Выделение биологически активных веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ ВПО КГМУ МИНЗДРАВА РОССИИ

Биотехнологический факультет

Кафедра биологической и химической технологии

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

По теоретическим основам биотехнологии

Выделение БАВ

Курск - 2017

Введение

Растения являются продуцентами многих БАВ - соединений, способных оказывать слияние на биологические процессы в организме. К таким соединениям принадлежат сердечные гликозиды, сапонины, стерины, каратиноиды, полифенолы, алкалоиды, витамины, хиноны, а также вещества, обладающие специфическим ароматом, вкусом и окраской.

Биологически активные вещества принадлежат к продуктам вторичного обмена, которые называют вторичными метаболитами или вторичными продуктами биосинтеза. В настоящее время известно более 100 000 вторичных метаболитов, продуцируемых растениями. Многие из них являются практически, экономически важными продуктами и используются в фармакологической, косметической, пищевой промышленности.

Лекарственные препараты составляют основную статью расхода веществ растительного происхождения, но скорее, в финансовом отношении, чем по объему. Лекарственные растения все еще вносят значительный вклад в фармацевтическую промышленность,составляя около 25% важнейших лекарственных средств. биологический клетка утилизация экологический

Основным источником биологически активных (БАВ), лекарственных и ароматических веществ служат дикорастущие и выращиваемые на плантациях растения. Основная доля коммерческих поставок (80-90%) обеспечивается сбором дикорастущих растений.

Культуры клеток и тканей, полученные in vitro, как и клетки интактного растения, могут синтезировать вторичные метаболиты, по качественному и количественному составу подобные или идентичные веществам, растений. Это является предпосылкой замены части природного сырья и способствует сохранению ценных растений в природе.

Также в современном обществе является главной задачей поддержание экосистем и обезвреживание отходов производств.

Утилизация отходов биотехнологического производства.

Неотъемлемой чертой любого биотехнологического предприятия является образование отходов. Поиск безопасных для здоровья населения и не загрязняющих окружающую среду способов их ликвидации представляет собой одну из первостепенных задач

С момента возникновения цивилизованного общества перед ним все время стояла проблема охраны окружающей среды. Из-за промышленной, сельскохозяйственной и бытовой деятельности человека постоянно происходили изменения физических, химических и биологических свойств окружающей среды, причем многие из этих изменений были весьма неблагоприятны. Ожидается, что биотехнология будет оказывать многообразное и все возрастающее влияние на способы контроля за окружающей средой и на ее состояние. Хорошим примером такого рода служит внедрение новых, более совершенных методов переработки отходов, однако этим применение биотехнологии в данной сфере отнюдь не ограничивается. Она будет играть все большую роль в химической промышленности и сельском хозяйстве и поможет хотя бы отчасти решить многие из существующих проблем.

1. Получение БАВ растительного происхождения

1.1 Получения биомассы на основе культуры клеток

Культура клеток, тканей и органов растений представляет собой части растений, выращиваемые в асептических условиях на искусственных питательных средах, и включает:

1) каллусные культуры на гелеобразной (твердой) питательной среде,

2) суспензионные культуры клеток в жидкой питательной.среде,

3) культуру протопластов,

4) изолированные органы растений.

Культура растительных клеток как источник лекарственных веществ

Природные запасы лекарственных растений уменьшаются, поэтому технология получения биомассы на основе культуры клеток приобретает большое значение для производства лекарственных средств.

Преимущества использования клеточных культур заключаются в следующем:

- решается проблема дефицита исходного сырья, особенно ценных исчезающих видов, не поддающихся плантационному культивированию;

- возможно получение фитомассы, полностью свободной от гербицидов, пестицидов, тяжелых металлов и др.;

имеется возможность получения новых веществ, не синтезируемых соответствующим целевым растением;

- возможно управление биосинтезом целевых продуктов за счет условий культивирования, состава питательной среды и другими способами;

- имеется возможность индустриализации и удешевления производства некоторых БАВ, синтез которых пока не разработан или очень дорог.

1.2 Производства БАВ из изолированных культур

Вместе с тем, развитие производства БАВ из изолированных клеточных культур в промышленных масштабах сдерживается рядом причин. Некоторые культуры изолированных клеток и тканей либо не синтезируют БАВ, характерные для соответствующего целого растения, либо вырабатывают их значительно меньше. В сравнении с микроорганизмами растительные клетки растут значительно медленнее, время их удвоения в среднем в 20 раз больше, чем клеток микроорганизмов.

Высок риск инфекций и гибели культур. Кроме того, большие объемы суспензионных культур растительных клеток состоят как из единичных клеток, так и агрегатов различного размера, которые не идентичны, что усложняет процесс производства БАВ. Вторичные метаболиты многих растительных культур не выделяются в питательную среду, что создает трудности их экстрагирования. Из-за больших размеров растительные клетки очень чувствительны к перемешиванию и снабжению кислородом. Себестоимость производства лекарственных средств на основе культуры изолированных растительных клеток достаточно высока. Промышленный выпуск такой продукции рентабелен лишь для особо ценных БАВ, стоимость которых на мировом рынке очень высока, сырье мало доступно, синтез пока не осуществлен и продуктивность культур достаточно высока.

