В настоящее время интенсивно растет количество таких успешно применяемых в медицине биотехнологических продуктов, как рекомбинантные белки, вторичные метаболиты микроорганизмов и растений, а также полусинтетических лекарственных агентов, являющихся продуктами одновременно био- и оргсинтеза.
В последние годы родилась новая отрасль генетики - геномика, изучающая не отдельные гены, а целые геномы. Достижения молекулярной биологии и генной инженерии дали человеку возможность читать генетические тексты вначале вирусов, бактерий, дрожжевых грибков, многоклеточных животных. Например, знание геномной структуры патогенных бактерий очень важно при создании рационально сконструированных вакцин, для диагностики и других медицинских целей.
Апрель 2003 года ознаменовался сенсацией в биологии и медицине: Международный консорциум по составлению генетической карты человека (Центр геномного секвенирования: Вашингтонский университет и Сенгеровский центр в Кембридже) опубликовал заявление, что удалось полностью расшифровать геном человека. Титанический труд сотен исследователей из США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и Китая занял более 10 лет и обошелся почти в 3 млрд долларов. При этом были разработаны высокоэффективные технологии и инструменты картирования, такие как коллекции клеток, в которых есть небольшие фрагменты каждой из хромосом или искусственные дрожжевые хромосомы, содержащие крупные фрагменты хромосом человека, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить (клонировать) фрагменты ДНК человека. Быстро прогрессировала техника секвенирования (например, многоканальный капиллярный электрофорез ускорил и удешевил расшифровку первичной структуры ДНК). Созданы компьютерные программы, позволяющие находить гены в расшифрованных участках ДНК.
3. История развития биотехнологии (даты, события).
1917 - введен термин биотехнология;
- произведен в промышленном масштабе пенициллин;
- показано, что генетический материал представляет собой ДНК;
1953 - установлена структура инсулина, расшифрована структура ДНК;
1961 - учрежден журнал «Biotechnology and Bioengineering»;
1961-1966 - расшифрован генетический код, оказавшийся универсальным для всех организмов;
1953 - 1976 - расшифрована структура ДНК, ее функции в сохранении и передаче организмом наследственной информации, способность ДНК организовываться в гены;
1963 - осуществлён синтез биополимеров по установленной структуре;
1970 - выделена первая рестрикционная эндонуклеаза;
- осуществлён синтез ДНК;
1972 - синтезирован полноразмерный ген транспортной РНК;
1975 - получены моноклональные антитела;
1976 - разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК;
1978 - фирма «Genentech» выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью Е. соli;
- синтезированы фрагменты нуклеиновых кислот;
- разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК;
1983 - гибридные Ti - плазмиды применены для трансформации растений;
1990 - официально начаты работы над проектом «геном человека»;
1994 - 1995 - опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека;
1996 - ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд долларов;
1997 - клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки;
2003 - расшифрован геном (набор генов, присущий организму) человека, содержащий приблизительно 30 тысяч генов и три миллиарда «букв» молекул ДНК.
4. Новые технологии в биоформацевтике
Сегодня человечество совершенно справедливо полагает, что биотехнологические науки занимают приоритет в области современных высоких технологий. Сиквенирование геномов и валидация новых мишеней для действия лекарственных соединений является одним из перспективных направлений современной фармакологии. Учитывая, что появились новые принципиальные возможности для сиквенирования, встает вопрос о генетической паспортизации населения, когда каждому будет выдан его генетический паспорт, и человек будет решать проблемы своего здоровья. Важнейшим достижением прошлого века являются стволовые клетки, что стало возможным благодаря развитию всей эмбриологии и цитологии. Это позволило подойти к разработке путей создания искусственных органов, получать новые вещества, специфически влияющие на органы-мишени.
На современном этапе развития биотехнологии большое внимание уделяется разработке подходов к созданию новых процессов в медицинской биотехнологии. Это различные методы модификации микроорганизмов, растений и животных, в т.ч. культивирование растительных клеток как источника получения новых веществ; конструирование молекул, нанотехнологии, компьютерное моделирование, биокаталитическая трансформация веществ и т.д.
Так, например, существуют многочисленные разработки лекарственных препаратов, созданных на основе морских организмов. Использование морских природных соединений в качестве основы лекарств - весьма перспективный путь создания новых фармацевтических препаратов, особенно методами биотехнологии. Коллекция морских микроорганизмов ТИБОХ, из которых можно продуцировать биологически-активные соединения, содержит 800 штаммов бактерий, актиномицетов и грибов. Эти штаммы можно культивировать, что важно для решения проблемы сохранения биологического равновесия.
