Биотехнологическое производство, объекты. Мировой рынок биотехнологий и продукции биоиндустрии

Любое биотехнологическое производство и биотехнологический процесс можно классифицировать по ряду параметров, которые приведены ниже в таблице "Классификация биотехнологических процессов".

По характеристике биообъекта Пункт 1	По общности и специфичности биотехнологическихпроцессов Пункт 2	По числу биообъектов Пункт 3	По условиям проведения процесса Пункт 4	По стадиям реализации технологии производства Пункт 5	По целевым продуктам Пункт 6	По механизму образования конечного продукта Пункт 7	По управлению процессом Пункт 8	По типу биотехнологического процесса Пункт 9
Плазмиды, фаги, вирусы растений и млекопитающих Клетки прокариот Клетки эукариот Биомолекулы (ферменты, нуклеиновые кислоты или их компоненты и др.)	Общие Специальные: Микробиотехнология Фитобиотехнология Зообиотехнология	Один (например, иммобилизованный фермент, одна чистая культура - продуцент и т. д.) Два и более (например, иммобилизованная полиферментная система; кефирные зерна – ассоциация бактерий и дрожжей и т. д.)	Нестерильный Стерильный Аэробный Анаэробный Поверхностный Глубинный Периодический Полунепрерывный Непрерывный Твердофазный Газофазный 1-ступенчатый 2-ступенчатый Многоступенчатый	Подготовка оборудования и питательных сред Стерилизация оборудования, питательных сред, воздуха Посев и выращивание (культивирование) биообъекта Выделение, очистка, сушка, стерилизация (при необходимости) продукта Упаковка продукта	Клеточная биомасса Первичные метаболиты Вторичные метаболиты	Биосинтез Биотрансформация	Управляемые Неуправляемые	Простой Совместный Последовательный Ступенчатый

Таблица 1 - 1.2. Характеристика биообъекта по источникам энергии, углерода и доноров электронов:

Группа	Источник			Hoмep и название подгруппы
	энергии	углерода	доноров электронов (водорода)
Фототрофные бактерии	Свет	Неорганический	Неорганические вещества	1.Фотоавтолитотрофы
		Органический	Органические вещества	2.Фотогетероорганотрофы
Хемотрофные бактерии	Химические реакции окисления - восстановления	Неорганический	Неорганические вещества	3.Хемоавтолитотрофы
		Органический	Неорганические вещества	4.Хемогетеролитотрофы
			Органические вещества	5.Хемогетероорганотрофы

Таблица 2 - 1.3 - Характеристика биообъекта по трофике

1.4 - Характеристика биообъекта по способности питаться «живым белком» – по патогенности и взаимоотношений между организмами:

К п. 4 «Классификация биотехнологических процессов по условиям проведения биотехнологического производства»

В биотехнологических производствах по условиям проведения процесса, а именно по фазовому состоянию ингредиентов биотехнологические производства различают на твердофазные процессы , например, при флуидизации или протеинизации грубых кормов на основе соломы злаковых растений с участием некоторых грибов, получение тканевых культур лекарственных растений на уплотненных средах, из которых затем экстрагируют действующие вещества, производство сыра из белков молока и др.; газофазные процессы основаны на использовании газа (например, метана) для получения микробного белка с помощью ассоциаций метилотрофных бактерий.

В биотехнологических производствах по условиям проведения процессов выделяют одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые биотехнологические процессы . Одноступенчатые проводятся, например, при получении 6-АПК из бензилпенициллина с помощью пенициллинацилазы, или пенициллинамидазы на колоннах, содержащих иммобилизованный фермент. Двухступенчатые процессы базируются на использовании клеток, находящихся в разном фазовом состоянии (в трофофазе и идиофазе). Так, например, двухступенчатый биотехнологический процесс возможен при получении полисахарида курдлана - на первой ступени выращивают продуцент (Alcaligenes faecalis var. myxogenes) на питательной среде, поддерживая его в трофофазе; на второй ступени культуру переносят в другой биореактор, где нет питательной среды, но имеется глюкоза, из которой синтезируется курдлан. Многоступенчатые процессы присущи генетической инженерии и рДНК-биотехнологии.

К п. 5 «Классификация биотехнологических процессов по стадиям реализации технологии производства»

Рис. Примерная обобщенная схема процессов в биотехнологии

К п. 6 "Классификация биотехнологических процессов по целевым продуктам" и к п. 7 «Классификация биотехнологических процессов по механизму образования конечного продукта»

Характеристика процесса	Целевые продукты	Названия целевых продуктов или процессов
Биосинтез	Метаболиты: преметаболиты	Аминокислоты
		Нуклеозиды
		Нуклеотиды
	первичные	Нуклеиновые кислоты
		Ферменты
	вторичные	Алкалоиды
		Антибиотики
		Гиббереллины
		Гликаны и гликоконьюгаты Органические кислоты, кетоны, спирты
		Липиды
		Аминокислоты, пептидные гормоны
	Клеточная масса	Пекарские и пивные дрожжи
		Кормовой и пищевой белок
		Вакцины и антигенные вещества
Трансформация	Неорганические вещества	Обнаружение металлов
		Обогащение металлов
	Преимущественно органические вещества	Компостирование отходов, получение биогаза
		Детоксикация, дезодорация и обезвреживание, например. ПАВ (поверхностно-активных веществ)
		Определение (анализ) веществ по продуктам трансформации
		Кисломолочные продукты и сыры
		Хлебно-булочные изделия
		Квашение и соление овощей
		Силосование кормов
		Мочка льна и джута
		Ферментация чая, табака, кофе, какао, маслин
		Пивоварение, виноделие винокурение

При биосинтезе имеет место конструктивное или адаптивное образование метаболитов, относящихся к числу преметаболитов, первичных или вторичных метаболитов. В процессах биотрансформации имеет место видоизменение какой-либо молекулы - предшественника конечного продукта или превращение одного продукта в другой.

