В связи с последними событиями у всех на слуху слово «импортозамещение». Его применяют к месту и не к месту, под него выделяют огромное финансирование. Но мало кто помнит тех, кто ещё 10 лет назад были первопроходцами в деле реального создания конкурентоспособных технологий. Одним из таких центров является Опытное биотехнологическое производство ИБХ РАН, где в 2003 году начали выпуск генно-инженерного инсулина человека по первой в России технологии полного цикла, за что работавшие над этим сотрудники в 2006 году были удостоены премии Правительства РФ в области науки и техники. И с тех пор в ОБП был разработан целый ряд технологий производства биологических препаратов. Каких и в чём вообще заключается разработка - читайте в этой статье.
Обычно выделяют четыре «цветных» направления биотехнологии: «красная», «синяя», «белая» и «зелёная». «Белая» - промышленная - является одной из самых старых отраслей. Она занимается крупнотоннажным производством различных химических соединений, применяемых в быту: витаминов, спирта и т.д. «Синяя» - морская - занимается приложением биотехнологии к проблемам рационального использования ресурсов океанов. К весьма перспективным направлениям относят «зелёную» отрасль - растительную, в которой генетически модифицируют деревья и сельхозкультуры, а также разрабатывают методы переработки растительного сырья и отходов в полезную для промышленности продукцию. В этом она близка «белой» и по сути является её развитием на более высоком уровне. Но больше всего развито «красное» направление, в котором создаётся продукция для медицинского применения, в основном - биофармацевтические препараты.
Страницы истории
Начало становлению медицинской биотехнологии было положено давно, ещё в начале 70-х годов прошлого века с изобретения технологии рекомбинантной ДНК . А уже в 1982 году был зарегистрирован первый препарат, полученный таким способом - инсулин. В Советском Союзе понимали перспективы этого нового направления, и по настоянию академика Ю.А. Овчинникова, директора , в открытом в 1984 году новом здании института целых два корпуса было выделено под комплексную опытную установку. Основной её задачей являлась разработка технологий получения фармпрепаратов, в особенности биотехнологической природы. Оснащение для тех лет было вполне на мировом уровне, однако перестройка и развал Советского Союза наложили негативный отпечаток - в 90-е годы опытная установка стала не нужна, и большинство специалистов ушло.
Технология рекомбинантной ДНК
Осенью на «биомолекуле» мы опубликовали статью студентки Пермского государственного национального исследовательского университета « » . И хотя речь в ней не о разработке препарата для крупной промышленности, статья даёт представление обо всех этапах получения патента на определённый штамм микроорганизма, созданный биотехнологическим путём. - Ред.
Для задач непосредственно производства создаётся специальный рабочий банк из сотен ампул, каждая из которых предназначена для получения отдельной партии препарата. Этот банк также закладывается на хранение в музей культур (рис. 2).
Далее проводится разработка основной биотехнологической стадии - культивирования клеток. В её ходе выбирают оптимальный состав среды, на которой выращивают клетки, режим культивирования (непрерывный или периодический), его аппаратурное оформление и параметры (pH, температура, скорость подачи и состав подпитки). Основная цель, преследуемая на этом этапе, - повышение объёмной продуктивности, что позволяет получать на оборудовании небольшого масштаба большое количество продукта, достаточное для решения испытательной задачи. Кроме того, за счёт этого снижается и себестоимость получения продукта - в десятки, а то и сотни раз от первоначального лабораторного способа. Решением всех этих задач занимается цех экспериментальной ферментации опытного производства (рис. 3).
Рисунок 3. Контроль за ходом процесса в пилотном ферментёре рабочим объёмом 20 л в цехе экспериментальной ферментации.
В конце культивирования получается культуральная жидкость, содержащая помимо отработанной среды и биомассы клеток ещё и продукт, который необходимо выделить. В зависимости от выбранного вида клеток, продукт может либо выделяться в среду, либо синтезироваться внутри клеток, иногда в виде телец включения (агрегатов из белков). А если смотреть шире, то в случае клеточной или тканевой терапии продуктом будут сами клетки. При выделении сначала отделяют клетки (биомассу) от отработанной среды. Если продукт содержится в среде, то в работу идёт она, а клетки направляют на дезактивацию (в отходы).
Если же продукт получается в тельцах включения, то дезактивируют среду, а клетки разрушают, выделяют тельца и растворяют (солюбилизируют) их. Полученный раствор помимо продукта содержит ещё и белки, выделяемые клетками в среду или синтезирующиеся в виде телец включения, так что для достижения «фармацевтической» степени чистоты требуется несколько ступеней очистки. Чаще всего это несколько (от двух) различных типов хроматографических процессов: ионообменного, гидрофобного, обращённо-фазового, гель-фильтрационного (рис. 4). Для каждого продукта их последовательность и количество будут разные и требуют подбора на основе литературных данных, опыта и экспериментов. Кроме того, для каждого процесса нужно выбирать буферные растворы и стратегию их подачи на хроматографическую колонну. Конечная цель - это продукт высочайшей степени чистоты: иногда более 99,9%, а это означает, что все возможные примеси могут составлять не более 0,1% от массы активной фармацевтической субстанции - результата этой стадии. Очисткой и разработкой её стратегии в рамках опытного биотехнологического производства занимается цех выделения и очистки .
Рисунок 4. Производственное оборудование. Слева: Препаративный хроматограф и буферные растворы, применяемые для крупномасштабной очистки биопрепаратов. Справа: Кристаллизация инсулина в цехе выделения и очистки.
