Совершенствование биообъектов методами генной инженерии. Экологические аспекты биотехнологического производства

Биообъекты: способы их создания и совершенствования. 1.1 Понятие «Биообъект» БО Биообъект – центральный и обязательный элемент биотехнологического производства, определяющий его специфику. Продуцент полный синтез целевого продукта, включающий ряд последовательных ферментативных реакцийБиокатализатор катализ определенной ферментативной реакции (или каскада), которая имеет ключевое значение для полученияцелевого продукта катализ определенной ферментативной реакции (или каскада), которая имеет ключевое значение для получения целевого продукта По производственным функциям:

Биообъекты 1) Макромолекулы: ферменты всех классов (чаще гидролазы и трансферазы); –в т.ч. в иммобилизированном виде (связанные с носителем) обеспечивающем многократность использования и стандартность повторяющихся производственных циклов ДНК и РНК – в изолированном виде, в составе чужеродных клеток 2) Микроорганизмы: вирусы (с ослабленной патогенностью используются для получения вакцин); клетки прокариоты и эукариоты –продуценты первичных метаболитов: аминокислот, азотистых оснований, коферментов, моно- и дисахаров, ферментов для заместительной терапии и т.д.); –продуценты вторичных метаболитов:антибиотики, алкалоиды, стероидные гормоны, и др. нормофлоры – биомасса отдельных видов микроорганизмов применяемые для профилактики и лечения дисбактериозов возбудители инфекционных заболеваний – источники антигенов для производства вакцин трансгенные м/о или клетки – продуценты видоспецифичных для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета и т. д. 3) Макроорганизмы высшие растения – сырье для получения БАВ; Животные - млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, членистоногие, рыбы, моллюски, человек Трансгенные организмы

Цели совершенствования БО: (применительно к производству) - увеличение образования целевого продукта; - снижение требовательности к компонентам питательных сред; - изменение метаболизма биообъекта, например снижение вязкости культуральной жидкости; - получение фагоустойчивых биообъектов; - мутации, ведущие к удалению генов, кодирующих ферменты. Методы совершенствования БО: Селекция спонтанных (природных) мутаций Индуцированный мутагенез и селекция Клеточная инженерия Генетическая инженерия

Селекция и мутагенез Спонтанные мутацииСпонтанные мутации –встречаются редко, –разброс по степени выраженности признаков невелик. индуцированный мутагенез: разброс мутантов по выраженности признаков больше. разброс мутантов по выраженности признаков больше. появляются мутанты с пониженной способностью к реверсии, т.е. со стабильно измененным признаком появляются мутанты с пониженной способностью к реверсии, т.е. со стабильно измененным признаком селекционная часть работы - отбор и оценка мутаций: Обработанную культуру рассеивают на ТПС и выращивают отдельные колонии (клоны) клоны сравнивают с исходной колонией по разным признакам: -мутанты, нуждающиеся в конкретном витамине, или аминокислоте; -мутантны, синтезирующие фермент расщепляющий определенный субстрат; -антибиотикорезистентные мутанты Проблемы суперпродуцентов: высоко продуктивные штаммы крайне нестабильны вследствие того, что многочисленные искусственные изменения в геноме не связаны с жизнеспособностью. мутантные штаммы требуют постоянного контроля при хранении: популяцию клеток высеивают на твердую среду и полученные из отдельных колоний культуры проверяют на продуктивность.

Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии Клеточная инженерия – «насильственный» обмен участками хромосом у прокариот или участками и даже целыми хромосомами у эукариот. В результате создаются неприродные биообъекты, среди которых могут быть отобраны продуценты новых веществ или организмы с ценными в практическом отношении свойствами. Возможно получение межвидовых и межродовых гибридных культур микроорганизмов, а также гибридных клеток между отдаленными в эволюционном отношении многоклеточными организмами.

Создание биообъектов методами генетической инженерии Генетическая инженерия –соединение фрагментов ДНК природного и синтетического происхождения или комбинацию in vitro с последующим введением полученных рекомбинантных структур в живую клетку для того, чтобы введенный фрагмент ДНК после включения его в хромосому либо реплицировался, либо автономно экспрессировался. Следовательно, вводимый генетический материал становится частью генома клетки. Необходимые составляющие генного инженера: а) генетический материал (клетку – хозяина); б) транспортное устройство – вектор, переносящий генетический материал в клетку; в) набор специфических ферментов - «инструментов» генной инженерии. Принципы и методы генной инженерии отработаны, прежде всего, на микроорганизмах; бактериях – прокариотах и дрожжах – эукариотах. Цель: получение рекомбинантных белков – решение проблемы дефицита сырья.

