- •«Российский государственный университет нефти и газа имени и. М. Губкина» в г. Оренбурге
- •Лекция n1
- •1.Предмет и задачи биотехнологии
- •2.Выбор биотехнологических объектов
- •Лекция №2 Метаболизм. Основные процессы клеточного метаболизма. Механизмы регуляции метаболитических процессов.
- •Регуляция синтеза белков с точки зрения молекулярной биологии.
- •Лекция № 3 Понятие о первичных и вторичных метаболитах.
- •Теоретические основы получения первичных метаболитов.
- •Анаэробные процессы.
- •Аэробные процессы
- •2.Получение глюконовой кислоты.
- •3.Получение итаконовой кислоты.
- •Процессы с полным окислением
- •1. Получение лимонной кислоты.
- •2.Получение кетокислот (пировиноградной и кетоглутаровой).
- •Лекция №4 Теоретические основы получения вторичных метаболитов
- •1. Получение антибиотиков
- •2.Производство аминокислот
- •3.Производство витаминов. (самостоятельно)
- •Производство водорастворимых витаминов (в2, в12).
- •Производство жирорастворимых витаминов (a, d).
- •Использование процесса микробной биотрансформации при промышленном получении витамина с. Лекция №5 биотрансформация и биодеградация органических соединений
- •1.Биотрансформация органических соединений
- •1.1.Процессы микробной химии
- •1.2.Методы микробной трансформации органических соединений.
- •I. Использование ферментативных свойств интактных (нормальных) клеток:
- •III. Конструирование штаммов с повышенной способностью к трансформации органических соединений.
- •IV. Использование ферментных препаратов, иммобилизованных ферментов и клеток.
- •1.2.1.Трансформация растущей культурой в периодических условиях
- •1.2.2.Трансформация суспензиями неразмножающихся клеток
- •1.2.3.Трансформация осуществляемая спорами грибов и актиномицетов
- •1.2.4.Непрерывные методы культивирования
- •1.2.5.Кометаболизм
- •1.2.6.Применение поврежденных и дезинтегрированных клеток
- •1.2.7.Ингибирование определенных участков метаболитических путей.
- •1.2.8.Применение мутантов с блокированным синтезом определенных ферментов
- •1.2.9. Конструирование штаммов с повышенной способностью к трансформации
- •1.2.10.Ферментные препараты и иммобилизованные ферменты
- •1.2.11.Иммобилизация клеток
- •1.2.12.Политрансформации
- •1.Подбор штамма, способного осуществлять нужную трансформацию
- •1.3.Микроорганизмы трансформирующие органические соединения
- •1.4.Примеры трансформации органических соединений
- •2.Биодеградация токсичных соединений
- •2.1.Деградация ксенобиотиков с помощью микроорганизмов
- •2.2. Использование методов генной инженерии для биодеградации ксенобиотиков
- •Лекция 6 Основы технологии, процессы и аппараты биотехнологических производств
- •Подготовка и стерилизация питательных сред.
- •Подготовка воздуха
- •Подготовка и наработка продуцента.
- •Основы технологии микробиологических производств
- •Поверхностное культивирование
- •Способы поверхностного культивирования
- •Выделение и очистка целевых продуктов
- •Глубинное культивирование
- •Процесс идеального (полного) вытеснения;
- •Процесс идеального (полного) смешения;
- •Лекция №7 основное оборудование биотехнологических производств.
- •Классификация ферментеров
- •Ферментеры с подводом энергии жидкой фазой (группа фж).
- •Ферментеры с подводом энергии жидкой и газовыми фазами (фжг).
- •Особенности конструирования и работы ферментационного оборудования
- •Термостатирование
- •Пеногашение
- •Проблемы масштабирования ферментационных процессов
- •Лекция № 8
- •1.Культуры клеток и тканей растений и животных
- •2.Технология культивирования клеток и тканей
- •2.1.Получение культуры каллуса, суспензионных культур и одиночных клеток.
- •2.2. Факторы, влияющие на продуктивность культур тканей
- •2.2.1. Происхождение ткани
- •2.2.2. Клеточная дифференциация in vitro.
- •2.2.3.Питательные среды для культивирования клеток и тканей.
- •2.2.4.Асептика
- •2.2.5.Физические факторы, влияющие на развитие клеточных культур.
- •2.2.6. Химические факторы, влияющие на синтез вторичных метаболитов.
- •2.2.7. Способы выделения целевого продукта.
