Главная \ 2. Закваски промышленные \ Биотехнология \ Базовые представления о биотехнологии и пробиотиках

Базовые представления о биотехнологии

О БИОТЕХНОЛОГИИ и СОЗДАНИИ ПРОБИОТИЧЕСКИХ БАД

пробиотики и биотехнология

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Прим. ред.: Текст данной страницы содержит часть материала 10-й главы из книги "Питание, микробиоценоз и интеллект человека" (Ткаченко Е. И., Успенский Ю. П. Питание, микробиоценоз и интеллект человека / Е. И. Ткаченко, Ю. П. Успенский. — СПб. : СпецЛит, 2006. — 590 с.). Несмотря на год издания указанного руководства, вопросы освещаемые в работе актуальны и по сей день...

Биотехнология — одна из новых и быстро развивающихся отраслей науки, техники и народного хозяйства — представляет собой область знаний, соединяющую достижения микробиологии, биохимии и химической технологии.

Фундаментальные основы биотехнологии на сегодняшний день претерпевают революцию, открывающую как новые возможности их применения в здравоохранении, сельском хозяйстве, производстве продовольствия и для защиты окружающей среды, так и возможности новых научных открытий. Это происходит во всемирном масштабе. Общие фундаментальные основы, относящиеся к живым организмам и экосистемам, порождают новые научные дисциплины, например геномику и биоинформатику, и новые практические приложения, например тестирование генов и регенерирование органов и тканей человека. Последние в свою очередь открывают перспективы для приложений, которые окажут глубинное влияние на общество и экономику, далеко превосходящие последствия, например использование генетически модифицированных сельскохозяйственных культур. Биотехнологию принято рассматривать как одну из наиболее многообещающих передовых технологий на ближайшие десятилетия.

Биотехнология, подобно информационной технологии, расширяет человеческие возможности, может применяться для достижения весьма разнообразных целей, приносить пользу и обеспечивать выгоды, как частные, так и общественные. На основе научных прорывов, произошедших в последние годы, и взрывообразного накопления фундаментальных знаний о живых системах создается непрерывный поток новых сфер приложения.

Во всемирном здравоохранении имеется огромная потребность в новых и инновационных подходах, соответствующих потребностям стареющих популяцийи бедных стран. Пока еще не известны препараты от половины заболеваний, бытующих в мире, и даже существующие средства, например антибиотики, становятся менее эффективными вследствие возникновения лекарственной устойчивости. Биотехнология уже сегодня дает возможность более дешевого, более безопасного и более приемлемого с этической точки зрения получения увеличивающегося числа традиционных и новых лекарственных средств и медицинских услуг (например, гормона роста человека, использование которого не сопряжено с риском заболевания губчатым энцефалитом Крейцфельда — Якоба; лечения больных гемофилией с использованием неограниченных источников факторов свертывания крови, не содержащих вирусов СПИДа и гепатита С; инсулина человека и вакцин против гепатита B и бешенства). Биотехнология пересматривает парадигму ведения больных в сторону как большей персонализации, так и усиления профилактики с учетом генетической предрасположенности и диагноза, использования целенаправленного скрининга и медикаментозного лечения новейшими препаратами. Фармакогеномика, использующая информацию о геноме человека при создании и разработке лекарств, будет и далее служить поддержкой этим радикальным изменениям. Исследования стволовых клеток и ксенотрансплантации открывают перспективы замещения тканей и органов при лечении дегенеративных заболеваний и поражений, возникающих при параличе, болезней Альцгеймера и Паркинсона, поражений спинного мозга и ожогов.

В области сельского хозяйства и производства продовольствия биотехнология обладает потенциалом, позволяющим повысить качество продовольствия и оказать благотворное действие на окружающую среду благодаря использованию усовершенствованных сельскохозяйственных культур. Во всем мире площади под генетически модифицированные культуры увеличились примерно вдвое по сравнению с 1998 г. и достигли приблизительно 50 млн га (около 12 млн га в Европе). Качество продовольствия и кормов может быть увязано с предотвращением заболеваний и снижением опасности для здоровья. Продовольствие повышенного качества («функциональное продовольствие»), вероятно, будет приобретать большую популярность в качестве части образа жизни и выигрышного элемента питания. Анализ генома растений, поддержанный исследовательским проектом FAIR, привел уже к генетическому усовершенствованию традиционной европейской зерновой культуры (именуемой полбой, Triticum spelta), обеспечившему повышенный выход белка (18 %), так что выведенная культура может использоваться в качестве альтернативного источника кормовых белков в животноводстве.

Для культур с модифицированной резистентностью зафиксировано значительное сокращение использования пестицидов. Усиление природной устойчивости растений и животных к заболеваниям или стрессу может привести к уменьшению количества применяемых химических пестицидов, удобрений и химикалиев и усиленному использованию сберегающих способов обработки почвы, а следовательно, к более устойчивой земледельческой практике, уменьшающей эрозию почв и оказывающей благотворное влияние на окружающую среду. Вероятно, наука о жизни и биотехнология послужат одним из важных инструментов в борьбе с голодом и недоеданием, помогут обеспечить продовольствием увеличивающуюся человеческую популяцию при сокращении ущерба для окружающейсреды.

Биотехнология обладает также потенциалом, позволяющим улучшить непродовольственное использование сельскохозяйственных культур в качестве источников промышленного сырья или новых материалов, например биоразлагаемых пластиков. Материалы растительного происхождения могут обеспечить промышленность, энергетику и фармацевтическое производство как молекулярными строительными блоками, так и более сложными молекулами. Среди модификаций, разрабатываемых в настоящее время, — изменение углеводов, масел, жиров и белков, получение волокна и новых полимеров. При соответствующих экономических и налоговых условиях биомасса может использоваться в качестве альтернативного источника энергии (как на жидком, так и на твердом биотопливе), например биодизельном топливе и биоэтаноле, а также в другие процессы, например в биодесульфурацию. Геномика растений также вносит вклад в традиционное улучшение сортов посредством селекции с использованием маркеров.

Биотехнология предлагает новые способы защиты и очищения внешней среды, включая бионормализацию загрязненных воздуха, почв, воды и отходов, а также разработку более экологически чистых промышленных продуктов и производственных процессов, например основанных на использовании ферментов (биокатализаторов).

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

ДНК, секвенирование, ПЦР

Краткая история развития биотехнологии. Старая биотехнология возникла в древности примерно 6000—5000 лет до н. э., когда люди научились выпекать хлеб, варить пиво, приготовлять сыр и вино. Этот первый этап биотехнологии был сугубо эмпирическим и продолжал оставаться таким, несмотря на совершенствование технологических процессов и расширение сфер использования биотехнологических приемов, вплоть до открытия Пастером в XIX в. природы брожения. С этого момента начался второй, научный, этап развития традиционной биотехнологии. В этот период получены и выделены ферменты, открыты многие микроорганизмы; разработаны способы их выращивания и получения в массовых количествах; получены культуры животных и растительных клеток и разработаны способы искусственного культивирования; в результате изучения физиологии, биохимии и генетики микробных и животных клеток намечены пути получения и синтеза микробиологическых продуктов, необходимых для медицины, сельского хозяйства и промышленности. Сформировалась вначале техническая микробиология, а затем биотехнология.

Однако промышленное производство сводилось в основном к получению на основе природных штаммов биомассы бактерий, дрожжей, грибов, вирусов, из которых затем получали или выделяли необходимый продукт (ферменты, антибиотики, антигены, белок и др.). Выходы целевого продукта были низкими, технология громоздка, качество недостаточное.

На смену старой традиционной биотехнологии с 1970— 1980-х гг. пришла новая биотехнология, основанная на применении искусственно получаемых штаммов-суперпродуцентов, на использовании иммобилизованных ферментов, применении культур животных и растительных клеток, широком использовании генно-инженерных работ для получения клеток-рекомбинантов, моноклональных антител, получения широкого спектра новых биологически активных веществ, естественно, благодаря прогрессу в области создания научной аппаратуры и технологического оборудования. Новая биотехнология возникла, таким образом, на основе достижений молекулярной биологии и микробиологии, генетики и генной инженерии, иммунологии, химической технологии, биологического приборо- и машиностроения. Сердцевиной ее явилась генетическая инженерия, индустрия рекомбинантных ДНК.

Рождение новой биотехнологии обусловлено рядом принципиальных открытийи достиженийв науке. Следует перечислить прежде всего:

  • установление структуры белка инсулина (Сэнгер, 1953);
  • доказательство двухнитевой структуры ДНК (Уотсон, Крик, 1953);
  • расшифровка генетического кода, доказательство его универсальности для бактерийи человека (Ниренберг, 1963);
  • открытие ферментов рестриктаз (Арбер, Смит, Натансон, 1972);
  • синтез пептидов (Мерифилд, 1963);
  • автоматическое определение структуры белков, разработка быстрого метода химического анализа ДНК, т. е. генов (Эдманн, Бегг, Худ, 1967 — 1980; Гилберт, Максам, Сэнгер, 1976);
  • получение первой рекомбинантной ДНК из фрагмента ДНК вируса ОВ-40 и бактериофага (Берг и др., 1972);
  • синтез искусственного гена инсулина, соматостатина. Экспрессия гена человека в бактериальной клетке (Итакура и др., 1977—1979);
  • получение гибридов-продуцентов моноклональных антител (Келлер, Мильштейн, 1975);
  • создание автоматических синтезаторов гена (Итакута, 1980);
  • создание и совершенствование аналитических методов и приборов, а также технологического оборудования (изотопная техника, электрофокусирование, ультрафильтрация, скоростное ультрацентрифугирование, электрофорез, аффинная хроматография, ядерно-магнитныйрезонанс, микроанализ и др.).

Вышеупомянутые фундаментальные достижения позволили в течение последнего десятилетия расшифровать, синтезировать и создать рекомбинантные молекулы для целого ряда белковых продуктов (гормонов, антигенов, ферментов, иммунопродуцентов) и получать их в несвойственных биологических системах, о чем речь пойдет ниже.

Наука формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Это, в частности, относится непосредственно и к биотехнологии. Таким образом, ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на четыре периода:

1)  эмпирический;
2)  этиологический;
3)  биотехнологический;
4)  генотехнологический.

Эмпирический (от гр. empeirikos — опытный), или доисторический, период — самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет — до н. э. и около 2000 лет — н. э.

Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь относятся к разряду биотехнологических. Кризис охотнического промысла (хозяйства) стал побудительным мотивом революции в изготовлении продуктов питания. Эта революция началась около 8000 лет назад и привела к изобретению техники земледелия — началу производительного ведения хозяйства (неолит и бронзовые века). Стали формироваться так называемые приречные цивилизации Месопотамии, Египта, Индии и Китая. Шумеры — первые жители Месопотамии (на территории современного Ирака) создали цветущую в то время цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством варить пиво. В этом следовали им ассирийцы и вавилоняне, жившие также в Месопотамии, египтяне и древние индусы. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготовлявшийся в домашних условиях, хотя о микробах — индукторах этого процесса — мир узнал в 1868 г. благодаря работам Пастера (и это несмотря на существование с XIV в. так называемого «Орлеанского способа» приготовления уксуса); первая дистилляция вина осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в., но получение почти абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду Луллию (ок. 1235—1315) благодаря перегонке вина с негашеной известью. В те древние времена продукты питания растительного и животного происхождения использовались не только в пищу, но и для лечебных целей. Например, в ассирийской столице Ниневии (8—7 в. до н. э.) была царская библиотека, насчитывавшая более 30 000 клинописных табличек, из которых в трех имелись сведения о лекарственных средствах и их рецептуре, и в самом городе размещался сад лекарственных растений. К тому же эмпирическому периоду относится и получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов, мочка лубоволокнистых растений.

Длительное накопление фактов происходило и в области микологии (от греч. mykes — гриб). Сведения о грибах можно найти в писаных источниках древности, а Луций Лициний Лукулл (106—56 гг. до н. э.), славившийся богатством, роскошью и пирами («лукуллов пир»), предпочитал всем съедобным грибам кесарев гриб (Amanita cesarea L.). Древние евреи хорошо знали ржавчину хлебных злаков и головню. В IV—I вв. до н. э. были собраны интересные материалы о грибах, нашедшие отражение в работах Аристотеля, Диоскорида, Плиния Младшего, Теофраста. В последующие века нашей эры микология стала самостоятельной наукой— велика роль в этом Д. Персоона и Э. М. Фриза, по праву считающихся отцами систематической микологии.

Таким образом, народы исстари пользовались на практике микробиологическими процессами, не зная о микробах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных.

Второй, этиологический (от гр. aitia — причина), период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть ХХ в. (1856—1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822—1895) — основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин (промышленной, медицинской, химической, санитарной). С аналитической микробиологией непосредственно связано открытие Пастером молекулярной асимметрии (стереоизомерии). Это, по существу, бриллиантовый век микробиологии. Пастер вскрыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг существовавшее тогда представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии; предложил метод стерилизации, называемый по его имени пастеризацией, и т. д.

Немеркнущая слава Пастера не затмила имен его выдающихся учеников и сотрудников: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш. Э. Шамберлана, Ж. А. Вильемена, И. И. Мечникова. В этот же период творили Р. Кох, Д. Листер, Ш. Китазано, Г. Т. Риккетс, Д. И. Ивановский, А. Лаверан и др.

Параллельно с Пастером трудился в Германии, а позднее во Франции выдающийся миколог А. де Бари (1831—1888) — основоположник физиологической микологии. Изучив стадию размножения и индивидуального развития грибов (онтогенетический метод), с учетом их взаимоотношенийс другими видами, а также цитологических и биологических особенностей, де Бари создал классификацию, которая и сегодня лежит в основе современных классификационных схем микро- и макромицетов.