8 Слагаемые биотехнологического производства Главные особенности БТ производства: 1.два активных и взаимосвязанных представителя средств производства – биообъект и «ферментер»; 2.чем выше темп функционирования биообъекта, тем более высокие требования предъявляются к аппаратурному оформлению процессов; 3.оптимизации подвергают и биообъект и аппараты биотехнологического производства Цели осуществления биотехнологии: 1.основной этап производства ЛС – получение биомассы (сырья, ЛВ); 2.один или несколько этапов производства ЛС (в составе химического или биологического синтеза) - биотрансформация, разделение рацематов и т.п.; 3.полный процесс производства ЛС – функционирование биообъекта на всех стадиях создания препарата. Условия осуществления биотехнологий при производстве ЛП 1.Генетически обусловленная способность био-объекта к синтезу или специфической трансформации связанной с получением БАВ или ЛС; 2.Защищенность био-объекта в биотехнологической системе от внутренних и внешних факторов; 3.Обеспечение функционирующих в биотехнологических системах био- объектов пластическим и энергетическим материалом в объемах и последовательности, гарантирующих нужную направленность и темп биотрансформации.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОДУКТОВ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ типы продуктов получаемых БТ методами: –интактные клетки –одноклеточные организмы используют для получения биомассы –клетки (в т.ч. иммобилизованные) для биотрансформации. Биотрансформация - реакции превращения исходных органических соединений (предшественников) в целевой продукт с помощью клеток живых организмов или ферментов, выделенных из них. (производство ам-к-т, а/б, стероидов и др.) низкомолекулярные продукты метаболизма живых клеток: –Первичные метаболиты необходимы для роста клеток. (структурные единицы биополимеров ам-к-ты, нуклеотиды, моносахариды, витамины, коферменты, органические к-ты) –Вторичные метаболиты (а/б, пигменты, токсины) НМС, не требующиеся для выживания клеток и образующиеся по завершении фазы их роста. Динамика изменения биомассы и образования первичных (А) и вторичных (Б) метаболитов в процессе роста организма: 1 биомасса; 2 продукт

Стадии БТ производства 1.Подготовка сырья (питательной среды) субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) 2.Подготовка биообъекта: посевной культуры или фермента (в т.ч. иммобилизованного). 3.Биосинтез, биотрансформация (ферментация) - образование целевого продукта за счет биологического превращения компонентов питательной среды в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит. 4.Выделение и очистка целевого продукта. 5.Получение товарной формы продукта 6.Переработка и утилизация отходов (биомассы, культуральной жидкости и т.п.) Основные типы биотехнологических процессов Биоаналогичные Производство метаболитов – химических продуктов метаболической активности, первичные - аминокислоты, полисахариды вторичные - алкалоиды, стероиды, антибиотики Многосубстратные конверсии (обработка сточных вод, утилизация лигноцеллюлозных отходов) Односубстратные конверсии (превращение глюкозы во фруктозу, D-сорбита в L- сорбозу при получении вит С) Биохимические производство клеточных компонентов (ферменты,нуклеиновые кислоты) Биологические Производство биомассы (белок одноклеточных)

1.Вспомогательные операции: 1.1. Подготовка посевного материала (инокулята): засев пробирок, качалочных колб (1-3 сут), инокулятора (2-3 % 2-3 сут), посевного аппарата (2-3сут). Кинетические кривые роста 1.индукционный период (лаг-фаза) 2.фаза экспоненциального роста (накопление биомассы и продуктов биосинтеза) 3.фаза линейного роста (равномерный рост культуры) 4.фаза замедленного роста 5.стационарная фаза (постоянство жизнеспособных особей 6.Фаза старения культуры (отмирания) N t Подготовка питательной среды выбор и реализация рецептуры среды, стерилизация гарантирующая сохранность пластических и энергетических компонентов, в исходном количестве и качестве. Особенностью биообъектов является потребность в многокомпонентных энергетических и пластических субстратах, содержащих О, С, N, Р, Н – элементы необходимые для энергетического обмена и синтеза клеточных структур.

Содержание биогенных элементов в различных биообъектах, в % Микро- организмы элемент углеродазотфосфоркислородводород бактерии50,412,34,030,56,8 дрожжи47,810,44,531,16,5 грибы47,95,23,540,46,7 Элементный состав биомассы по химическим элементам позволяет сделать для каждого биообъекта описание Существует количественная закономерность влияния концентрации элементов питательной среды на скорость роста биомассы, равно как и взаимовлияние тех же элементов на удельную скорость роста биообъектов С DN/ dT 123 C – концентрация лимитирующего компонента DN/dT – скорость роста микроорганизмов. 1 -область лимитирования, 2- область оптимального роста, 3 – область ингибирования.