Однако для проведения доклинических и клинических исследований субстанции недостаточно, необходимо ещё изготовить готовую лекарственную форму (ГЛФ) - добавить вспомогательные вещества и упаковать во флаконы или картриджи для шприц-ручек. И если способ упаковки в основном зависит от аппаратного оформления конкретного производства, то вспомогательные вещества в большей степени зависят от препарата и для каждого подбираются отдельно. Хотя здесь не требуется сложных статистических методов и большого количества экспериментов, процесс получения ГЛФ довольно трудоёмкий, и им также занимается отдельное подразделение - цех готовых лекарственных форм (рис. 5).
Немного о терминах
Когда говорят о фармпрепаратах, часто произносят два термина: активная фармацевтическая субстанция (АФС) и готовая лекарственная форма (ГЛФ). АФС или просто субстанция - по сути, главное действующее вещество, которое и отвечает за основной эффект препарата. ГЛФ или готовая форма - это АФС вместе со вспомогательными веществами и в определённом виде: таблетки, капсулы, раствора во флаконе или картридже.
Рисунок 5. Работа в «чистой» зоне. Слева: Разлив готовой формы биопрепарата в цехе готовых лекарственных форм. Справа: Контроль процесса разлива в цехе готовых лекарственных форм. Эффектный комбинезон совсем не для того, чтобы смотреться круто. Конечную форму производят в стерильных условиях в крайне чистой среде. Чтобы в окружающую среду не попадало лишних частиц, все части тела изолируются, а вся косметика перед входом в чистую зону смывается. Работать в таких условиях весьма непросто - несколько часов, и ты уже готов одним махом опустошить полуторалитровую бутылку воды. Не говоря уже о том, что всё это время ты будешь мечтать о дýше.
Казалось бы, дойдя уже до готовой формы, можно переходить непосредственно к доклиническим исследованиям, ведь именно это чаще всего является целью производства лекарственных веществ на мощностях ОБП. Однако прежде необходимо проанализировать полученный продукт, чтобы убедиться в соответствии его характеристик ожидаемым и заложить конкретные параметры в регистрационное досье, которое необходимо для регистрации препарата в регуляторных органах. На данном этапе важно показать, что количество примесей не превышает разрешённого, а полученное основное действующее вещество имеет структуру и активность, соответствующие ожидаемым. Спектр применяемых здесь методов довольно широк: вестерн-блот , изоэлектрофокусировка , хроматография, ЛАЛ-тест , масс-спектрометрия, имунноферментный анализ , ИК-спектроскопия и многие другие. Выбор конкретных методов зависит в первую очередь от природы биопрепарата и для каждого из них во многом индивидуален. Хотя есть и стандартные общие методы вроде электрофореза в полиакриламидном геле или изоэлектрофокусировки. В большинстве же методов, пусть они и являются стандартными в части общей последовательности действий, параметры проведения нуждаются в отдельной проработке для каждой готовой формы, так как вспомогательные вещества иногда влияют на аналитические характеристики основного.
Описанный этап является крайне важным, так как даёт оценку качественным характеристикам препарата и их постоянству от партии к партии. Технология - это не только получение какого-то конкретного продукта и достижение высокой эффективности процесса. Это ещё и умение стабильно обеспечивать высокое качество продукта. Помимо контроля конечного продукта осуществляют промежуточный контроль критических точек производственного процесса, чтобы как можно раньше выявить отклонения, способные повлиять на качество конечного препарата, и минимизировать время и затраты на их устранение. На опытном биотехнологическом производстве за этот этап отвечает отдел контроля качества при участии контрольно-аналитической лаборатории (рис. 6).
Рисунок 6. Важен контроль! Слева: Контрольно-аналитическая лаборатория - все в сборе. Справа: Микробиологический контроль образцов с производства в отделе контроля качества.
Разведка боем
Занимаясь биотехнологией, ты вынужден постоянно знакомиться с новыми передовыми научными достижениями в разных областях: молекулярной биологии, синтетической биологии, химическом приборостроении, IT и многих других. При правильном сочетании полученных знаний и рождается эффективная технология. Это трудный, кропотливый, но очень увлекательный процесс.
Но самые сильные, ни с чем, пожалуй, несравнимые чувства испытываешь, когда, используя инструментарий, созданный природой в ходе эволюции и модифицированный с помощью технологии рекомбинантной ДНК, удается получить конкретный лекарственный препарат, который, возможно, кому-то облегчит состояние, а кого-то и спасет. Это просто круто!
Сотрудник группы эукариотических продуцентов Даниил Павленко раскрывает этот вопрос несколько иначе:
Меня всегда привлекало ориентированное на практику творчество. Создание чего-то, что не просто работает, но ещё и делает это эффективно, т.е. с затратой минимума ресурсов, дарит массу положительных эмоций. Биотех хорош тем, что здесь простор для творчества просто огромен: можно заниматься разработкой сред для выращивания культур, можно основательно вложиться в разработку классного вектора, можно подбирать оптимальные настройки аппаратного обеспечения, можно менять метаболизм клеток-продуцентов, а уж какой простор открывается, если заняться созданием уникальных аппаратов и технологических линий!.. Впечатляют и возможные результаты: комбинация всех подходов может привести к понижению себестоимости производства на порядок, а то и два. Так, мы в своей технологии получения фолликул-стимулирующего гормона определенным изменением достигли увеличения продуктивности, а, следовательно, и уменьшения себестоимости, в 3,5 раза. И понимаем, куда надо двигаться, чтобы повысить продуктивность ещё раз в 5–10. Не удивительно, что от этого всего захватывает дух.
За науку
В прикладных исследованиях научные публикации - дело пусть и не десятое, но явно отходящее на второй план. Основными результатами деятельности являются патенты, ноу-хау, регламенты на конкретные препараты. Статьи же по прикладным исследованиям обычно публикуются в специализированных журналах с соответствующей тематикой, импакт-фактор у которых обычно не переваливает за 3. С фундаментальными исследованиями здесь конкурировать не выйдет, но это не значит, что на опытном производстве науки нет совсем. Например, коллективом ОБП были обнаружены такие явления как антимикробное действие шиконина или эффект вытеснения при очистке генно-инженерного инсулина человека. Хотя большинство статей посвящено разработке отдельных производственных стадий, методов анализа или целых технологий .