В настоящее время получено более 30 видов различных изолированных клеточных культур лекарственных растений, продуцирующих БАВ либо на уровне соответствующего интактного растения, либо в большем количестве.

1.3 Выделение БАВ

Источниками культур клеток, которые представляют интерес как сырье для производства БАВ, могут быть растения, не растущие в наших условиях, а также растения, потребность в которых высока, а ареал распространения ограничен, и запасы невелики. По этим критериям были введены в культуру invitroженьшень, раувольфия, барвинок, диоскорея, василистник, коптис. Особое значение имеют виды, фармакологическая ценность которых чрезвычайно высока, а содержание вторичных метаболитов низкое, например тисс - продуцент противоопухолевого препарата таксола. Вторичный метаболит паклитаксел содержится в коре этого дерева. Для лечения одного пациента необходимо уничтожить минимум три столетних дерева.

Первый отечественный биопродукт из культуры изолированных клеток - настойка «Биоженьшень» - разработан в лаборатории культуры тканей Института физиологии растений РАН, под руководством Р.Г. Бутенко. Препарат получен на основе высокопродуктивного клеточного штамма культуры клеток женьшеня и используется для изготовления лосьонов, кремов, а также тонизирующих напитков. Комплекс гинзенозидов (сапонинов женьшеня), выделяемый из культуры тканей, предлагается в качестве противоэпилептического средства.

Культивируемые in vitro клетки раувольфии змеиной являются перспективным источником гипотензивных и противоаритмических индольных алкалоидов. Методами клеточной селекции с использованием химических мутагенов и оптимизации условий выращивания получен высокопродуктивный штамм, накапливающий противоаритмический алкалоид аймалин, содержание которого составляет около 50% от суммы алкалоидов, синтезируемых культурой.

Получены изолированные клеточные культуры из различных видов барбариса, а также василисника малого. Суспензионная клеточная культура василисника малого продуцирует берберин - растительный антибиотик и противоопухолевое средство, при этом более 80% синтезируемых тканями алкалоидов секретируются в культуральную жидкость.

В Японии налажено, биотехнологическое производство противоопухолевого алкалоида берберина из культуры клеток коптиса японского, а также производство нафтохинонового пигмента шиконина - природного антибиотика широкого спектра действия из культуры клеток Воробейника. На основе шиконина российские ученые разработали мазь «Эритромин», которая обладает антимикробной активностью в отношении антибиотико-резистентных микроорганизмов, многих, патогенных бактерий, а также грибов. Перспектива использования культуры тканей тиса обыкновенного связана с возможностью получения таксола - вещества, обладающего противоопухолевой активностью. Для лечения одного больного в течение года требуется 120-130 г сухой коры нативного растения, сырьевые запасы которого истощаются. Национальный институт рака США выделил около 1 млн долларов для разработки экономически целесообразного способа получения таксола из культуры клеток.

Активно продолжаются работы с культурой клеток барвинка розового, продуцирующего противораковые алкалоиды. Стоимость субстанции Винкристина на мировом рынке достигает 30 тыс. долларов за 1 кг, Винбластина - около 20 тыс. за кг.

В Германии разработали способ получения кислоты розмариновой из культуры клеток каллуса. Кислота розмариновая - вещество, обладающее противоопухолевой активностью, и природный антибиотик широкого спектра действия. Из культуры клеток табака получен убихинон 10. На основе убихинона получают препарат для лечения инсультов и купирования спаечных процессов

2. Утилизация жидких отходов биотехнологического производства

2.1 Экологическая биотехнология

Биотехнология активно применяется в целях очистки всех компонентов биосферы (воды, почвы, воздуха и др.) от загрязняющих веществ. Кроме того, существенным является не только сам процесс очистки, но и возможность использования выделенных отходов в качестве вторичного сырья.

Биологическая очистка стоков. Существуют микроорганизмы, для которых загрязнения, содержащиеся в сточных водах, являются питательными веществами. В начале 20 века произошла революция в очистки сточных вод с помощью активного ила - сложной смеси микроорганизмов. Хотя при этом требуется перемешивать жидкость и непрерывно аэрировать её воздухом, такой способ позволяет перерабатывать большие объёмы стоков с самыми разнообразными загрязнениями - от хозяйственно-бытовых до промышленных.

Биологическая очистка газовых выбросов. Многие выбросы в атмосферу содержат вредные или дурно пахнущие примеси. Для их очистки применяют биофильтры, заполненные насадкой, на которой закреплены специальные микроорганизмы. Вредные примеси сорбируются на насадке и затем потребляются и обезвреживаются микроорганизмами.

Биокомпостирование твёрдых отходов. Аналогом аэробной очистки стоков является аэробное биокомпостирование твёрдых отходов. Твёрдые отходы смешиваются с микроорганизмами, разлагающими вредные загрязнения, и балластным материалом типа торфа, который обеспечивает доступ кислорода к микроорганизмам. Это позволяет превратить отходы в удобрение или просто использовать их в качестве подсыпки для дорог, в строительстве и в других случаях.

Метановое сбраживание твёрдых отходов. Ещё в 1776 году Вольта обнаружил, что в болотном газе содержится метан. С 1901 года успешно применяют анаэробное сбраживание осадка избыточного активного ила, образующегося при работе установок биологической очистки сточных вод. Сброженный осадок, если только он не содержит повышенных концентраций тяжёлых металлов, успешно используют как удобрение. Он лучше исходного осадка по составу, и в нём почти полностью отсутствуют болезнетворные микроорганизмы .

Также существуют и многие другие способы биотехнологического воздействия на окружающую среду: биодеградация химических пестицидов и инсектицидов, борьба с накоплением метана в шахтах, обессеривание нефти и каменного угля, обогащение воздуха кислородом и другие.

2.2 Утилизация отходов

Серьезные экологические проблемы возникают в связи с защитой водоемов от сточных вод, образующихся в больших объемах при биотехнологическом процессе. Основа очистки сточных вод и защиты от них водоемов - дорогостоящие специальные очистные сооружения, а также замкнутые системы водооборота. Перед спуском сточных вод в очистные сооружения отработанные нативные растворы подвергают предварительно УФ-облучению с одновременным введением окислителя, что позволяет разрушить высокомолекулярные органические соединения с образованием низкомолекулярных веществ, поддающихся биологическому окислению в системе очистных сооружений. В «часы пик» предпочтительно эпизодическое использование коммерческих препаратов - генно-инженерных штаммов-деструкторов, например бактерий рода Pseudomonas, в плазмидах которых имеются гены окислительных ферментов. Постоянное присутствие штаммов-деструкторов в промышленных стоках считается малоэффективным по причине малой стабильности плазмид. Затем идут следующие этапы очистки:

первичная обработка (удаление легко отделяющихся загрязнений - крупных, легко осаждающихся частиц, масляных плёнок);

вторичная обработка (удаление суспендированных твёрдых частиц, как правило, органической природы; для этой цели используют биологическое окисление - аэрацию);

третичная обработка (полное отделение всех оставшихся примесей методами электродиализа, обратного осмоса, фильтрации, адсорбции).

Используют биологические фильтры, но предпочтительны биологические окислительные пруды с природным комплексом микроорганизмов (активный ил), напоминающие естественные водные экосистемы, где в процессе фотосинтеза водоросли выделяют кислород, поддерживая аэробный режим, который необходим для бактерий, утилизирующих органические загрязняющие вещества. При этом чётко отслеживается баланс роста и продуктивности бактерий различных групп.

Заключение

Лекарственные препараты составляют основную статью расхода веществ растительного происхождения, но скорее, в финансовом отношении, чем по объему. Лекарственные растения все еще вносят значительный вклад в фармацевтическую промышленность, составляя около 25% важнейших лекарственных средств.

Основным источником биологически активных (БАВ), лекарственных и ароматических веществ служат дикорастущие и выращиваемые на плантациях растения. В настоящее время известны различные методы выделения БАВ из растительного сырья в виде водно-спиртовых или масляных экстрактов, которые находят широкое применение в медицине и косметике.

Биотехнологические предприятия делают все необходимые работы по утилизации жидких отходов , с целью обеззараживания выбросов во избежание загрязнений и сохранение экосистем

Список литературы

1. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994. Т. 1-3.

3. Анализ генома. Методы / Под ред. К. Дейвиса. М.: Мир, 1990.- 246 с

2. Безбородов А.М. Биотехнология продуктов микробного синтеза.-М.: ВО Агропромиздат, 1991.

6. Баранов В.С. Генная терапия -- медицина XXI века // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 3. С. 3-68.

3. Биотехнология / Под ред. А.А. Баева. М.: Наука, 1984. -309с.

4. Бутенко Р.Г. Биология клеток высших растений и биотехнологии на их основе. М.: ФБк-Пресс, 1999 .- 259 с.

5. Биотехнология: Принципы и применение / под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж.Джойса ; пер. с англ. -- М. : Мир, 1998. -- 485 с.

6. Биотехнология: Учебное пособие для вузов в 8 книгах / Под ред. Н.С. Егорова. - М.: 1987.

7. Березин И.В., Клячко Н.Л., Левашев А.В. Иммобилизованные ферменты. М.: Высшая школа, 1987. -160 с.

8 . http://chem21.info/info/1622303/

9. http://sbio.info/materials/obbiology/

10. http://greenologia.ru/

Размещено на Allbest.ru