К п. 8 "Классификация биотехнологических процессов по управлению процессом"

Подразделение биотехнологических процессов на управляемые и неуправляемые опирается на глубину и масштабность контроля, осуществляемого с применением средств автоматики и ЭВМ. К числу неуправляемых процессов можно отнести спонтанно протекающие компостирование плотных отходов в животноводческих комплексах и фермах. К управляемым относятся все производственные процессы, основанные на использовании микробных, растительных и животных клеток. При этом уровень управления может быть двояким - операторским и автоматическим. В первом случае поддержание заданных режимов осуществляет оператор, во втором - соответствующие контрольно-измерительные приборы, автоматы, ЭВМ.

Статья составлена по материалам книги по биотехнологии

Биотехнологическим процессом называют синтез какого - либо вещества (биотехнологического продукта) при непосредственном участии живых микроорганизмов и выделенных из них ферментов - биологических катализаторов.

Основными особенностями и отличиями биотехнологического процесса являются: участие микроорганизмов, сложный состав реакционной среды, сложный механизм реакции и длительность её протекания, чувствительность к внешним условиям (стерильности, давлению, температуре и т. п.).

Биотехнологические продукты получают по индивидуальным технологиям со своими агентами, сырьём, количеством стадий, технологическими режимами. Тем не менее можно выделить схему, типовую для данных производств. Общий вид её приведён на рис. 4.

Рис. 4. Типовая схема биотехнологических производств

Основной в этой схеме является биотехнологическая стадия, главная задача которой - получение определённого органического вещества. Она включает в себя ряд следующих биологических процессов, с помощью которых сырьё превращается в тот или иной конечный продукт (см. рис. 4).

Ферментация - особый класс химических превращений вещества, состоящий из серии взаимосвязанных реакций синтеза и разложения, протекающих в органических веществах под воздействием ферментов. Ферменты, таким образом, представляют собой универсальные биологические катализаторы, имеющие сложный состав.

Биотрансформация - процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментов или ферментативной активности клеток микроорганизмов.

Биокатализ - химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов - ферментов.

Биоокисление - потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.

Метановое брожение - переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.

Биокомпостирование - снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твёрдых отходах, которым придана специальная взрыхлённая структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.

Биосорбция - сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закреплёнными на специальных твёрдых носителях.

Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворённое состояние под действием специальных микроорганизмов.

Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.

Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии. Здесь используют следующие процессы: приготовление среды, её стерилизацию, подготовку посевного материала и биокатализатора, предварительную обработку сырья.

Разделение жидкости и биомассы в зависимости от их свойств осуществляют различными способами, отличающимися движущей силой процесса:

• отстаивание - разделение под действием сил гравитации (при очистке сточных вод);
• фильтрация - пропускание суспензии через фильтрующий материал под действием разности давлений с целью задержки биомассы на поверхности материала. С помощью микро- или ультрафильтрации получают раствор, свободный от взвешенных клеток биомассы;
• сепарация или центрифугирование - разделение под действием центробежных сил. Таким способом отделяют, например, дрожжи при получении кормовой биомассы;
• флотация - выделение биомассы из её пенной фракции;
• коагуляция - отделение твёрдых веществ от жидкости путем их осаждения в виде крупных агломератов и последующего их отстаивания.

Выделение продуктов биосинтеза, очистка и концентрирование продукта являются вспомогательными процессами для получения продукта в готовой форме. Некоторые отличия имеются только на стадии выделения продуктов биосинтеза для внутри- и внеклеточных продуктов. Так, для внутриклеточных продуктов необходимо разрушить клеточную оболочку одним из методов- дезинтеграцией клеток, гидролизом, ферментолизом, автолизом и т. д.

Дезинтеграция клеток осуществляется физическими (ультразвук замораживание, декомпрессия и т. п.), химическими и биотехнологическими методами.

Гидролиз - разрушение клеточных оболочек под действием химических реагентов и температуры.

Ферментолиз - разрушение клеточных оболочек под действием ферментов при повышенной температуре.

Автолиз - разновидность ферментолиза, когда используются собственные ферментные клетки.

Общими для выделения внутри- и внеклеточных продуктов являются экстракция осаждение, адсорбция, ионный обмен, отгонка, ректификация ультрарование и нанофильтрация, обратный осмос, центрифугирование, ультрацентрифугирование.

Экстракция - переход целевого продукта из водной фазы в несмешивающуюся с водой органическую жидкость (экстрагент). Экстракция прямо из твердой фазы, в том числе и биомассы организмов, называется экстрагированием.

Осаждение - выделение целевого продукта путём добавления к жидкости реагента, взаимодействующего с растворённым продуктом и переводящего его в твердую фазу.

Адсорбция - перевод растворенного в жидкости продукта в твёрдую фазу путём его поглощения твёрдым носителем - сорбентом.

Ионный обмен сходен с адсорбцией, но в этом случае в твёрдую фазу переходят ионы (катионы или анионы), а не целиком молекула целевого продукта или примеси.

Отгонка, ректификация используются для выделения растворённых в культуральной жидкости легкокипящих продуктов, например, этилового спирта.

Ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос применяются для выделения высокомолекулярных соединений (белков, полипептидов, полинук-леотидов). Обратный осмос и нанофильтрация позволяют отделить даже небольшие по размеру молекулы.

Центрифугирование, ультрацентрифугирование используют для выделения вирусов, клеточных органелл, высокомолекулярных соединений.

Очистка продукта осуществляется с использованием разнообразных процессов, в числе которых экстракция, хроматография, диализ, ультрафильтрация, обратный осмос. На стадии концентрирования применяют выпаривание, сушку, осаждение, кристаллизацию, ультра-, гипер- или нанофильтрацию, обеспечивающие «отжим» растворителя из раствора.

Хроматография используется для разделения смесей веществ, часто очень близких по строению. Процесс проводят в специальных хроматографических колонках, заполненных твердым сорбентом. Все вещества сначала адсорбируются на этом сорбенте. Десорбция же разных по молекулярной массе соединений проходит с разной скоростью, что позволяет разделять и очищать их друг от друга, используя подходящий растворитель.

Диализ используется для разделения смесей низко- и высокомолекулярных соединений. Процесс основан на способности низкомолекулярных веществ проходить через мембрану, являющуюся непроницаемой для высокомолекулярных соединений. Таким путём осуществляют очистку вакцин и ферментов от солей и низкомолекулярных растворимых примесей.

Кристаллизация - процесс, основанный на различной растворимости веществ при разных температурах. Как правило, в ходе этого процесса выделяют твердые целевые продукты, а примеси остаются в маточном растворе. Так, например, получают кристаллы пенициллина.

В зависимости от места, которое занимают биотехнологические продукты в типовой технологической схеме, они могут представлять собой: 1) газы со стадии ферментации (примеры - углекислый газ, биогаз); 2) среду ферментации - кулыпуральную жидкость вместе с микроорганизмами (пример - кефир) или твердый субстрат (пример - сыр); 3) концентрат культуральной жидкости (пример - кормовой лизин); 4) жидкость, полученную после отделения биомассы от культуральной жидкости (пример - квас, пиво); 5) инактивированную биомассу (пример - кормовые дрожжи); 6) жизнеспособную биомассу - биопрепарат (пример - пекарские дрожжи, силосные закваски); 7) ослабленную биомассу (пример - живые вакцины); 8) очищенный поток жидкости при очистке сточных вод и т.д.

С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов

Передача - прием рисков в перестрахование между двумя конкрет­ными страховыми компаниями может быть разовой операцией (что ис­торически появилось раньше), а может осуществляться на регулярной основе. В силу чего перестрахование бывает необязатель­ным(факультативным) и обязательным (облигаторным).

Факультативный метод перестрахования отличается полной свободой возможных участников перестраховочной цессии. Необяза­тельность здесь заключается в том, что договор перестрахования может быть заключен, а может быть нет, соответственно, условия той и другой стороны могут быть приняты, а могут быть отвергнуты. Вопрос о за­ключении сделки такого рода с тем или иным перестраховщиком пере­страхователь решает в течение времени с момента подачи страховате­лем заявления на страхование до момента заключения договора прямого страхования. Перестрахователь передает потенциальным перестрахов­щиком информацию о риске, условиях прямого страхования, размере собственного удержания. Перестраховщики могут принять предложение перестрахователя, могут отказаться в силу каких-либо причин, а могут, проанализировав полученную информацию, предложить внести изме­нения в договор прямого страхования (в страховое покрытие, размер страхового тарифа, оговорки) или в размер собственного удержания це­дента. Перестрахователь, получив условия перестраховщиков, выбирает наиболее приемлемый для себя вариант и заключает договор.

Специфической особенностью данной формы перестрахования яв­ляется то, что размер страховой премии по такому договору зависит от спроса и предложения на цедируемый риск на перестраховочном рынке. По более востребованным рискам (с меньшей степенью реализации) страховая премия (цена страхования) будет меньше, по менее востребо­ванным - больше. Причем возможна ситуация, когда страховая премия по договору перестрахования может оказаться больше, чем страховая премия по договору прямого страхования.

Договор облигаторного перестрахования предполагает обяза­тельную уступку перестрахователем заранее согласованной части риска по всем заключаемым договорам прямого страхования. Перестрахов­щик, соответственно, обязан принять эти части риска.

Договоры перестрахования бывают пропорциональными и не­пропорциональными . Суть пропорционального страхования состоит в том, что риск, возмещение и страховая премия распределяются между перестрахователем и перестраховщиком в оговоренной договором про­порции.

К основным видами договоров пропорционального перестрахо­вания относятся квотные и эксцедентные договоры. Рассмотрим их суть в упрощенном варианте.

Поквотному договору перестрахователь передает перестрахов­щику в перестрахование согласно заранее установленному проценту (квоте) часть всех принятых на страхование рисков по определенному виду или группе видов страхования.

По эксцедентым договорам рассчитывается собственное удержа­ние цедента, а превышение над ним - эксцедент отдается в перестрахо­вание.

Непропорциональное перестрахование появилось позже пропор­ционального. Расчеты в этом случае строятся либо на основании окончательного финансового результата, либо на основе только очень крупного убытка. К непропорциональным видам договоров перестра­хования относятся договоры эксцедента убытка и договоры эксцедента убыточности.

По договорам эксцедента убытка перестраховщик участвует в возмещении убытков от страхового случая только при превышении ими обусловленной перестраховочным договором суммы.