1.3. Стерилизация питательной среды необходимо полностью исключить контаминантную флору и сохранить биологическую полноценность субстратов чаще автоклавирование, реже химические и физические воздействия. Эффективность выбранного режима стерилизации оценивают по константе скорости гибели микроорганизмов (берется из специальных таблиц) умноженная на продолжительность стерилизации Подготовка ферментера Стерилизация оборудования острым паром. Герметизация с особым вниманием к «слабым» точкам тупиковые штуцера малого диаметра, штуцера датчиков контрольно-измерительной аппаратуры. Выбор ферментера осуществляется с учетом критериев дыхания биообъекта, теплообмена, транспорт и превращения субстрата в клетке, скорость роста единичной клетки, время ее размножения и т.п.

Ферментация – основной этап биотехнологического процесса Ферментация – это вся совокупность операций от внесения микробов в подготовленную и нагретую до необходимой температуры среду до завершения биосинтеза целевого продукта или роста клеток. Весь процесс протекает в специальной установке – ферментере. Все биотехнологические процессы можно разделить на две большие группы - периодические и непрерывные. При периодическом способе производства простерилизованный ферментер заполняется питательной средой, часто уже содержащей нужные микроорганизмы. Биохимические процессы в этом ферментере продолжаются от нескольких часов до нескольких дней. При непрерывном способе подача равных объемов сырья (питательных веществ) и отвод культуральной жидкости, содержащей клетки продуцента и целевой продукт осуществляется одновременно. Такие ферментационные системы характеризуются как открытые.

По объёму: –лабораторные 0, л, –пилотные 100л -10 м3, –промышленные м3 и более. критерии выбора ферментера: –теплообмен, –скорость роста единичной клетки, –Тип дыхания биообъекта, –Вид транспорта и превращения субстрата в клетке –время размножения отдельной клетке. Аппаратурное оформление биотехнологического процесса - ферментеры:

Biostat A plus - автоклавируемый ферментер со сменными сосудами (рабочий объем 1,2 и 5 л) для культивирования микроорганизмов и культур клеток и является полностью масштабируемым при переходе к большим объемам. Единый корпус с интергрированным оборудованием измерения и управления, насосами, системой температурного контроля, подачи газа и мотором Ноутбук с заранее установленным Windows совместимым программным обеспечением MFCS / DA для управления процессами ферментации и их документирования Лабораторный (схема)

Параметры, влияющие на биосинтез (физически, химические, биологические) 1. Температура 2. Число оборотов мешалки (для каждого м/о (микроорганизмы) – разное число оборотов, разные 2х, 3х, 5-ти ярусные мешалки). 3. Расход подаваемого на аэрацию воздуха. 4. Давление в ферментере 5. рН среды 6. Парциальное давление растворенного в воде кислорода (количество кислорода) 7. Концентрация углекислого газа при выходе из ферментера 8. Биохимические показатели (потребление питательных веществ) 9. Морфологические показатели (цитологические) развитее клеток м/о, т.е. надо следить в процессе биосинтеза за развитием м/о 10. Наличие посторонней микрофлоры 11. Определение в процессе ферментации биологической активности Биосинтез БАВ (биологически активные вещества) в условиях производства

2. Основные операции: 2.1. Стадия биосинтеза, где в максимальной степени используются возможности биообъекта для получения лекарственного продукта (накапливается внутри клетки или секретируется в культуральную среду) Стадия концентрирования, одновременно предназначена для удаления баласта Стадия очистки, реализующая за счет повтора однотипных операций или за счет набора различных препаративных приемов (ультрафильтрация, экстракция, сорбция, кристаллизация и т. п) повышение удельной специфической активности лекарственного продукта Стадия получения конечного продукта (субстанции или готовой лекарственной формы) с последующими операциями фасовки и упаковки.

Питательная среда Разделение Культуральная жидкость Клетки Концентрирование Выделение и очистка метаболитов Дезинтеграция убитых клеток Биомасса убитых клеток Стабилизация продукта Биомасса живых клеток Обезвоживание Стабилизация продукта Применение Хранение Живой продуктСухой продукт Живой продукт Сухой продукт Живой продукт Сухой продукт Культивирование (ферментация) Подготовка инокулята Схема биотехнологического производства

Фармацевтические препараты требуют высокой степени чистоты Стоимость очистки тем выше, чем ниже концентрация вещества в клетках. Этапы очистки: 1. Сепарация. 2. Разрушение клеточных оболочек (дезинтеграция биомассы) 3. Отделение клеточных стенок. 4. Отделение и очистка продукта. 5. Тонкая очистка и разделение препаратов. 27