Де Бари — основоположник микофитопатологии — науки о грибных болезнях растений (от греч. fitos — растение, pathos — болезнь), под его руководством сформировалась плеяда выдающихся ученых (в том числе из России): Ф. М. Бальфур, И. В. Баранецкий, М. Бейеринк, О. Брефельд, М. С. Воронин, А. Кох, А. С. Фаминицин и др.

В ряду открытий всемирного значения стоит обнаружение в 1892 г. вируса мозаической болезни табака Д. И. Ивановским (1864—1920). Последовавшие за этим открытия других вирусов обеспечили становление новой научной дисциплины — вирусологии: Ф. Леффлер и П. Фрош в 1898 г. открыли вирус ящура, Д. Кэррол в 1901 г. — вирус желтой лихорадки, Ф. Туорт в 1915 г. и Ф. д’Эрелль в 1917 г. — вирусы бактерий— бактериофаги. Большой вклад в вирусологию был внесен отечественными и зарубежными учеными — Л. А. Зильбером, А. А. Смородинцевым, П. М. Чумаковым, А. Борелем, К. Левадити, К. Ландштейнером, В. Стэнли, П. Лейдлоу, П. Руа, П. Ф. Эндерсом и многими другими. Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). Например, маслянокислые бактерии и вызываемое ими маслянокислое брожение, лактобактерии и молочнокислое брожение, дрожжи — сахаромицеты и спиртовое брожение, уксуснокислые бактерии и окисление этанола до уксуснойкислоты и т. д. В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также некоторых продуктов обмена (метаболизма) — ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот; во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Знание причин биологических процессов еще не исключало нестерильных операций, хотя ученые и стремились к использованию чистых культур микроорганизмов. Для всестороннего изучения морфолого-физиологических свойств и продуктов обмена, прежде всего микробов, все ранее предложенные способы их выращивания оказались малопригодными. Более того, накопление однородной по возрасту большой массы клеток оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход к решению многих задач в области биотехнологии.

В 1938 г. А. Клюйвер и Л. Х. Ц. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов.

С этого времени начинается третий период в развитии биологической технологии — биотехнический. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (во время Второй мировой войны 1939—1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами). Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии.

Следует отметить, что уже в 1869 г. Ф. Мишер получил «нуклеин» (ДНК) из гнойных телец (лейкоцитов); В. Освальд в 1893 г. открыл каталитическую функцию ферментов; Т. Леб в 1897 г. установил способность к выживанию вне организма (в пробирках с плазмой или сывороткой крови) клеток крови и соединительной ткани; Г. Хаберланд в 1902 г. показал возможность культивирования клеток различных тканей растений в простых питательных растворах; Ц. Нейберг в 1912 г. раскрыл механизм процесса брожения; Л. Михаэлс и М. Л. Ментен в 1913 г. разработали кинетику ферментативных реакций, а А. Каррел усовершенствовал способ выращивания клеток тканей животных и человека и впервые применил экстракт эмбрионов для ускорения их роста; Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов в 1925 г. доказали мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи, а в 1937 г. Г. Кребс открыл цикл трикарбоновых кислот (ЦТК); в 1960 г. Ж. Барски и соавт. впервые обнаружили соматические гибриды опухолевых клеток мыши.

Следовательно, накопленные научные факты стали побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения. Это необходимо было для получения различных клеточных продуктов и самих клеток для нужд человека, и прежде всего в качестве или в составе лечебных или профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрациклинов, декстрана, ряда аминокислот и многих других веществ. К 1950 г. Ж. Моно (Франция) разработал теоретические основы непрерывного управляемого процесса культивирования микробов; в 1950-е гг. вопросам практической реализации непрерывного культивирования микроорганизмов посвятили свои исследования М. Стефенсон, И. Малек, Н. Д. Иерусалимский и др. Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе и главного их них — биореакторов. Это оборудование используют и в настоящее время.

Четвертый период в биотехнологии — генотехнический (от греч. genesis — происхождение, возникновение, рождение) — начался с 1972 г. В этом году П. Берг со своими сотрудниками в США создал первую рекомбинантную молекулу ДНК. Однако следует отметить, что в 1969 г. Дж. Бекуит с коллегами выделил в химически чистом виде лактозный ген из кишечной палочки, показав тем самым возможность направленных манипуляций с генетическим материалом бактерий.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфических ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ.

Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне. На таком же уровне или близком к нему находятся следующие генно-инженерные препараты: интерфероны, фактор некротизации опухоли (TNF), интерлейкин-2, соматотропный гормон человека и аналог его соматомедин Ц и др. Зная строение аппарата наследственности у разных организмов, удается манипулировать не только нуклеиновыми кислотами, но и целыми хромосомами (хромосомная инженерия) и клетками (клеточная инженерия).

Для генотехнического периода характерны:

  • разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов);
  • получение суперпродуцентов;
  • создание продуцентов, несущих в себе бессмысленную информацию (например, гены интерферона человека в клетках Pseudomonas aeruginosa);
  • создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе (неклубеньковых растений, несущих гены азотобактерий, ответственные за способность фиксировать молекулярныйазот из воздуха);
  • разработка и внедрение экологически чистых и, по возможности, безотходных технологий;
  • разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры блочного (сменного) типа для различных биотехнологических схем;
  • автоматизация и компьютеризация биотехнологических процессов;
  • создание экономически оптимальных производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

Вот почему инженер-биотехнолог в современном понимании должен быть широко и глубоко подготовленным специалистом, в распоряжении которого оказываются сложнейшие биологические системы (или их аналоги), синхронно работающие в заданном направлении. В любом биотехнологическом процессе наиважнейшим звеном является биообъект, «капризы» которого по любому поводу могут пагубно сказаться на результатах этого процесса.

Методами биотехнологии получают в промышленных масштабах огромное количество ценных продуктов, применяемых как кормовые добавки, пищевые добавки, ферменты, защитные и другие средства. Причем себестоимость многих продуктов, как правило, ниже, чем получаемых химическим синтезом, к тому же и качество их зачастую значительно выше. Ряд препаратов в больших количествах возможно получить только методами биотехнологии. Биотехнологическими методами в сельском хозяйстве получают продукты и препараты, приведенные в табл. 10.1.

Таблица 10.1 Продукты биотехнологии, применяемые в народном хозяйстве

Медицина
Ветеринария и сельское хозяйство
Пищевая промышленность
Химическая промышлен- ность
Энергетика
Антибиотики
Витамины
Аминокислоты
Гормоны
Вакцины
Антитела
Компоненты крови
Диагностические
препараты
Иммуномодуляторы
Алкалоиды
Пищевые белки
Нуклеиновые кислоты
Нуклеозиды
Нуклеотиды
Липиды
Антиметаболиты
Антиоксиданты
Противоглистные
агенты
Противоопухолевые
агенты
Кормовой белок
Кормовые
антибиотики
Витамины
Гормоны
Вакцины
Биологические
средства защиты
растений
Выведение новых сортов растений
и животных
Инсектициды
Аминокислоты
Органические
кислоты
Белок пищевой
Ферменты
(сыры, молочные продукты)
Напитки
Липиды
Сахара
Спирты
Дрожжи
Ацетон
Этилен
Бутанол
Биогаз
Этанол

Спектр продуктов питания, получаемых с помощью микроорганизмов, обширен: от вырабатываемых с древнейших времен за счет брожения хлеба, пива, вина, йогурта до новейших продуктов — грибного белка микопротеина.

При этом микроорганизмы играют разную роль:

  • использование продуцируемых ими ферментов и других метаболитов;
  • сбраживание с их помощью различного сырья;
  • непосредственное потребление самих микроорганизмов.

Примеры продуктов, получаемых методами биотехнологии:

Молочные продукты — сквашивание (ферментация) молока стрептококками и превращение при этом лактозы в молочную кислоту. Используются разнообразные закваски, позволяющие получать молочные продукты нужного качества и типа. Получение сыра с помощью бактерий, например Streptococcus lastic, Propionibacterium petersoni, Lactobacillus lactis и др. Получение йогурта заквашиванием молока бактериями Streptococcus thermophillis и Lactobacillus bulgaricus. Для улучшения вкуса сливочного масла используют сливки с добавками штаммов Streptococcus lactis. Для производства хлеба применяют дрожжи Saccharomyces cerevisiae.

Бродильные производства. Получение напитков путем спиртового брожения — вино, пиво, спирт; путем сбраживания сахарсодержащего сырья дрожжами рода Saccharomyces. Так, при получении пива применяют дрожжи S. cerevisias, S. carlsbergensis. В производстве вина используют брожение бактерий Lactobacillus, Pedicoccus.

Грибной белок — микропротеин — это пищевойпродукт, состоящий в основном из мицелия гриба. При его производстве используют штамм Ffusarium graminearum. По питательнойценности он не уступает животному белку.

Пищевые добавки и ингредиенты. При помощи различных микроорганизмов получают подкислители, аминокислоты, витамины, жиры, пигменты.

Фрукты и овощи. Для длительного сохранения овощейи фруктов используют эффект брожения с участием бактерийи с образованием кислот. Образование молочной кислоты препятствует развитию бактерий кишечной группы, спорообразующих бактерий. При консервировании капусты, зеленых плодов брожение идет при участии Leuconostoc и Lactobacillus. Применяются ферменты из микроорганизмов и при выработке фруктовых соков.

Основные биопрепараты, получаемые для пищевой промышленности методами биотехнологии, приведены в табл. 10.2.

Таблица 10.2 Препараты, получаемые биотехнологическими методами, для пищевой промышленности

Продукт
Пример
Применение в пищевой промышленности
Аминокислоты
Цистеин, метионин, лизин
Повышение питательнойценности пищи (в том числе белка одноклеточных)
 
Глутаман
Усиление аромата мясных, рыбных, грибных изделий
 
Глицин, аспартат
Придание кондитерским изделиям и на- питкам кисло-сладкого вкуса
Олигопептиды
Аспартам, тауматин, монеллин
Гидролиз крахмала при производстве спирта, вин, в пивоварении, хлебопечении, изготовлении кондитерских изде- лий и детского питания
Ферменты
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
α-Амилаза
Получение глюкозы, удаление остаточ- ных декстринов из пива
Глюкоамилаза
Производство кондитерских изделий
Инвертаза
Производство мальтозных (в сочетании с β-амилазой) или глюкозных (в сочета- нии с глюкоамилазой) сиропов из крах- мала, предварительно обработанных α-амилазой
Пуллуланаза
Производство безлактозного молока, ос- вобождение молочной сыворотки от лактозы, приготовление мороженого
β-Галактозидаза
Приготовление растворимого кофе, мор- ковного джема, улучшение консистен- ции грибов и овощей, обработка цитру- совых
Осветление вин и фруктовых соков, об- работка цитрусовых
Целлюлозы
Сыроварение, ускорение созревания тес- та, производство крекеров
Осветление пива
Пектиназы
Ускорение маринования рыбы, удаления мяса с костей
Микробные протеазы
Придание специфического аромата сыру, шоколаду, молочным продуктам, улучшение качества взбитых яичных белков
Пепсин, папаин, фицин, трипсин, бромелайн
Удаление кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, лимонных, апельсиновых и виноградных соков
Липазы
Повышение питательной ценности пищевых продуктов
Глюкозооксидаза в сочетании с каталазой
Антиоксиданты
 
 
 
 
Витамины
А, В1, В2, В6, В12, С, D, Е, никотиновая кислота
Терпены и род- ственные соеди- нения
Гераниол, нерол
Ароматизаторы-консерванты, ароматизаторы
Органические кислоты
Уксусная, бензойная, молочная, глюконовая, лимонная

Микроорганизмы, культуры растительных клеток могут дать пищевые добавки, выгодно отличающиеся своей «натуральностью» от синтетических продуктов, преобладающих в настоящее время. В будущем кулинар сможет добавить в изделие аромат земляники или винограда, масло чеснока или мяты — продукты, образуемые в биореакторах с растительными клетками. Все большее значение приобретают низкокалорийные, не опасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза — продукт превращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкоизомеразы. В некоторых продуктах применяют глицин, дающий в комбинации с аспарагиновой кислотой различные оттенки сладкого и кислого. Планируют пищевое применение очень сладкого дипептида аспартама и особенно 100—200-звенных пептидов тауматина и монеллина, которые слаще сахарозы в 10 тыс. раз. В виде мультимера аспартам получен с помощью генно-инженерных мутантов E. coli, недавно клонирован также ген тауматина.

Немаловажную роль играют ныне в пищевой промышленности ферменты. С их помощью осветляют фруктовые соки, производят безлактозное (диетическое) молоко, размягчают мясо. Большие возможности в плане повышения питательной ценности представляет добавление в продукты питания витаминов и аминокислот. Ряд аминокислот производят с применением микробов-сверхпродуцентов, полученных с применением методов генетической инженерии. Так, генно-инженерныйштамм Е. coli синтезирует до 30 г/л L-треонина за 40 ч культивирования.

Важный аспект биотехнологии — улучшение штаммов промышленных микроорганизмов. Основные приложения биотехнологии к пищевой промышленности суммированы в приведенной табл. 10.2. Биомасса одноклеточных в перспективе может употребляться как пищевая добавка. Основные принципы получения белка в пищу те же, что и для производства кормового белка, однако круг допустимых субстратов более ограничен, а требования к компонентному составу биомассы более жесткие. В пищевой биомассе должно содержаться не менее 80 % белка сбалансированного аминокислотного состава, не более 2 % нуклеиновых кислот и 1% липидов. Необходимы детальные токсикологические и медико-биологические исследования с последующим клиническим испытанием пищевых препаратов биомассы.

Психологический барьер, на который наталкивается производство «микробной пищи» в странах Европы и Японии, связан не только с прямым риском подвергнуться интоксикации, но и с сомнительными вкусовыми достоинствами этой «пищи будущего». Эксперт по проблемам питания, попробовав образец бактериальной биомассы, заметил: «Она имеет все те свойства, которыми должна обладать новая человеческая пища: не иметь ни запаха, ни цвета, ни структуры, ни вкуса».