Договор эксцедента убыточности отличается от предыдущего вида договоров тем, что перестраховщик участвует в покрытии убыточ­ности страховой суммы (представляющий собой отношение величины фактических страховых выплат к совокупной страховой сумме по дого­ворам данного вида страхования за определенный период), если убы­точность превысит установленный перестраховочным договором уро­вень.

Надо сказать, что имеется также множество видоизмененных и комбинированных договоров на основе перечисленных выше форм ор­ганизации отношений и видов договоров перестрахования.

Классификация продуктов биотехнологии.

I. В зависимости от количества.

1. Продукты тонкого биологического синтеза – от 100 кг до 1000 т в год – вакцины, витамины, антибиотики для медицины. основная стоимость связана с очисткой и анализом.

2. Продукты маломасштабного биосинтеза – до 20 тыс. тонн в год – аминокислоты для пищевой промышленности, напитки, продукты получаемые ферментацией, антибиотики для с/х.

3. Крупномасштабный биологический синтез – сточные воды после биологической очистки, биополимеры для отдельных отраслей промышленности – полисахариды для извлечения остатков нефти, выщелачивания Ме из руд. Основное условие - дешевизна. Более 20 тыс. тонн в год.

II. По товарным формам.

1. Биопрепараты – основной компонент – жизнеспособные клетки м/о или др. организмы закваски, бактериальные удобрения.

2. Инактивированная биомасса м/о – белок одноклеточных организмов.

3. Биопрепараты на основе очищенных метаболитов – ферменты, витамины, гормоны, антибиотики.

III. Образование биотехнологических продуктов в зависимости от стадии роста биологических объектов.

1. Первичные метаболиты.

2. Вторичные метаболиты.

Биотехнология наиболее развита в Японии (аминокислоты), США (1-я крупная биотехнологическая компания). В XXI в. ок. 20% продуктов станут продукцией биотехнологии. В РБ биотехнология отнесена к новым высоким технологиям. Это связано с ограниченностью ресурсов, никой энерго- и материалоемкостью биотехнологических производств. Возможностью использования местного сырья, экологичность биотехнологических проектов на фоне радиационного и химического загрязнения.

Основные потребители биотехнологической продукции:

Сельское хозяйство (ветеринария);

Пищевая промышленность;

Химическая промышленность.

Для развития ветеринарии требуется ок. 500 препаратов, ок. 100 получат методами биотехнологии.

Схема биотехнологического производства

Исходное сырье культивирование конечный продукт постеферментативная стадия

(ферментация) (целевой) (конечному продукту придается товарный вид,

(предферментация) ↓ утилизируются отходы производства)

(подогрев, размельчение аппаратура биологические объекты сырья и др.).

Характеристика биологических объектов биотехнологии

Клетки м/о – прокариоты и одноклеточные эукариоты (дрожжи, простейшие, водоросли);

Высшие растения;

Животные;

Трансгены;

Многокомпонентные системы, представленные клетками или определенными компонентами клеток.

Источники получения биологических объектов:

Коллекции культур;

Образцы природного материала. В этом случае необходимо получить чистую культуру м/о.

В связи с последними событиями у всех на слуху слово «импортозамещение». Его применяют к месту и не к месту, под него выделяют огромное финансирование. Но мало кто помнит тех, кто ещё 10 лет назад были первопроходцами в деле реального создания конкурентоспособных технологий. Одним из таких центров является Опытное биотехнологическое производство ИБХ РАН, где в 2003 году начали выпуск генно-инженерного инсулина человека по первой в России технологии полного цикла, за что работавшие над этим сотрудники в 2006 году были удостоены премии Правительства РФ в области науки и техники. И с тех пор в ОБП был разработан целый ряд технологий производства биологических препаратов. Каких и в чём вообще заключается разработка - читайте в этой статье.

Обычно выделяют четыре «цветных» направления биотехнологии: «красная», «синяя», «белая» и «зелёная». «Белая» - промышленная - является одной из самых старых отраслей. Она занимается крупнотоннажным производством различных химических соединений, применяемых в быту: витаминов, спирта и т.д. «Синяя» - морская - занимается приложением биотехнологии к проблемам рационального использования ресурсов океанов. К весьма перспективным направлениям относят «зелёную» отрасль - растительную, в которой генетически модифицируют деревья и сельхозкультуры, а также разрабатывают методы переработки растительного сырья и отходов в полезную для промышленности продукцию. В этом она близка «белой» и по сути является её развитием на более высоком уровне. Но больше всего развито «красное» направление, в котором создаётся продукция для медицинского применения, в основном - биофармацевтические препараты.

Страницы истории

Начало становлению медицинской биотехнологии было положено давно, ещё в начале 70-х годов прошлого века с изобретения технологии рекомбинантной ДНК . А уже в 1982 году был зарегистрирован первый препарат, полученный таким способом - инсулин. В Советском Союзе понимали перспективы этого нового направления, и по настоянию академика Ю.А. Овчинникова, директора , в открытом в 1984 году новом здании института целых два корпуса было выделено под комплексную опытную установку. Основной её задачей являлась разработка технологий получения фармпрепаратов, в особенности биотехнологической природы. Оснащение для тех лет было вполне на мировом уровне, однако перестройка и развал Советского Союза наложили негативный отпечаток - в 90-е годы опытная установка стала не нужна, и большинство специалистов ушло.

Технология рекомбинантной ДНК

Осенью на «биомолекуле» мы опубликовали статью студентки Пермского государственного национального исследовательского университета « » . И хотя речь в ней не о разработке препарата для крупной промышленности, статья даёт представление обо всех этапах получения патента на определённый штамм микроорганизма, созданный биотехнологическим путём. - Ред.

