Производство и применение гормонов.

Применяемые методы биоконверсии наряду с традиционными химическими превращениями позволили получить многие стероиды более простыми и дешевыми способами. Именно благодаря этому такие стероиды, как дексаметазон, тестостерон, эстрадиол могут сегодня широко применяться в клинике.

Микроорганизмы используются на отдельных стадиях синтеза лекарственных веществ, который ранее осуществлялся путем многоступенчатых и дорогостоящих химических реакций. Так, один из штаммов хлебной плесени, Rhizopus arrhizus, на начальном этапе синтеза производного стероида, кортизона, может гидроксилировать прогестерон.

Инсулин

1-2% населения Европы страдает диабетом, и около 20% этих больных не могут существовать без иньекций инсулина. Со времени проведения первых опытов по использованию инсулина для лечения диабета в 1922 г. этот гормон выделяли из поджелудочной железы животных (коров и свиней). Инсулин животных немного отличается по аминокислотной последовательности от инсулина человека. Особенно близки инсулины человека и свиньи: у инсулина свиньи С-концевой треонин В-цепи заменен на аланин. Инсулины коровы и человека отличаются по трем аминокислотным остаткам. Именно этими различиями определялась повышенная иммуногенная активность инсулина коровы по сравнению с инсулином свиньи.

Почти у всех больных, которых лечили введением инсулина коровы, в крови появлялись антитела к инсулину. Антигенные свойства инсулина частично определялись и примесями в его препаратах. Скорее всего, именно образованием антител к инсулину объяснялись некоторые незначительные побочные эффекты при иньекциях инсулина коровы, например атрофия подкожной жировой прослойки в месте повторного введения. В случае высокоочищенного инсулина эти эффекты отсутствовали.

Впоследствии благодаря генной инженерии и с помощью E. сoli был получен человеческий инсулин.

Инсулин человека, полученный с помощью E. сoli, оказался первым “генно-инженерным” белком, испытанным на людях. В опытах со здоровыми добровольцами было установлено, что он безопасен (не вызывает аллергических и других нежелательных реакций) и обладает способностью снижать уровень глюкозы в крови при введении под кожу или внутривенно.

В настоящее время такой инсулин человека получают множество диабетиков во всем мире. Этому предшествовали клинические испытания, в ходе которых изучались изменения метаболизма и иммунологические эффекты.

Интерферон

Интерфероны – это группа белков, открытых в ходе изучения веществ, вырабатываемых клетками, зараженными вирусами. Они индуцируют как локальные, так и системные противовирусные реакции в других клетках. Кроме того, интерфероны обладают двумя важными свойствами: подавляют пролиферацию клеток (являются противоопухолевым средством) и модулируют иммунную систему.

Интерфероны делят на несколько групп: α (лейкоцитарные интерфероны), β (интерфероны фибробластов), γ (иммунные интерфероны)

До недавнего времени интерфероны были доступны лишь в небольшом количестве. Частично очищенные препараты получали главным образом из лейкоцитов человека. В настоящее время синтезирован ген лейкоцитарного интерферона человека длиной 514 пар нуклеотидов; его включали в плазмиду и клонировали затем в E. сoli, таким же способом был получен ген фибробластного интерферона. Удалось достичь экспрессии гена интерферона человека в клетках дрожжей.

Интерфероном можно лечить гепатит В, некоторые формы герпеса. Среди онкологических больных были проведены испытания на пациентах с метастазирующим раком молочной железы, и у 12 из 43 диаметр опухоли уменьшился на 50%. Однако действие интерферона на онкологические опухоли до конца не выяснено, имеются некоторые данные о побочных эффектах при применении интерферона (лихорадка, общее недомогание, потеря веса).

Гормон роста

Гормон роста человека (соматотропин) – это белок, состоящий из 191 аминокислотного остатка, и имеющий молекулярную массу 22000. Он образуется и секретируется передней долей гипофиза и необходим для роста костей. Выяснено, что у 7-10 людей на 1 млн. этот гормон образуется в недостаточном количестве, что приводит к задержке роста (карликовости). Хотя это заболевание обычно врожденное, задержка роста становится заметной лишь в более позднем, детском возрасте, так как гормон не нужен для внутриутробного развития.

Строение гормона роста видоспецифично, и в клинике можно применять лишь гормон роста человека. До недавнего времени его получали из гипофиза людей, но этот способ имеет свои ограничения.

В настоящее время производство гормона роста налажено на основе технологии рекомбинантных ДНК с использованием E. coli. Очищенный препарат гормона из бактерий по биологической активности подобен гормону из гипофиза.

Ферменты.

Ферменты составляют основу многих тестов, используемых в клинической медицине. Они применяются при автоматизированном анализе и биохимическом исследовании жидкостей организма, которые ведутся в биохимических лабораториях современных клиник. Примером таких ферментов могут быть глюкозооксидаза, гексокиназа, эстераза, алкогольдегидрогеназа.

Новым направлением в биотехнологии является так называемая инженер­ная энзимология, возникшая на стыке химии и биологии вследствие развития современных методов изучения структуры и синтеза белков-ферментов и выяснения механиз­мов функционирования и регуляции активности этих соединений. Ее задачи заключаются в развитии прогрессивных мето­дов выделения ферментов, их стабилизации и иммобилизации; конструировании катализаторов с нужными свойствами и разра­ботке научных основ их применения.

Важным этапом развития инженерной энзимологии стала раз­работка способов получения и использования иммобилизованных ферментов. Иммобилизованными ферментами называются ферменты, ис­кусственно связанные с нерастворимым носителем, но сохраня­ющие свои каталитические свойства.

Иммобилизованные ферменты имеют некоторые преимущества в сравнении со свободными молекулами. Прежде всего, такие фер­менты, представляя собой гетерогенные катализаторы, легко от­деляются от реакционной среды, могут использоваться многократ­но и обеспечивают непрерывность каталитического процесса. Кроме того, иммобилизация ведет к изменению свойств фермента: суб­стратной специфичности, устойчивости, зависимости активнос­ти от параметров среды. Иммобилизованные ферменты долговеч­ны и в тысячи и десятки тысяч раз стабильнее свободных энзимов. Так, происходящая при температуре 65°С термоинактивация лак-татдегидрогеназы, иммобилизованной в 60 %-м полиакриламидном геле, замедлена в 3600 раз по сравнению с нативным фер­ментом. Все перечисленное обеспечивает высокую экономичность, эффективность и конкурентоспособность технологий, использующих иммобилизованные ферменты.

Иммобилизация многих ферментов осуществляется на носителях органичес­кой и неорганической природы. Существующие органические полимерные носите­ли можно разделить на два класса: природные и синтетические полимерные носители. Среди природных полимеров выделя­ют белковые, полисахаридные и липидные носители, а среди синтетических - полиметиленовые, полиамидные и полиэфир­ные.

К преимуществам природных носителей следует отнести их доступность, полифункциональность и гидрофильность, а к недо­статкам — биодеградируемость и достаточно высокую стоимость. Из полисахаридов для иммобилизации наиболее часто используют целлюлозу, декстран, агарозу и их производные.

Синтетические полимерные носителиобладают механической прочнос­тью, а при образовании обеспечивают возможность варьирования в широких пределах величины пор, введения различных функци­ональных групп. Некоторые синтетические полимеры могут быть произведены в различных физических формах (трубы, волокна, гранулы). Все эти свойства полезны для разных способов иммоби­лизации ферментов.

В качестве носителей неорганической природы наи­более часто применяют материалы из стекла, глины, керамики. Основное преимущество неорганических носителей — легкость регенерации. Подобно синтетическим полимерам, неорганическим носителям можно придать любую форму и получать их с любой степенью пористости.

Таким образом, к настоящему времени созданы разнооб­разные носители для иммобилизации ферментов. Однако для каж­дого индивидуального фермента, используемого в конкретном тех­нологическом процессе, необходимо подбирать оптимальные ва­рианты как носителя, так и условий и способов иммобилизации.

Существуют два различных метода иммобили­зации ферментов: без возникновения ковалентных связей между ферментом и носителем (физические методы иммобилизации) и с образованием ковалентной связи между ними (химические ме­тоды иммобилизации). Каждый из этих методов осуществляется разными способами.

Сочетание уникальных каталитических свойств энзимов с пре­имуществами иммобилизованных ферментов как гетерогенных катализаторов позволило создать новые промышленные техноло­гические процессы. Следует отметить, что в основном они относятся к производству пищевых продуктов и лекарственных препаратов. В настоящее время в мире с использованием иммобилизованных фер­ментов и клеток разработаны технологии крупномасштабного производства глюкозофруктозных сиропов, безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки.

Иммобилизованные ферменты имеют огромное значение для медицины. В частности, большой рынок сбыта занимают тромболитические ферменты, предназначенные для борьбы с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Так, в клиническую практику внедрен препарат «стрептодеказа», содержащий стрептокиназу, предотвращающую образование тромбов в кровеносной системе. Ферменты, разрушающие некоторые незаменимые аминокислоты (например, аспарагиназа), используют для борьбы со злокачественным ростом опухолей. Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин, субтилизин), иммобилизованные на волокнистых материалах (целлюлоза, полиамидные волокна), применяют для эффективного лечения ран, язв, ожогов, абсцессов, а их белковые ингибиторы - для лечения эмфиземы и панкреатитов.

Таким образом, использование иммобилизованных ферментов во многих жизненно важных отраслях народного хозяйства стано­вится все более массовым. Выгодное сочетание избирательности и эффективности с долговечностью и стабильностью иммобилизо­ванных ферментов в корне меняет химическое производство, спо­собы добывания сырья, способствует созданию новых биотехно­логических процессов и методов терапии, совершенствует меди­цинскую диагностику и органический синтез.

В заключение следует отметить, что последние достижения биотехнологии оказывают и будут оказывать революционизирующее воздействие на диагностику, лечение и понимание основ патологии многих тяжелых заболеваний.