Остается выразить надежду на то, что в эпоху, когда белок одноклеточных войдет в употребление, биотехнология сможет в полной мере использовать созданный ею же потенциал растительных и микробных клеток как продуценты вкусовых, ароматизирующих и структурирующих пищу добавок. Перспективным представляется культивирование грибов (Fusarium), цианобактерий (Spirulina), зеленых водорослей (Chlorella, Scenedesmus), имеющих консистенцию и другие органолептические свойства, более привычные для человека. Волокнистую массу Fusarium на базе картофельного или пшеничного крахмала как источник пищи для человека производит ныне компания Rank Hovis Mc. Dougall.

Микробиологическим синтезом можно получить различные органические кислоты — уксусную, молочную, лимонную, янтарную, итаконовую, глюконовую и др. Они находят широкое применение не только в пищевой, но и в фармацевтической, химической, текстильной и других отраслях промышленности. Лимонная, уксусная и молочная кислоты, полученные микробиологическим синтезом, традиционно используются в пищевой промышленности и считаются более предпочтительными, чем синтезированные химическим путем. Микроорганизмами-продуцентами этих кислот являются бактерии, плесневелые грибы и дрожжи. Микроорганизмы, продуцирующие уксусную и лимонную кислоты, являются аэробами. Молочную кислоту продуцируют анаэробные микроорганизмы. Полагают, что микроорганизмы продуцируют кислоты как защитное средство от посторонней микрофлоры, а также как резервные источники углерода.

Медицинская биотехнология. К медицинской биотехнологии относят те производственные процессы, которые завершаются созданием с помощью биообъектов средств или веществ медицинского назначения, прежде всего профилактического или лечебного действия на организм человека. К ним относят: антибиотики, витамины, коферменты и ферменты, отдельные микробные полисахариды, аминокислоты, нуклеозиды и др. (см. табл. 10.1). Частным случаем медицинской биотехнологии выступает так называемая иммунобиотехнология. Она объединяет производства вакцин, иммуноглобулинов, моноклональных антител и др.

Основные продукты биотехнологии для медицины: Антибиотики («против жизни») — вещества, образуемые микроорганизмами и избирательно подавляющие рост других микроорганизмов. Продукт их химической модификации — полусинтетические антибиотики. Открытие и начало использования антибиотиков происходило в 1940-х гг. На мировом рынке в настоящее время производство антибиотиков возросло в несколь сот раз. Антибиотики высокоактивны и угнетают рост микроорганизмов в концентрации порядка 1 мкг/мл и меньше. Они принадлежат к самым различным классам химических соединений. Известно около 6000 природных (т. е. синтезируемых микроорганизмами) антибиотиков. Из них в медицине нашли применение около 150. А из многих тысяч полусинтетических (т. е. полученных химическим синтезом) применяется около 200 препаратов. Продуцентами антибиотиков являются многие роды и виды микроорганизмов. История науки об антибиотиках началась с открытия в 1929 г. А. Флемингом (Англия) на агаровой среде в чашке Петри, засеянной стафилококком, колонии плесневелого гриба из рода Penicillium, образовавшегося в результате случайно попавшей на агар из воздуха споры этого гриба. А. Флеминг обнаружил эффект — вокруг колонии появилась зона прозрачного агара, т. е. гриб образовывал антибиотик пенициллин, который не только останавливал размножение стафилококка, но и вызывал последующий лизис его клеток.

Антибиотик был выделен в очищенном состоянии лишь через 10 лет во время Второй мировой войны, когда с особой остротой встала проблема борьбы с раневой инфекцией. К настоящему времени в лабораториях разных стран мира выделены и охарактеризованы сотни тысяч продуцентов антибиотиков. Как правило, продуцентами являются такие почвенные микроорганизмы, как плесневелые грибы,   актиномицеты, спорообразующие  бактерии. Плесневелые грибы — многоклеточные микроорганизмы, со сложным циклом развития. Они образуют сотни различных антибиотиков. Важнейшая группа антибиотиков, образуемая грибами, — пенициллины и цефалоспорины. Их объединяют под названием бета-лактамные антибиотики. Широко известны два продуцента бета-лактамов: Penicillum chrysodenum и Acremonium chrysodenum. На основе этих природных антибиотиков получены полусинтетические их аналоги. Представитель рода грибов Fusidium coccineum образует антибиотик стероидной структуры — фузидин.

Поиск продуцентов антибиотиков среди грибов продолжается. Актиномицеты — многоклеточные микроорганизмы, которые являются продуцентами огромного числа разнообразных антибиотиков — около 4000. Виды Streptomyces и Micromonospora образуют антибиотики аминогликозидной структуры, к которым принадлежат широко известные лекарственные препараты: стрептомицин, гентамицин, неомицин, канамицин и другие с широким антибактериальным спектром действия. Кроме этих природных антибиотиков в медицине используются и продукты их химической модификации, т. е. полусинтетические антибиотики. Виды Streptomyces образуют широко известные антибиотики тетрациклиновой группы: хлортетрациклин, окситетрациклин и тетрациклин (используется как медицинское средство защиты). Широко известны и антибиотики, образуемые актиномицетами, такие как эритромицин, олеандомицин. Полусинтетическим антибиотиком этого вида является рифампицин, или рифампин.

Актиномицеты образуют ряд противоопухолевых антибиотиков (свыше 10) — Streptomyces verticillirus образует антибиотик блеомицин. Споровые бактерии почвенные образуют около 1000 антибиотиков. Большинство из них представлены пептидами и циклопептидами. Известны антибиотики грамицидин С (продуцент Bacillus brevis), полициклин В (продуцент Bacillus polimuxa). В целом антибиотики, образованные почвенными споровыми бактериями, не столь разнообразны, как антибиотики актиномицетов. Фактически ни один продуцент, выделенный из почвы или другого природного источника, непосредственно в производстве использован быть не может. Природный штамм образует лишь незначительное количество антибиотиков. Путем обработки мутагенами и многоступенчатого отбора (селекции) активных вариантов обычно удается повысить активность штамма, т. е. количество образуемого им антибиотика на миллилитр среды, в сотни, тысячи и десятки тысяч раз. Так, у продуцента пенициллина, в результате десятков лет селекционной работы во многих лабораториях разных стран, активность повысилась от нескольких десятков милиграмм антибиотика в миллилитре среды до 100 000 мкг.

В настоящее время существует промышленное получение ряда ценных веществ из растительной биомассы, культивируемой in vitro. Производство многих веществ биотехнологическим методом дает больший выход лекарственных средств из единицы полупродукта по сравнению с традиционными технологиями, основанными на переработке плантационного сырья. Еще в 1960-х гг. было показано, что культуры клеток растений на искусственных питательных средах могут синтезировать различные вещества, присущие интактному растению. Любая клетка способна образовывать полноценное растение, поскольку генетический и физиологический потенциал, необходимый для образования вторичных метаболитов, присутствует в каждойклетке, и они способны культивироваться в форме неорганизованной клеточной массы (каллус). Каллусную ткань можно «заставить» формировать зародышеподобные структуры, почки, растения, а на их основе — растения-регенеранты. Другими словами, клетка обладает способностью воспроизводить целый организм. В качестве примера в табл. 10.3. приведены лекарственные средства, изготовляемые на основе культур клеток растений.

Таблица 10.3 Лекарственные средства, изготовляемые на основе биомассы культур клеток растений

Лекарственное средство
Основа биомассы
Шиконин
Воробейник аптечный
Убихинон-10
Табак
Серпентин
Барвинок розовый
Берберин
Коптис японский
Панаксозиды
Женьшень
Камитотецин
Кудзю
Дигоксин
Наперстянка шерстистая
Диосгенин
Диоскорея дельтовидная
Антрохиноны
Marinda citrifolia

В практике здравоохранения и в медицинской промышленности широко применяются ферменты как лечебные и диагностические препараты. Путем микробиологического синтеза для медицинских целей получают следующие медицинские препараты:

  • солизим (фермент, гидролизующий жиры);
  • α-амилаза (гидролизует крахмал);
  • террилитин (протеолитический фермент);
  • стрептокиназа (фибринолитический фермент);
  • β-галактозидаза (сахаролитический фермент).

Традиционная биотехнология, основанная на переработке тканей животных, поставляет в медицинскую практику следующие ферменты:

  • трипсин, химотрипсин (протеолитический фермент), используемый для рассасывания рубцов;
  • урокиназу, предназначенную для лечения тромбозов;
  • пепсин, незаменимый при расстройствах пищеварения.

Традиционные биотехнологии, основанные на переработке растительного сырья, дают ферменты: бромелайн, папаин, фицин, используемые при нарушении пищеварения.

Методами биотехнологии получают витамины и коферменты. Витамины — это группа органических низкомолекулярных соединений различной химической природы, оказывающие в очень низких концентрациях сильное и разнообразное биологическое действие. В организме человека и животных витамины не синтезируются или синтезируются в недостаточных количествах (например, никотиновая кислота) и поступают туда с пищей. Основной источник витаминов — растения. В последние годы научные исследования показали, что высокой биологической активностью обладают, как правило, не сами витамины, а их производные — коферменты. В производстве большей части витаминов ведущее положение занимает химический синтез, однако возрастает и значение биотехнологических методов. Это обусловлено все ужесточающимися экологическими требованиями и возможностью сокращения части стадий химического синтеза за счет использования биотехнологических решений (при биосинтезе процесс получения витаминов проводится в одну стадию).

К важнейшим биотехнологическим производствам к настоящему времени в России относят получение витаминов В12, В2, В3, РР и D. Так, мировое производство витамина В12 составляет 11 т в год, продуценты — прокариотические микроорганизмы Propionibacterium. Витамин В2 (рибофлавин) способны синтезировать высшие растения, дрожжи, мицелиальные грибы, бактерии. При промышленном производстве В2 используют культуры дрожжеподобных грибов Eremothecium ashbyii и Achbya gossipii. С помощью методов генной инженерии сотрудниками ВНИИ генетики сконструирован новый промышленный продуцент Bacillus subtilis.

К фармацевтическим препаратам, в производстве которых используется биотехнология, принадлежат стероидные гормоны. Гормоны принимают важное участие в регуляции и осуществлении практически всех жизненно важных функций организма. Наиболее значимые из них — кортикостероиды, прогестогены, эстрогены и андрогены. В медицинской практике они применяются в качестве противовоспалительных, анаболических, контрацептивных, противораковых лекарств. В мировом масштабе стоимость производимых лекарственных препаратов составляет 1,8 млрд долларов, а с помощью биотехнологии их производится на сумму 400 млн долларов. К образованию стероидов способны преимущественно бактерии Arthrobacter simplex, Mycobacterium globiforme.

Аминокислоты известны как составные элементы белков. Многие аминокислоты находят применение в медицине в качестве смесей для парентерального питания, а также в фармацевтической промышленности при химическом и биохимическом синтезе лекарственных средств. Аминокислоты могут быть получены химическим путем, химико-энзиматическим путем, гидролизом белоксодержащих субстратов, равно как и прямым микробиологическим синтезом. Наиболее распространены способы: химико-энзиматический и микробный синтез.

При прямом микробном синтезе соответствующие микроорганизмы-продуценты в процессе роста на жидких средах потребляют источники углерода и азота, а взамен выделяют в среду целевую аминокислоту. В производстве используют небольшое число видов микроорганизмов. Это не образующие спор почвенные аутотрофы родов Corynebacterium, Brevibacterium, Serrati, спорообразующие клетки бацилл, например Basillus subtilis, кишечная палочка E. coli, а также ряд других микроорганизмов. Широко применяются генетически измененные штаммы продуцентов, в которых мобилизуются все ресурсы клетки на образование целевой аминокислоты в ущерб росту биомассы и синтезу других клеточных компонентов.

Современная биотехнология взяла на вооружение методы генной инженерии, с их помощью стало реальным использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных и растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ. Биотехнология рекомбинантных белков в фармацевтической промышленности охватывает производство вакцин, синтез белково-пептидных гормонов, интерферонов и других препаратов. В настоящее время в промышленных масштабах производится несколько продуктов для медицинских целей. В первую очередь это инсулин, гормон роста, вакцина против гепатита В, а также семейство интерферонов. Кроме того, еще около 10 препаратов находится на стадии внедрения. В качестве суперпродуцентов используют E. coli, Bacillus subtilis, Saccaromyces cerevisial и другие микроорганизмы.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА БИОТЕХНОЛОГИИ

Хромосомная ДНК и плазмиды в бактериальной клетке

Биообъекты — как средства биотехнологии. В качестве биологических объектов, которые использует биотехнология, прежде всего необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки.

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 необходимые в жизни человека, пока не доступны для получения «небиотехнологическими» способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья, или же сложности технологических процессов, особенно в крупномасштабном производстве;

2)..клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20—60 мин, 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 огромное количество биомассы микробных, животных или растительных клеток. Например, в ферментере (аппарате для выращивания клеток) емкостью 100 м3 за 2—3 сут. можно вырастить 1016—1018 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 другие значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырье для биосинтеза, как правило, проще и дешевле, чем сырье для других видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной продукции, пищевой промышленности, растительное сырье (например, молочная сыворотка, дрожжи, древесина, меласса и др.);

4)..возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т. е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступного сырья, технологии переработки и т. д.

Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты разнообразного физико-химического состава и биологического действия.

При росте клетки в ней осуществляется огромное число катализируемых ферментами реакций, в результате которых образуются промежуточные соединения, которые в свою очередь превращаются в структуры клетки. К промежуточным соединениям, к строительным «кирпичикам», относятся 20 аминокислот, 4 рибонуклеотида, 4 дезоксирибонуклеотида, 10 витаминов, моносахара, жирные кислоты, гексозамины. Из этих «кирпичиков» строятся «блоки»: примерно 2000 белков, ДНК, 3 типа РНК, полисахариды, липиды, ферменты. Образующиеся «блоки» идут на строительство клеточных структур: ядра, рибосомы, мембраны, клеточной стенки, митохондрий, жгутиков и пр., из которых состоит клетка. Этот процесс показан на схеме, из которой также видно, что на каждой стадии «биологического синтеза» клетки можно определить те продукты, которые могут быть использованы в биотехнологии.

Обычно продукты одноклеточных делят на 4 категории:

  1. сами клетки как источник целевого продукта. Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины, дрожжи — как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т. д.;
  2. крупные молекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;
  3. первичные метаболиты — низкомолекулярные вещества (ММ менее 1500 дальтон), необходимые для роста клеток, такие как аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты;
  4. вторичные метаболиты (идиолиты) — низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток: антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны.

Таблица 10.4 Схема прохождения «биологического синтеза» клетки и продукты синтеза, используемые в биотехнологии

Стадии биосинтеза клетки
Продукты, используемые в биотехнологии
1. Синтез аминокислот, моносахаров, жирных кислот, нуклеотидов, витаминов
Первичные метаболиты («кирпичики»)
2. Синтез белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов, их комплексов
Макромолекулы («блоки»)
3. Образование ферментов, гормонов, антибиотиков, токсинов, антигенов, антител
Вторичные метаболиты («блоки»)
4. Образование структур клетки (ядра, рибосомы, клеточной стенки, митохондрии, жгутиков и т. д.)
Структура клетки («элементы»)
5. Формирование клетки
Клетка («цельная система»)

Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, которое в результате технологической обработки превращается в конечный, пригодный для использования продукт. Перечень основных продуктов, получаемых биотехнологией для применения в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве, в пищевой и химической промышленности, в энергетике, приведен в табл. 10.4.

Круг биообъектов, используемых в биотехнологии, чрезвычайно широк. Так, в медицине при получении лекарственных средств (альбумин, g-глобулин) в роли биообъекта выступает человек-донор, а также многие макрообъекты животного царства (табл. 10.5). Огромное количество различных биотехнологий предусматривает использование в качестве элементной базы микроорганизмы из царства Растений. Например, почки и однолетние побеги тополя являются сырьем для изготовления простагландинов, смола сосны — продуктом для получения скипидара; смола пихты — сырьем для бальзама; древесина камфарного дерева — поставщиком камфары. Из цветков ромашки извлекают эфирное масло, из листьев белены черной— тропановые алкалоиды и т. д.

Таблица 10.5 Макрообъекты животного царства, используемые в биотехнологиях

Макрообъект
Используется в биотехнологии
вид лекарственного средства
способ применения макрообъекта
Лошадь, осел, мул
Альбумин, плазма, лейкоциты, сыворотки
Как объект для иммунизации, продуцент
Марал
Пантокрин
Донор пантов
Корова, як
Инсулин, панкреатин
Донор ткани
Баран
Эритроциты
Донор
Свинья
Пепсин
То же
Кролик
Диагностическая сыворотка
«  «
Яйцо куриное
Вакцины
Объект для размножения вирусов
Пчелы
Пчелиный яд
Донор
Змеи
Антитоксические сыворотки
То же

Переработка сельскохозяйственных отходов позволяет помимо ряда прочих продуктов получать заменитель сахара — ксилит. Все эти процессы характеризуют первичную ступень развития биотехнологии, так как предусматривают получение биологически активных веществ из естественного сырья. При этом технология получения составляет следующую цепочку:

  1. Контроль качества сырья.
  2. Выделение и очистка продукта.
  3. Приготовление товарной формы биопрепарата.

Вторичная ступень, более совершенная, связана с использованием культур клеток микроорганизмов. Выращивание клеток высших растений возможно в виде нароста недифференцированной меристемы — каллуса — на поверхности твердой питательной среды или в жидких средах. Клетки высших животных так же хорошо растут в монослое. Животные и растительные клетки в биотехнологии рассматриваются в качестве типичного микрообъекта, их использование началось с конца XIX в., когда Л. Пастер и Р. Кох получили первые препараты против туберкулеза и сибирской язвы. В последующем микрообъекты нашли свое применение при производстве лечебных антитоксических сывороток, лечебных и диагностических препаратов, химиотерапевтических средств, аминокислот, витаминов, ферментов, полисахаридов и т. д. Все микрообъекты, используемые в биотехнологии, относят или к про-, или к эукариотам. Из группы эукариот, например, в фармации оперируют в качестве биообъектов клетками простейших, водорослей и грибов, а из группы прокариот — клетками сине-зеленых водорослей и бактерий, а также вирусами и бактериофагами.

Биообъекты из микромира варьируют в размерах от нанометров и микрометров (вирусы, бактериофаги) до миллиметров и сантиметров (гигантские водоросли) и характеризуются относительно быстрым темпом размножения. Делятся они как митозом (дрожжи), так и простым делением — почкованием. Деление дрожжей происходит раз в 90—120 мин, деление бактерий — раз в 20— 60 мин. В современной фарминдустрии используется гигантская гамма биообъектов, группировка которых весьма сложна и лучше всего может быть выполнена на основе принципа их соразмерности. Интересующие биообъекты объединены в пять основных групп (табл. 10.6), причем соразмерность в первых четырех имеет кратность в 3 порядка и только в пятой группе собраны биообъекты, отличающиеся по размерам от четвертой группы всего на один порядок.

Таблица 10.6 Размерная градация биообъектов

Группа
Размер
Биообъекты
1-я
От 10 м до 1 см
Доноры: человек, лошадь, корова
Макроорганизмы: биореакторы, мышь, куриный эмбрион
Растения: бионакопители сапонинов, алкалоидов и т. д.
Ядовитые растения и животные
2-я
От 1 см до 1 мм
Гигантские водоросли — продуценты алгинатов
Каллусные культуры—продуценты панаксозидов, биотрансформаторы
Культуры тканейдермы —искусственная кожа человека
Культура клеток-лейкоцитов, продуцентов интерферона
3-я
От 1 мм до 1 мкм
Клетки эукариот, Клетки низших эукариот (плесени, дрожжи), Клетки-химеры, Биопродуценты
Биотрансформаторы
4-я
От 1 мкм до 1 нм
Бактериофаги, Вирусы, Липосомы
5-я
От 1 нм до …
ДНК, Ферменты, Макромолекулы-носители

Следует отметить, что даже та огромная совокупность биообъектов, приведенных выше, не исчерпывает всей элементной базы, которой оперирует биотехнология. Последние успехи биологии и генной инженерии привели к появлению совершенно новых биопродуцентов. В настоящее время большинство объектов биотехнологии составляют микробы, относящиеся к трем надцарствам (безъядерные, предъядерные, ядерные) и пяти царствам (вирусы, бактерии, грибы, растения и животные). Причем первые два надцарства состоят исключительно из микробов, тогда как третье — преимущественно из растений и животных. Микробами среди растений являются микроскопические водоросли, а среди животных — микроскопические простейшие. Из эукариот к микробам относятся грибы и, при определенных оговорках, лишайники, которые являются природными симбиотическими ассоциациями микроскопических грибов и микроводорослей или грибов и цианобактерий.

В первой половине XIX в. было сделано одно из самых основных обобщений биологии — клеточная теория (М. Шлейден, Т. Шванн, Р. Вирхов), которая стала общепризнанной. Она же оказалась фундаментом науки — цитологии. Из всех объектов биотехнологии лишь вирусы, вироиды и биомолекулы не имеют клеточной организации. Однако вирусы, находясь в клетках, ведут себя как живые существа — они реплицируются, и их генетический материал функционирует в основном по общим законам, присущим клеткам любого происхождения. По мере совершенствования методов и техники цитологических исследований ученые глубже проникают в сущность организованных частиц и клеток, а в результате такого проникновения удается обосновать принадлежность всех живых существ к трем надцарствам: безъядерные, предъядерные, ядерные. К первому относятся организованные частицы — вирусы и вироиды; ко второму — бактерии; к третьему — все другие организмы (грибы, водоросли, растения, животные). Несмотря на то, что представители всех надцарств содержат генетический материал, различные акариоты лишены какого-либо одного типа нуклеиновой кислоты РНК или ДНК. Они не способны функционировать (в том числе — реплицироваться) вне живой клетки, и, следовательно, правомочно именовать их безъядерными. Бактерии имеют ленточную организацию, и в них содержатся нуклеиновые кислоты обоих типов — РНК и ДНК, из которых ДНК представлена в виде одиночной (кольцевидной) хромосомы. Большинство бактерий размножается на питательных средах (вне организма), а если среди них и есть безусловные (облигатные) паразиты, приближающиеся по данному признаку к вирусам (хламидии, спироплазмы, риккетсии), то паразитизм их отличается по своему механизму — его можно назвать клеточным. Паразитизм вирусов развивается на генетическом уровне. Таким образом, бактерии — это организмы, состоящие из функционально связанных структур, в том числе генетических. Несмотря на то что генетические структуры бактериальной клетки функционируют полноценно, они не сгруппированы в форме отграниченного ядра, и поэтому бактерии отнесены к предъядерным (прокариотическим) организмам. Клетки грибов, водорослей, растений и животных имеют настоящее, отграниченное от цитоплазмы, ядро, и поэтому их относят к эукариотам.

Биотехнологические требования к биообъектам-продуцентам.

Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность или стабильность биомолекул или биосистем. Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного объекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например и для микробов-контаминантов, или загрязнителей (от лат. contaminatio — заражение, загрязнение). Представителями контаминирующей микрофлоры оказываются 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, например из-за негерметичности в каком-либо узле. Скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц прямо пропорционально сказывается на возрастании клеточной массы и образовании метаболитов или, применительно к фагам, на возрастании массы лизирующих клеток.

В этом смысле подавляющее большинство микроорганизмов выгодно отличается от клеток растений и животных. Однако не следует упускать из виду важность конечного продукта. Например, уже упомянутые моноклональные антитела можно получить лишь с помощью животных клеток, когда длительность культивирования их не приобретает самодовлеющего значения. 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, т. е. 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. Рассмотрим 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. Способность синтезировать целевой продукт является главным критерием при отборе продуцентов. Однако микробиологическая промышленность предъявляет к продуцентам ряд других требований, важных с точки зрения технологии производства.

Микроорганизмы должны: 1) обладать высокой скоростью роста; 2) использовать для жизнедеятельности дешевые непищевые субстраты; 3) быть устойчивыми к заражению посторонней микрофлорой. Все это позволяет значительно снизить затраты на производство целевого продукта. Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями синтетических процессов, чем высшие формы живого. Так, корова массой 500 кг в течение одних суток синтезирует около 0,5 кг белка. Такое же количество белка за одни сутки можно получить с помощью 5 г дрожжей. Столь высокие скорости роста характерны, однако, не для всех микроорганизмов.

Существуют так называемые олиготрофные микроорганизмы, растущие крайне медленно. Они малоизучены, но представляют значительный интерес как возможные продуценты различных веществ. Поэтому исследование факторов, регулирующих рост культур, оптимизация условий выращивания продуцентов имеют большое теоретическое и практическое значение в биотехнологии.

Особый интерес, как объекты биотехнологических разработок, представляют фотосинтезирующие микроорганизмы. Они используют в своей жизнедеятельности энергию света, синтезируют разнообразные вещества клеток в результате восстановления углекислоты, сопряженного с окислением воды (цианобактерии и эукариоты), способны к усвоению атмосферного азота (прокариоты), т. е. обходятся самыми дешевыми источниками энергии, углерода, восстановительных эквивалентов и азота. Преимущества фотосинтетиков очевидны перед традиционными в настоящее время объектами биотехнологии — микроорганизмами, энергетические и конструктивные потребности которых обеспечиваются органическими соединениями. Фототрофные микроорганизмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и различных биопрепаратов. Большое будущее ожидает фотосинтетиков на пути генетической инженерии в связи с созданием новых технологий микробиологического производства на основе биоконверсии солнечной энергии. Прогресс в этой области сдерживается недостатком фундаментальных знаний по генетике и молекулярной биологии фототрофов.

Выгодным объектом для биотехнологии являются термофильные микроорганизмы. Они оптимально растут при высоких температурах (60—80 °С, отдельные представители до 110 °С и выше, в подводных выбросах сверхгорячих вод на больших океанических глубинах найдены микроорганизмы, способные развиваться под давлением при температурах до 300 °С), что затрудняет развитие посторонней микрофлоры. Среди термофилов обнаружены ценные продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода. Применение термофилов позволяет снизить затраты на стерилизацию промышленного оборудования. Кроме того, скорость роста и метаболическая активность у этих организмов в 1,5—2 раза выше, чем у мезофилов (температурный оптимум развития составляет 20—45 °С). Ферменты, синтезируемые термофилами, в частности протеазы Thermus caldophilus или T. aquaticus, имеют высокую устойчивость к нагреванию, действию окислителей, детергентов, органических растворителей и другим неблагоприятным условиям. В то же время они малоактивны при нормальных температурах. Так, активность протеазы T. caldophilus при температуре 20 °С почти в 100 раз меньше, чем при 75 °С. Это свойство имеет прикладное значение, например в пищевой промышленности. И наконец, еще одно преимущество термофилов связано с затратами на охлаждение биореакторов. Поскольку реактор для культивирования термофильных микроорганизмов действует при температурах, значительно превышающих температуру окружающей среды, высокий перепад температур способствует быстрой теплоотдаче. Это позволяет применять биореакторы без громоздких теплообменных устройств и тем самым упростить их конструкцию, облегчая аэрацию, перемешивание и пеногашение.

Выделение и подбор объекта — важный этап биотехнологического процесса. Однако путем простого подбора не удается получить высокоактивные продуценты, поэтому возникает задача изменения природы организма в нужном направлении. Для этого используют методы селекции. С их помощью получены промышленные штаммы микроорганизмов, синтетическая активность которых превышает активность исходных штаммов в десятки и сотни раз.

Промышленное производство продуктов с помощью биологической технологии имеет ряд преимуществ:

  1. Микроорганизмы в сотни раз продуктивнее животных и растений. Например, дрожжи, микроскопические грибы, бактерии имеют скорость роста почти в 500 раз большую, чем сельскохозяйственные культуры, и в 1000 раз большую, чем крупный рогатый скот. Так, за 1 ч выращивания в 1 м3 питательной среды можно собрать около 3 кг кормовых дрожжей в пересчете на сухое вещество. Это означает, что с 1 м3 аппаратуры за одни сутки можно получить около 30 кг белков. Для производства такого количества растительного белка из гороха потребовалось бы 18 га посевов этой культуры, а для получения в сутки такого же количества животного белка необходимо содержать 100 коров.
  2. С помощью биотехнологии возможно производить продукты, изготовление которых  химическим путем либо невозможно, либо сложно и дорого.
  3. Микробиологические процессы выгодно отличаются от химических и в технологическом отношении. Под действием биологических катализаторов — ферментов реакции протекают при сравнительно низкой температуре (20—60 °С), без использования высокого давления (не более 3 атм.) или глубокого вакуума. При этом значительно упрощается технология производства, уменьшаются капиталовложения и эксплуатационные расходы в сравнении с химической биотехнологией.
  4. Микроорганизмы «создают» на дешевом и доступном сырье (даже на отходах других производств) такие продукты, применение которых в народном хозяйстве дает большой экономический эффект. Добавка в рацион, например, кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, полученных биотехнологическими методами, не только дает значительный привес животных и птиц, но позволяет сократить расход корма.
  5. Микробиологические средства защиты растений высокоэффективны, безвредны и позволяют уберечь урожай от вредителей и, благодаря этому, получать дополнительно тысячи тонн сельскохозяйственной продукции.

Таким образом, поразительно большая скорость осуществляемых микроорганизмами процессов, простота технологического оформления этих процессов, возможность использования доступного и дешевого сырья и высокая экономическая эффективность применения продуктов микробиологического синтеза — все это обусловливает высокие темпы развития биологической технологии и микробиологической промышленности во всем мире. Этому способствует возрастающая потребность сельского хозяйства, пищевой, мясной и молочной, медицинской, легкой, химической промышленности, машиностроения, черной и цветной металлургии и многих других отраслей народного хозяйства в продуктах биотехнологии. В качестве других примеров крупных производств, основанных на процессах микробного брожения, следует отметить получение спирта из углеводов, а также производство ацетона и бутанола. Для промышленного производства индивидуальных метаболитов микроорганизмы применяются недавно — всего несколько десятилетий.

Начавшийся в конце XIX в. и успешно продолженный в первой половине ХХ в. переход биотехнологии к научно обоснованным процессам стимулировал мощный прогресс этой области человеческих знаний. Новые биотехнологии осуществили революционные перевороты в ряде подотраслей медицины и сельского хозяйства, предотвратили деградацию лесов и обеспечили прогрессивное развитие лесного хозяйства, гарантировали перспективу горнодобывающей промышленности за счет извлечения металлов из бедных руд.

Современная биотехнология объединяет достижения биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики и использует их для создания ценных для человека продуктов, применяя микроорганизмы, культуры клеток и тканей многоклеточных организмов, клеточные ферменты и их комплексы.

В самом общем представлении можно говорить о биотехнологии как науке о процессах и методах переработки живыми организмами (микроорганизмы, клеточные культуры и др.) или продуктами их жизнедеятельности исходного сырья в ценные для человека продукты.

Важность развития биологической технологии диктуется все возрастающей ролью основных видов продукции микробиологической промышленности в экономике страны. Это означает не только совершенствование и расширение производства продуктов для животноводства и сельского хозяйства (кормового белка, кормовых аминокислот и витаминов, ветеринарных препаратов, микробиологических средств защиты растений и др.), но и создание новых процессов получения особо чистых продуктов пищевого и медицинского назначения (пищевого белка, пищевых аминокислот и ферментов, новых антибиотиков и вакцин для профилактики инфекционных болезней и т. д.).

АСПЕКТЫ КОРРЕКЦИИ ПИТАНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОДУКТАМИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

фитопробиотикк на основе бифидобактерий и экстракта кипрея узколистного

Вопросы коррекции питания БАД-нутрицевтиками.

Особенности питания на этапе усвоения (биотрасформации) пищи базируются на процессах трех типов (по биологической характеристике): во-первых, на деградации веществ за счет ферментов (внеклеточное, внутриклеточное, мембранное пищеварение); во-вторых, на эффектах симбионтов (микроорганизмов нормофлоры ЖКТ); в-третьих, на индуцированном аутолизе, т. е. на воздействии ферментов самого пищевого объекта. Поэтому выпадение (дисбаланс) любого перечисленного типа биотрансформации пищи из процессов пищеварения может приводить к неполноценности усвоения всего пищевого рациона (пищевых продуктов, нутрицевтиков и др.).

К сожалению, практически до настоящего момента официальная медицина и диетология акцентируют внимание в основном на первом типе биотрансформации пищи. Однако проблемы питания человека на современном этапе говорят о необходимости обеспечения баланса активности всех типов биотрансформации пищи.

Решение вопроса полноценного питания осложняется также целым комплексом проблем экологического характера — взаимосвязанности ухудшения состояния экологии внешней среды жизнедеятельности человека и экологии его внутренней среды (токсикации, дисбактериозы и т. д.). Эволюционно сформированные в процессе естественного отбора симбиотические взаимоотношения человека и микроорганизмов в различных экологических нишах (полость рта, кожа, ЖКТ и др.) постоянно подвергаются разрушающему воздействию, особенно под давлением широкомасштабного (и часто необоснованного) применения антибактериальных средств. Дисбаланс эволюционно сложившейся экологической системы организма человека с представителями микромира (бактерии, вирусы) имеет для него тяжелейшие последствия и изменяет состояние и функционирование не только иммунной системы, но всех жизненно важных систем и в целом гомеостаза.

В последние десятилетия накопились серьезные основания для утверждения, что в биоценозах представители различных групп организмов (даже различных царств) взаимодействуют не только с помощью массообмена, но и с помощью химических (биохимических) посредников. Регуляторные взаимодействия организмов, называемые аллелопатией (термин предложил Molisch в 1937 г.), распространены очень широко на всех уровнях эволюционной лестницы, включая микроорганизмы.

По утверждению академика A. M. Уголева, аллелопатия сводится к способности организмов определенных видов выделять физиологически активные вещества, действующие на организмы других видов. Классическим примером конкурентной аллелопатии может служить образование микроорганизмами антибиотиков, а растениями — фитонцидов.

С другой стороны, важную роль в биохимическом взаимодействии организмов играют позитивные кооперативные взаимодействия (мутуалистический симбиоз), примером которых служат взаимодействия высших растений и нитрофицирующих бактерий, грибов и одноклеточных водорослей, а также микроорганизмов нормофлоры ЖКТ человека и самого человека. Поэтому некоторые особенности состояния биоценозов могут быть следствием сигнального биохимического взаимодействия их различных членов — инициирующего стимулирования или инициирующего ингибирования различных процессов. Следовательно, состав и состояние любого биоценоза (в том числе на уровнях: микроорганизмы—человек, растения—человек и т. д.) зависят не только от прямых трофических взаимодействий, но и от взаимодействий регуляторного характера. Однако технология приготовления пищи и ее свойства (на современном этапе) не адекватны естественным процессам ассимиляции пищевых веществ человеком (в разной степени это касается всех типов биотрансформации пищи). Помимо того, рафинированность и техногенность пищи, а также употребление ее с учетом лишь энергетико-нутриентнойстороны питания лишает человека возможности получать с пищей обязательную ее составную часть — естественные экзогенные регуляторные факторы (ЭРФ).

Согласно теории адекватного питания (А. М. Уголев, 1991), для нормального протекания процессов ассимиляции пищи необходимо поступление в организм не только нутриентов, но и регуляторных веществ, которые могут быть как экзогенного происхождения, так и вторичными нутриентами. То есть регуляторные вещества могут находиться в пище или образовываться из нее под действием пищеварительных ферментов и других видов биотрансформации (например, под действием нормофлоры).

Согласно теории, существует два типа нутриентов. Одни из них (первичные нутриенты) поступают из окружающейсреды в составе пищи или БАД-нутрицевтиков, тогда как другие (вторичные нутриенты) образуются в организме из предшественников, чаще всего его симбионтами. Питание вторичными нутриентами преобладает у животных с симбионтным питанием, например у жвачных. Однако даже у человека образование и использование вторичных нутриентов играет существенную роль. В частности, у человека нормофлора ЖКТ синтезирует многие витамины, незаменимые аминокислоты. Из этого следует важнейший вывод, что собственный метаболизм лидирующего организма симбиоза человек—нормофлора ЖКТ, может оказаться дефектным, как из-за отсутствия некоторых вырабатываемых симбионтами веществ, так и вследствие нарушенных регуляторных взаимодействий между организмом человека и его симбионтами (микроорганизмами нормофлоры). Заслуживает пристального внимания и детального изучения тот факт, что существует достаточно заметная корреляция между процентом выявляемости дисбактериозов (различных видов) у населения и процентом существующих дефицитов микронутриентов.

Поэтому важнейшей приспособительной необходимостью существования человека (на современном этапе) является введение в структуру повседневного (контролируемого) питания не только источников нутриентов (микронутриентов) — БАД-нутрицевтиков, но и источников экзогенных регуляторных факторов в виде БАД-парафармацевтиков и специализированных БАД к пище. Основная роль БАД-парафармацевтиков как источников регуляторных факторов должна (в идеале) заключаться в инициации и поддержании естественных эндогенных компенсаторных процессов организма. При этом БАД-парафармацевтики, регулирующие функциональную активность ЖКТ и микробиоценоз, могут в значительной степени решать вопросы обеспечения организма необходимыми (в том числе дефицитными) нутриентами за счет повышения эффективности усвоения пищи (оптимизация первого и второго типа биотрансформации пищи) и оптимизации эндогенного синтеза. Поэтому любая программа (в теоретическом и практическом смысле), создаваемая для обеспечения полноценного питания и ликвидации любых макро-микронутриентных дефицитов, должна начинаться с восстановления (поддержания) нормального состояния (функционирования) органов ЖКТ, выделительных органов и микробиоценоза ЖКТ.

Таким образом, нормальное состояние микробиоценоза ЖКТ само по себе является стабилизирующим гомеостаз фактором, а также необходимым условием оптимального усвоения и утилизации пищевых компонентов, обеспечивающим разрушение избыточных компонентов пищи и образование недостающих (вторичных нутриентов). Не менее важным фактором, влияющим на процессы обеспечения организма важнейшими (в том числе дефицитными) нутриентами, является состояние и функциональная активность органов, участвующих в пищеварении и утилизации биологически активных веществ (БАВ). Поэтому первоочередное стремление обеспечить индивидуальную потребность организма в необходимых БАВ (использование нутрицевтиков) на фоне общей зашлакованности, нарушенной деятельности органов пищеварения и сниженной усвояемости компонентов пищи не может являться адекватным и рациональным подходом для решения этой проблемы. Низкая усвояемость, как и недостаточная степень биодоступности компонентов БАД-нутрицевтика, точно так же способна привести к неэффективности восполнения дефицита, как и недостаток активных ингредиентов в самом средстве. Изучению вопросов биодоступности БАД к пище следует уделять постоянное внимание, поскольку этот факт является ключевым в обеспечении эффективности нутрицевтиков. Полноценное восполнение нутриентного дефицита возможно только на основе оптимального состояния и функционирования органов ЖКТ.

В принципе решение этих задач является основным предназначением БАД-парафармацевтиков гастроэнтерологического профиля. Таким образом, основополагающим (стратегически первоочередным) направлением развития средств и методов фармаконутрициологии с целью обеспечения адекватного питания населения является разработка средств и подбор рациональных схем применения БАД к пище, снижающих токсическую нагруженность органов ЖКТ, способствующих восстановлению, регуляции, коррекции микробиоценоза и деятельности органов ЖКТ в физиологических границах, обеспечивающих профилактику гастроэнтерологических заболеваний. Кроме того, при составлении схем практического назначения БАД для восполнения нутриентных дефицитов, первоочередность использования должна принадлежать средствам, регулирующим микробиоценоз и функциональное состояние органов ЖКТ, и лишь затем рационально рекомендовать назначение БАД — источников дефицитных нутриентов…

БАД к пище являются важным дополнением при лечении заболеваний фармакологическими средствами, а иногда могут играть основную роль в их профилактике, в периоде выздоровления и реабилитации.

Знание механизмов действия различных нутриентов позволяет целенаправленно создавать БАД к пище с заданными свойствами для поддержания и восстановления различных тканей и систем организма.

Таким образом, выделяя несколько основных причин макро- и микронутриентных дефицитов, можно определить и соответствующие методы их коррекции:

  • Сниженное поступление необходимых нутриентов с пищей.
Коррекция этого вида дефицита возможна путем изменения рациона питания и обогащения его с помощью БАД-нутрицевтиков (источников нутриентов).
  • Нарушение усвоения и биотрансформации нутриентов (нарушение всасывания и др.).
Коррекция этого вида дефицита возможна путем восстановления деятельности органов ЖКТ и микробиоценоза кишечника.
  • Нарушение эндогенного синтеза нутриентов (витаминов, жирных кислот и др.).
Коррекция этого вида дефицита возможна путем восстановления микробиоценоза ЖКТ.
  • Нарушение процесса утилизации и выделения нутриентов (повышенное разрушение и выведение нутриентов из организма).
Коррекция этого вида дефицита возможна путем нормализации деятельности органов ЖКТ, органов, ответственных за процессы выделения, а также путем восстановления естественного микробиоценоза ЖКТ.
  • Повышенная потребность в нутриентах (повышенный расход в связи с интенсивным ростом, физической нагрузкой, беременностью и т. д.).
Коррекция этого вида дефицита — обогащение рациона питания и назначение функционального питания.

Значение пробиотиков и пробиотических продуктов в профилактике и лечении наиболее распространенных заболеваний человека.

Пробиотики, безусловно, являются одним из самых эффективных элементов профилактического питания, или, как в последние годы принято говорить, функционального питания. Вместе с тем применение их должно рассматриваться как необходимая часть комплексного лечения многих, а практически всех заболеваний, в первую очередь, конечно, заболеваний желудочно-кишечного тракта. Как известно, самые различные болезни, касающиеся не только органов желудочно-кишечного тракта, но и других систем организма, весьма часто становятся причиной развития нарушений кишечного микробиоценоза. Ведущая роль в возникновении этих нарушений связана с острыми кишечными инфекциями, такими как шигеллез, сальмонеллез, ротавирусная инфекция, кампилобактериоз и многими другими, которые, как правило, сопровождаются осложнениями в виде нарушений микробных популяций, свойственных здоровому организму. В этом человек во многом «помогает» себе сам, без ограничений применяя различные антибиотические препараты, химические препараты, что далеко не всегда является и полезным, и показанным данному больному. В то же время отступить от привычек довольно трудно, и поэтому приходится прибегать к коррекции тех нарушений, которые во многом обусловлены неразумными действиями.

Пробиотики и пробиотические продукты крайне важны как в острый период заболевания, так и в период реконвалесенции, в связи с их способностью оказывать антагонистическое действие на возбудителей инфекции и стимулировать иммунорезистентность. Если учесть, что дисбактериозы всегда связаны с ослаблением иммунитета, то риску иметь нарушения микрофлоры в нашей стране подвержены большие слои населения. Это люди, проживающие в экологически неблагополучных регионах; трудящиеся, работающие в условиях вредных физических, химических, радиационных и других воздействий на организм; лица, деятельность которых связана с постоянным присутствием стрессорных факторов.

Особую роль в возникновении дисбактериозов играет широкое применение в клинической практике антибиотиков, химио- и радиотерапии. Нельзя не отметить важность профилактики развития дисбиотических состояний, в первую очередь, у детей раннего возраста, которые являются следствием нарушений в питании младенцев, особенно развития у ребенка синдрома абсорбции в результате колонизации кишечника новорожденных детей патогенной флорой. Дети приобретают ее в родильных домах от окружающего персонала, часто весьма устойчивую к каким-либо факторам стерилизации, антибиотиками в то же время обладающую высокой патогенной активностью.

Таким образом, угрожающая цифра частоты дисбактериозов у населения достигает примерно 90 процентов, о которой говорят ведущие микробиологи и клиницисты страны, и которая свидетельствует о крайней необходимости создания, выпуска и внедрения в питание населения широкого спектра препаратов-пробиотиков и продуктов с пробиотическим действием. Необходимо подчеркнуть, что успешно решить данную задачу можно только в содружестве ученых-медиков, биохимиков, микробиологов, токсикологов, специалистов в области биотехнологии и, конечно, при широком участии непосредственных производителей препаратов-пробиотиков и продуктов с пробиотическим действием.

БИОТЕХНОЛОГИИ ПРЕПАРАТОВ С ПРОБИОТИЧЕСКИМ ДЕЙСТВИЕМ

пробиотики

Современная концепция конструирования пробиотиков

В последние годы во многих странах мира резко возрастает интерес населения к пробиотическим продуктам и препаратам, в состав которых входят представители как эндогенной, так и экзогенной части нормо-микробиоценоза человека, оказывающие благоприятное действие на его организм. Эти компоненты условно обозначены как «эндогенная» и «экзогенная» составляющие микробиоценоза. Они взаимодополняют друг друга и в равной степени необходимы для полноценного развития иммунной и других систем защиты организма от инфекций и последующего их поддержания в активном состоянии. Непатогенные спорообразующие бактерии, являющиеся одними из наиболее древних и распространенных рас микробов на Земле, выполняли преимущественно роль экзогенной части нормомикробиоценоза. Эти бактерии не подавляют микробов — представителей нормомикробиоценоза. Филогенетически родственные с лактобациллами, они не колонизируют слизистую ЖКТ вследствие слабых адгезивных свойств и через 3—5 сут. после прекращения приема элиминируются из организма.

В соответствии с этой концепцией в РФ, как и за рубежом, при конструировании пробиотических препаратов для медицинских целей используют два методологически различающихся принципа выбора микроорганизмов-антагонистов.

Первый из них, наиболее распространенныйи интенсивно развивавшийся в течение нескольких десятилетий в СССР (прежде всего учеными и медиками России — Л. Г. Перетцом, И. Н. Блохиной, Г. И. Гончаровой, Р. П. Чуприниной и др.), исходит из распространенного представления о нормомикрофлоре человека, наиболее характерными представителями которой считаются бифидобактерии, колибактерии, лактобактерии и бактероиды. Эти микробы колонизируют слизистую оболочку кишечника, образуя на ней за счет присущих им адгезионных свойств своего рода защитную «биопленку». Значение данных микроорганизмов для организма человека бесспорно, многогранно, что признается всеми авторами.

На сегодня достаточно широко изучены и описаны в учебной, научной и методической литературе изменения микробиоценоза при инфекционных и других заболеваниях, приводящих к дисбактериозу. В числе главных симптомов — существенные количественные и качественные нарушения нормомикрофлоры и, как следствие, локальные или распространенные участки слизистой кишечника, лишенные защитной «микробной пленки». Поэтому коррекция подобных нарушений посредством так называемого «повторного заселения» кишечника при использовании пробиотиков представителями нормомикрофлоры теоретически логична и практически оправданна, что подтверждается многолетним лечебным опытом. Соответственно этим результатам, некоторые авторы утверждают, что пробиотики могут и должны изготавливаться только на основе микроорганизмов из числа представителей резидентной (эндогенной) нормофлоры, для чего необходимы подбор природных или же селекция антагонистически высокоактивных штаммов.

Другой принцип заключается в применении для создания пробиотических препаратов непатогенных аэробных спорообразующих бацилл. Микробы рода Bacillus распространены во внешней среде и обладают выраженными полезными биологическими свойствами (прежде всего антагонистической активностью).

В составе данных препаратов, помимо собственно бактерий-антагонистов, содержатся также различные БАВ, являющиеся продуктами метаболизма этих базовых (производственных) штаммов микробов при их росте, развитии и размножении на плотных и в жидких питательных средах, используемых для накопления биомассы. В числе таких метаболитов могут идентифицироваться различные БАВ: бактериоцины, антибиотикоподобные субстанции и даже антибиотики, аминокислоты, ферменты, пептиды и полипептиды, полисахариды, витамины и провитамины, нуклеотиды и др. Спектр рассматриваемых БАВ индивидуален для каждого конкретного пробиотика и по основным слагаемым детермирован в первую очередь метаболическими характеристиками используемых в нем базовых штаммов микроорганизмов-продуцентов (т. е. генотипом).

Совокупность характеристик, реализованных в фенотипе бактерий-продуцентов, а также биологически активных продуктов их метаболизма, обусловливает, в конечном счете, спектр и выраженность лечебно-профилактической эффективности конкретного пробиотика. Однако в значительной мере он подвержен воздействию и собственно условий выращивания (состава и качества питательной среды, температуры и параметров аэрации и т. д.), что характеризуется как фенотипическая вариабельность свойств. По- этому от качества продуктов и препаратов с пробиотическими свойствами зависят их лечебно-профилактические свойства.

Основа различных видов препаратов с пробиотическим действием:

  • эндогенная составляющая микробиоценоза человека (нормомикрофлора человека) — бифидобактерии, колибактерии, лактобактерии;
  • экзогенная составляющая микробиоценоза человека (непатогенные спорообразующие бактерии, наиболее характерным представителем которой считается В. subtilis);
  • продукты микробиотического синтеза микроорганизмов-продуцентов (табл. 10.7).

Практические принципы выбора культуры микроорганизмов для конструирования продуктов с пробиотическим действием.

Принципы и подходы к созданию биологически активных продуктов функционального питания на базе современных биотехнологий:

  • штамм выбранного микроорганизма должен соответствовать по своему физиологическому источнику задачам, которые ставит разработчик. Если это ветеринария, то должен быть штамм, выделенный от животных, если это человек, то штамм должен быть выделенным от здорового человека;
  • микроорганизм выбирается из тех представителей защитной микрофлоры, которые свойственны организму человека, животного, птицы. Это, прежде всего, бифидобактерии и лактобактерии. Данный микроорганизм даже косвенно не должен относиться к микроорганизмам, патогенным для макроорганизма, потому что существует явление перекрестной толерантности. Возможность такого явления и неблагоприятного действия имеется, в частности, у штаммов фекальных стрептококков — стрептококкус фекалис и стрептококкус фециум (БАД импортного происхождения). Способность данных вариантов вызывать заболевания убедительно доказана.

Возможность вызывать перекрестную толерантность показана на примере тех дрожжевых концентратов, которые в свое время были в нашей стране, когда применялся БВК для откорма скота. Какое-то время Институт ВНИИ синтез—белок даже работал над продукцией белков микробного синтеза в целях включения их в питание человека. Во всех регионах, где вырабатывались БВК, были проведены соответствующие наблюдения. Оказалось, что в этих регионах широко распространена аллергия, потому что белок БВК попадал в атмосферу и загрязнял ее. Одновременно отмечалось, что если животным вводили сначала этот антиген, включали его в пищу, потом заражали Кандидой альбиканс, то они погибали, не вырабатывая антител к этому возбудителю. Иными словами у них формировалась толерантность на антигены данного микроорганизма.

Таблица 10.7 Требования, предъявляемые к микроорганизмам, используемым в составе пробиотиков медицинского назначения

Характеристика
Требование
Монокультура и (или) ассоциация микроорганизмов
Допускается как монокультура, так и ассоциация микроорганизмов различных родов, видов и (или) штаммов со взаимодополняющими свойствами.
Антагонистическая активность
Максимальная, с широким спектром бактерицидного и (или) бактериостатического действия на патогенные и условно-патогенные микроорганизмы — возбудители ОКИ, токсикоинфекций. Антагонизм должен обеспечиваться комплексом продуцируемых микроорганизмами БАВ и индуцируемых (активируемых) в макроорганизме факторов неспецифической защиты и других систем гомеостаза, высокой метаболической активностью и скоростью размножения бактерий, реализацией феномена «популяционного давления» на патогенные (токсигенные) и условно-патогенные микроорганизмы
Влияние на нормомикрофлору ЖКТ и слизистых
Микроорганизмы-продуценты не должны ингибировать бактерии — представители нормального микробиоценоза человека или же уменьшать их колонизирующую способность; при дисбактериозах должны способствовать нормализации микробиоценоза путем реинплантации представителей индигенной микрофлоры и колонизации ими слизистых кишечника или же за счет бесконкурентного (слабоконкурентного) их восстановления
Безвредность для организма человека
Микроорганизмы не должны обладать вирулентностью и токсигенностью (включая отдельные детерминанты и признаки патогенности). Должны быть безвредными и ареактогенными даже при неоднократном введении повышенного числа доз в ЖКТ
Изменчивость бактерий
Микроорганизмы должны обладать устойчивым генотипом; изменение фенотипических свойств должно быть изученным и контролируемым. Рекомендуется стабилизация возможных диссоциативных и других изменений за пределы допустимых (изученных) норм с помощью соответствующих методов и веществ (компонентов пробиотика)
Генетическое родство с патогенными и условно-патогенными бактериями
Микроорганизмы не должны иметь генетической близости (родства) с видами бактерий, являющихся патогенными и условно-патогенными, а также вызывающих инфекционные заболевания (либо токсико-инфекции) у людей и теплокровных животных
Влияние на защитные реакции макроорганизма
Микроорганизмы должны быть иммунологически безопасными при многократном и продолжительном применении, не вызывать аллергизации и гипер-сенсибилизации макроорганизма. Иммуно-модулирующее действие должно быть изученным и контролируемым
Устойчивость к влиянию экстремальных факторов внешней среды и технологических стадий производства
Микроорганизмы должны обладать высокой резистентностью к действию неблагоприятных факторов и выживать при значительных изменениях реакции среды (рН), температуры и влажности
Отношение к кислороду
Микроорганизмы могут быть аэробами, факультативными аэробами и анаэробами. Отдельными авторами рекомендуется ассоциация аэробов и факультативных аэробов (анаэробов) для обеспечения лечебно-профилактического действия препарата во всех отделах ЖКТ
Сохраняемость в составе биопрепаратов
Микроорганизмы в составе пробиотиков должны сохранять основные биологические свойства (включая антагонистическую активность) в течение не менее 1 года при температуре не выше 8 °С. Более предпочтительными считаются бактерии-продуценты, способные сохраняться при температуре не выше 30 °С в течение 2—3 лет

Примечание. Представленные в таблице требования сформулированы с учетом рекомендаций, изложенных в работах Р. П. Чуприниной [и др.], В. В. Смирнова [и др.].

На воздействие чужеродного антигена иммунная система отвечает тремя реакциями: выработкой толерантности (широкая распространенность пищевой аллергии), выработкой специфических антител на проникший антиген и развитием аллергических реакций, которые основываются на повышенном формировании специфических иммуглобулинов, обладающих способностью фиксироваться на собственных клетках, особенно на клетках-мишенях пищевой аллергии.

Доказано, что если употреблять любой микроб в количестве 1010, 1012, 1014, безусловно, наступит выраженная макрофагальная реакция, даже если не повысится выработка антител на этот микроб. Бионесовместимость пробиотических и резидентных лактобацилл проявлялась развитием реакции двух типов: «резидентный штамм против пробиотика» и «пробиотик против резидентного штамма». Так, пробиотический штамм L. acidophilus 317/402 проявлял антагонизм в отношении 10 штаммов резидентных лактобацилл, а пробиотик L. plantarum 8РАЗ подавлял развитие 6 резидентных штаммов лактобацилл. Среди резидентных лактобацилл 8 штаммов подавляли рост пробиотика L. acidophilus 317/402 и 9 — ингибировали развитие пробиотического штамма L. plantarum 8РАЗ. Полученные in vitro данные позволяют предположить, что одной из причин элиминации пробиотических штаммов L. acidophilus 3I7/402 и L. plantarum 8PA3 из кишечника после отмены приема препарата может быть их бионесовместимость с резидентными лактобациллами «хозяина». В связи с этим для повышения эффективности пробиотикотерапии целесообразно использовать пробиотические лактобациллы, биосовместимые с резидентными лактобациллами «хозяина».

Объект должен быть идентичным.  Должна быть хорошо изучена его чувствительность к действию соляной кислоты желудка и воздействию защитных факторов организма. Должна быть хорошая антагонистическая активность по отношению к условно-патогенным и патогенным микроорганизмам. Должна отсутствовать возможность ингибирующего действия на индигенные группы микроорганизмов, на бифидо-, лактобак- терии и нормальные эшерихии, которые нельзя сбрасывать со счетов, поскольку нормальные эшерихии — это крайне важный компонент микробиоценоза.

Не надо забывать, что первые эшерихии, которые появляются в организме новорожденных, затем регистрируются в течение всей жизни (эшерихии, которые расщепляют лактозу). Иначе говоря, они используют тот сахар, который имеется в молоке матери и в молоке всех видов млекопитающих животных. И наконец, должна быть точная программа, которая обеспечивала бы тщательный отбор штаммов по генотипическим признакам. Особенно важно, чтобы не было генного дрейфа. Например, сейчас те лактобациллы, которые в свое время были созданы как лактобациллы наринэ и ацидофилиус для изготовления наринэ, являются штаммами, сильно отличающимися друг от друга, хотя эти лактобациллы достаточно эффективны. Когда продукт создавался в Ереване, велся строгий контроль и регулярно устранялись мутирующие штаммы, сейчас такого контроля за мутирующими штаммами нет, поскольку нет такой возможности. Тем более важно, чтобы наблюдался и контролировался генотип этого штамма, чтобы феномен был контролируемым. Важно, чтобы избранный штамм не получал трансмиссийные плазмиды, потому что это явление широко распространено. Имеются работы о том, что в целом ряде случаев (а это работы в основном польских ученых) сальмонеллы, выделенные у лиц, страдающих сальмонеллезом, утрачивали свой основной признак, т. е. они становились лактозоположительными. Было доказано, что происходит это за счет передачи плазмид от обыкновенных ишерихий. Поэтому очень важно, чтобы штамм, вводимый в микробиоценоз не содержал плазмид, которые могли бы быть фактором передачи патогенных свойств или антибиотикорезистентности.

По международному стандарту на кисломолочные продукты, в которых нормируется количество технологических микроорганизмов, существует следующая градация: если используется монокультура, то бифидобактерии должны содержаться в 1 мл готового продукта в количестве не менее 107, а если бифидобактерии добавляются в комплексно заквашенные продукты, то в такой комплексной закваске нормируется не менее 106.

Основными принципами биотехнологии пробиотиков являются:

  • селекция штаммов лакто-, бифидобактерий и непатогенных спорообразующих бактерий со специфическими лечебными свойствами для создания препаратов направленного действия;
  • конструирование комбинаций и консорциумов микроорганизмов и бактериальных концентратов, обеспечивающих микроэкологию (т. е. бидифогенный фактор) и количество жизнеспособных клеток микроорганизмов 108—109 в 1 см3 (г), в том числе не менее 40 % бифидобактерий;
  • выбор наиболее перспективных бифидогенных факторов (лактулоза, дрожжевой экстракт, сухая кукурузная патока, кукурузный и ячменно-солодовый экстракты, олигосахариды, гидролизаты казеина и сывороточных белков, молочная сыворотка, муцин, гликопептиды молозива, пантетин, морковный, картофельный, тыквенный и рисовый экстракты, экстракт некоторых водорослей, палатинноза, кетоза, лактоферрин и др.), изучение совместимости с заквасочными культурами и оценка их влияния на осмолярность;
  • подбор экологически чистого сырья — молока и компонентов, их подготовка (очистка и термизация сырого молока при температуре 63...70 °С, выдержка при этой температуре в течение 10—15 с, последующее охлаждение и выдержка при температуре 4±2 °С не менее 6 ч).

Производство пробиотиков как биотехнологический процесс.

Основой стабильности биотехнологических процессов препаратов является применение монокультур, устойчиво сохраняющих комплекс заданных свойств.

Монокультуры в производственных условиях часто меняют свои свойства и оказываются непригодными для приготовления препарата нужного качества. Причины такой нестабильности стали выявляться только после того, как для изучения микроорганизмов с пробиотическим действием начали применять генетические методы исследований в отношении определения детерминирования и познания их генотипа и механизмов наследственной передачи генетической информации, которые очень важны для промышленного использования культур.

В отечественной и зарубежной практике в биотехнологии пробиотических препаратов эталонные штаммы и производственные культуры представляют сублимационно высушенные в защитной среде агаровые культуры штаммов пробиотиков в ампулах, которые для чувствительных к кислороду микроорганизмов могут быть запаяны в атмосфере аргона. Производственные культуры считаются кондиционными, если после лиофилизации в них содержится не менее 109 жизнеспособных микроорганизмов и если в течение 1 года хранения при температуре минус 20 °С концентрация клеток в них не снизится ниже 90—95 %. Такая специфическая активность (концентрация) исходных производственных культур позволяет создать оптимальную посевную дозу для получения культур различных генераций с необходимой концентрацией клеток. Но это еще не значит, что в конечном продукте будут достигнуты исходная пробиотическая активность микроорганизмов и необходимый спектр биологически активных продуктов их метаболизма, которые и обусловливают, в конечном счете, выраженность лечебно-профилактической эффективности готовой формы пробиотического препарата. Основной причиной этого является многостадийность биотехнологии, которая обусловлена необходимостью проведения накопительной ферментации.

Многочисленными исследованиями показано, что именно в ходе многократного культивирования, изменения исходного комплекса свойств производственной культуры, главным образом обусловлены составом питательной среды, свойствами микроорганизмов и параметрами процесса культивирования (температуры, аэрации и перемешивания).

Опыт культивирования штаммов В. subtilis, L. plantarum, L. buchneri и других микроорганизмов для создания пробиотиков показывает, что они достаточно требовательны к компонентному составу питательных сред. Несмотря на изученность питательной потребности этих микроорганизмов, организация производства не обходится без проведения многоплановых экспериментов по оптимизации состава питательных сред.

Так, питательные среды для накопления вегетативной биомассы В. subtilis и ее полноценного спорообразования являются сложными многокомпонентными прописями и содержат кукурузный экстракт, соевую муку, мел, крахмал, растворы солей. Постановка на производственный поток препарата «Биоспорин» на основе В. subtilis из-за гетерогенности ее популяции потребовала синхронизации и термоактивизации клеток перед культивированием. Это существенно сократило лаг-фазу глубинных культур перед инакуляцией в ферментер посевные культуры.

Трудности в выборе питательной среды существуют и при выращивании штаммов рода Lactobacillus. Так, базовая МРС-среда, широко используемая на практике для культивирования молочнокислых бактерий, не всегда оптимальна в отношении органического азота, углерода, источников марганца, магния, фосфора. Для микроорганизмов препарата «Билакт» экспериментально установлено, что наиболее стабильной и наиболее высокой ростообеспечивающей способностью обладают питательные среды, содержащие в своем составе несколько видов сырья в сочетании с экстрактами и гидролизатами. Имеются данные, что использование комбинации источника азота (мясной и дрожжевой экстракт) приводит к повышению активности бактериоцинов.

Готовая форма большинства пробиотических препаратов представляет собой сублимационно обезвоженную культуральную жидкость, состоящую из клеток и продуктов их метаболизма. Цель этого этапа — перевод бактерий в «стабилизированное» состояние с сохранением их пробиотических свойств и активности биологически активных метаболитов.

Для обеспечения в производственных условиях получения продукции с заданными показателями качества и безопасности решающее значение имеет способ обезвоживания и тип используемого сушильного оборудования, компонентный состав защитных сред высушивания. В отличие от эндогенной нормофлоры экзогенная менее чувствительна к стрессовым факторам технологической стадии обезвоживания. Поэтому сухую форму микрорганизмов экзогенной флоры возможно получить, используя не только метод лиофильного обезвоживания, но и метод распылительного высушивания. Определенные требования предъявляются к компонентному составу защитной среды высушивания. Среда должна стабильно сохранять производственно ценные и пробиотические свойства, быть безопасной для человека, а также иметь определенные физико-химические характеристики, которые придают готовой форме препарата требуемые товарные качества.

Тем не менее разработка оптимальных режимов обезвоживания не всегда позволяет стабильно получать препараты с требуемыми показателями качества. Одним из возможных направлений повышения стандартности проведения процесса высушивания является автоматизация этой технологической стадии.

Таким образом, выявление и устранение микробиологических причин, приводящих к дестабилизации процессов ферментации, а также к изменению свойств конечных продуктов, является актуальной проблемой современной биотехнологии.

Зарубежные и отечественные исследователи считают, что к наиболее значимым дестабилизирующим факторам биотехнологических процессов, при условии соблюдения параметров технологических процессов, следует отнести частичную или полную инактивацию бактериальных культур и изменчивость их свойств. Наиболее часто инактивацию связывают с явлением лизогении, а дестабилизацию свойств — с природной изменчивостью штаммов.

В последнее время активно разрабатываются технологии пробиотиков на основе лишь продуктов метаболического синтеза микроорганизмов-продуцентов БАВ.

Как уже отмечалось, одним из важнейших свойств пробиотиков является антагонистическая активность по отношению к условно-патогенным микроорганизмам. Антагонистическая активность микроорганизмов объясняется действием неспецифических и специфических факторов.

К неспецифическим факторам относятся:

  • образование молочной, уксусной и других кислот;
  • создание низкого окислительно-восстановительного потенциала за счет утилизации кислорода;
  • конкуренция за питательные вещества.

К специфическим факторам относится образование:

  • антибиотиков полипептидной или неидентифицированной природы;
  • бактериоцинов (высокомолекулярные вещества с узким спектром действия);
  • жирных кислот с короткой цепью.

Экзогенная флора не является естественной микрофлорой человека, и микроорганизмы этих препаратов в макроорганизме не колонизируются, проходя транзитом в течение 48—72 ч. Сегодня одним из перспективных направлений в области разработки пробиотических препаратов является выделение биологически активных веществ, синтезируемых микроорганизмами в процессе их роста, и создание на их основе лечебных препаратов.

Технологическийпроцесс создания препаратов построен на:

  • разделении клеточной биомассы и межклеточной культуральной жидкости, которая содержит различные продукты метаболизма (ферменты, аминокислоты и антибиотики);
  • концентрировании метаболитов;
  • иммобилизации метаболитов на носителях.

Бактерии рода Васillus являются продуцентами антибиотиков-полипептидов, эффективных против дрожжей и микроскопических грибов. Это бацилломицин, микобациллин и фунгоцин. Кроме этого, культуры бацилл синтезируют 5 классов ферментов: оксиредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, лигазы, а также несколько аминокислот. Это указывает на перспективность использования бацилл.

В литературе есть данные о том, что штаммы молочнокислых бактерий продуцируют БАВ, низин, лактоцидин, ацидолин, лактобациллин, булгарин. Имеются данные о способности молочнокислых бактерийо бразовывать бактериоцины, которые облегчают выживание штаммов продуцентов в условиях смешанных популяций.

Бактериоцины — это высокомолекулярные соединения, различающиеся свойствами и отличающиеся более узким спектром антибактериального действия, ингибируя штаммы того же рода и вида, к которому относится продуцент.

Механизм действия бактериоцинов заключается:

  • в одних случаях в воздействии на энергозависимые синтезы и ингибирование транспортных процессов;
  • в изменении проницаемости клеточной мембраны для ионов калия, магния, кобальта;
  • в снижении уровня АТФ;
  • в снятии трансмембранно-электрохимического потенциала или исчезновении специфических мембранных белков.

В других случаях бактериоцины вызывают деградацию ДНК, нарушают синтез РНК, ингибируют синтез белка. Максимальное накопление бактериоцинов происходит в конце экспоненциальной фазы роста.

Современное представление по пробиотическим продуктам для коррекции микробиоценоза (кратко)

Нарушение нормальной микрофлоры может приводить к различным негативным последствиям в виде снижения содержания незаменимых питательных веществ, возрастания содержания токсических веществ, нарушающих иммунные и другие адаптационные возможности организма. Так, образование бактериями короткоцепочечных жирных кислот имеет важное значение для питания эпителиоцитов кишечника и защиты от возникновения рака толстой кишки. Связывание азота и его выведение имеет значение для профилактики печеночной энцефалопатии. Связывание фосфатов и их выведение ведет к снижению риска хронической почечной недостаточности, а деградация оксалатов важна для зашиты от образования почечных камней. Удаление желчных кислот и нейтральных стеролов приводит к снижению риска развития сердечно-сосудистых заболеваний.

Лечебное действие существующих препаратов, включая пробиотики, пребиотики и синбиотики, зависит от набора факторов антагонистической активности и иммуномодулирующих свойств их штаммов и оригинальных дополнительных ингредиентов.

Направлениями совершенствования пробиотических препаратов являются: изучение физиологии питания перспективных производственных штаммов с целью подбора питательных сред для их культивирования; выяснение роли продуктов метаболизма и биологически активных веществ микробной клетки для определения природы адгезинов, механизма колонизации слизистой и антагонистической активности: разработка технологии изготовления комплексных препаратов на основе консорциумов бактерий с широким спектром антагонистической активности и др. Одним из перспективных направлений является разработка препаратов с иммобилизованными пробиотическими бактериями и создание синтетической композиции препарата-аутостимулятора, конструируемого на основе принципа «Quorum Sensing» (чувство кворума).