Для задач непосредственно производства создаётся специальный рабочий банк из сотен ампул, каждая из которых предназначена для получения отдельной партии препарата. Этот банк также закладывается на хранение в музей культур (рис. 2).

Далее проводится разработка основной биотехнологической стадии - культивирования клеток. В её ходе выбирают оптимальный состав среды, на которой выращивают клетки, режим культивирования (непрерывный или периодический), его аппаратурное оформление и параметры (pH, температура, скорость подачи и состав подпитки). Основная цель, преследуемая на этом этапе, - повышение объёмной продуктивности, что позволяет получать на оборудовании небольшого масштаба большое количество продукта, достаточное для решения испытательной задачи. Кроме того, за счёт этого снижается и себестоимость получения продукта - в десятки, а то и сотни раз от первоначального лабораторного способа. Решением всех этих задач занимается цех экспериментальной ферментации опытного производства (рис. 3).

Рисунок 3. Контроль за ходом процесса в пилотном ферментёре рабочим объёмом 20 л в цехе экспериментальной ферментации.

В конце культивирования получается культуральная жидкость, содержащая помимо отработанной среды и биомассы клеток ещё и продукт, который необходимо выделить. В зависимости от выбранного вида клеток, продукт может либо выделяться в среду, либо синтезироваться внутри клеток, иногда в виде телец включения (агрегатов из белков). А если смотреть шире, то в случае клеточной или тканевой терапии продуктом будут сами клетки. При выделении сначала отделяют клетки (биомассу) от отработанной среды. Если продукт содержится в среде, то в работу идёт она, а клетки направляют на дезактивацию (в отходы).

Если же продукт получается в тельцах включения, то дезактивируют среду, а клетки разрушают, выделяют тельца и растворяют (солюбилизируют) их. Полученный раствор помимо продукта содержит ещё и белки, выделяемые клетками в среду или синтезирующиеся в виде телец включения, так что для достижения «фармацевтической» степени чистоты требуется несколько ступеней очистки. Чаще всего это несколько (от двух) различных типов хроматографических процессов: ионообменного, гидрофобного, обращённо-фазового, гель-фильтрационного (рис. 4). Для каждого продукта их последовательность и количество будут разные и требуют подбора на основе литературных данных, опыта и экспериментов. Кроме того, для каждого процесса нужно выбирать буферные растворы и стратегию их подачи на хроматографическую колонну. Конечная цель - это продукт высочайшей степени чистоты: иногда более 99,9%, а это означает, что все возможные примеси могут составлять не более 0,1% от массы активной фармацевтической субстанции - результата этой стадии. Очисткой и разработкой её стратегии в рамках опытного биотехнологического производства занимается цех выделения и очистки .

Рисунок 4. Производственное оборудование. Слева: Препаративный хроматограф и буферные растворы, применяемые для крупномасштабной очистки биопрепаратов. Справа: Кристаллизация инсулина в цехе выделения и очистки.

Однако для проведения доклинических и клинических исследований субстанции недостаточно, необходимо ещё изготовить готовую лекарственную форму (ГЛФ) - добавить вспомогательные вещества и упаковать во флаконы или картриджи для шприц-ручек. И если способ упаковки в основном зависит от аппаратного оформления конкретного производства, то вспомогательные вещества в большей степени зависят от препарата и для каждого подбираются отдельно. Хотя здесь не требуется сложных статистических методов и большого количества экспериментов, процесс получения ГЛФ довольно трудоёмкий, и им также занимается отдельное подразделение - цех готовых лекарственных форм (рис. 5).

Немного о терминах

Когда говорят о фармпрепаратах, часто произносят два термина: активная фармацевтическая субстанция (АФС) и готовая лекарственная форма (ГЛФ). АФС или просто субстанция - по сути, главное действующее вещество, которое и отвечает за основной эффект препарата. ГЛФ или готовая форма - это АФС вместе со вспомогательными веществами и в определённом виде: таблетки, капсулы, раствора во флаконе или картридже.

Рисунок 5. Работа в «чистой» зоне. Слева: Разлив готовой формы биопрепарата в цехе готовых лекарственных форм. Справа: Контроль процесса разлива в цехе готовых лекарственных форм. Эффектный комбинезон совсем не для того, чтобы смотреться круто. Конечную форму производят в стерильных условиях в крайне чистой среде. Чтобы в окружающую среду не попадало лишних частиц, все части тела изолируются, а вся косметика перед входом в чистую зону смывается. Работать в таких условиях весьма непросто - несколько часов, и ты уже готов одним махом опустошить полуторалитровую бутылку воды. Не говоря уже о том, что всё это время ты будешь мечтать о дýше.

Казалось бы, дойдя уже до готовой формы, можно переходить непосредственно к доклиническим исследованиям, ведь именно это чаще всего является целью производства лекарственных веществ на мощностях ОБП. Однако прежде необходимо проанализировать полученный продукт, чтобы убедиться в соответствии его характеристик ожидаемым и заложить конкретные параметры в регистрационное досье, которое необходимо для регистрации препарата в регуляторных органах. На данном этапе важно показать, что количество примесей не превышает разрешённого, а полученное основное действующее вещество имеет структуру и активность, соответствующие ожидаемым. Спектр применяемых здесь методов довольно широк: вестерн-блот , изоэлектрофокусировка , хроматография, ЛАЛ-тест , масс-спектрометрия, имунноферментный анализ , ИК-спектроскопия и многие другие. Выбор конкретных методов зависит в первую очередь от природы биопрепарата и для каждого из них во многом индивидуален. Хотя есть и стандартные общие методы вроде электрофореза в полиакриламидном геле или изоэлектрофокусировки. В большинстве же методов, пусть они и являются стандартными в части общей последовательности действий, параметры проведения нуждаются в отдельной проработке для каждой готовой формы, так как вспомогательные вещества иногда влияют на аналитические характеристики основного.

