Situatsionnye_zadachi

Ситуационные задачи по курсу биотехнологии (итоговый контроль третьего уровня).

Задача 1

В процессе промышленного производства аскорбиновой кислоты используется многостадийный химический синтез, в котором наряду с тонкими химическими реакциями встроена и технологически необходимая биосинтетическая реакция, что является одним из примеров успешного сочетания органического синтеза с биосинтезом.

При проведении технологического этапа биосинтеза на данном производстве используют определенные микроорганизмы, осуществляющие биосинтетические реакции. Не менее важным являются оптимизация условий ферментации и контроль за количеством биомассы микроорганизмов в ферментационном аппарате.

Проанализируйте ситуацию с точки зрения:

1. химической реакции биотрансформации, определяющей проведение биосинтеза и ожидаемого результата проведения биотрансформации;

2. выбора микроорганизмов для биоконверсии и оптимального подбора компонентов питательной среды, (источников углерода, азота и фосфора);

3. возможности увеличения выхода целевого продукта.

Задача 2

Довольно часто при получении лекарственных средств биотехнологическими методами, синтез метаболитов в суспензионной культуре останавливается на промежуточных этапах, не доходя до целевого продукта. В этом случае на помощь приходит биотрансформация (биоконверсия), которая особенно эффективна в бактериальных клетках, но в ряде случаев такой процесс можно провести и с помощью культур растительных клеток, осуществляющих самые различные реакции биотрансформации, такие как гидроксилирование, изомеризация, этерификация и т.д., что в результате приводит к функциональным изменениям в структуре трансформируемого химического соединения.

Успешно применяется биотрансформация карденолидов, гликозиды которых широко используются в практике лечения болезней сердца. Как пример можно привести биотрансформацию такого растения как Digitalis lanata.

Проанализируйте метод биотрансформации с точки зрения:

1. оптимизации условий проведения биотрансформации, как метода получения лекарственных средств и ожидаемого результата данной биотрансформации;

2. принципиального функционального отличия между тканями Digitalis lanata и культурами клеток этого растения;

3. целесообразности использования метода иммобилизации клеток растения Digitalis lanata.

Задача 3

При получении генно-инженерного инсулина, основанного на раздельном биосинтезе 2-х цепей, в качестве продуцента используются определенные микроорганизмы и модифицированный чужеродный ген (точнее оперон) с лидерной последовательностью аминокислот (с метионином и бетагалактозидазой), отделяемой на последней стадии контакта секретируемого белка и клетки. Ферментацию проводят на среде с лактозой (или галактозой) для последующего объединения свободных инсулиновых цепей. Далее проводят выделение и очистку полученного инсулина.

На основе общей схемы получения инсулина и требований к его качеству, проанализируйте и обоснуйте:

1. условия выбора конкретного продуцента инсулина и конструкцию вектора, с помощью которого можно ввести в клетку чужеродный ген (ген инсулина);

2. необходимость использования лидерной последовательности аминокислот с метионином и бетагалактозидазой в синтезе инсулина и роль лактозы (галактозы) в процессе ферментации и получении завершенных инсулиновых цепей и их объединении;

3. возможность проявления токсичности генно- инженерного инсулина. С чем это может быть связано, учитывая видоспецифичность данного инсулина, его серийное качество и уровень культуры производства на предприятии?

Прокомментируйте правила безопасности работы с микроорганизмами на генетическом и физическом уровнях.

Задача 4.

В настоящее время существует международная программа системы поиска и отбора антимикробных агентов, подавляющих размножение патогена только в инфицированном организме, то есть система, позволяющая клонировать гены, которые не экспрессируются в искусственных условиях (in vitro). Эта система включает использование определенных методов, реактивов (наборы для клонирования, рестриктазы), тест-объектов и решает такие проблемы как:

• выделение и очистка ДНК (электрофорез); - культивирование патогенов, например, Salmonella typhi murium;

• создание вектора на основе плазмиды, несущей беспромоторные гены хлорамфеникол- цетилтрансферазы и лактозного оперона; - заражение лабораторных животных (мыши)

• высев патогенов из животных объектов.

Расположите последовательно этапы данной системы

скрининга антимикробных агентов, учитывая применение:

1. генноинженерных методов при получении набора различных плазмид,

2. набора различных штаммов E.coli с разными частями генома сальмонеллы,

3. индикаторной среды для отбора нужных колоний.

Прокомментируйте результаты и возможности применения данной системы в поиске антимикробных агентов, как лекарственных средств.

