Синтетические и природные полимеры в биоинженерии

И. И. Осовская, С. А. Горбачев





СИНТЕТИЧЕСКИЕ И ПРИРОДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ В БИОИНЖЕНЕРИИ

Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 678.07
ББК 35.71
     0-75



Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики высшей школы технологии и энергетики Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна В. И.Лейман;
зав. кафедрой материаловедения и технологии машиностроения, кандидат химических наук, доцент Высшей школы технологии и энергетики Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна А. Н. Евдокимов




        Осовская, И. И.

0-75      Синтетические и природные полимеры в биоинженерии : учебное
     пособие / И. И. Осовская, С. А. Горбачев. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 100 с.: табл.
           ISBN 978-5-9729-1363-3

           Содержит теоретический материал об основных разделах биотехнологии и биоинженерии. Изложены основы теории и практики биоинженерных процессов.
           Для студентов, обучающихся по направлению «Химическая технология», а также для студентов других полимерно-технологических специальностей.


УДК 678.07
ББК 35.71










ISBN 978-5-9729-1363-3

     © Осовская И. И., Горбачев С. А., 2023
     © СПбГУПТиД ВШТЭ, 2023
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ОГЛАВЛЕНИЕ





Предисловие...........................................................4
Введение..............................................................5
Список используемых терминов..........................................6
1. ОСНОВЫ БИОИНЖИНИРИНГА.............................................10
 1.1. Генная инженерия...............................................14
 1.2. Клеточная инженерия............................................16
 1.3. Тканеваяинженерия..............................................18
 1.4. Ферменты в генетической инженерии..............................20
 1.5. Биоинженерия и медицина........................................32
2. ПОЛИМЕРЫ В БИОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМАХ.................................35
 2.1. Физиологически активные полимеры...............................35
 2.2. Применение полимеров в различных биоаналитических устройствах.54
 2.3. Полимеры в разделительных процессах ...........................56
 2.4. Полимеры для создания биодеградируемых систем общего назначения .... 60
 2.5. Полимерные имплантаты..........................................61
 2.6. Неимплантационные медицинские полимерные устройства и изделия ... 63
3. БИОИНЖИНИРИНГ В ПРОМЫШЛЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ 66
 3.1. Биоинжиниринг и растениеводство................................66
 3.2. Биоинжиниринг и животноводство.................................70
 3.3. Биоинжиниринг в энергетике.....................................72
 3.4. Биоинженерия и пищевая промышленность..........................75
 3.5. Биогеоинженерия................................................77
Послесловие..........................................................79
Библиографический список.............................................80
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Достоинства и недостатки использования синтетических полимеров в медицине, растениеводстве и животноводстве.83
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Вопросы для самопроверки знаний обучающихся............86
Тесты по дисциплине «Полимеры в биоинженерии»........................89

3

                ПРЕДИСЛОВИЕ





     Лечить болезни с помощью различных химических соединений люди пытались во все периоды развития цивилизации, чаще использовали смеси неизвестного состава. Успехи органической химии и химии полимеров позволили широко внедрить в медицинскую практику индивидуальные синтетические и природные препараты известной структуры. Самостоятельным и важным разделом химии ВМС являются физиологически активные полимеры. Принципы биохимии, молекулярной и клеточной биологии, используемые в мировой практике, не только формируют новое качество биотехнологических процессов, но и обеспечивают приоритетное развитие современной биологии, фармацевтики и медицины. Сегодня высокомолекулярные соединения (ВМС) используют в медицине как конструкционные материалы - это искусственные органы и ткани, кологенные (белковые) мембраны и т. д. Широко стали использовать ВМС и в фармацевтической промышленности в качестве основных и вспомогательных веществ.
     Применение инженерных принципов, знаний биологии, химии, математики, физики составляют основу биологической инженерии. Биоинженерия и биомедицинская инженерия взаимно дополняют друг друга, т. е. могут существовать небиологические товары для медицинских нужд одновременно с биологическими товарами для немедицинских нужд (промышленная биотехнология). Прогрессивные методы биотехнологии, такие как получение рекомбинантной ДНК, т. е. ДНК, содержащей новую комбинацию последовательностей (или генов), такую, какой прежде в природе не было, трансгенных растений и животных, культивирование клеток и тканей, клонирование, обеспечение сверхпродуктивности объектов основаны на достижениях генной и клеточной инженерии и выводят науку на принципиально новый уровень.