Описанный этап является крайне важным, так как даёт оценку качественным характеристикам препарата и их постоянству от партии к партии. Технология - это не только получение какого-то конкретного продукта и достижение высокой эффективности процесса. Это ещё и умение стабильно обеспечивать высокое качество продукта. Помимо контроля конечного продукта осуществляют промежуточный контроль критических точек производственного процесса, чтобы как можно раньше выявить отклонения, способные повлиять на качество конечного препарата, и минимизировать время и затраты на их устранение. На опытном биотехнологическом производстве за этот этап отвечает отдел контроля качества при участии контрольно-аналитической лаборатории (рис. 6).

Рисунок 6. Важен контроль! Слева: Контрольно-аналитическая лаборатория - все в сборе. Справа: Микробиологический контроль образцов с производства в отделе контроля качества.

Разведка боем

Занимаясь биотехнологией, ты вынужден постоянно знакомиться с новыми передовыми научными достижениями в разных областях: молекулярной биологии, синтетической биологии, химическом приборостроении, IT и многих других. При правильном сочетании полученных знаний и рождается эффективная технология. Это трудный, кропотливый, но очень увлекательный процесс.

Но самые сильные, ни с чем, пожалуй, несравнимые чувства испытываешь, когда, используя инструментарий, созданный природой в ходе эволюции и модифицированный с помощью технологии рекомбинантной ДНК, удается получить конкретный лекарственный препарат, который, возможно, кому-то облегчит состояние, а кого-то и спасет. Это просто круто!

Сотрудник группы эукариотических продуцентов Даниил Павленко раскрывает этот вопрос несколько иначе:

Меня всегда привлекало ориентированное на практику творчество. Создание чего-то, что не просто работает, но ещё и делает это эффективно, т.е. с затратой минимума ресурсов, дарит массу положительных эмоций. Биотех хорош тем, что здесь простор для творчества просто огромен: можно заниматься разработкой сред для выращивания культур, можно основательно вложиться в разработку классного вектора, можно подбирать оптимальные настройки аппаратного обеспечения, можно менять метаболизм клеток-продуцентов, а уж какой простор открывается, если заняться созданием уникальных аппаратов и технологических линий!.. Впечатляют и возможные результаты: комбинация всех подходов может привести к понижению себестоимости производства на порядок, а то и два. Так, мы в своей технологии получения фолликул-стимулирующего гормона определенным изменением достигли увеличения продуктивности, а, следовательно, и уменьшения себестоимости, в 3,5 раза. И понимаем, куда надо двигаться, чтобы повысить продуктивность ещё раз в 5–10. Не удивительно, что от этого всего захватывает дух.

За науку

В прикладных исследованиях научные публикации - дело пусть и не десятое, но явно отходящее на второй план. Основными результатами деятельности являются патенты, ноу-хау, регламенты на конкретные препараты. Статьи же по прикладным исследованиям обычно публикуются в специализированных журналах с соответствующей тематикой, импакт-фактор у которых обычно не переваливает за 3. С фундаментальными исследованиями здесь конкурировать не выйдет, но это не значит, что на опытном производстве науки нет совсем. Например, коллективом ОБП были обнаружены такие явления как антимикробное действие шиконина или эффект вытеснения при очистке генно-инженерного инсулина человека. Хотя большинство статей посвящено разработке отдельных производственных стадий, методов анализа или целых технологий .

Не только работа

Несмотря на серьёзность задач и практическую ориентированность, сотрудники ОБП - живые люди и не прочь поболтать «за жизнь». Собираются обычно пятничными вечерами в кабинете начальника производства Василия Степаненко, который, понимая, что задуманное на остаток дня ему завершить уже не дадут, также включается в беседу. Хотя и тут всё начинается с обсуждения текущих дел и задач и, перетекая в обсуждение стратегии и состояния дел в России и мире, в итоге выходит на разговор о философских и мировоззренческих вопросах.

Обучение без отрыва от производства

Несмотря на высокий уровень ответственности, на ОБП есть успешный опыт выполнения работ студентами и аспирантами с защитой ими магистерских и кандидатских диссертаций. В основном на базе ОБП выполнялись работы вроде создания схем отдельных этапов в производстве какого-либо препарата, подбора условий проведения процессов с целью увеличения выхода, разработки и валидации аналитических методик. Но помимо задач, связанных непосредственно с разработкой технологий создания биологических препаратов, позиционирование производства как опытного подразумевает и возможность отработки различных технических решений. Так, сейчас начато сотрудничество с Университетом машиностроения по направлению разработки различных приборов и аппаратов, применяемых в биотехнологическом производстве.

При этом идей, куда можно двигаться, и каким будет будущее «красной» биотехнологии, предостаточно. Если смотреть глобально, то есть несколько возможных направлений:

В каком направлении всё двинется? Пока сказать сложно, но во многом это будет зависеть от молодёжи, полной прорывных идей и мотивации к созиданию нового.