Задача 5

При получении штаммов суперпродуцентов аминокислот, например, треонина или лизина используют такие микроорганизмы как Esсherichia coli, Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, Bacillus subtilis. В одном случае биосинтез аминокислоты идет одновременно с ростом биомассы (путь получения аминокислоты одностадийный), в другом случае - сначала идет рост биомассы, потом синтез аминокислоты (путь - двухстадийный).

В данной ситуации получения аминокислот обоснуйте:

1. преимущества биосинтеза перед оргсинтезом и подбор соответствующих микроорганизмов для получения штаммов - продуцентов, способных к сверхсинтезу нужной аминокислоты, если конечным продуктом будет лизин или

треонин;

2. выбор пути биосинтеза для лизина или треонина и особенности питательных сред;

3. условия ферментации (подготовительная стадия и биосинтез).

Задача 6.

Одно из существенных мест на фармацевтическом рынке занимают стероидные гормоны, являющиеся не только жизненно-важными, но и использующиеся как лекарственные средства, обладая большой широтой спектра и высокой избирательностью физиологического воздействия. Известно, что с момента установления структуры основных стероидных гормонов, как метод получения лекарственных препаратов этих соединений стали применять биотрансформацию.

Проанализируйте:

1. зависимость биологической активности от структуры стероидных гормональных препаратов;

2. достоинства и недостатки сырья, используемого при получении гормональных стероидных препаратов;

3. возможности использования биотрансформации при

получении наиболее ценных гормональных препаратов.

Задача 7.

Как известно, производство витамина B₁₂ (кобаламин) является чисто биотехнологическим способом его получения, когда в качестве продуцента данного витамина используются пропионовые бактерии из рода Propionibacterium, выращиваемые на богатой среде в определенных условиях ферментации и обязательным добавлением предшественника витамина В₁₂ - 5,6-диметилбензимидазола (5,6-ДМБ).

В этой ситуации:

1. сделайте оптимальный выбор метода ферментации и условий

ее проведения;

2. докажите необходимость добавления 5,6 ДМБ в определенное время после начала ферментации и предупредите образование коферментной формы витамина В ₁₂;

3. предложите методы выделения и очистки данного витамина, учитывая локализацию его накопления.

Задача 8.

Иммунобиотехнология, как наука и производство с одной стороны, предлагает средства для усиления иммунной защиты организма в ответ на различные неблагоприятные факторы окружающей среды - это вакцины, сыворотки, рекомбинантные интерфероны, интерлейкины и другие цитокины, а с другой стороны, путем широкого применения моноклональных антител, решает такие актуальные для фармации задачи, как безопасность и контроль качества лекарственных препаратов.

Выберите иммунобиопрепараты для усиления иммунного ответа:

1. пассивного специфического типа воздействия;

2. пассивного неспецифического типа воздействия;

3. активного типа воздействия.

Прокомментируйте возможности использования моноклональных антител в решении проблемы безопасности лекарственных средств.

Задача 9

Применение иммобилизованных ферментов и белков в медицине открывает новые возможности создания эффективных лекарственных средств.

Продемонстрируйте возможности и достоинства гидролаз при

модификации таких широко применяемых антибиотиков как пенициллины и цефалоспорины на основании:

1. уникальных свойств гидролитических ферментов и определенных изменений в структуре данных антибиотиков, связанных с получением более эффективных аналогов;

2. сравнения химического пути трансформации с

биокаталитической технологией;

3. производственных результатов получения этих антибиотиков

как целевых продуктов.

Задача 10

Одна из инфекционных клиник закупила партии пенициллина и стрептомицина. Через некоторое время в аптеку пришли представители клиники с жалобой на отсутствие терапевтического эффекта почти у всех больных клиники. После проверки в лаборатории было установлено, что препараты не фальсифицированы и соответствуют качеству стандартной продукции.

Проанализируйте данную ситуацию с точки зрения:

1. возможных механизмов антибиотикорезистентности у микроорганизмов и генетических аспектов явления «инфекционной резистентности» или «госпитальной инфекции»;

2. возможных механизмов индукции беталактамаз (PBPs -2 и PBP_s-3) и их ингибирования;

3. разрешения данной ситуации.

Задача 11.

Определите оптимальные параметры ведения процесса биосинтеза противоопухолевого антибиотика рубомицина на основе анализа табличных данных и охарактеризуйте процесс биосинтеза с точки зрения его результатов и применения данной ферментационной среды, то есть, является ли её состав оптимальным в данном случае? Если нет, - то, что необходимо изменить?