Таким образом, в получении лекарственных препаратов, производимых биотехнологическим способом, можно выделить как бы два пула — новые соединения, получаемые с помощью биотехнологических процессов, комбинаторной химии, и новые мишени, которые идентифицируются в процессе изучения геномов. Это дает возможность отбирать молекулы, обладающие новыми биологическими и физиологическими свойствами, которые и будут выполнять роль лекарств.
Прежде всего, обратимся к медицинской ветви биотехнологии. Рассматривая различные классы соединений, используемые в клинической практике, и получаемые методами биотехнологии, в первую очередь, необходимо назвать антибиотики - самый большой класс фармацевтических соединений, синтез которых осуществляется микробными клетками. К этому же классу относятся противогрибковые агенты, противоопухолевые лекарства и алкалоиды. Производство антибиотиков исчисляется тысячами тонн. Пенициллины, как известно, были выделены при выращивании грибов рода Penicillium. В 1945 г. из пробы морской воды была выделена плесень Cephalosporium acremonium, синтезирующую несколько антибиотиков; один из них, цефалоспорин С, оказался особенно эффективен против устойчивых к пенициллину грамположительных бактерий.
Из нескольких тысяч открытых антибиотиков львиная доля принадлежит актиномицетам. Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род Streptomyces, один только вид Streptomyces griseus синтезирует более пятидесяти антибиотиков. Начиная с середины 1960-х гг. в связи с возросшей сложностью выделения эффективных антибиотиков и распространением устойчивости к наиболее широко применяемым соединениям у большого числа патогенных бактерий исследователи перешли от поиска новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. Они стремились повысить эффективность антибиотиков, найти защиту от инактивации ферментами устойчивых бактерий и улучшить фармакологические свойства препаратов. Антибиотики вырабатываются в результате совместного действия продуктов 10—30 генов, поэтому практически невозможно обнаружить отдельные спонтанные мутации, которые могли бы повысить выход антибиотика с нескольких миллиграммов на литр в штамме дикого типа до 20 г/л и более. Такие высокопродуктивные штаммы Penicillium chrysogenum или Streptomyces auerofaclens (продуценты пенициллина или тетрациклина) были получены в результате последовательных циклов мутагенеза и селекции. Определенные мутанты, так называемые идиотрофы, способны синтезировать только половину молекулы антибиотика, а среда должна быть обогащена другой ее половиной. Такая форма мутационного биосинтеза привела к открытию новых производных антибиотиков.
Число противоопухолевых веществ микробного происхождения довольно ограниченно. Блеомицин, выделенный из культур Streptomyces verticilliis, представляет собой гликопептид, который действует, разрывая ДНК опухолевых клеток и нарушая репликацию ДНК и РНК. Другая группа противоопухолевых агентов создана на основе комбинации аминогликозидной единицы и молекулы антрациклина. Недостатком обоих соединений является их потенциальная опасность для сердца.
Антибиотики используются грибами и актиномицетами в конкурентной борьбе в естественной среде обитания. Человек применил эти соединения для терапии инфекционных и онкологических заболеваний. Это явилось своеобразным толчком эволюционных преобразований в микробной среде, стали возникать устойчивые штаммы бактерий. В связи с этим вновь возникла проблема создания нового поколения более эффективных антибиотиков. В настоящее время протокол лечения инфекционной и хирургической патологии обязательно включает антибиотики. Но, имея неоспоримые преимущества, антибиотики оказывают на организм человека и негативное влияние: нарушается микрофлора желудочно-кишечного тракта, возможны осложнения в функционировании почек и печени, подавляется работа иммунной системы. Поэтому современные схемы лечения являются комплексными и направлены на поддержание адаптационных возможностей человека.
Новым направлением в медицине является использование ферментных препаратов типа «контейнер», изготовление которых стало возможным появлению и совершенствованию методов иммобилизации веществ. Эти препараты представляют собой микросферы с более или менее твердой и проницаемой оболочкой. Назначение этих лекарственных препаратов различное.
Первым типом «искусственных клеток» следует назвать микрокапсулы. Фермент, находящийся внутри оболочки, не контактирует с жидкостями и тканями организма, не разрушается протеиназами, не ингибируется, не вызывает иммунного ответа организма. Основное достоинство микрокапсул заключается в том, что их можно имплантировать в нужное место, например в непосредственной близости от опухоли. При этом микрокапсула с соответствующим содержанием будет перерабатывать метаболиты, необходимые для роста опухолевой ткани, и эта ткань не будет развиваться. Капсулы могут содержать микроскопические участки тканей. Известно, что терапии диабетических заболеваний уделяется много внимания. Имплантация лекарственного начала избавила бы пациентов от ежедневных инъекций инсулина.