Литература

1. Полякова М. (2010). Несахарное производство . Сайт ИБХ ;
2. Молекулярное клонирование, или как засунуть в клетку чужеродный генетический материал ;
3. Прикладная биотехнология и молекулярная микробиология. Практическое руководство для студентов, или как запатентовать биопрепарат ;
4. Karyagina T.B., Arzumanyan V.G., Timchenko T.V., Bairamashvili D.I. (2001). Antimicrobial activity of shikonin preparations . Pharm. Chem. J. 35 , 435–436;
5. Gusarov D., Nekipelova V., Gusarova V., Lasman V., Bairamashvili D. (2009). Displacement effect during HPLC preparative purification of human insulin . J. Chromatogr. B. Analyt. Technol. Biomed. Life Sci. 877 , 1216–1220;
6. Gusarov D.A., Sokolova I.V., Gusarova V.D., Evteeva E.A., Vorob’eva T.V., Kosarev S.A. (2012). Development of effective pilot-scale technology for producing N,N-bis-met-histone H1.3 used for lymphoma treatment . Pharm. Chem. J. 46 , 234–240;
7. Urmantseva V.V., Gaevskaya O.A., Karyagina T.B., Bairamashvili D.I. (2005). The effect of amino acids as components of nutrient medium on the accumulation of protoberberine alkaloids in the cell culture of Thalictrum minus . Russ. J. Plant Physiol. 52 , 388–391;
8. Gusarova V., Vorobjeva T., Gusarov D., Lasman V., Bayramashvili D. (2007). Size-exclusion chromatography based on silica-diol for the analysis of the proinsulin fusion protein . J. Chromatogr. A. 1176 , 157–162;
9. Zhang Y.H. (2010). Production of biocommodities and bioelectricity by cell-free synthetic enzymatic pathway biotransformations: challenges and opportunities . Biotechnol. Bioeng. 105 , 663–677;

Многообразие форм живой материи и новые знания в области физики и химии живых систем позволяют конструировать биологические системы различной степени сложности и организации, продуцирующие широчайший спектр макромолекул. Фундаментальные знания о молекулярной организации и закономерностях функционирования биосинтетических путей являются основой для метаболической инженерии биосистем суперпродукции макромолекул с заданными свойствами.

На смену ставших рутинными биотехнологическим продуктам (белку одноклеточных, биоудобрениям и биогазу, органическим кислотам, аминокислотам) приходят новые продукты и препараты, среди которых - средства диагностики и лечения на основе технологий генетической инженерии и клонирования, вакцины, сыворотки, моноклональные антитела, экологически чистые материалы, а также биоинженерная аппаратура нового поколения для реализации биотехнологических процессов.

Ведущие фирмы (табл. 1.3) в области биотехнологии в течение небольшого периода (с 1978 до 1982 гг. - период взрыва мирового рынка генно-инженерных продуктов) увеличили свои активы более чем в 30 раз; при этом их годовой доход возрос при этом с 5 до 67 млн дол.

Таблица 1.3. Динамика мирового рынка продукции биотехнологии, млрд дол.

Десятки новых препаратов ежегодно проходят различные стадии законодательного утверждения. Среди них - диагностикумы вируса В, СПИДа и др., моноклональные антитела, конъюгированные с растительными токсинами, эффективные противоопухолевые препараты, генные диагностикумы и пр.

К 2000 г. на мировом рынке биотехнологических продуктов доля медицинских препаратов, полученных только в США методами клеточной и генетической инженерии, достигла свыше 30 млрд дол., что составило около 60 % всех затрат.

Перечень медицинских препаратов, прошедших все стадии исследований и допущенных на рынок за период с конца 80-х гг. до 2004 г., существенно расширился. Ежегодно в США FDA (Администрация по продуктам питания и препаратам) выдает порядка 30-40 разрешений на серийное производство и применение биотехнологических препаратов и вакцин.

Помимо полученных и выпущенных на рынок в 1981 г. рекомбинантных инсулина, гормона роста, иммунно-глобулинов и эритропоэтина, появились следующие препараты: липосомальная форма противогрибкового препарата, активатор тканевого плазминогена; рекомбинантные факторы свертывания крови; человеческий альбумин; заменитель человеческой кожи, состоящий из коллагена, фибробластов и кератиноцитов; культивированные аутологичные хондроциты; липосомальная форма химиотерапевтического агента даунорубицина; вакцины против гепатита В и для лечения хронического гепатита С; рекомбинантный фолликулостимулирующий гормон для лечения бесплодия; биоинженерный коллагеновый матрикс для реконструкции мышечной ткани; препараты для диагностики и лечения ВИЧ-инфекции; костный трансплантат, содержащий рекомбинантный костный морфогенетический протеин (rhBMP-2); гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор при проведении аутологичных трансплантаций костного мозга; ботулинический токсин типа В и др.

Японский рынок биотехнологических диагностикумов и препаратов в 2000 г. составил свыше 30 млрд дол.; среди них - препараты для лечения первичных и приобретенных иммунодефицитов, аутоиммунных состояний, вирусных и микробных инфекций, злокачественных новообразований, иммуноспецифических синдромов при шоке, лучевой и ожоговых болезнях.

Серьезный прорыв был достигнут в области получения трансгенных сортов культурных растений, это генно-инженерный сорт сладкой («золотой») кукурузы; гибридные сорта кукурузы, рапса, пшеницы и сои с генами устойчивости к насекомым и гербицидам; трансгенные сорта хлопка, устойчивые к вилту, вредителям и гербицидам; трансгенные сорта папайи с красной и желтой мякотью, устойчивые к вирусу кольцевой пятнистости; а также генетически модифицированные фрукты и овощи с удлиненным сроком хранения (сорта томатов и клубники, не портящиеся при длительном хранении за счет снижения синтеза этилена, ускоряющего процесс физиологического дозревания плодов).