Аппарат Chemap 1

Состав среды (%):

Крахмал картофельный - 6,5;

Соевая мука - 1,7;

Глюкоза -1,5;

(NH₄)₂SO₄ -0,4;

К₂НРО₄ -0,01;

СаСО₃ -0,5;

рН перед посевом -7,1

Показатели ведения процесса в аппарате Chemap 1 с использованием крахмальной среды

№ пробы	Ча-сы рос-та	Био-масса %	рН	Углеводы общие	Глюко-за	Глю-коза	РО2	Активность М кг/мл
1	0	-	7,1	6,55	1,56	86,8	65	50
2	11	5	6,9	6,22	1,56	86,8	60	175
3	35	10	6,9	5,98		84.0	57	277
4	59	38	6,5	5,36	-	81,2	52	306,6
5	83	32	7,0	4,31	-	53.2	43	297,3
6	107	30	8,2	4,31	-	89,6	43	146

Сделайте обобщающий вывод оптимальных изменений, позволяющий произвести максимальное количество антибиотика.

При характеристике процессов используйте ключевые моменты:

1. Продолжительность лаг фазы----- часов, в этот период (не) наблюдается--------.

2. Прирост биомассы максимальный на -----часы роста, фаза роста (трофофаза продолжается до ------ часов от начала процесса и характеризуется: значение рН ----, азот, углеводы, интенсивность дыхания).

3. Начало синтеза антибиотика совпадает со снижением-------- .

4. Биомасса на ----- часов, торможение прироста биомассы совпадает---------.

5. Максимальная скорость биосинтеза совпадает с--------.

При выборе оптимальных условий процесса следует принять во внимание:

1. Исчерпание компонентов среды, с учетом скорости потребления.

2. Зависимость роста биомассы от удельной активности продуцента.

3. Изменение параметров биосинтеза при окончании процесса.

4. Возможность продления процесса (для увеличения выхода антибиотика), применяя подпитку (каким

компонентом среды и предположительно какую концентрацию его следует поддерживать на протяжении процесса с учетом представленных данных).

Задача 12

Определите оптимальные параметры ведения процесса биосинтеза противоопухолевого антибиотика рубомицина на основе анализа табличных данных и охарактеризуйте этот процесс биосинтеза с точки зрения его результатов и применения данной ферментационной среды, то есть, является ли её состав оптимальным в данном случае? Если нет, - то, что необходимо изменить?

Аппарат Chemap 2.

Состав среды (%):

Гороховая мука - 3;

Сахароза	-7
NaCL	-0,4
КСL	-0,04
К2НРО4	-0,08
(NH4)2SO4	-0,4
СаСО3	-0,8

рН перед посевом - 7,41

Показатели ведения процесса в аппарате Chemap 2 с использованием сахарозно-гороховой муки

№ про-бы	Ча-сы рос-та	рН	Био-масса %	Углеводы общие	Глюко-за	Азот	РО2	Актив-ность М кг/мл
1	0	7,15		5,57	0.88	114,8	65	50,7
2	11	7,07	5	5.54	-	112	30	160,6
3	35	6,7	25	4.0	-	81,2	22	335,8
4	59	6,75	25	3.41	-	28	20	552,8
5	83	6,75	25	2.32	-	8,4	20	685,8
6	107	6,6	25	0.9	-	1,02	25	823

Сделайте обобщающий вывод оптимальных изменений, позволяющий произвести максимальное количество антибиотика.

При характеристике процессов используйте ключевые моменты:

1. Продолжительность лаг фазы ------ часов, в этот период (не) наблюдается --------.

2. Прирост биомассы максимальный на ------- часы роста, фаза роста (трофофаза продолжается до-----часов от начала процесса и характеризуется: значение рН -----, азот, углеводы, интенсивность дыхания).

3. Начало синтеза антибиотика совпадает со снижением---------.

4. Биомасса на------часов, торможение прироста биомассы совпадает---------.

Максимальная скорость биосинтеза совпадает с---------.

При выборе оптимальных условий процесса следует принять во внимание:

1. Исчерпание компонентов среды, с учетом скорости потребления.

2. Зависимость роста биомассы от удельной активности продуцента.

3. Изменение параметров биосинтеза при окончании процесса.

4. Возможность продления процесса (для увеличения выхода антибиотика), применяя подпитку (каким

компонентом среды и предположительно какую концентрацию его следует поддерживать на протяжении процесса с учетом представленных данных).

Задача 13.

Биотехнология как наука и производство основана на использовании определенных агентов и процессов для воздействия на живую природу с целью получения ценных продуктов, в том числе, и лекарственных средств (ЛС).

В части анализа роли биотехнологии для современной фармации:

1. Сравните, что отличает современную биотехнологию в ее историческом развитии. Приведите схему биотехнологического производства.

2. Расшифруйте, что понимают под терминами «агенты» и «процессы» в биотехнологии?

3. Представьте на конкретных примерах возможности воздействия на живую природу для получения лекарственных средств.

4. Задача 14.

Существуют вполне определенные требования и условия, необходимые для создания и развития биотехнологического производства ЛС. В частности, это касается проблемы выбора биообъектов для масштабирования производства. Имеются существенные различия между «диким» штаммом и промышленным штаммом. Штамм обладает вполне конкретными свойствами природного характера, а производственный процесс имеет свои требования к этому штамму. Существуют способы воздействия на «дикий» штамм с целью удовлетворения требований производства ЛС.

Проанализируйте данную ситуацию с точки зрения:

1. представления о биообъекте и его функциях;

2. соответствия свойств продуцента требованиям производства ЛС и проблемы безопасности при работе с продуцентами;

3. применения конкретных методов преобразования биообъекта для дальнейшего использования его в создании новых продуцентов ЛС.

Задача 15.

Как известно, при использовании клеточной инженерии в создании новых продуцентов широко применяется методика протопластирования (получения протопластов) как процесса конструкции гибридных структур.

В плане решения задачи получения новых продуцентов, как

источников новых ЛС, предложите:

1. схему получения протопластов и гибридных структур на основании понятия сущности клеточной инженерии;

2. условия сохранения протопластов;

3. конечные цели, достигаемые с помощью продуктов

гибридной природы.

Задача 16

В современной биотехнологии при создании ЛС особое место отводится генной инженерии, суть технологии которой заключается в искусственном соединении отдельных фрагментов ДНК in vitro с последующим введением изолированной ДНК в живую клетку с целью получения рекомбинантных белков. Для осуществления этого необходимы определенные условия, наличие транспортного устройства для внесения ДНК в клетку продуцента, использование ферментов для включения нового гена. Генная инженерия оперирует такими понятиями как вектор, рестриктазы, «липкие концы», сайт узнавания, лигазы, ген-маркер, компетентность клетки, экзон, интрон.

С представленных общих позиций по генной инженерии сформулируйте конкретные условия для осуществления генной инженерии то есть:

1. расшифруйте понятие «вектор» и пути его введения в клетку, предложите ферменты, работающие в этой ситуации;

2. предложите технику генноинженерного эксперимента

(стадии);

3. сравните процесс образования мРНК у эукариот и прокариот.

Задача 17.

Появление таких новых дисциплин как геномика и протеомика является настоящим прорывом в биологии и имеет большое значение в создании новых, более эффективных ЛС. Если геномика обозначает совокупность всех генов организма, то протеомика подразумевает совокупность всех каталитических и структурных белков в клетке эукариота и прокариота. Задача геномики - это полная генетическая характеристика именно всей клетки; она позволяет выразить сущность организма, его видовые и индивидуальные отличия, предвидеть реакцию на внешние воздействия. Геномика имеет свою классификацию, открывает новые возможности для генотерапии, создания нетрадиционных лекарственных средств, например, таких как антисмысловые олигонуклеотиды.

В свете представленной краткой информации приведите:

1. классификацию геномики с обозначением соответствующихзадач;

2. возможности генотерапии;

3. ситуации возможного применения антисмысловых олигонуклеотидов.

Задача 18

Современный скрининг ЛС предполагает получение новых ЛС более эффективных и менее безопасных. Скрининг, как метод, предполагает поиск и отбор продуцентов, с помощью которых можно получать новые ЛС с достаточной степенью функциональной активности, определяемой по биологическим тестам с дальнейшей расшифровкой химической структуры и механизма действия. Скрининг можно проводить в классическом варианте или на генном уровне.

Проанализируйте последние достижения геномики и протеомики, помогающие в решении проблем поиска новых эффективных и безопасных ЛС. В ответе используйте:

1. современные данные о последних достижениях геномики и протеомики,

2. понятие таргетного скрининга,

3. международные программы поиска « ivi» генов

Задача 19