Не только работа
Несмотря на серьёзность задач и практическую ориентированность, сотрудники ОБП - живые люди и не прочь поболтать «за жизнь». Собираются обычно пятничными вечерами в кабинете начальника производства Василия Степаненко, который, понимая, что задуманное на остаток дня ему завершить уже не дадут, также включается в беседу. Хотя и тут всё начинается с обсуждения текущих дел и задач и, перетекая в обсуждение стратегии и состояния дел в России и мире, в итоге выходит на разговор о философских и мировоззренческих вопросах.
Обучение без отрыва от производства
Несмотря на высокий уровень ответственности, на ОБП есть успешный опыт выполнения работ студентами и аспирантами с защитой ими магистерских и кандидатских диссертаций. В основном на базе ОБП выполнялись работы вроде создания схем отдельных этапов в производстве какого-либо препарата, подбора условий проведения процессов с целью увеличения выхода, разработки и валидации аналитических методик. Но помимо задач, связанных непосредственно с разработкой технологий создания биологических препаратов, позиционирование производства как опытного подразумевает и возможность отработки различных технических решений. Так, сейчас начато сотрудничество с Университетом машиностроения по направлению разработки различных приборов и аппаратов, применяемых в биотехнологическом производстве.
При этом идей, куда можно двигаться, и каким будет будущее «красной» биотехнологии, предостаточно. Если смотреть глобально, то есть несколько возможных направлений:
В каком направлении всё двинется? Пока сказать сложно, но во многом это будет зависеть от молодёжи, полной прорывных идей и мотивации к созиданию нового.
Литература
- Полякова М. (2010). Несахарное производство . Сайт ИБХ ;
- Молекулярное клонирование, или как засунуть в клетку чужеродный генетический материал ;
- Прикладная биотехнология и молекулярная микробиология. Практическое руководство для студентов, или как запатентовать биопрепарат ;
- Karyagina T.B., Arzumanyan V.G., Timchenko T.V., Bairamashvili D.I. (2001). Antimicrobial activity of shikonin preparations . Pharm. Chem. J. 35 , 435–436;
- Gusarov D., Nekipelova V., Gusarova V., Lasman V., Bairamashvili D. (2009). Displacement effect during HPLC preparative purification of human insulin . J. Chromatogr. B. Analyt. Technol. Biomed. Life Sci. 877 , 1216–1220;
- Gusarov D.A., Sokolova I.V., Gusarova V.D., Evteeva E.A., Vorob’eva T.V., Kosarev S.A. (2012). Development of effective pilot-scale technology for producing N,N-bis-met-histone H1.3 used for lymphoma treatment . Pharm. Chem. J. 46 , 234–240;
- Urmantseva V.V., Gaevskaya O.A., Karyagina T.B., Bairamashvili D.I. (2005). The effect of amino acids as components of nutrient medium on the accumulation of protoberberine alkaloids in the cell culture of Thalictrum minus . Russ. J. Plant Physiol. 52 , 388–391;
- Gusarova V., Vorobjeva T., Gusarov D., Lasman V., Bayramashvili D. (2007). Size-exclusion chromatography based on silica-diol for the analysis of the proinsulin fusion protein . J. Chromatogr. A. 1176 , 157–162;
- Zhang Y.H. (2010). Production of biocommodities and bioelectricity by cell-free synthetic enzymatic pathway biotransformations: challenges and opportunities . Biotechnol. Bioeng. 105 , 663–677;
Передача - прием рисков в перестрахование между двумя конкретными страховыми компаниями может быть разовой операцией (что исторически появилось раньше), а может осуществляться на регулярной основе. В силу чего перестрахование бывает необязательным(факультативным) и обязательным (облигаторным).
Факультативный метод перестрахования отличается полной свободой возможных участников перестраховочной цессии. Необязательность здесь заключается в том, что договор перестрахования может быть заключен, а может быть нет, соответственно, условия той и другой стороны могут быть приняты, а могут быть отвергнуты. Вопрос о заключении сделки такого рода с тем или иным перестраховщиком перестрахователь решает в течение времени с момента подачи страхователем заявления на страхование до момента заключения договора прямого страхования. Перестрахователь передает потенциальным перестраховщиком информацию о риске, условиях прямого страхования, размере собственного удержания. Перестраховщики могут принять предложение перестрахователя, могут отказаться в силу каких-либо причин, а могут, проанализировав полученную информацию, предложить внести изменения в договор прямого страхования (в страховое покрытие, размер страхового тарифа, оговорки) или в размер собственного удержания цедента. Перестрахователь, получив условия перестраховщиков, выбирает наиболее приемлемый для себя вариант и заключает договор.
Специфической особенностью данной формы перестрахования является то, что размер страховой премии по такому договору зависит от спроса и предложения на цедируемый риск на перестраховочном рынке. По более востребованным рискам (с меньшей степенью реализации) страховая премия (цена страхования) будет меньше, по менее востребованным - больше. Причем возможна ситуация, когда страховая премия по договору перестрахования может оказаться больше, чем страховая премия по договору прямого страхования.
Договор облигаторного перестрахования предполагает обязательную уступку перестрахователем заранее согласованной части риска по всем заключаемым договорам прямого страхования. Перестраховщик, соответственно, обязан принять эти части риска.
Договоры перестрахования бывают пропорциональными и непропорциональными . Суть пропорционального страхования состоит в том, что риск, возмещение и страховая премия распределяются между перестрахователем и перестраховщиком в оговоренной договором пропорции.
К основным видами договоров пропорционального перестрахования относятся квотные и эксцедентные договоры. Рассмотрим их суть в упрощенном варианте.
Поквотному договору перестрахователь передает перестраховщику в перестрахование согласно заранее установленному проценту (квоте) часть всех принятых на страхование рисков по определенному виду или группе видов страхования.
По эксцедентым договорам рассчитывается собственное удержание цедента, а превышение над ним - эксцедент отдается в перестрахование.
Непропорциональное перестрахование появилось позже пропорционального. Расчеты в этом случае строятся либо на основании окончательного финансового результата, либо на основе только очень крупного убытка. К непропорциональным видам договоров перестрахования относятся договоры эксцедента убытка и договоры эксцедента убыточности.
По договорам эксцедента убытка перестраховщик участвует в возмещении убытков от страхового случая только при превышении ими обусловленной перестраховочным договором суммы.
Договор эксцедента убыточности отличается от предыдущего вида договоров тем, что перестраховщик участвует в покрытии убыточности страховой суммы (представляющий собой отношение величины фактических страховых выплат к совокупной страховой сумме по договорам данного вида страхования за определенный период), если убыточность превысит установленный перестраховочным договором уровень.
Надо сказать, что имеется также множество видоизмененных и комбинированных договоров на основе перечисленных выше форм организации отношений и видов договоров перестрахования.
Классификация продуктов биотехнологии.
I. В зависимости от количества.
1. Продукты тонкого биологического синтеза – от 100 кг до 1000 т в год – вакцины, витамины, антибиотики для медицины. основная стоимость связана с очисткой и анализом.
2. Продукты маломасштабного биосинтеза – до 20 тыс. тонн в год – аминокислоты для пищевой промышленности, напитки, продукты получаемые ферментацией, антибиотики для с/х.
3. Крупномасштабный биологический синтез – сточные воды после биологической очистки, биополимеры для отдельных отраслей промышленности – полисахариды для извлечения остатков нефти, выщелачивания Ме из руд. Основное условие - дешевизна. Более 20 тыс. тонн в год.
II. По товарным формам.
1. Биопрепараты – основной компонент – жизнеспособные клетки м/о или др. организмы закваски, бактериальные удобрения.
2. Инактивированная биомасса м/о – белок одноклеточных организмов.
3. Биопрепараты на основе очищенных метаболитов – ферменты, витамины, гормоны, антибиотики.
III. Образование биотехнологических продуктов в зависимости от стадии роста биологических объектов.
1. Первичные метаболиты.
2. Вторичные метаболиты.
Биотехнология наиболее развита в Японии (аминокислоты), США (1-я крупная биотехнологическая компания). В XXI в. ок. 20% продуктов станут продукцией биотехнологии. В РБ биотехнология отнесена к новым высоким технологиям. Это связано с ограниченностью ресурсов, никой энерго- и материалоемкостью биотехнологических производств. Возможностью использования местного сырья, экологичность биотехнологических проектов на фоне радиационного и химического загрязнения.
Основные потребители биотехнологической продукции:
Сельское хозяйство (ветеринария);
Пищевая промышленность;
Химическая промышленность.
Для развития ветеринарии требуется ок. 500 препаратов, ок. 100 получат методами биотехнологии.
Схема биотехнологического производства
Исходное сырье культивирование конечный продукт постеферментативная стадия
(ферментация) (целевой) (конечному продукту придается товарный вид,
(предферментация) ↓ утилизируются отходы производства)
(подогрев, размельчение аппаратура биологические объекты сырья и др.).
Характеристика биологических объектов биотехнологии
Клетки м/о – прокариоты и одноклеточные эукариоты (дрожжи, простейшие, водоросли);
Высшие растения;
Животные;
Трансгены;
Многокомпонентные системы, представленные клетками или определенными компонентами клеток.
Источники получения биологических объектов:
Коллекции культур;
Образцы природного материала. В этом случае необходимо получить чистую культуру м/о.
Традиционная биотехнология зародилась десять-двенадцать тысяч лет назад, когда закончилось последнее оледенение. Веками человек использовал микроорганизмы для выпечки хлеба, приготовления пива, сыра, выращивания сои, производства вина, витаминов. Интерес к производству пищевых продуктов не ослабевает и в наше время, но эти производства перешли на новый уровень с использованием всех новейших достижений современной биологии.
Разрабатываются биотехнологии получения экологически чистой пищи для обеспечения сбалансированного питания как на основе высших растений, так и с помощью микробиологического синтеза.
Продукты биотехнологического производства
Продукты биотехнологии являются результатом функционирования биологических систем для технических и промышленных процессов. Сюда относятся как традиционные организмы, так и организмы, явившиеся результатом генной инженерии.Растения являются наиболее дешевым продуцентом белков и других продуктов питания. Стоимость белка, полученного путем сельскохозяйственного культивирования сои или кукурузы, составляет менее 1 дол./кг. В то время как использование в настоящее время микробных клеток в закрытых системах (ферментерах) и особенно культивируемых клеток животных в качестве продуцентов фармацевтических белков обходится в сотни и тысячи раз дороже. Поэтому исследования последних лет имели целью, с одной стороны, показать возможность получения биологически эквивалентных форм того или иного белка в трансгенных растениях, а с другой, - повысить содержание белка и облегчить и удешевить его последующую очистку.
К настоящему времени уже показано, что растения могут производить белки животного происхождения, такие как энкефалин, моноклональные антитела, специфичные для бактерий, вызывающих зубной кариес. Предполагается, что на основе таких моноклональных антител, продуцируемых трансгенными растениями, удастся создать действительно антикариесную зубную пасту.
Из других белков животного происхождения, которые представляют интерес для медицины, показана продукция в растениях человеческого в-интерферона. Получен картофель, экспрессирующий олигомеры нетоксичной субъединицы В-токсина холеры. Эти трансгенные растения могут быть использованы для получения дешевой вакцины против такого заболевания, как холера. Причем в случае холеры иммунизация вполне эффективно происходит при пероральном приеме вакцины.
Генетическая инженерия метаболизма растительных жиров уже привела к новым коммерческим продуктам. Важнейшим сырьем для получения разного рода химических веществ являются жирные кислоты - основной компонент растительного масла. В 1995 г. была закончена экспериментальная проверка и получено разрешение от федеральных властей США на выращивание и коммерческое использование трансгенных растений рапса с измененным составом растительного масла, включающего вместе с обычными 16- и 18-членными жирными кислотами также и до 45 % 12-членной жирной кислоты - лауриновой. Это вещество широко используется для производства стиральных порошков, шампуней, косметики.
Дальнейшее изучение специфики биохимического синтеза жирных кислот, по-видимому, приведет к возможности управлять этим синтезом с целью получения жирных кислот различной длины и различной степени насыщения, что позволит значительно изменить производство детергентов, косметики, кондитерских изделий, затвердителей, смазочных материалов, лекарств, полимеров, дизельного топлива и многого другого, что связано с использованием углеводородного сырья.
Однако одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей растениеводства и животноводства, с одной стороны, и микробного синтеза, с другой, в формировании продовольственной базы человечества.
Львиную долю продуктов, созданных на основе современных биотехнологий (генетической инженерии), составили фармацевтические белки, прежде всего инсулин, альфа-интерферон, антиген вируса гепатита В, эритропоэтин, фактор стимулирования гранулоцитов и многие другие вещества. В этих молекулах заключена такая мощь, что у множества разнообразных заболеваний, еще пять лет назад бывших неизлечимыми, появляется совершенно иной прогноз.
Например, достигнут существенный прогресс в борьбе с раком и возрастной слепотой - заболеваниями прежде неизлечимыми. Несколько лет назад в стадии клинических испытаний находилось менее 10 противораковых препаратов, большинство из которых представляли собой высокотоксичные средства химиотерапии. Сегодня испытания с участием людей проходят более 400 противораковых лекарств, и почти все они - целевого действия, на основе биотехнологий и с минимальными побочными эффектами.
На основе биотехнологий создано 230 лекарственных препаратов и сопутствующих продуктов, включая лекарства от бессонницы, множественного склероза, острой боли, хронической болезни почек, недержания, язв полости рта и рака.
Ни для одного раздела медицины биотехнология не сделала так много, как для онкологии. С появлением новых лекарств, которые уничтожают только клетки опухоли, почти не повреждая здоровые ткани, изменилась вся парадигма лечения рака.
Теперь медицина рассматривает рак как хроническое, поддающееся лечению заболевание. Только в 2004 г. FDA одобрила четыре целевых препарата против рака - Avastin, Tarceva, Iressa и Erbitux. Применение Avastin от компании Genentech позволяет продлить жизнь пациентов с раком легких, груди и кишечника - первейшая задача для всякого препарата от рака.
Создано и выпущено на рынок множество новых биотехнологических продуктов, повышающих урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность сельскохозяйственных животных.
Продуктами биотехнологии являются возобновляемые источники энергии - различные виды биотоплива. Налажено производство этанола из сырья, содержащего сахарозу, глюкозу, фруктозу, другие моно- или олигосахариды, крахмал или целлюлозу, с помощью дрожжей или бактерий. В настоящее время этанол все в большей мере применяется в качестве экологически чистого моторного топлива. Поставлено производство бутанола и ацетона с использованием бактерий-бродильщиков рода Clostridia. Технология производство водорода испытана пока только в масштабе лаборатории.
Получение метана, или биогаза, осуществляемое смешанной микробной культурой, устраняет отходы, угрожающие планете, и производит ценное газообразное топливо, заменитель природного газа. Перспективно производство длинноцепочечных углеводородов (бионефти) из биомассы углеводородсинтезирующих одноклеточных водорослей. Эти водоросли могут быть выращены в биореакторе в виде чистой культуры. Их можно также культивировать в составе природных экосистем в озерах, прудах или лагунах.
Продолжают развиваться процессы получения традиционных биотехнологических продуктов, к которым можно отнести антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений, ферменты, аминокислоты, витамины и т.д. Молекулы антибиотиков очень разнообразны по составу и механизму действия на микробную клетку. При этом в связи с возникновением устойчивости патогенных микроорганизмов к старым антибиотикам постоянно существует потребность в новых. В некоторых случаях природные микробные антибиотические продукты химическим или энзиматическим путем могут быть превращены в так называемые полусинтетические антибиотики, обладающие более высокими терапевтическими свойствами.
Микроорганизмы способны осуществлять реакции трансформации, в которых те или другие соединения превращаются в новые продукты. Условия протекания этих реакций мягкие, и во многих случаях микробиологические трансформации предпочтительнее химических. Пример существующих крупномасштабных промышленных биоконверсий - производство уксуса из этанола, глюконовой кислоты из глюкозы. Широко используется микробная модификация стероидов, которые являются сложными полициклическими липидами. Теперь с использованием биоконверсии получают кортизон, гидрокортизон, преднизолон и целый ряд других стероидов, что в сотни раз снижает себестоимость производства стероидов.
Пока получение ферментов с помощью микроорганизмов более выгодно, чем из растительных и животных источников. Микробные клетки продуцируют более 2 тысяч ферментов, катализирующих биохимические реакции, связанные с ростом, дыханием и образованием продуктов. Многие из этих ферментов могут быть выделены и проявляют свою активность независимо от клетки. В мире производится около 20 ферментов в объеме 65 тыс. т (а существует, как предполагают 25 000 ферментов).
Например, промышленным способом производят такие ферменты, как амилаза, глюкоамилаза, протеаза, инвертаза, пектиназа, каталаза, стрептокиназа, целлюлаза, липаза, целлюлаза, оксидаза и др. Использование иммобилизованной глюкозоизомеразы для непрерывного получения глюкозы является наиболее крупным процессом такого рода в мире.
Микробные ферменты активно используют в клинической диагностике при определении уровня холестерина в крови и мочевой кислоты. Ферменты предлагают использовать для очистки канализационных и водопроводных труб и во многих других сферах человеческой деятельности. Ферменты для медицинских или аналитических целей должны быть высокоочищенными.
Производство аминокислот относится к одной из наиболее передовых областей биотехнологии. Аминокислоты получают путем химического синтеза или экстракцией из белковых гидролизатов. Незаменимые аминокислоты могут получаться микробиологическим путем более эффективно, чем путем химического синтеза. За рубежом 60 % мощностей по производству аминокислот занимает глутаминовая кислота, далее идут метионин, лизин и глицин. С помощью микроорганизмов можно получить до 60 органических кислот. Многие из них получают в промышленном масштабе - итаконовая, молочная, уксусная, лимонная.
Витамины синтезируют в основном химическим путем или получают из естественных источников. Однако рибофлавин (В2), витамин В12 и аскорбиновую кислоту получают микробиологическим путем. Существует производство рибофлавина на основе использования дрожжеподобных грибов Eremothecium ashbyii и Ashbia gossypii. Рибофлавин продуцируется также видами Clostridium и Ascomycetes. Микроорганизмы являются также ценным источником получения никотиновой кислоты (витамин РР).
Микроорганизмы являются источником получения липидов специального назначения с заранее определенными свойствами. Микробные жиры заменяют растительные (а в ряде случаев и превосходят) и могут использоваться в разных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицине.
Микроорганизмы являются важным источником получения полимерных материалов на основе полисахаридов. Ценным микробным полисахаридом является декстран, образуемый бактериями рода Leucomonstoc. Декстран служит основой получения медицинских препаратов (кровезаменителей) и препаратов для биохимических исследований - сефадексов и других молекулярных сит. Одним из перспективных биодеградируемых полимеров, синтезируемых бактериями, являются полигидроксиалканоаты. Область использования этого класса полимеров широка - от сельского хозяйства до медицины.
С молекулярной биотехнологией человечество связывают самые большие надежды и по возможности точной диагностики, профилактики и лечения множества инфекционных и генетических заболеваний, и по значительному повышению урожайности сельскохозяйственных культур, и по многим другим до сих пор нерешенным проблемам.
К сожалению, львиную долю стоимости производства зачастую составляет не наращивание биомассы, а последующие процессы выделения и очистки продукта. Стоимость очистки тем выше, чем ниже концентрация вещества в клетках. Это особенно важно в случае фармацевтических препаратов, требующих высокой степени чистоты.
В данной главе будет рассматриваться последняя стадия получения целевого продукта - его выделение. Эта стадия существенно различается в зависимости от локализации продукта и его химической природы. Если продукт находится в культуральной жидкости, то он, как правило, образует очень разбавленные растворы и суспензии, содержащие, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, поэтому необходимо использовать методы, позволяющие провести разделение, например, тот или иной вид хроматографии.
Если целевой продукт локализуется в клетке, то необходимо использовать более сложный подход к его извлечению из клетки.
Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Биотехнологии и биоиндустрия – при значительной степени общности научной, и в значительной степени, научно-технологической основы – направление, которое неправомерно рассматривать как принципиально однородное. Спектр отраслей здесь чрезвычайно широк – от биотехнологических препаратов для сельского хозяйства до системной биологии в медицине и других отраслях.
На сегодня рынок биотехнологии Российской Федерации представлен следующими основными сегментами.
Рынок биотехнологических фармацевтических продуктов, включающий: антибиотики; иммунобиологические препараты; гормоны (препараты, содержащие гормоны), витамины; препараты, содержащие культуры микроорганизмов; аминокислоты; БАДы; медицинские материалы; диагностическое оборудование.
Рынок ферментов и ферментных препаратов, включая: средства защиты растений и стимуляторы роста растений; пробиотики; вакцины ветеринарные; антибиотики кормовые; кормовой белок; аминокислоты; витамины; кормовые добавки (белково-витаминные комплексы).
Рынок живых культур микроорганизмов.
Рынок дрожжей.
Рынок биотехнологических препаратов добывающих отраслей промышленности
Рынок биотехнологических препаратов для сельского хозяйства включая: препараты для животноводства и растениеводства.
Рынок биотехнологических препаратов для защиты окружающей среды
Рынок биотехнологических фармацевтических продуктов в Российской Федерации ориентирован прежде всего на импортную продукцию. По состоянию на конец 2007 г. годовой объем импорта биотехнологической фармацевтической продукции оценивается в 11,3 млрд. рублей.
В долевом соотношении наиболее объемным рынком в стоимостном исчислении является импорт инсулинов (28,6%) и вакцин (27,97%). Также значительны по объемы доли импорта вакцин (13,44%) и сывороток (11,08%). Доли остальных сегментов импорта биотехнологической фармацевтической продукции существенно уступают названным.
Объемы отечественного производства рынка биотехнологической фармацевтической продукции в совокупном объеме составляют чуть более 1,5 млрд. рублей. Таким образом, общая текущая емкость биотехнологического фармацевтического рынка Российской Федерации составляет не менее 12,8 млрд. рублей, при этом отечественной биоиндустрией он насыщается менее чем на 12%
В стоимостных показателях рынок производства ферментов и ферментных препаратов в Российской Федерации немногим более 300 млн рублей. Рынок же импорта ферментов и ферментных препаратов в РФ оценивается в более чем 490 млн рублей. Общий объем рассматриваемого рынка, соответственно, составляет от 990 млн до 1 млрд рублей.
При этом, отечественное производство ферментов и ферментных препаратов, в основном, сконцентрировано в двух областях потребления:
1. продукция для спиртовой промышленности.
2. продукция для животноводства.
Значительная доля ферментов и ферментных препаратов для спиртовой промышленности выпускается предприятиями производителями алкогольной продукции непосредственно для нужд собственного производства, а не для реализации на рынке.
Таким образом, в области спиртовой промышленности наблюдается определенный паритет в конкуренции. В то время, как в области животноводства превалируют отечественные ферменты и ферментные препараты.
В остальных областях потребления ферментов и ферментных препаратов преобладает с существенным отрывом импортная продукция.
Сегменты: биотехнологического рынка: ферменты и ферментные препараты, живые культуры микроорганизмов и рынок дрожжей, в отличие от ранее относительно рассмотренных ранее сегментов биотехнологических фармацевтических продуктов и биотехнологических препаратов для сельского хозяйства – моногамны по свой отраслевой структуре, но при этом они широко представлены на рынке биотехнологии Российской Федерации.
Отечественный объем рынка живых культур микроорганизмов оценивается в 12-13 млн. рублей В это же время импорт продукции составляет 130 млн рублей. Таким образом, общая емкость рынка живых культур микроорганизмов оценивается в 143 млн. рублей, а доля российской индустрии на национальном рынке – менее 9%.
Объем отечественного производства рынка дрожжей составил чуть менее 1,5 млрд рублей. Импорт данного вида продуктов – 400 млн. рублей. Общая емкость данного рынка оценивается в 1,9 млрд рублей, рублей, а доля российской индустрии на национальном рынке – несколько менее 90%. Это практически исключительный пример относительной достаточности сегмента биоиндустрии для нужд российского рынка.
Рынок биотехнологических препаратов для добывающих отраслей промышленности РФ характеризуется следующими параметрами. Объем рынка биотехнологических препаратов для добывающих отраслей промышленности (а, это в первую очередь, нефтедобывающая и горнорудная промышленность) составляет 120-130 млн рублей.
Объем отечественного производства биотехнологической продукции для животноводства составляет 2,6 млрд рублей. При этом, в основном это: 63% – производство белка кормового микробиологического, 20% – производство аминокислот; 13% – кормовые добавки. Доли других сегментов рынка биотехнологических препаратов для сельского хозяйства существенно ниже.
Суммарный импорт биотехнологической продукции для сельского хозяйства (в части животноводства) составляет 1,5 млрд рублей, общий объем рынка биотехнологической продукции для животноводства РФ составляет более 4,1 млрд рублей, а доля российской индустрии на национальном рынке – менее 65%, что позволяет характеризовать отрасль животноводства как принципиально зависимую от импорта биологической продукции.
Объем отечественного производства биотехнологических препаратов для растениеводства составляет 130 млн рублей. На данном сегменте рынка биотехнологии указанная сумма, практически в полном объеме, приходится на производство биотехнологических средств защиты растений при отсутствии импорта данной продукции.
На рынке биотехнологических препаратов для защиты окружающей среды доминирует отечественное производство продукции в размере 200 млн рублей. Импорт продукции, входящей в данный сегмент (бактериальных препаратов для ликвидации нефтяных загрязнений, биосорбентов для очистки воды и донных отложений от нефтепродуктов) составляет около 20 млн рублей, общая емкость рынка биотехнологических препаратов для защиты окружающей среды составляет 220 млн рублей.
Вместе с тем, перспективы развития биотехнологий и биоиндустрии в целом в Российской Федерации, как и в целом в мире, связаны с биотехнологиями, основанными на технологиях системной биологии и связанных с этим дисциплин, принципиально междисциплинарном характере развития (нано- био- и информационные технологии).
Речь скорее идет не о перенесении имеющихся на сегодня биотехнологий в соответствующие российские индустрии (что возможно на основе догоняющего сценария), а об обеспечении прорывного развития биотехнологической индустрии на основе достижений передовых направлений, таких, как системная биология. При этом, стартовые позиции Российской Федерации, обусловленные уровнем ее научных достижений и уровнем науки в этой области в целом, возможно оценить как высокие.
Cтраница 1
Биотехнологические производства прямо или косвенно нацелены на обеспечение здоровья людей.
Современные технологические линии и биотехнологические производства, характеризующиеся сложной многоуровневой структурой взаимосвязей эффектов физической, химической и биологической природы, наличием прямых и обратных потоков между технологическими аппаратами, могут рассматриваться как сложные кибернетические системы, при изучении которых используется стратегия системного анализа.
Борьба с микробами-контаминантами в биотехнологических производствах Защита биотехнологических процессов от микробов-контаминантов эффективно осуществляется с помощью различных фильтров В последнее десятилетие широкое распространение приобрела мембранная фильтрация в целях получения стерильных воздуха и различных жидкостей (разновидность холодной стерилизации) Более того, мембраны нашли применение в рДНК - биотехнологиии, в дисперсионном и других анализах биомолекул.
Бактерии брожения используются в биотехнологических производствах. Бактерии применяют в генетической инженерии, например, для биотехнологического получения инсулина, интерферона и других ценных лекарственных препаратов.
В частности, БВК паприн - продукт крупнотоннажного биотехнологического производства - представляет собой биомассу дрожжей, выращенных на н-алканах; основную его часть составляют белки, липиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты. К информации такого рода, безусловно, следует относиться с большой долей осторожности.
Из биомассы ряда базидиальных грибов в Японии получают полисахариды кориолан, лентипан, пахиман, шизофиллан, которые используют для лечения некоторых онкологических заболеваний. В России разработано биотехнологическое производство экзополисахаридов аубазидан и поллулан, являющихся продуцентами гриба Aureobasidium pullulans. Аубазидан используется как вспомогательное средство для создания лекарственных форм, а поллулан нашел применение в пищевой промышленности.
Кроме того, для химического и биотехнологического производства, в том числе для промышленности лекарственных средств, характерны постоянное возрастание требований к чистоте выпускаемых продуктов, ужесточение методов контроля, тенденция к использованию количественных критериев при оценке качества. Поэтому помимо оценки интегральных характеристик, присущих объекту исследования в целом, часто требуется детальное изучение содержания отдельных компонентов, определяющих состояние биологических систем либо качество химических продуктов. Решение этих задач, как правило, невозможно без применения достаточно эффективных методов разделения сложных смесей. Среди таких методов доминирует хроматография. Бурно развиваясь в последние десятилетия, этот метод открыл возможности разделения смесей, содержащих десятки и сотни компонентов, их качественного и количественного анализа, препаративного выделения индивидуальных веществ. Принципы хроматографии весьма универсальны, благодаря, чему она оказалась пригодной для изучения объектов самой различной природы - от нефти и газов атмосферы до белков, нуклеиновых кислот и даже вирусов. Этим объясняется огромный интерес представителей различных научных и технических дисциплин к хро-матографическим методам. Только в пяти специализированных международных журналах по хроматографии ежегодно выходит в свет свыше 2000 публикаций по различным вопросам теории и применения метода, общее же их число в несколько раз больше.
Кроме того, для химического и биотехнологического производства, в том числе для промышленности лекарственных средств, характерны постоянное возрастание требований к чистоте выпускаемых продуктов, ужесточение методов контроля, тенденция к использованию количественных критериев при оценке качества. Поэтому помимо оценки интегральных характеристик, присущих объекту исследования в целом, часто требуется детальное изучение содержания отдельных компонентов, определяющих состояние биологических систем либо качество химических продуктов. Решение этих задач, как правило, невозможно без применения достаточно эффективных методов разделения сложных смесей. Среди таких методов доминирует хроматография. Бурно развиваясь в последние десятилетия, этот метод открыл возможности разделения смесей, содержащих десятки и сотни компонентов, их качественного и количественного анализа, препаративного выделения индивидуальных веществ. Принципы хроматографии весьма универсальны, благодаря чему она оказалась пригодной для изучения объектов самой различной природы - от нефти и газов атмосферы до белков, нуклеиновых кислот и даже вирусов. Этим объясняется огромный интерес представителей различных научных и технических дисциплин к хро-матографическим методам. Только в пяти специализированных международных журналах по хроматографии ежегодно выходит в свет свыше 2000 публикаций по различным вопросам теории и применения метода, общее же их число в несколько раз больше.
Для стерилизации жидкостей используют фильтры из коллодия, диаметр пор которых меньше размеров вирусов. Этот метод применяют в биотехнологическом производстве при изготовлении вакцин, иммунных сывороток, растворов антибиотиков, бактериофагов и других материалов, не пригодных для тепловых или других методов стерилизации.
Увеличилось производство и снизилась стоимость конкурирующих кормовых добавок для животных, таких как соевые бобы, рыбная мука и клейковина из кукурузы. Последняя является побочным продуктом при биотехнологическом производстве топлива.
В условиях интенсивно развивающегося животноводства крайне важна задача создания сбалансированных кормов. Одним из альтернативных путей ее достижения является биотехнологическое производство клеточных белков, полноценных по набору незаменимых аминокислот. Производство кормового белка [ синонимы: БВК, кормовые дрожжи, в зарубежной литературе - белок одноклеточных (SCP) ] основано на культивировании четырех категорий микроорганизмов: бактерий, грибов, дрожжей и микроводорослей, использующих в качестве субстрата источников питания углеводы отходов сельскохозяйственной продукции, целлюлозно-бумажного производства, углеводороды нефти, простейшие спирты, газы (С02, метан) и др. В настоящее время производство кормовых дрожжей только в СССР превысило 1 млн. т / год и характеризуется тенденцией неуклонного роста в предстоящее десятилетие.
От качества плотных и жидких отходов, образующихся в биотехнологических производствах, зависит выбор путей использования их на практике. Так, в производстве пива из ячменя отходами являются дрожжевые клетки, солодовая дробина и некоторые другие вещества. Из таблицы видно, что по питательной ценности и усвояемости все компоненты плотных отходов могли бы быть рекомендованы к употреблению на животноводческих фермах.
Ультразвук вызывает гибель микроорганизмов в суспензиях: в микробной клетке образуются кавитационные полости с резкими перепадами разрежения и избыточного давления, что приводит к разрушению клетки. Этот метод используют для очистки (деконтаминации) медицинских инструментов, обеззараживания некоторых жидких препаратов, питьевой воды, молока, соков, а также для получения компонентов микробной клетки для исследований или в ходе биотехнологического производства.
С позиций системного анализа решаются задачи математического моделирования на ЭВМ, при этом полная математическая модель биотехнологической системы может быть представлена в виде иерархической структурной модели, где на каждом уровне имеется описание своего класса явлений. Применение такого подхода к изучению сложных БТС позволяет целенаправленно использовать и систематизировать исследования, получаемые в лабораторных, опытных и промышленных условиях для разработки модели БТС в целом. Полученная таким образом математическая модель используется затем для оптимизации биотехнологического производства при его функционировании, а также на стадии проектирования биохимических производств.