В области рыбоводства были получены модифицированные быстрорастущие морепродукты (лосось, камбала), достигающие товарной массы в течение одного-полутора лет, по сравнению с двумя-тремя годами, требующимися для лососей традиционных пород и др.

Объем рынка биотехнологий в мире к 2005 г. оценивался примерно в 200 млрд дол. США. Ежегодный рост в настоящее время составляет около 7-9 %. Для рынка биотехнологий в мире 2005 г. можно охарактеризовать как один из самых успешных за всю историю развития этой отрасли. В этот период правительства стран Европы и Азии продолжали демонстрировать энтузиазм по отношению к индустрии биотехнологий и инвестировать миллиарды долларов в эту отрасль, считая ее одним из приоритетов экономического развития своих государств.

В настоящее время компании, связанные с биотехнологией и медициной, начинают выдвигаться на ведущие позиции в рейтингах по различным приоритетам. Так, журнал Fortune опубликовал ежегодный рейтинг 100 лучших компаний-работодателей. Лучшим местом работы в США признана компания Google. На втором месте - биотехнологическая компания Genetech. В рейтинге, проводимом компанией «Делойт», по показателям наиболее быстрого роста названы фирмы Anistoma и Biotage, занимающиеся разработкой биотехнологических препаратов для лечения онкологических заболеваний, генетическим анализом и медико-техническими исследованиями, заняли среди стран Европы 3-е и 4-е места, показав рост за 2005 г. на 20 и 13 % соответственно.

Рынок биотехнологий в разных странах имеет свои особенности, обусловленные уровнем развития экономики стран и доходами населения. Наиболее активно в настоящее время ведется разработка лекарственных средств с использованием современной биотехнологии. В США, Японии и отдельных странах Западной Европы на эти цели расходуется в среднем средств, выделяемых на НИОКР в области биотехнологии. Практически во всех этих государствах существуют правительственные программы поддержки биотехнологических компаний.

В США, являющихся лидером в области современной биотехнологии, для проведения фундаментальных и прикладных исследований было образовано много специализированных биотехнологических фирм, которые, привлекая частный и государственный капитал и лучшие научные кадры, в считанные годы разработали и запатентовали способы получения многих белковых продуктов медицинского назначения. К таким фирмам относятся в первую очередь Genentech, Biogen, Amgen, Genetic Institute, Cetus, Immunex и ряд других.

Примерно в это же время к финансированию НИОКР в области современной биотехнологии подключились и крупные транснациональные компании, приобретая акции или лицензии на готовые продукты, а впоследствии создавая собственные исследовательские подразделения. Эти фирмы сыграли решающую роль в промышленном внедрении первых генно-инженерных медицинских препаратов, таких как инсулин, гормон роста человека, интерферон, эритропоэтин, тканевой активатор плазминогена, вакцина против гепатита В и др.

Например, фирма Genentech имеет различные лицензионные соглашения и соглашения о сотрудничестве с Elly Lilly (США), Hoffmann-La Roshe (Швейцария), Takeda, Daiichy Seiyaky, Toray и Fujisawa (Япония), Boeringer Ingelheim, Gruenenthal (Германия), Kabi Vitrum (Швеция).

По данным исследовательской компании Abercade, основными сегментами рынка биотехнологических продуктов в РФ являются фармацевтика (66 %), препараты для сельского хозяйства (18 %), дрожжи (9 %) (рис. 1.1) при весьма низких (порядка 1 %) уровнях остальных продуктов.

Рис. 1.1. Долевой анализ рынка биотехнологии РФ (по данным исследовательской компании Abercade, источник - https://www.abercade.ru/)

Однако нельзя не отметить, что основную долю самого развитого рынка фармацевтических препаратов в РФ (порядка 450 млн дол. США) в настоящее время занимает импортная продукция - это преимущественно инсулины, вакцины, сыворотки. Доля отечественной фармацевтической продукции в совокупном объеме составляет только 60,6 млн дол. США.

Более перспективным выглядит рынок отечественной промышленной биотехнологии, в основном это производство ферментов и средств защиты растений. Объемы продаж ферментных препаратов отечественного производства составляет порядка 12,3 млн дол. США, это 38 % от общего объема этого сегмента рынка.

Преимущественно это ферменты и ферментные препараты для спиртовой промышленности и для животноводства.

Среди биотехнологических препаратов сельскохозяйственного назначения - средства защиты и стимуляторы роста растений, пробиотики, вакцины ветеринарные, кормовые антибиотики, аминокислоты и кормовой белок, витамины, кормовые добавки.

На рынке биотехнологических препаратов для защиты окружающей среды доминирует отечественное производство продукции в размере 8 млн дол. США, а доля импортной продукции (бактериальные препараты для ликвидации нефтяных загрязнений, биосорбенты для очистки воды и донных отложений от нефтепродуктов) составляет только 800 тыс. дол. США. Объемы отечественного производства дрожжей составляют 58 млн дол. США, импорт этого вида биотехнологического продукта - в 3,5 раза меньше.

Направления более наукоемких новейших биотехнологий, базирующихся на достижениях генетической инженерии, в России, к сожалению, только вступают в фазу своего развития. Так, на рынке генетически модифицированных культур, которые занимают в мире площадь 8,1 млн га и их продажи ежегодно растут на 20 %, Россия пока не представлена.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова