гриби роду Trichoderma. Сморід поширені в грунтах різних типів і продукують антибіотики -- гліотоксин, віридин, триходермін, соцукацилін, аламецин , які мають антибактеріальні і антигрибні властивості. На основі цих збудників створено препарат триходермін.

Важліва роль в біологічному захисті рослин від хвороб відведена мікрофільним грибам -- надпаразитам (роду Ampelomyces, Trichothecium). Незавершень гриб Trichothecium roseum Lin утворює антибіотик трихотецин, який пригнічує розвиток і ріст багатьох грибів -- збудників борошнистої роси огірків, моніліозу худе. На його основі створений біологічний препарат трихотецин.

Біологічній метод боротьби з бур'янами вперше було застосовано проти чагарника лантани на Гавайських островах -- червеця Orthezia insignis Pung. У Україні біологічний захист застосовується проти паразитичної безхлорофільної рослини вовчка, яка уражує понад 120 видів культурних рослин, а найбільше соняшник. Серед організмів, які зменшують чисельність вовчка, найактивнішою є муха фітоміза. Ніні великого значення набуває боротьба з амброзією полинолистою, яка поширюється в Україні на орних землях, пасовищах, луках, узбіччях доріг. 1978-го долі проти неї був використаний інтродукований з Північної Америки амброзієвий листоїд. У цьому напрямку була проведена велика робота вченими інституту зоології АН РФ [7,8].

Генетічній метод боротьби зі шкідливими організмами був розроблений і запропонований А. С. Серебровським (1938, 1950). Цей метод передбачає насичення природної популяції шкідника генетично неповноцінними особинами того ж вигляду. Самки природної популяції, спаровуючись з такими особинами, відкладають нежиттєздатні яйця, не дають потомства, відбувається самознищення шкідника. Генетічній метод здійснюється променевою і хімічною стерилізацією. Променева стерилізація передбачає масове розведення шкідників, опромінення їх (гамма-променями, рентгенівськими променями) і наступний випуск в плодові насадження, посіви сільськогосподарських культур. В опромінених особинах виникають пошкодження хромосомного апарату. При хімічній стерилізації стерилізаторами використовуються хімічні речовини, з алкилючих сполучень, антиметаболітів і антибіотиків. Перші викликають статеву стерильність самок і самців, антиметаболіти обумовлюють стерильність самок. Генетічній метод боротьби був застосований 1954-го долі проти сірої м'ясної мухи на острові Кюрасао, яка завдає значної шкоди тваринництву. Віпуськ стерилізованих особин був успішним. Генетічному методу боротьби притаманна вибірковість, його застосування не зв'язане з негативним впливом на довкілля і не сприяє з'явленню стійкості до факторів стерилізації.

Біотехнологія пропонує величезні потенційні переваги. Розвінуті країни та країни, що розвиваються, мають бути прямо зацікавлені в підтримці подальших досліджень, спрямованих на тих, щоб біотехнологія могла повністю реалізувати свій потенціал [4,7].

Біотехнологія допомагає довкіллю. Дозволяючи фермерам зменшити кількість пестицидів та гербіцидів, біотехнологічні продукти першого покоління призвели до зменшення їхгього використання в сільськогосподарській практиці, а майбутні продукти біотехнологій мають принести ще більше переваг. Зменшення пестицидного і гербіцидного навантаження означає менший ризик токсичного забруднення грунтів та грунтових вод. Окрім того, гербіциди, які застосовуються в поєднанні з генетично модифікованими рослинами, часто є безпечнішими для довкілля, аніж гербіциди попереднього покоління, на зміну яким смороду приходять. Культурі, виведені методами біоінженерії, також сприяють ширшому застосуванню безвідвальної обробки грунту, що призводить до зменшення втрат родючості грунту[5,8].

Велічезній потенціал біотехнологія має в боротьбі з голодом. Розвіток біотехнологій пропонує значні потенційні переваги для країн, що розвиваються, де понад мільярд жителів планети живуть в бідності та страждають від хронічного голоду. Через зростання врожайності та виведення культур, стійких до хвороб та посухи, біотехнологія може зменшити брак їжі для населення планети, яку станом на 2025 рік складатиме понад 8 мільярдів осіб, що на 30% більше ніж сьогодні. Вчені створюють сільськогосподарські культури з новими властивостями, які допомагають їм виживати в несприятливих умовах посух та повеней.

Біотехнологія допомагає боротись з хворобами. Розвіваючи та покращуючи медицину, вона дає нові інструменти в боротьбі з ними. Біотехнологія дала медичні методи лікування кардіологічних хвороб: склерозу, гемофілії, гепатиту, та СНІДу. Ніні створюються біотехнологічні продукти харчування, які зроблять дешевшими та доступнішими для найбіднішої частини населення планети життєво необхідні вітаміни та вакцини.

В даний час період розвитку біотехнології можна охарактеризувати наступними рисами:

1) Все частіше використовуються не самі клітки мікроорганізмів, а виділені з них ферменти. Наприклад, дисахарид лактоза - молочний цукор - для більшості людей корисний, але деякі дорослі люди взагалі не можуть пити молоко через те, що лактоза, що міститься в нім, не розщеплюється через відсутність ферменту b-галактозидазы. У Африці цією недугою страждають цілі племена. Безлактозне молоко можна отримати за допомогою ферменту лактази. Виробництво такого молока налагоджено, наприклад, з Італії [5,6-10].

2) Друга область - розширення діяльності біотехнології.

Зараз біотехнологічними методами виготовляють не лише харчові продукти, але і вітаміни, антибіотики, гормони, ряд інших ліків, а також незамінні амінокислоти. Людина, наприклад, не може існувати без триптофану фенилаланина, лізину, треонина, валіну, метіоніну, лейцину і ізолейцину . Дітям потрібний і аргінін. Останніми роками з'явилося нове джерело їжі - білок одноклітинних, який отримують з мікроорганізмів. Його можна використовувати на корм худобі замість продуктів.

Біотехнологія проникла у виробництво металів. У нашій країні розроблена технологія бактерійно-технічного способу витягання золото і срібло з бідних цими металами порід. Біометалургія економічно вигідна і виключає забруднення довкілля[8-10].

Особливий напрям біотехнології - медицина. Наприклад, гормон росту секретується передньою долею гіпофіза. При недоліку гормону - карликовість. Раніше цей гормон отримували з гіпофіза трупів, а зараз отримують з кишкової палички і по біологічній активності цей гормон не поступається гормону гіпофіза. З незавершених грибів отриманий препарат циклоспорин, який використовується при трансплантації органів для придушення імунних реакцій (відторгнення тканин).

3) Третя область - генна інженерія.

Потрібні штами мікроорганізмів виходять не лише відбором тих, що випадково виникають мутацій, але і вставкою плазмид з відповідними генами. Біотехнологія дозволила отримувати бактерії з властивостями раніше не бувалими. Одне з досягнень генної інженерії - це перенесення генів, що кодують синтез інсуліну у людини, в клітки бактерій. Раніше цей гормон отримували з підшлункової залози тварин, частіше за свиней. В даний час отриманий інсулін з допомогою кишкової палички - это 1-й генно-інженерний білок [11].

Також удалося перенести в клітки бактерій ген інтерферону, який утворюється у відповідь на вірусну інфекцію. Можливо, що замість бактерій можна використовувати дріжджі.

З 30-х років дослідники стали займатися виділенням з бактерій і грибів природних речовин з антибіотичними властивостями, тобто здатних або пригнічувати зростання, або зовсім вбивати інші мікроби. Найбагатше джерело антибіотиків - організми, що живуть в грунті. З грибів актиноміцетів можна отримати 1500 антибіотиків. Понад 50 широко застосовується в практиці. До їх числа відносяться стрептоміцин, хлорамфенікол і антибіотики тетрациклінового ряду. У медицині використовують метод гібридизації кліток - зливання різних кліток в одну.

Наприклад, ракові клітки і лімфоцити. Гібрид здатний продукувати антитіла і швидко розмножуватися. Використовують як сироватку в аналізах і лікуванні. біотехнологія плазмід антитіло фермент

Генна інженерія - сукупність методів, що дозволяють в пробірці переносити генетичну інформацію з одного організму в іншій. Перенесення генів дає можливість долати міжвидові бар'єри і передавати окремі спадкові ознаки одних організмів іншим. МЕТА здобуття кліток, в промислових масштабах напрацьовувати деякі білки.

2.1 Плазміди

Найбільш поширеним методом генної інженерії є метод здобуття рекомбинантных (що містять чужорідний ген) плазмид, які є кільцеві, дволанцюжкові молекули ДНК, що складається з декількох пар нуклеотидів. Кожна бактерія окрім основної, не покидаючої клітку молекули ДНК (5*106 пара нуклеотидів), може містити декілька різних плазмид, якими вона обмінюється з іншими бактеріями. Плазміди є автономними генетичними елементами, реплицирующимися в бактерійній клітці не в той же час, що основна молекула ДНК. Плазміди несуть важливі для бактерії гени, як гени лікарської стійкості. Різні плазмиды містять різні лінії стійкості до антибактеріальних препаратів [2,4,12-15].

Велика частина таких препаратів (антибіотиків) використовується в якості ліків при лікуванні захворювань людини і домашніх тварин. Бактеріящо має різні плазмиди, набуває стійкості до антибіотиків, солей важких металів. При дії певного антибіотика на бактерійних клітки плазмиды, що додають стійкість до нього, швидко поширюються серед бактерій, зберігаючи їм життя.

Потужним елементом генної інженерії є відкриті в 1974 ферменти - рестрикционні эндонуклеази, або рестриктази (обмеження). Кліткини виробляють рестриктази для руйнування чужорідної (фаговой) ДНК, що необхідно для обмеження вірусної інфекції. Рестріктази взнають визначені послідовності нуклеотидів (сайти - ділянки пізнавання) і вносять симетричні, розташовані навскоси один від одного розриви в ланцюгах ДНК на рівних відстанях від центру сайту. В результаті на кінцях кожного фрагмента рестриктированной ДНК утворюється короткі одноцепочечні «хвости», які називають липкими кінцями.

2.2 Методи генної інженерії

Для здобуття рекомбинантной плазмиди ДНК однією з плазмид розщеплюється вибраною рестриктазой. Ген, який потрібно ввести в бактерійну клітину розщеплюють з ДНК хромосом людини за допомогою рестриктази, тому його «липкі» кінці є комплементом нуклеотидним послідовностям на кінцях плазмид. Ферментом лигазой «склеюють» обоє шматка ДНК в результаті виходить рукомбинантная кольцева плазмида, яку вводять в бактерію coli E [12-14]. Всі нащадки цієї бактерії (клони) містять в плазмидах чужорідний ген. Весь цей процес називають клонуванням.

В медицині біотехнологічні прийоми і методи грають головну роль при створенні нових біологічно активних речовин і лікарських препаратів, призначених для ранньої діагностики і лікування різноманітних захворювань. Антібіотіки -- найбільший клас фармацевтичних сполук, які одержуються мікробіологічним синтезом. Створено генно-інженерні штами кишкової палички, дріжджів, що культивуються клітин ссавців та комах, використовувані для одержання гормону зростанню інсуліну й інтерферону людини, різноманітних ферментів і противірусних вакцин. Змінюючи нуклеотидну послідовність в генах, що кодують відповідні білки, оптимізують структуру ферментів, гормонів і антигенів (так звана білкова інженерія). Найважлівішим відкриттям стала розроблена 1975 Р. Келером і С. Мільштейном техніка використання гібридом для одержання моноклональних антитіл бажаної специфічності. Моноклональні антитіла використовують як унікальні реагенти, для діагностики і лікування різноманітних захворювань.

Немає такого експериментального підходу або дослідницького напряму в біотехнологію, яка б не отримала вживання в медицині. Ось чому настільки багатообразні зв'язки між біотехнологією і найгуманнішою зі всіх наук. Тут ми зупинимося лише на основних моментах.

Антибіотики -- це специфічні продукти життєдіяльності, що володіють високою фізіологічною активністю по відношенню до певних груп мікроорганізмів і до злоякісних пухлин, що вибірково затримують їх зростання або що повністю пригнічують розвиток (Н. С. Егоров, 1979). Далеко не всі з цих сполук, число яких наближається до 5000, допущено для вживання в медицині. До найважливіших антибіотиків терапевтичного призначення належать наступні їх класи. [10,12-15].

Приведені класи антибіотиків не вичерпують їх різноманіття, список їх поповнюється з кожним роком. Причини неослабної уваги до пошуку нових антибіотиків, пов'язані з токсичністю існуючих антибіотиків, алергічними реакціями, що викликаються ними, наростанням стійкості патогенних мікроорганізмів до вживаних препаратів і, окрім цього, з необхідністю дослідження засобів боротьби із збудниками, проти яких недостатньо ефективні відомі нині антибіотики. Основні шляхи пошуку включають:

1)Випробування нових продуцентів. Так, з початку 80-х років досліджують міксобактерії, що продукують велику кількість антимікробних агентів (Н. Thierbach, N. Reichenbach, 1981).

2)Хімічна модифікація антибіотиків. Протівомікроб-ниє макроліди токсичні для людини. Наприклад, гептаен амфотерицин В, використовуваний за життєвими свідченнями при важких мікозах, викликав безповоротні ураження нирок. Отримані метилові ефіри Амфотерицину, менш токсичні і зберігаючі протигрибкову активність. При модифікації пенициллинов і цефалоспоринов використовують іммобилизованні ферменти.

3)Мутасинтез. Застосовують штами мутантів, в яких блокований синтез окремих фрагментів молекули антибіотика. В середу культивування вносять аналоги цих фрагментів. Мікроорганізм використовує ці аналоги для біосинтезу, внаслідок чого отримують модифікований антибіотик [13].

4)Клітинна інженерія. Отримують гібридні антибіотики, наприклад, з новими комбінаціями агликона і Цукрів.Генетична інженерія -- введення в геном мікроорганізму інформації про фермент, необхідний для модифікації про­дуцируемого антибіотика, наприклад його метилування при допомозі метилаз.

Важливим завданням є підвищення ефективності біосинтезу відомих антибіотиків. Значних результатів удалося добитися за десятиліття селекції штамів-продуцентів із застосуванням індукованого мутагенезу і ступінчастого відбору. Наприклад, продуктивність штамів Penicillium по синтезу Пеніциліну збільшена в 300--350 разів. Певні перспективи відкриваються у зв'язку з можливістю клонування генів «вузьких місць» біосинтезу антибіотика або в разі, якщо всі біосинтетичні ферменти кодуються єдиним опероном.

Багатообіцяючим підходом служить інкапсулювання антибіотиків, зокрема їх включення в лигюсомы, що дозволяє прицільно доставляти препарат лише до певних органів і тканин, підвищує його ефективність і знижує побічну дію. Цей підхід застосовний і для інших лікарських препаратів. Наприклад, калаазар, хвороба, лейгшманией, що викликається, піддається лікуванню препаратами сурми. Проте лікувальна доза цих препаратів токсична для людини. У складі ліпосом препарати сурми вибірково доставляються до органів, ураженим лейшманией, -- селезінці і печінці [1,2, 12-14].

Замість антибіотика в організм людини може вводитися його продуцент, антагоніст збудника захворювання. Цей підхід бере почало з робіт І. І.Мечникова про придушення гнильної мікрофлори в товстому кишечнику людини за допомогою молочнокислих бактерій. Важливу роль у виникненні карієсу зубів, мабуть, грає бактерія Streptococcus, що мешкає в роті, mutans, яка виділяє кислоти, руйнівні зубну емаль і дентин. Отриманий мутант Strept. mutans, який при введенні в ротову порожнину майже не утворює коррозивных кислот, витісняє дикий патогенний штам і виділяє летальний для нього білковий продукт.

Біотехнологія надає медицині нові дороги здобуття коштовних гормональних препаратів. Особливо великі зрушення сталися останніми роками у напрямі синтезу пептидних гормонів.

Раніше гормони отримували з органів і тканин тварин і людини (крові донорів, видалених при операціях органів, трупного матеріалу). Було потрібно багато матеріалу для здобуття невеликої кількості продукту. Так, людський гормон зростання (соматотропін) отримували з гіпофіза людини, кожен гіпофіз містить його не більше 4 міліграма. В той же час для лікування одного дитяти, страждаючого карликовістю, потрібно близько 7 міліграма соматотропіну в тиждень; курс лікування повинен продовжуватися декілька років. Із застосуванням генноинже-нерного штаму Е. coli в даний час отримують до 100 міліграма гормону зростання на 1 л середовища культивування. Відкриваються перспективи боротьби не лише з карликовістю, але і з низкорослостью -- слабкішою мірою дефіциту соматотропіну. Соматотропін сприяє загоєнню ран і опіків, разом з каль-цитонином (гормоном щитовидної залози) регулює обмін Са2+ в кістковій тканині.

Інсулін, пептидний гормон острівців Лангерганса підшлункової залози, представляє основний засіб лікування при цукровому діабеті. Ця хвороба викликана дефіцитом інсуліну і виявляється підвищенням рівня глюкози в крові. До недавнього часу інсулін отримували з підшлункової залози бика і свині. Препарат відрізнявся від людського інсуліну 1--3 амінокислотними замінами, так що виникала загроза алергічних реакцій, особливо у дітей. Широкомасштабне терапевтичне вживання інсуліну стримувалося його високою вартістю і обмеженістю ресурсів. Шляхом хімічної модифікації інсулін з тварин удалося зробити невідмітним від людського, але це означало додаткове дорожчання продукту. Компанія Eli Lilly з 1982 р. виробляє генноинженерный інсулін на основі роздільного синтезу Е. coli його А- і в-ланцюгів. Вартість продукту значно знизилася, отримуваний інсулін ідентичний людському. З 1980 р. у пресі є повідомлення про клонування в Е. сой гена проинсулина -- попередника гормону, перехідного в зрілу форму при обмеженому протеолизе [15].

До лікування діабету прикладена також технологія инкапсули-рования: клітки підшлункової залози в капсулі, введені однократно в організм хворого, продукують інсулін протягом року.

Компанія Integrated Genetics приступила до випуску фолли-кулостимулирующего і лютенизирующего гормонів. Ці пептиди складені з двох субодиниць. На порядку денному питання про промисловий синтез олигопептидных гормонів нервової системи -- енкефалінів, побудованих з 5 амінокислотних залишків, і ендорфінів, аналогів морфіну. При раціональному вживанні ці пептиди знімають больові відчуття, створюють хороший настрій, підвищують працездатність, концентрують увагу, покращують пам'ять, упорядковують режим сну і неспання. Прикладом успішного вживання методів генетичної інженерії може служити синтез р-эндорфіна за технологією гібридних білків, описаною вище для іншого пептидного гормону, соматостатина.

Значний вклад біотехнології і в промислове виробництво непептидних гормонів, в першу чергу стероїдів. Методи мікробіологічної трансформації дозволили різко скоротити число етапів хімічного синтезу кортизону, гормону надниркових, вживаного для лікування ревматоїдного артриту. При виробництві стероїдних гормонів широко використовують иммобилизованні мікробні клітки, наприклад Arthrobacter globiformis, для синтезу преднізолону з гідрокортизону. Є розробки по здобуттю гормону щитовидної залози тироксина з мікроводоростей.

Інтерферони, інтерлейкіни, чинники крові. Інтерферони виділяються клітками людини і тварин у відповідь на инфици-рование вірусами. Вони володіють антивірусною активністю. Механізм дії інтерферонів до кінця не з'ясований. Передбачається, зокрема, що Інтерферони перешкоджають проникненню вірусних часток в клітку. Інтерферони стимулюють діяльність імунної системи і перешкоджають розмноженню кліток ракових пухлин. Всі аспекти дії інтерферонів важливі з точки зору їх терапевтичного вживання [15,16].

Розрізняють a-, b-, g- і -интерфероны, що утворюються відповідно лейкоцитами, фібробластами сполучної тканини, Т-лімфоцитами і епітеліальними клітками. Найбільше значення мають перші три групи. Інтерферони складаються з 146--166 амінокислотних залишків, b - і g-интерфероны пов'язані із залишками Цукрів (гликозилировані). До введення методів генетичної інженерії інтерферони отримували з донорської крові -- до 1 мкг неочищеного інтерферону з 1 л крові, тобто приблизно одну дозу для ін'єкції.

В даний час a-, b- і g-интерферони успішно отримують із застосуванням генноинженерних штамів Е. coli, дріжджів, культивованих кліток комах (Drosophila) і ссавців. Генно-інженерні інтерферони можуть бути очищені з використанням моноклональних антитіл. В разі у- і р-интерферонов переважне вживання эукариотических продуцентів, оскільки прокариоты не гликозилируют білки. Деякі фірми, наприклад Bioferon (ФРН), використовують не генноінженерні мутанти, а культивовані in vitro фибропласти людини.

Інтерферони використовуються для лікування хвороб, що викликаються вірусами герпесу, сказу, гепатитів, цитомегаловирусом, вірусом, що викликав небезпечне ураження серця, а також для профілактики вірусних інфекцій. Вдихання аерозоля інтерферонів дозволяє попередити розвиток гострих респіраторних захворювань. Декілька курйозною проблемою є те що інтерферони, зокрема а-інтерферон, самі можуть викликати у пацієнтів простудні симптоми (нежить, підвищення температури і так далі). Проблема побічної дії стоїть особливо гостро при тривалому терапевтичному вживанні інтерферонів, необхідному для лікування злоякісних пухлин. Інтерферони надають лікувальну дію на організм хворих раком грудей, шкіри, гортані, легенів, мозку, розсіяній мієломі і саркомі Капоци -- два останні захворювання характерні для осіб, страждаючих придбаними иммунодефицитами (див. нижчий). Інтерферони корисні також при лікуванні розсіяного склерозу. Методи генетичної інженерії дозволяють отримувати модифіковані Інтерферони. Антивірусна активність інтерферонів варіює при амінокислотних замінах (J. Werenne, 1983). Американська компанія Cetus Corporation виробляє b-інтерферон, в амінокислотній послідовності якого цистеїн в положенні 17 заміщений на серії. Це наводить до підвищення терапевтичної активності препарату, оскільки запобігає спостережуване in vitro формування неактивного димера b-інтерферону за рахунок дисульфідних зв'язків між залишками цистеїну в положенні 17. Певні надії покладають на модифікацію інтерферонів шляхом здобуття гібридних молекул (Е. Д. Свердлов, 1984).

Інтерлейкини -- сравнітельно короткі (близько 150 амінокислотних залишків) поліпептиди, що беруть участь в організації імунної відповіді. Інтерлейкин-1, що утворюється певною групою лейкоцитів крові -- макрофагами, у відповідь на введення антигена стимулює розмноження (проліферацію) Т-хелперов (субпопуляції Т-лімфоцитів), що продукують, у свою чергу, интерлейкин-2. Останній викликає проліферацію різних субпопуляцій Т-лімфоцитів -- Т-киллеров, Т-хелперов, Т-супресорів, а також В-лімфоцитів, продуцентів антитіл. Під впливом интерлейкина-2 з Т-лімфоцитів вивільняються регуляторні білки -- лимфокины, що активують ланки імунної системи; синтезуються також Інтерферони. Інтерлейкіни, основні лікувальні засоби, при імунних розладах отримують шляхом клонування відповідних генів в Е. coll або культивування лімфоцитів in vitro. Англійська компанія Celltech Ltd і японська Sakyo Company пропонують синтезований генноінженерними бактеріями интерлейкин-1 разом з іншим тюлипептидным агентом --фактором некрозу пухлин -- для лікування ряду пухлинних захворювань (Ст Sikyta el al., 1986)[14-16].

Отримвні біотехнологічним шляхом чинники згортання крові, особливо чинник VIII (за допомогою культивованих кліток ссавців) і чинник IX (за допомогою генноінженерного штаму Е. coli), необхідні для терапії форм гемофілії спадкової хвороби, при якій кров втрачає здатність згортатися. До коштовних з клінічної точки зору чинників, отриманих в біореакторах з культурами тваринних кліток, слід віднести чинник зростання В-лімфоцитів, чинник активації макрофагів, Т-замісниковий чинник, активатор тканинного плазміногена.

2.3 Моноклокальниє антитіла і ДНК-або РНК-проби

Моноклональні антитіла -- продукти В-гибрідомних кліток -- використовують для діагностики різних захворювань. Володіючи високою специфічністю дії, вони забезпечують ідентифікацію не лише вигляду збудника, але і його серотипа. За допомогою моноклональних антитіл можна тестувати різні гормони, метаболити, білкові чинники. Найбільш швидкий метод індикації заснований на вживанні антитіл, іммобілізованних на мембранних електродах -- аналогах ферментних біосенсорів. Вони дозволяють діагностувати вагітність, виявляти схильність до діабету, ревматоїдного артриту (J. Col-lins et al., 1986), ідентифікувати спадкові захворювання, що супроводяться втратою тих або інших ферментів і інших білкових компонентів. Моноклональні антитіла широко використовують для діагностики рака і визначення його форм [10,15].

Труднощі пов'язані з тим, що специфічних «ракових» антигенів, мабуть, не буває, і характерні для клітки, що злоякісно переродилася, детерминанты можуть бути з деякою, хай невеликий, вірогідністю виявлені і в здорових клітках. Перспективна діагностика рака за допомогою моноклональних антитіл до тих, що виробляються злоякісною пухлиною особливим гормонам, аутокринам, ведучим до самостимуляции зростання ракових кліток.

Моноклональні антитіла мають не лише діагностичне, але і лікувальне значення. При аутоіммунних захворюваннях, коли імунні клітки «озброюються» проти власних органів і тканин, моноклональні антитіла відповідної специфічності можуть зв'язувати антитіла, що завдають шкоди організму хворого. Для лікування рака пропонують використовувати моноклональні антитіла, конъюгованні з токсичними для ракових клітин сполуками. Моноклональні антитіла доставляють отруту точно за адресою, уникаючи поразки здорових кліток. Тому до моноклональних антитіл можна приєднувати дуже сильні токсини, наприклад рицина -- отрута з рицини, однієї молекули якої вистачає для поразки однієї клітини. У сучасній фармацевтичній промисловості моноклональні анти­тела використовують для очищення лікарських препаратів. Діагностичне значення мають короткі фрагменти ДНК і РНК, що несуть радіоактивну або іншу мітку, так звані ДНК/РНК-проби. З їх допомогою можна встановити наявність в організмі певних типів нуклеїнових кислот, відповідних хвороботворним агентам, злоякісним пухлинам, а також перевірити геном пацієнта на наявність у нього тих або інших генетичних аномалій. Метод заснований на взаємодії комплементу проб з ділянками ДНК або РНК, виділеними з досліджуваних клітин і фіксованими на носієві. Взаємодії нуклеотидных ланцюжків проби з ДНК (РНК) із зразка реєструють по радіоактивній мітці або іншим способом.

Моноклональні антитіла і ДНК/РНК-проби використовують для діагностики хвороб тварин і рослин. Зокрема, за допомогою цих проб проводять індикацію зараженості картоплі вірусом. Діагностичні засоби з арсеналу біотехнологів пропонують застосовувати для швидкого визначення підлоги у курчат [14-16].

Вакцинація -- один з основних способів боротьби з інфекційними захворюваннями. Шляхом поголовної вакцинації ліквідована нату­ральная віспа, різко обмежено поширення сказу, поліомієліту, жовтої лихоманки. На порядку денному -- виготовлення вакцин проти грипу, гепатитів, герпесів, свинки, кору, гострих респіраторних захворювань. Велике економічне значення має розробка вакцин проти хвороб сільськогосподарських тварин -- ящура, африканської хвороби коней, овечою хвороби «синьої мови», трипаносомозов і ін. Традиційні вакцинні препарати виготовляють на основі ослаблених, инактивированних або дезинтегрованих збудників хвороб. Сучасні біотехнологічні розробки передбачають створення рекомбинантных вакцин і вакцин-антигенів. Вакцини обох типів засновані на генноинженерном підході.

Для здобуття рекомбинантных вакцин зазвичай використовують добре відомий вірус коров'ячої віспи (осповакцини). У його ДНК вбудовують чужорідні гени, що кодують імуногенні білки різних збудників (гемаглютинин вірусу грипу, глікопротеїн D вірусу герпесу, поверхневий антиген вірусу гепатиту В, антиген малярійного плазмодія). Виходять вакцини проти відповідних інфекцій, що добре зарекомендували себе в дослідах на тваринах. До їх достоїнств відноситься можливість створення полівалентних вакцинних препаратів на основі об'єднання ділянок ДНК різних патогенов «під егідою» ДНК вірусу осповакцини. Відкривається можливість одномоментної комплексної імунізації, скажімо, великої рогатої худоби проти всіх небезпечних інфекцій даної місцевості.

Вакцини-антигени отримують, клонуючи гени збудника хвороби в Е. colt, дріжджах, клітках комах і ссавців. Клонований ген поверхневого антигена HBS-вируса гепатиту В (сироваткового гепатиту), ген білка оболонки УРЬвіруса ящура. Вірус ящура існує у вигляді багатьох серотипов, методом білкової інженерії удалося скомбінувати імуногенні компоненти різних серотипів в рамках однієї вакцини-антигена.

Вакцини-антигени высокостабильны при зберіганні і перевезенні, порівняно прості у виготовленні (у тому числі і при великомасштабному виробництві), містять мінімальну кількість білка і тому малонебезпечні як алергени. Вони гарантовані від залишкової інфекційності -- здібності викликати інфекційну хворобу замість того, щоб оберігати від неї. Проблемою є низька імуногенність вакцин-антигенів. Однією з причин може бути те, що вакцина не включає всіх компонентів збудника, необхідних для створення імунітету до нього. Так, вірус, покидаючи клітку, часто «одягається» її мембраною. Компоненти цієї мембрани, відсутні, в генноінженерному білку можуть володіти иммуногенними властивостями. До підвищення імуногенності вакцин-антигенів веде додавання адьювантов, іммобілізація вакцин на носіях або їх включення в ліпосоми [12,13-15].

2.4 Ферменти медичного призначення

Багатообразне вживання ферментних препаратів в медицині. Їх використовують для розчинення тромбів, лікування спадкових захворювань (замість відсутніх ендогенних ферментів), видалення нежиттєздатних, денатурованих структур, клітинних і тканинних фрагментів, звільнення організму від токсичних речовин (Н. Ф. Казанськая і ін., 1984). Яскравий приклад-врятування життя хворих з тромбозом кінцівок, легенів, коронарних судин серця за допомогою громболітичних ферментів (стрсптокинази, урокіназа). У СРСР такі препарати створені в иммобилизованной формі під керівництвом Е. І. Чазова і І. Ст Березіна. Ген урокінази клонований в бактеріях (S. Prentis, 1984). У сучасній медицині протеази застосовуються для очищення вогнищ гнійно-некротичних процесів від патологічних продуктів, а також для лікування опіків Лікування раку зв'язане з використанням L-аспарагинази, кото раю позбавляє ракові клітки ресурсів необхідного для їх розвитку аспарагину, що поступає з потоком крові. Здорові клітки на відміну від ракових (деяких типів) здібні до самостійного синтезу аспарагина.

Відомо близько 200 спадкових захворювань, обуслов ленних дефіцитом якого-небудь ферменту або іншого білкового чинника. В даний час роблять спроби лікування цих захворювань із застосуванням ферментів. Так, намагаються лікувати хворобу Готові, при якій організм не здатний розщеплювати, глюкоцереброзиди (S. Prentis, 1984). Останніми роками все більше уваги приділяють інгібіторам ферментів. Інгібітори протеаз, що отримуються з актино мицетов (лейпептин, антипаин, химостатин і ін.) і генноинже нерных штамів Е. coil (еглін) і дріжджів a-1 антитрипсин) виявляються корисними при септичних процесах, інфаркті міокарду, емфіземі легенів, панкреатиті. Зменшення концентрації глюкози в крові хворих діабетом може бути досягнуто при исполь зовании інгібіторів кишкових інвертаз і амілаз, що відповідають за перетворення крохмалю і сахарози на глюкозу. Особливим завданням є пошук інгібіторів ферментів, за допомогою яких патогенні мікроорганізми руйнують антибіотики, що вводяться в організм хворого [7,8-9].

Такі основні напрями біотехнологічних розробок в області медицини. Без перебільшення можна сказати що центральний додаток новітніх біотехнологічних підходів -- медицина. Одній з проблем, пов'язаних з білками медичного призначення, є наявність у них побічних ефектів. Наприклад, алергічні реакції виникають як проти генноінженерних білків, так і проти моноклональних антитіл, навіть якщо їх отримують на основі людських гибридом. Ця проблема не нова для медицини і не є непереборною.

Висновки

В роботі розглянуті напрями біотехнологічних розробок. Без перебільшення можна сказати що центральний додаток новітніх біотехнологічних підходів -- медицина. В даний час період розвитку біотехнології можна охарактеризувати наступними рисами:

1) Все частіше використовуються не самі клітки мікроорганізмів, а виділені з них ферменти.

2) Друга область - розширення діяльності біотехнології.

Зараз біотехнологічними методами виготовляють не лише харчові продукти, але і вітаміни, антибіотики, гормони, ряд інших ліків, а також незамінні амінокислоти.

3) Третя область - генна інженерія.

Потрібні штами мікроорганізмів виходять не лише відбором тих, що випадково виникають мутацій, але і вставкою плазмид з відповідними генами. Біотехнологія дозволила отримувати бактерії з властивостями раніше не бувалими. Одне з досягнень генної інженерії - це перенесення генів, що кодують синтез інсуліну у людини, в клітки бактерій.

Список літератури

1.Сасон А. Біотехнологія: Здійснення і надії: Пер. з англ. М., 1987.

2.Єгоров Н. С., Олеськін А. Ст, Самуїлов Ст Д. Біотехнологія: Пробле-ми і перспективи. М., 1987.

3. Bains W. Biotechnology from A to Z. Oxford, 1993.

4. Варт А.В. Інфекції й імунодефіцити - пріоритети сьогодні // Практикуючий лікар. - 1997. - № 9. - С. 3-4.

5. Егоров Н. С. Основы учения об антибиотиках: Учебник. - 6-е изд., 2004. - 528 c.

6. Костінов М.П. Нове в клініці, діагностиці і вакцинопрофилактиці керованих інфекцій. - М., 1997. - 110 с.

7. Козлов Р.С. Нозокомиальные инфекции: эпидемиология, патогенез, профилактика, контроль. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия, 2000; 2(1): 16-30.

8. Костюк Р.В. Розвиток інноваційної діяльності біотехнологічних підприємств у сучасних умовах. Актуальні проблеми економіки, 2009; 8(98): 79-84.

9. Ланчини Д., Паренти Ф. Антибиотики. Москва: Мир, 1991. 270 с.

10. Мацелюх А.Б. Стрептоміцети - продуценти антибіотиків. Мікробіол. журн, 2003; 65(1-2): 168-181.

11. Новіков В., Сидоров Ю., Швед О. Тенденції розвитку комерційної біотехнології. Вісн. НАН України, 2008; 2: 25-39.

12. Осташ Б. Сайт-специфічні рекомбінази у генетичній інженерії: новітні технології in vivo. Цитология и генетика, 2010; 44(4): 61-69.

13. Реєстр ЛЗ на території України. http://mozdocs.kiev.ua/

14. Сергиенко О. Ралли на фармрынке! Аптечные продажи лекарств в Украине: итоги 2010 г. Часть I. Аптека.ua Online, 2011; 4. http://www.apteka.ua/article/70328

15. Спосіб експрес-виявлення антибіотиків групи ландоміцинів. Пат. 88383 України. Осташ Б. О. Осташ І.С., Федоренко В.О. та ін.; заявл. 8.01.2008; опубл. 12.10.2009, Бюл. № 19.

16. «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. -- 2-е изд., исправл. -- М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)

Размещено на Allbest.ru