Этапы очистки Этап 1. СЕПАРАЦИЯ - отделение массы продуцента от жидкой фазы. Передвароительно для повышения эффективности может проводиться: изменение рН, нагревание, добавление коагулянтов белков или флокуллянтов. СПОСОБЫ СЕПАРАЦИИ 1. Флотация (буквально – плавание на поверхности воды) – разделение мелких частиц и выделение капель дисперсной фазы из эмульсий. Основана на различной смачиваемости частиц (капель) жидкостью (преимущественно водой) и на их избирательном прилипании к поверхности раздела, как правило, жидкость – газ (очень редко: твердые частицы – жидкость). Основные виды флотации: пенная (культуральную жидкость с биомассой микроорганизмов непрерывно вспенивают воздухом, подаваемым снизу вверх под давлением, клетки и их агломераты «прилипают» к пузырькам тонкодиспергированного воздуха и всплывают вместе с ними, собираясь в специальном отстойнике) масляная пленочная. 28

СПОСОБЫ СЕПАРАЦИИ 2. Фильтрация - используется принцип задержки биомассы на пористой фильтрующей перегородке. Используются фильтры: однократного и многократного использования; периодического и непрерывного действия (с автоматическим удалением слоя биомассы, забивающего поры); барабанные, дисковые, ленточные, тарелочные, карусельные вакуум-фильтры, фильтры-прессы различной конструкции, мембранные фильтры. 29

3. Физическое осаждение. Если биомасса содержит заметных количеств целевого продукта, она осаждается добавлением извести или других твердых компонентов, увлекающих клетки или мицелий на дно. 4. Центрифугирование. Осаждение взвешенных частиц происходит под действием центробежной силы с образованием 2 фракций: биомассы (твердая) и культуральной жидкости. «-»: необходимо дорогостоящее оборудование; «+»: позволяет максимально освободить культуральную жидкость от частиц; Цетрифугирование и фильтрация могут проходить одновременно в фильтрационных центрифугах. Высокоскоростное центрифугирование разделяет клеточные компоненты по размеру: более крупные частицы при центрифугировании движутся быстрее. 30 СПОСОБЫ СЕПАРАЦИИ

Этап 2. РАЗРУШЕНИЕ КЛЕТОЧНЫХ ОБОЛОЧЕК (ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ БИОМАССЫ) Стадия используется, если искомые продукты находятся внутри клеток продуцента. МЕТОДЫ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ механические, химические комбинированные. Физические методы - обработка ультразвуком, вращение лопасти или вибратора, встряхивание со стеклянными бусами, продавливание через узкое отверстие под давлением, раздавливание замороженной клеточной массы, растирание в ступке, осмотический шок, замораживание- оттаивание, декомпрессия (сжатие с последующим резким снижением давления). «+»: экономичность методов. «-»: неизбирательность методов, обработка может снижать качество получаемого продукта. 31

МЕТОДЫ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ Химические и химико-ферментативные методы - клетки могут быть разрушены толуолом или бутанолом, антибиотиками, ферментами. «+»: более высокая избирательность методов Примеры: -клетки грамотрицательных бактерий обрабатывают лизоцимом в присутствии этилендиаминтерауксусной кислоты или других детергентов, -клетки дрожжей – зимолиазой улитки, ферментами грибов, актиномицетов. 32

ЭТАП 4. ОТДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ПРОДУКТА Выделение целевого продукта из культуральной жидкости или из гомогената разрушенных клеток проводят путем его осаждения, экстракции илииадсорбции. Осаждение: физическое (нагревание, охлаждение, разбавление, концентрирование); химическое (с помощью неорганических и органических веществ - этанол, метанол, ацетон, изопропанол). Механизм осаждения органическими веществами: снижение диэлектрической постоянной среды, разрушение гидратного слоя молекул. Высаливание: Механизм высаливания: гидратируются диссоциирующие ионы неорганических солей. Реагенты: сульфат аммония, сульфаты натрия, магния, фосфат калия. 33

Экстракция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из твердых тел и растворов с помощью жидкого растворителя – экстрагента. Типы экстракции: Твердо-жидкостная (вещество из твердой фазы переходит в жидкую) - например, хлорофилл из спиртовой вытяжки переходит в бензин Жидко-жидкостная (вещество переходит из одной жидкости в другую (извлечение антибиотиков, витаминов, каротиноидов, липидов). Экстрагенты: фенол, бензиловый спирт, хлороформ, жидкий пропанили бутан и др. Способы повышения эффективности экстракции: повторная экстракция свежим экстрагентом; выбор оптимального растворителя; нагревание экстрагирующего агента или экстрагируемой жидкости; понижением давления в аппарате для экстракции. Для экстракции хлороформом в лабораторных условиях используется аппарат «Сокслет», что позволяет многократно использовать растворитель. 34

ЭТАП 4. ОТДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ПРОДУКТА (продолжение) Адсорбция – частный случай экстракции, когда экстрагирующий агент является твердым телом - идет по ионообменному механизму. Адсорбенты: иониты на основе целлюлозы: катионит – карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ); анионит – диэтиламиноэтилцеллюлоза (ДЭАЭ), сефадексы на основе декстрана и т.д. 35

МЕТОДЫ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ И РАЗДЕЛЕНИЯ ПРЕПАРАТОВ Хроматография (от греч. chroma – цвет, краска и -графия) – физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную. Виды хроматографии по технике выполнения: колоночная - разделение веществ проводится в специальных колонках плоскостная: -тонкослойная (ТСХ) – разделение проводится в тонком слое сорбента; -бумажная – на специальной бумаге. 36

Для крупномасштабного отделения и очистки продуктов биотехнологических процессов применимы: аффинная преципитация - лиганд прикрепляют к растворимому носителю, при добавлении смеси, содержащей соответствующий белок, образуется его комплекс с лигандом, который выпадает в осадок сразу после его формирования или после дополнения раствора электролитом. аффинное разделение - основано на применении системы, содержащей два водорастворимых полимера – наиболее высокоэффективный из аффинных методов очистки. Гидрофобная хроматография основана на связывании белка в результате взаимодействия между алифатической цепью адсорбента и соответствующим гидрофобным участком на поверхности белковой глобулы. Система аффинной очистки рекомбинтных белков Profinia. 37

Электрофорез – метод разделения белков и нуклеиновых кислот в свободном водном растворе и пористом матриксе, в качестве которого можно использовать полисахариды, например, крахмал или агарозу. Модификацией метода является электрофорез в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия (ДСН-ПААГ) 38 Gel electrophoresis is a common method for separating protein or DNA Гель-электрофорез - распространенняй метод разделения белков или ДНК

План лекции

1. Понятие биообъекта.

2. Классификация биообъектов как продуцентов лекарственных и диагностических препаратов и их функции.

3. Макромолекулы природного происхождения – промышленные биокатализаторы.

4. Совершенствование биообъектов методами мутагенеза и селекции.

5. Мутации

а) понятие

б) мутагены

в) классификация

6. Вариационный ряд.

7. Методы отбора.

8. Мутасинтез.

9. Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии.

а) этапы работы

б) перспективы

Самым главным элементом биотехнологического производства, определяющим его специфику, является биообъект.

Биообъектом может быть целостный, сохранивший жизнеспособность, многоклеточный или одноклеточный организм. Им могут являться изолированные клетки многоклеточного организма, а также вирусы и выделенные из клеток мультиферментные комплексы, включенные в определенный метаболический процесс. Наконец, биообъектом может быть индивидуальный изолированный фермент.

Функция биообъекта – полный биосинтез целевого продукта, включающий обычно ряд этапов, то есть последовательных ферментативных реакций или, в крайнем случае, катализ лишь одной ферментативной реакции, которая имеет ключевое значение для получения целевого продукта.

Биообъект, осуществляющий полный биосинтез целевого продукта принято именовать продуцентом. Иммобилизированный биообъект, являющийся индивидуальным ферментом или выполняющий функцию одной ферментативной реакции используемой биотехнологом – именуют промышленным биокатализатором.

Таким образом, к биообъектам могут быть отнесены как макромолекулы, так микро- и макроорганизмы, то есть от вирусов до человека. В качестве макромолекул в промышленном производстве используются все известные классы ферментов, но наиболее часто - гидролазы и трансферазы.

Наиболее широко в качестве биообъектов используются микроорганизмы . Как биообъекты, микробные клетки прокариот и эукариот в современном биотехнологическом производстве являются продуцентами первичных метаболитов, используемых в качестве лекарственных средств: аминокислот, азотистых оснований, липидных структур, коферментов, моно- и дисахаров, ферментов медицинского назначения, применяемых в заместительной терапии и т.д.

Микроорганизмы образуют также огромное количество вторичных метаболитов, многие из которых также нашли применение в клинике. Например, гормоны, антибиотики, витамины и другие перспективные корректоры гомеостаза клеток млекопитающих.

Итак, что же мы подразумеваем под термином "совершенствование биообъекта"? - Прежде всего – это повышение продуктивности биообъекта. Далее, какие же изменения нужны при совершенствовании биообъекта? - только наследственные. Это изменения, локализованные в ДНК, передающиеся при репликации ДНК и, соответственно, при размножении биообъекта (наследственные изменения). Только это, собственно, и интересует биотехнологов. То есть, наследственные изменения фенотипа - это изменения, которые реализуются, при изменении ДНК.

По выраженности почти любого признака в микробной популяции составляют вариационный ряд. Большинство клеток имеют среднюю выраженность признака.

Итак, по каким же специфическим свойствам мы совершенствуем биообъект?

1. Продуктивность

2. Экономичность (микроорганизм использует более дешевую и питательную среду).

3. Дефицитность (микроорганизм использует более доступную питательную среду).

4. Вязкость (в случае жидкой культуральной среды).

Поскольку из цеха ферментации культуральная среда (жидкость) идет в цех выделения и очистки, то там сотрудники часто жалуются на высокую вязкость культуральной жидкости, в результате чего мицелий невозможно ни отцентрифугировать, ни отфильтровать. Значит, задача селекционеров - улучшение свойств культуральной жидкости.

5. Промышленная гигиена.

Например, когда нарабатывается антибиотик цефалоспорин, очень трудно находиться в помещении (запах тухлой капусты). Значит, в идеале штамм должен выделять как можно меньше летучих веществ.

6. Устойчивость к заболеваниям.

Вы знаете, что если у вас биообъект – растение, то он может быть поражен бактериями, грибами и т.д. А если у вас биообъектом является микробный гриб или актиномицет, то он может быть поражен фагами (т.е. микробными вирусами).

Если рассмотреть цели клеточной инженерии, то можно сказать, что в идеале с ее помощью мы можем получать межвидовые и межродовые гибриды микроорганизмов, а также – можем получать гибриды клеток между отдаленными в эволюционном отношении многоклеточными организмами. Новое направление в биотехнологии – сочетание клеточной инженерии с инженерной энзимологией непосредственно в производстве.

Лекция №3

Совершенствование продуцентов (биообъектов) методами генетической инженерии.

План лекции

1. Понятие генетической инженерии.

2. Схема этапов работы генного инженера.

3. Факторы, определяющие выбор микроорганизма-продуцента.

4. Понятие и функции плазмидного вектора.

5. Функции рестриктаз и лигаз.

6. Гены-маркеры.

7. Явление сплайсинга

Наибольшие практические успехи генетической инженерии применительно к биотехнологии лекарств достигнуты в настоящее время в области создания штаммов микроорганизмов-продуцентов видоспецифичных для человека белков. Такие белки для микробной клетки являются чуждыми, в организме же человека одни из них играют роль биорегуляторов (белковые гормоны), другие – факторов врожденного иммунитета (интерфероны) и т. д.

Технология рекомбинантных ДНК (её называют также молекулярным клонированием или генной инженерией) – это совокупность экспериментальных процедур, позволяющая осуществить перенос генетического материала из одного организма в другой. Никакого единого универсального набора методик здесь не существует, но чаще всего эксперименты проводятся по строго определенной схеме. Генетическая инженерии – это соединение фрагментов ДНК (природного происхождения, синтетических или тех и других) в пробирке, т. е. in vitro и последующее введение новых (рекомбинантных) структур в живую клетку с тем условием, чтобы введенный, точно охарактеризованный фрагмент ДНК реплицировался после включения в хромосому или автономно экспрессировался.

Схему этапов работы генного инженера.

1. Соединение фрагментов ДНК, т.е. нуклеотидных последовательностей в пробирке (могут быть и синтетические последовательности или смесь природных и синтетических последовательностей).

2. Далее, к гену, кодирующему целевой белок присоединяется нуклеотидная последовательность, кодирующая так называемую лидерную последовательность аминокислот (преимущественно гидрофобных). Синтезированный в клетке целевой продукт с такой лидерной последовательностью аминокислот проходит с их помощью через липидные слои цитоплазматической мембраны из клетки наружу.

3. Затем, производится включение гена в клетку, но «не прямо в клетку, конечно» так как, вы понимаете, что клетка окружена оболочкой и для включения в неё генов приходится использовать так называемые «транспортные устройства» на основе плазмид.

При выборе микроорганизма учитывается ряд обстоятельств.

1. Поскольку микроорганизм будет выращиваться в производственных условиях в большом количестве и с ним будут контактировать многие работники предприятия (биологи, химики и т.д.), поэтому желательно, чтобы он не был патогенным. Также необходимо, чтобы в целевом генно-инженерном продукте не было присутствия даже следов микробных токсинов.

2. Как чужеродная для клетки структура, проникший в клетку вектор не должен расщепляться нуклеазами клетки. Генетический материал должен сохраняться.

3. У будущего продуцента целевого продукта необходимо ослабить те системы репарации на уровне ДНК, которые могут уничтожить вектор. То есть рибосомы потенциального продуцента должны воспринимать информационную РНК, соответствующую чужеродному материалу.

4. Образовавшийся чужеродный для клетки белок (для биотехнолога - целевой продукт) не должен расщепляться ее протеазами, т.е. он не должен подвергаться воздействию систем, гидролизующих чужеродные белки.

5. Наконец, желательно, чтобы у потенциального продуцента чужеродного белка, последний выводился из клетки в среду. Этим облегчается его последующее выделение и очистка.

Таким образом, нужно иметь ген, подходящую клетку и транспортное устройство, которое получило название вектор. Вектор конструируется на основе плазмид. Плазмида состоит из 2-х спиральной ДНК (замкнутая кольцевая молекула), в принципе тоже самое, как и у бактериальной хромосомы. Отличие заключается в том, что плазмида раз в 100 меньше хромосомы. Например, если в бактериальной хромосоме содержится примерно 3000 генов (от 1 тысячи до 6-7 тысяч), то в плазмиде - примерно 30 генов.

Так вот, надо. Что используется для этого? Для того чтобы ввести ген в вектор используются ферменты рестриктазы (от слова restrict - разрезание), которые по биохимической классификации относятся к нуклеазам (к эндонуклеазам). Затем, чтобы ген закрепить прочно в векторе (транспортном устройстве) вступают в действие другие ферменты - это лигазы (от слова "лигатура" - сшивание), которые "сшивают" ген и вектор ковалентной связью.

Сплайсинг (от англ. splice - сращивать или склеивать концы чего-либо) - процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе процессинга РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании информационной РНК (иРНК) у эукариот.

Лекция №4

Геномика и протеомика

План лекции

1. Периоды развития генетики.

2. Секвенирование генома.

3. Цель и классификация геномики.

4. Модельные микроорганизмы.

5. Существенность гена.

6. Философские проблемы геномики.

7. «house kеeping genes» и «ivi genes».

8. Система «IVET».

9. Протеомика.

Что собственно значит геномика? Чем она отличается от генетики? Геномика во главу угла ставит уже не ген, а полный геном микробной, растительной и животной клеток. Геном - это уже качественный скачок вперед, демонстрирующий преодоление массы трудностей как технических и теоретических. Итак, геном прокариот, как вы знаете, в наследственном, т.е. генетически рассматриваемом отношении - это одна хромосома, т.е. кольцевая, замкнутая ДНК. Что касается генома эукариот (помните, там оформленное ядро, мембрана), то он, как правило, сложнее, так как клетки эукариот имеют несколько хромосом. У прокариот геном - гораздо проще, чем у эукариот, количество генов у них гораздо меньше, чем у эукариот. И мы с вами будем рассматривать некоторые примеры, используя клетки именно прокариот, геном которых является более простым.

Теперь, геномика расматривающая ген целиком, возможна только тогда, когда осуществлено секвенирование этого гена. От (англ.) секвенс- последовательность. В данном случае «секвенс» - последовательность нуклеотидных пар ДНК. Цель геномики - установление полной генетической характеристики всей клетки: установление количества содержащихся в ней генов и их последовательности, установление количества нуклеотидов в каждом гене и их последовательности, установление функций каждого гена применительно к метаболизму организма.

Несмотря на то, что геномика как наука, возникла относительно недавно, условно можно выделить определенные направления. Ну сама по себе геномика - это структурная оценка генома в целом: вы определяете путем секвенирования последовательность пар нуклеотидов, то есть сначала структуру отдельного гена, а затем и структуру всего генома.

Однако по ряду отдельных вопросов вы ведете исследования в направлении, так называемой сравнительной геномики . Значит, секвенируете геномы и гены в разных организмах и сопоставляете их друг с другом и решаете определенные теоретические и практические вопросы.

Еще одно очень важное направление, оказавшееся в дальнейшем ещё и очень трудоемким - это геномика функциональная или метаболическая . Идентификация генов проводится с помощью специальных компьютерных программ, в которых описаны геномы так называемых модельных микроорганизмов.

Теперь следующий очень важный момент - у каждого гена есть стартовая часть, есть детерминирующая часть и есть рамка считывания, т.е. структурный ген, которой индивидуален для каждого гена. А вот стартовая и детерминирующая части, как правило, стандартны (за редким исключением).

Итак, важнейшая проблема заключается в том, - каким образом от шифра перейти к функции.

краткое содержание других презентаций

«Сельскохозяйственная биотехнология» - Нарушение формирования волосяного покрова. Фитобиотехнология. Сельскохозяйственная биотехнология. Трансформация растений. Метод получения изолированных протопластов. Метод электрослияния изолированных протопластов. Биотехнология в кормовой промышленности. Способность к неограниченному росту. Направления генетической модификации растений. Трансплантация эмбрионов. Т-сегмент. Получение трансгенных растений.

«Перспективы биотехнологии» - Проблемы экологии и управление отходами. Создание синергетического эффекта. Российская технологическая платформа. Структура бюджета. Промышленная биотехнология. Рейтинг региональных кластеров. Подготовка кадров. Биоиндустрия в СССР. Ресурсы. Стратегия социально-экономического развития. Стратегическое развитие аграрного комплекса. Сценарии развития. Направления инновационной деятельности. Ожидаемые результаты.

«Развитие генной инженерии» - Основной единицей наследовательности любого организма является ген. В организм животного был введен некий ген, позволявший «обходить заболевания стороной». Генная инженерия начала развиваться с 1973 года, когда американские исследователи Стэнли Коэн и Энли Чанг встроили бартериальную плазмиду в ДНК лягушки. Так, например, компания «Lifestyle Pets» создала с помощью генной инженерии гипоаллергенного кота, названного Ашера ГД.

«Множественные выравнивания» - Jalview – редактирование выравниваний. Какие бывают выравнивания? Современные методы построения множественного выравнивания (MSA, multiple sequence alignment). Использование ClustalW. Как “читать” множественное выравнивание? Что такое множественное выравнивание? TCoffee. Какие output-форматы бывают. Можно ли редактировать множественное выравнивание? Какое выравнивание интереснее? Руководящее дерево.

«Генетическая инженерия» - Полезное влияние генной инженерии. Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей. Научные факторы опасности генной инженерии. 8. Могут возникнуть новые и опасные вирусы. Хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Такие новые вирусы могут быть более агрессивными, чем исходные.

«Сравнительная геномика» - Результаты. Разные виды кинетических уравнений. Пример (абстрактный). Что получается (кишечная палочка). Система уравнений. Потоковые модели – стационарное состояние. Пространство решений. Системная биология - модели. Потоковые линейное программирование. Проблемы. Пример (реальный) – синтез лизина в corynebacterium glutamicum. Уравнения баланса. Кинетический анализ регуляции. Мутанты. Кинетические уравнения.

Биообъект -это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

Требования, предъявляемые к биологическим объектам

Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микробов - контаминантов, или загрязнителей. Представителями контаминирующей микрофлоры являются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. При использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофитной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие нестерильности системы.

Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов - одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.

Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках животного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником ферментов также являются изолированные клетки или специализированные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.

Классификация биообъектов

1) Макромолекулы

Ферменты всех классов (чаще гидролазы и трансферазы); в т.ч. в иммобилизированном виде (связанные с носителем) обеспечивающем многократность использования и стандартность повторяющихся производственных циклов;

ДНК и РНК - в изолированном виде, в составе чужеродных клеток.

2) Микроорганизмы

Вирусы (с ослабленной патогенностью используются для получения вакцин);

Клетки прокариоты и эукариоты - продуценты первичных метаболитов: аминокислот, азотистых оснований, коферментов, моно- и дисахаров, ферментов для заместительной терапии и т.д.); -продуценты вторичных метаболитов:антибиотики, алкалоиды, стероидные гормоны, и др.;

Нормофлоры - биомасса отдельных видов микроорганизмов применяемые для профилактики и лечения дисбактериозов;

Возбудители инфекционных заболеваний - источники антигенов для производства вакцин;

Трансгенные м/о или клетки - продуценты видоспецифичных для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета и т.д.

3) Макроорганизмы

Высшие растения - сырье для получения БАВ;

Животные - млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, членистоногие, рыбы, моллюски, человек;

Трансгенные организмы.

В качестве биологических объектов или систем, которые использует биотехнология, прежде всего, необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетка. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:

1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимы в жизни человека, пока недоступны для получения «небиотехническими» способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья или же сложности технологических процессов.

2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 минут, дрожжевая - через каждые 1,5-2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток. Например, в биореакторе емкостью 100 м 3 за 2-3-сут. можно вырастить 10 16 -10 18 микробных клеток. В процессе жизнедеятельности клеток при их выращивании в среду поступает большое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют собой кладовые этих продуктов.

3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырье для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырье для других видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной, пищевой промышленности, растительное сырье, дрожжи, древесина, меласса и др.).

4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технология переработки и т.д.