- •3.Культуры органов растений
- •3.2. Культура корней
- •4. Клональное микроразмножение растений
- •1.Клеточная инженерия
- •1.1.Получение протопластов
- •1.2.Культивирование протопластов
- •1.3.Слияние протопластов
- •1.4.Гибридизация соматических клеток
- •2.Генетические основы совершенствования биообъектов.
- •2.1.Селекция микроорганизмов – продуцентов практически важных веществ.
- •2.2.Методы и подходы в селекции
- •Основы генетической инженерии.
- •1.Технология конструирования и работы с рекомбинантными днк
- •Лекция №11 Оптимизация экспрессии клонированных генов.
- •Экспрессия генов при участии сильных регулируемых промоторов
- •Регулируемые промоторы
- •Интеграция чужеродной днк в хромосому хозяина
- •Химерные белки
- •Расщепление химерных белков
- •Повышение эффективности секреции
- •Метаболитическая перегрузка
- •Направленный мутагенез: методика
- •Направленный мутагенез
- •Получение рекомбинантных белков с помощью эукариотических систем
- •Лекция № 12 Получение лекарственных препаратов белковой природы на основе методов генной инженерии
- •1.Получение инсулина.
- •2.Получение соматостатина
- •3.Синтез соматотропина
- •5.Иммуномодуляторы
- •6.Использование трансгенных животных и растений для получения лекарственных препаратов белковой природы
- •Лекция №13 Использование рекомбинантных микроорганизмов для получения коммерческих продуктов небелковой природы.
- •1.Синтез l-аскорбиновой кислоты
- •2.Антибиотики
- •2.1.Синтез новых антибиотиков
- •2.2.Разработка новых методов получения поликетидных антибиотиков
- •2.3.Усовершенствование производства антибиотиков
- •Лекция №14
- •1.Генная инженерия в производстве вакцин.
- •2. Генная терапия онкологических заболеваний.
- •3.Лекарственные препараты на основе олигонуклеотидов
- •3.1..«Антисмысловые» олигонуклеотиды как лекарственные средства
- •3.2. Рибозимы как лекарственные средства
- •3.3. Малые интерферирующие рнк.
- •Лекция №15
- •1.Моноклональные антитела в диагностике и лечении.
- •1.1.Использование антител в иммуноферментном анализе
- •1.2.Моноклоналъные антитела
- •1.3.Образование и отбор гибридных клеток
- •1.4.Идентификация гибридных клеточных линий, секретирующих специфические антитела
- •1.5.Моноклональные антитела как лекарственные средства
- •1.6. Лекарственные вещества, связанные с моноклоналъными антителами
- •1.7. Профилактика отторжения трансплантированных органов
- •2.Системы днк-диагностики
- •Примеры днк-диагностики Диагностика малярии
- •Диагностика Trypanosoma cruzi
- •Лекция №16
- •1.Геномика, протеомика и биоинформатика. Медицинская биотехнология в “постгеномную эру”
- •Новые подходы к разработке лекарств в постгеномную эру.
- •1. Кризис классической фармакотерапии и фарминдустрии.
- •2. От гена до прототипа лекарства. Новые подходы к разработке лекарств в постгеномную эру.
- •2.1. Поиск биомишеней для создания новых лекарственных средств на основе анализа геномных данных
- •2.1.1. Основные критерии селекции мишеней для создания антимикробных средств.
- •2.1.2. Экспериментальные технологии валидации потенциальных мишеней.
- •Методы валидации биомишеней.
- •1. Протеомные методы валидации потенциальных мишеней.
- •2. Геномные методы валидации потенциальных мишеней.
- •3. Валидация потенциальных мишеней in vivo.
- •2.1.3. Пространственная структура мишеней.
- •2.1.3.1. Экспериментальные методы расшифровки пространствен-ных структур белков
- •2.1.3.2. Моделирование пространственных структур белков.
- •2.1.4. Конечная селекция и приоритезация потенциальных мишеней
- •2.2. Основные типы биомишеней.
- •2.2.1.Генные мишени
- •2.2.2. Белковые биомишени.
- •2.2.2.1. Белковые мишени для разработки противовирусных препаратов.
- •2.2.2.2. Белковые мишени для антибактериальных и противо-опухолевых препаратов
- •2.2. Стратегия поиска соединений – лидеров.
- •2.2.1. Комбинаторная химия и высокопроизводительный скрининг
- •2.2.2.1.Технология комбинаторного синтеза
- •Жидкофазный синтез
- •1. Синтез смесей
- •2. Параллельный синтез
- •Преимущества жидкофазного синтеза:
- •Недостатки:
- •Твердофазный синтез
- •2.2.2.2. Планирование и дизайн комбинаторного синтеза
- •1.Темплейты
- •2. Дизайн молекул. Структурные критерии.