Перспективными являются исследования по сравнению состава экзометаболитов пробиотически активных и неактивных штаммов, идентификации сигнальных молекул, ответственных за «Quorum Sensing», изучение их влияния на состав микрофлоры кишечника и возможность ее стабилизации. Преимущества создания препаратов-аутоиндукторов заключаются в том, что это низкомолекулярные соединения, характеризующиеся высокой специфичностью взаимодействия с мишенью микробной клетки, они легко проникают через мембрану, их легко модифицировать. Важной является задача по разработке препаратов для коррекции микрофлоры не только кишечника, но и других открытых полостей организма…

Лекарственные формы биотехнологических препаратов. В арсенале современных лекарственных средств медицинские иммунобиологические препараты (МИБП) и адсорбирующие средства занимают особое место. Их главная особенность — проявление фармакологической активности после опосредованного взаимодействия с системами организма: либо с содержимым пищеварительного тракта или раневых поверхностей (адсорбенты), либо с иммунокомпетентными органами после преодоления физиологических защитных барьеров (антигены, пробиотики и бактериофаги).

О СОСТОЯНИИ И ТЕНДЕНЦИЯХ РАЗВИТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

биотехнология (biotech)

По оценкам экспертов, в ближайшее десятилетие мировую биотехнологическую отрасль, входящую в перечень технологий, способных расширить человеческие возможности в достижении весьма разнообразных целей, ожидает серьезный научный и технологический прорыв и дальнейшее динамичное развитие.

В понятие «биотехнология» вкладывается использование набора технологий для преобразования вещества (материи) при участии живых организмов или их частей.

В структуре биотехнологической отрасли можно выделить следующие ключевые сегменты:

  1. Платформенные технологии.
  2. Биотехнологии для медицины — диагностические и лекарственные средства.
  3. Биотехнологии в сельском хозяйстве — биотехнологии для растений, биопестициды, ветеринарные биотехнологии.
  4. Отраслевые приложения биотехнологии — экологические биотехнологии, биокатализ и др. (используются в различных отраслях для увеличения производительности, более эффективного использования энергии, создания экологически чистых производственных процессов и инновационных продуктов).

На сегодняшний день наиболее перспективными платформенными технологиями являются функциональная геномика, фармакогеномика и протеомика. Ожидается, что интенсивный рост отрасли биотехнологии в ближайшие 5—10 лет будет во многом определяться достижениями именно в этих технологиях.

Функциональная геномика, включающая биоинформатику, биосенсоры (биочипы), является лидирующей биотехнологической областью, которая обещает много открытий, связанных со здоровьем человека. Успехи в этом направлении будут зависеть от систематизации биологических данных и выявления биологических функций конкретных генов.

Фармакогеномика позволит создавать лекарства, учитывающие генетические особенности разных национальностей и групп людей, а также даст возможность разработать такие диагностические средства, которые помогут врачам индивидуально для каждого пациента подбирать наиболее эффективную схему лечения.

Протеомика изучает белки и их функции; ожидается, что эта относительно новая область биотехнологии в ближайшие годы вырастет в несколько раз.

Объем мирового рынка биотехнологическойпродукции в 2004 г. составил более 160 млрд дол. К 2010 г. эта цифра может увеличиться и даже превысить 2 трлн дол.

В США — мировом лидере биотехнологической промышленности — доход биотехнологических компаний в 2001 г. составлял 28 млрд дол., в 2002 г. — порядка 31,2 млрд дол., к концу 2003 г. он составил 37,1 млрд дол. США. При среднем ежегодном росте в 12 %, ожидается, что к 2010 г. доход биотехнологических компаний может составить порядка 100 млрд дол. США.

Мировая практика показывает, что биотехнологические фирмы в основном группируются в так называемых «кластерах» (от англ. cluster — скопление, гроздь, блок). Создание в отдельных регионах «критической массы» исследовательских организаций, промышленных предприятий и учебных центров, способных самостоятельно развиваться в рыночных условиях, способствует повышению инновационного потенциала компаний, влияет на повышение производительности региональной экономики и конкурентоспособности отрасли в целом. Примерами таких регионов являются Шотландия в Великобритании, Ньюфаундленд и Лабрадор в Канаде, «Медиконовая долина» в Дании и Швеции. Мощный биотехнологический кластер Кембриджа (Великобритания) включает более 350 промышленных фирм. Вообще в мире насчитывается примерно 70 кластеров биотехнологии. Наиболее развитые биотехнологические кластеры располагаются в США (в штатах Мэриленд, Калифорния и др.).

Широко известны мощные, успешно развивающиеся уже более двух десятилетий инновационные кластеры информационных технологий, основой возникновения которых явились Стенфордский университет («Силиконовая долина», Калифорния), а также Гарвардский университет и Массачусетский технический институт (Бостон).

Считают, что в конце XX столетия ключевым элементом технологического прорыва в сфере новейших технологий (микроэлектроника, телекоммуникации, компьютеры, робототехника, создание новых материалов, биотехнология, информатизация и т. п.) явилась такая форма организации инновационных процессов, как территориальные кластеры. Важно отметить, что кластеры представляют собой реальное воплощение объективной тенденции интеграционных процессов в сфере наукоемких технологий.

Существенной причиной, вызывающей подобного рода интеграционные процессы в мировой биотехнологической индустрии и реструктуризацию мирового биотехнологического рынка, считают увеличение стоимости НИОКР, необходимость ускоренного внедрения результатов НИОКР, увеличение объемов частных капиталовложений, потребность в снижении инвестиционных рисков.

За последние 5—6 лет и в Европе произошел качественный прорыв в сфере биотехнологии. Например, с 1999 г. объем реализации продукции предприятий биотехнологической сферы возрос на 845 %.

Реальным подтверждением воли европейских государств, направленной на совместное преодоление определенного отставания в биотехнологической сфере (главным образом от США), служат разработка Биотехнологической стратегии для Европы с тщательно проработанным Планом мероприятий (2002 г.), а также открытие в 2003 г. VI Рамочной Программы развития биотехнологии, организованные Европейской комиссией.

В России необходимость приоритетного развития биотехнологии была своевременно осознана и научным сообществом, и на государственном уровне. Огромную роль в этом сыграли академики А. А. Баев, Ю. А. Овчинников, Г. К. Скрябин, которые вовремя оценили потенциал отечественной биотехнологии, инициировав ряд правительственных решений для вступления России в «мировую биотехнологическую революцию».

По экспертным оценкам, в современной России есть все необходимые условия для развития собственного биотехнологического производства: наличие перспективных разработок, научно-производственный потенциал и интенсивно растущий спрос на внутреннем рынке.

В России на государственном уровне осуществляется своевременная поддержка фундаментальных научных исследований практически во всех направлениях и областях современной мировой биотехнологии, так же как и прикладных технологических разработок, в виде прямых инвестиций.

В настоящее время российские производители на внутреннем рынке занимают только 20—40 % от всей биотехнологической продукции. Выпуск российской биотехнологической продукции оценивается в 12 млрд рублей (примерно 400 млн дол. в год). (Ежегодный импорт товаров, произведенных с использованием биотехнологий, оценивается в 650 млн дол.) Таким образом, объем российского рынка биотехнологических товаров превышает 1 млрд дол. По прогнозам специалистов, в ближайшие 5 лет рынок биотехнологических препаратов изменится по своей структуре на 80 %. Биотехнология — перспективный для развития сегмент рынка с огромным потенциалом. Ведь уже сейчас научная база России составляет 12 % от мирового сектора, для сравнения: доля экономики России в мире не превышает 2 %.

Вместе с тем, чтобы обеспечить к 2010 г. повышение доли отечест- венного производства биотехнологической продукции до 65—70 %, ее ежегодный рост должен составить 20—30%. Получить такие темпы наращивания производства можно только за счет реализации хорошо подготовленных инновационных проектов, обеспечивающих рентабельность вложенных инвестиций не менее 60—70 %.

Предварительный (оптимистический) вариант прогноза емкости рынка биотехнологической продукции в России на период до 2010 г. представлен в табл. 10.8.

Таблица 10.8 Прогноз емкости рынка биотехнологической продукции

Показатель
Оценка
Прогноз
2000 г.
2005 г.
2010 г.
Потребление — общий объем (млн руб.)
75 000
150 000
225 000
В том числе:
отечественное производство (млн руб.)
25 000
80 000
150 000
(в % к общему объему)
33,3
53,3
67,7
импорт (млн руб.)
50 000
70 000
75 000
(в % к общему объему)
67,7
46,7
32,3

В соответствии с этим прогнозом, в течение первых 5 лет возможно удвоение объема потребления данной продукции, при этом объемы отечественного производства должны вырасти в 3,2 раза, объем поставок по импорту увеличиться в 1,4 раза. Предполагается, что в последующее пятилетие темпы роста потребления биотехнологической продукции замедлятся в 2 раза, и его объем вырастет в 1,5 раза. Основной прирост ресурсов в эти годы обеспечит отечественное производство, объем которого должен возрасти почти на 90 %. Практически стабилизируется объем поступлений по импорту.

Перспективными (в широком смысле), на взгляд многих экспертов, направлениями фундаментальных исследований и разработок для национальной технологической базы России, на которые следует обратить внимание ученых и менеджеров, способных осуществлять государственную политику в области биотехнологии, являются следующие:

Медицинская биотехнология — повышение работоспособности человека: белковая терапия; диагностические препараты; генотерапия; тканевая инженерия, создание искусственных органов; новые лекарственные препараты. Геномика и протеомика — определение функций генов и белков; фармакогеномика — изучение механизма действия фармацевтических препаратов; нахождение связи генов с хроническими болезнями — гипертонией, сердечно-сосудистыми заболеваниями, диабетом и пр.: генетическая «дактилоскопия», этногеномика; молекулярная таксономия.

Сельскохозяйственная биотехнология — создание сортов, устойчивых к болезням и вредителям, к абиотическим стрессам (засуха, заморозки, засоление почвы); создание съедобных вакцин, растений и животных, обладающих лекарственным эффектом; оздоровление растений от накопленных инфекций; улучшение аминокислотного состава растительных белков.

Биоэлектроника — компьютеры на основе ДНК; биоинформатика, молекулярная комбинаторика: биосенсоры; реализация концепции «лаборатория в одном чипе»; создание программного обеспечения, позволяющего моделировать структуры лекарственных препаратов для соответствующих мишеней.

Биоматериалы — биокерамика; защитная «броня» для человека; тонкопленочные покрытия: материалы, обладающие способностью самосборки; материалы с быстроизменяющимися свойствами.

Экобиотехнология — биоремедиация; биоутилизация отходов промышленных производств; биомониторинг токсикантов. Промышленная биотехнология (получение полноценной искусственной пищи; получение углеводородов и топлива).

Морская биотехнология и аквакультуры — получение трансгенных морских организмов с повышенной скоростью роста; получение биологически активных веществ из морских организмов. Следует отметить, что, по мнению экспертов, современное производство высоких технологий более успешно может базироваться в рамках интеграционных процессов. Поэтому эффективное развитие российской биотехнологической отрасли в XXI столетии возможно путем реализации подхода, хорошо зарекомендовавшего себя в мировой практике высоких технологий в целом, в том числе и в развитии мировой биотехнологической отрасли, а именно путем формирования инновационных кластеров.

Приоритетные направления в области биотехнологии.

Медицинская биотехнология:

—   повышение работоспособности человека (модификаторы биологических реакций, нейропротезирующие материалы, экзофиксаторы скелета, заменители крови);
—   белковая терапия (антитела, антигены, компоненты крови — факторы коагуляции; фибриноген; активатор плазминогена; цитокины; факторы роста; гормоны);
—   диагностические препараты;
—   гемотерапия;
—   тканевая инженерия, создание искусственных органов;
—   новые лекарственные препараты (бактериофаги для лечения бактериальных инфекций).

Биоэлектроника:

—   компьютеры на основе ДНК;
—   биоинформатика, молекулярная комбинаторика;
—   биосенсоры (биочипы, ДНК-чипы), в том числе реагирующие на запах, свет, звук, давление и пр. — реализация концепции «лаборатория в одном чипе»;
—   создание программного обеспечения, позволяющего моделировать структуры лекарственных препаратов для соответствующих мишеней.

Биоматериалы:

—   биокерамика;
—   защитная «броня» для человека (наподобие хитинового панциря насекомых);
—   тонкопленочные покрытия;
—   материалы, обладающие способностью самосборки;
—   материалы с быстроизменяющимися свойствами.

Геномика и протеомика:

—   определение функций генов и белков;
—   фармакогеномика, изучение механизма действия фармацевтических препаратов;
—   нахождение связи генов с хроническими болезнями — гипертонией, сердечно-сосудистыми заболеваниями, диабетом и пр.;
—   генетическая «дактилоскопия», этногеномика;
—   молекулярная таксономия.

Экобиотехнология:

—   организмы, влияющие на климатообразование;
—   биоремедиация (восстановление) загрязненных территорий;
—   биоутилизация отходов промышленных производств;
—   биомониторинг токсикантов.

Сельскохозяйственная биотехнология:

—   создание сортов, устойчивых к болезням и вредителям;
—   создание сортов, устойчивых к абиотическим стрессам (засуха, заморозки, засоление почвы);
—   создание съедобных вакцин, растений и животных, обладающих лекарственным эффектом;
—   оздоровление растений от накопленных инфекций;
—   улучшение аминокислотного состава растительных белков.

Промышленная биотехнология:

—   получение полноценной искусственной пищи;
—   получение углеводородов и топлива.

Морская биотехнология и аквакультуры:

—   получение трансгенных морских организмов с повышенной скоростью роста;
—   разработка вакцин против возбудителей, имеющих «водный этап» в жизненном цикле;
—   получение биологически активных веществ из морских организмов.
Дополнительная информация:
Этот сайт использует файлы cookie и метаданные. Продолжая просматривать его, вы соглашаетесь на использование нами файлов cookie и метаданных в соответствии с Политикой конфиденциальности.
Продолжить