- •Критерии выбора центроидов.
- •Варьирование заместителей
- •3. Дизайн библиотек для оптимизации лидера
- •2.2.2.3.Оптимизация скрининга
- •2.3. Медицинская химия
- •2.4. Рациональный дизайн лекарств. Общая схема.
- •Конструирование лекарств на основе известной структуры мишени (технология sbdd)
- •Конструирование лекарств на основе структур лигандов (технология lbdd)
- •2.4.2. Разработка лекарств на базе соединений – лидеров.
- •2.5. Фармакогеномика и новые подходы к терапии и клиническим испытаниям лекарств.
- •2.6. Лекарство, действующее на несколько молекулярных мишеней в организме: исключительная ситуация или будущее фармакотерапии?
2.1. Поиск биомишеней для создания новых лекарственных средств на основе анализа геномных данных
2.1.1. Основные критерии селекции мишеней для создания антимикробных средств.
Первый шаг в создании новых противоинфекционных средств - это, как правило, поиск биологических мишеней, поскольку большинство требований к целевому белку-мишени в патогенных микробах может быть легко формализовано. Эти требования можно сформулировать, исходя из желательных свойств «идеального» противоинфекционного препарата (табл. 2). Согласно современной концепции выбора мишени все белки, закодированные в геноме микроорганизма, должны быть исследованы на соответствие этим требованиям, и лучшие кандидаты могут быть отобраны как потенциальные биологические мишени.
Поиск мишеней обычно разделяется на два этапа: 1) предварительный автоматический поиск потенциальных мишеней; 2) конечная ручная селекция мишеней, основанная на данных о свойствах белков. Первый этап сокращает число потенциальных мишеней с тысяч (типичный геном бактерии содержит около 1500-4000 белков) до десятков (порядка 10-20). На втором этапе выбираются наиболее перспективные мишени и далее осуществляется их приоритезация.
Каждый белок из микробного генома может быть оценен на соответствие медико-биологическим требованиям путем сравнительного анализа этого белка и белков-гомологов в геномах других организмов.
Таблица 2. Требование к “идеальному” антимикробному средству и его молекулярной мишени.
ПРЕПАРАТ |
МИШЕНЬ |
Биомедицинские требования |
|
1. Эффективно подавляет рост и размно- жение патогенных микроорганизмов. 2. Оказывает летальное действие на патогенные микроорганизмы. 3. Имеет нужный антимикробный спектр. 4. Селективность действия: а. минимальная токсичность для организма человека; б. минимальное действие на нормаль- ную микрофлору. 5. Низкий риск появления лекарствен- ной резистентности. |
1. Мишень важна для роста и размножения микроорганизмов. 2. Мишень важна для выживания микроорганизмов. 3. Имеется у всех видов и штаммов целевых микроорганизмов. 4. Мишень отсутствует у хозяина (человека). 5. Отсутствует у микроорганизмов- симбионтов человека. 6. Структурно консервативна у всех штаммов целевых микроорганизмов. |
Технологические требования |
|
1. Возможность конструирования лекарств на основе структуры белка – мишени. 2. Известен механизм действия препарата. |
1. Доступна (известна или может быть сконструирована) трехмерная структура мишени. 2. Известна функция мишени. |
2.1.2. Экспериментальные технологии валидации потенциальных мишеней.
В настоящее время число известных биологических мишеней, на которые действуют известные лекарства, равно нескольким сотням, в то время как число новых перспективных мишеней, которые предсказываются на основе геномных данных, может достигать нескольких тысяч. И уже это свидетельствует о том, что очень трудно решить, какая новая мишень является «правильной».
В фармацевтической индустрии выбор новой мишени - очень ответственная задача, поскольку затраты на поиск прототипов нового лекарства и проведение доклинических и особенно клинических испытаний крайне велики. Именно поэтому выбор «правильной» мишени становится критическим шагом в создании новых лекарств, и вероятность финансовых потерь должна быть по возможности уменьшена на ранних этапах осуществления проекта. В такой ситуации без сомнения возрастает роль валидации потенциальных мишеней. Эта процедура - самое узкое, место в реализации проекта «От гена до прототипа лекарства», так как конечный выбор мишени определяет все последующие этапы создания лекарства.
Основной задачей валидации мишеней является максимальное сокращение их числа (по крайней мере, до десятка) и получение дополнительной информации для приоритезации оставшихся мишеней. Конечный выбор «правильной» мишени может быть сделан только с учетом всех факторов, обеспечивающих успех реализации проекта.