4

                ВВЕДЕНИЕ





     В последние время заметно повысился интерес к технологиям, связанным с живыми организмами и их жизнедеятельностью - медицине, биотехнологии, генной инженерии, микробиологии, а также технологии создания материалов, предназначенных для использования в медико-биологических целях. Препараты и изделия медико-биологического назначения применяются в качестве имплантатов для замены органов и тканей в системах организма, в качестве биологически активных добавок, которые используются в медицине, косметологии, ветеринарии, они используются в качестве сорбционных систем для очистки различных веществ, в том числе биологических жидкостей, в качестве носителей в генной инженерии, на их основе создаются фармацевтические лекарственных препараты и многое другое. Круг таких материалов достаточно широк, к ним относят металлы, а также их сплавы, неорганические и углеродные материалы. Можно отметить ряд основных направлений использования полимеров в медико-биологических целях: материалы для биологически активных систем (создание лекарственных препаратов); материалы, применяемые для замещения и других методов лечения органов, связанных с хирургическим вмешательством; материалы для высокоэффективных биокатализаторов; материалы для биосинтеза и других биоинженерных методов. Как правило, каждый материал имеет специфические области применения. Несмотря на большие успехи науки и техники, большинство проблем, связанных с замещением органов и тканей в живых организмах еще не решено, а качество используемых в настоящее время материалов не полностью отвечает предъявленным требованиям, также отмечается низкий уровень подготовки специалистов в области полимерной технологии и биоинженерии ввиду недостатка знаний в данных областях технологии и науки. Однако биотехнология создает возможность получения разнообразных веществ и соединений из сравнительно дешевых, доступных и возобновляемых материалов. Сегодня биотехнология - это наука, промышленность и многомиллионный бизнес.

5

                СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕРМИНОВ





     1.       Антимикробный агент - это любой лекарственный препарат, созданный для уничтожения бактерий и воспрепятствования их росту. Некоторые агенты слишком токсичны для терапевтических целей, и не существует агента, который является эффективным средством борьбы с любыми бактериями.
     2.       Биосенсор (англ. biosensor) - структуры, указывающие на присутствие определенных молекул или биологических структур в исследуемых пробах.
     3.       Биосовместимость (англ. biocompatibility) - способность материала встраиваться в организм пациента, не вызывать побочных клинических проявлений и индуцировать клеточный или тканевой ответ, необходимый для достижения оптимального терапевтического эффекта.
     4.       Биоконверсия - это преобразование биомассы и бытовых отходов при помощи микроорганизмов с целью получения тепловой энергии и биотоплива.
     5.       Биомасса - это растительный или животный материал, который используется для выработки энергии или тепла.
     6.       Биоремедиация - комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов - растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.
     7.       Биоразлагаемые полимеры, биодеградируемые полимеры (англ. biodegradable polymers) - полимерные материалы, самопроизвольно разрушающиеся в результате естественных микробиологических и химических процессов.
     8.       Гель (англ. gel) - (от лат. gelo - застываю или gelatus - замороженный, неподвижный): 1) в коллоидной химии - дисперсная система с жидкой средой, в которой частицы дисперсной фазы образуют пространственную структурную сетку; 2) в химии полимеров - неплавкий и нерастворимый продукт поликонденсации или полимеризации.

6

     9.       Гемосовместимость - свойство материала не вызывать изменений функций крови, трансформации ее компонентов, образование тромба; является исключительно важным для создания изделий, функционирующих в условиях контакта с кровью - эндопротезов сосудов, клапанов сердца и целого сердца, систем вспомогательного кровообращения.
     10.       Гибридные материалы (англ, hybrid materials) - материалы, полученные за счет взаимодействия химически различных составляющих (компонентов), чаще всего органических и неорганических, формирующих определенную (кристаллическую, пространственную) структуру, отличающуюся от структур исходных реагентов, но часто наследующую определенные мотивы и функции исходных структур.
     11.       Доставка лекарственных средств или адресная доставка лекарственных веществ; направленный транспорт лекарственных веществ (англ. drug delivery) - направленный транспорт лекарственного вещества в заданную область организма, органа или клетки.
     12.       Диализ (dialysis - разложение, отделение) - процесс разделения молекул по размеру на основе их различной способности к диффузии через полупроницаемую мембрану; используется для очистки высокомолекулярных веществ от низкомолекулярных примесей (например, белков от солей), для удаления из крови токсичных веществ и др.
     13.      Иммобилизация илификсация (англ. immobilization) - перенос вещества из гомогенной подвижной фазы на поверхность твердой фазы-носителя и его закрепление за счет специфических взаимодействий. Носители (подложки, матрицы) различаются по химической природе (металлы, оксиды, сильносшитые органические полимеры), по морфологии (пористые, планарные, высокодисперсные), по структуре (кристаллические, аморфные) и т. д.
     14.      Кластер (англ. cluster) - (от англ. cluster - рой, скопление) - компактная обособленная группа связанных друг с другом атомов, молекул или ионов, которая обладает свойствами, в той или иной степени отличными от свойств составляющих ее элементов.

7

     15.      Композит иначе композиционный материал (англ, composite) - материал, состоящий из двух или более фаз с четкой межфазной границей.
     16.      Культивирование микроорганизмов - это процесс искусственного создания условий для их роста и размножения in vitro, взаимосвязанных, но не обязательно процессов, протекающих с одной скоростью.
     17.      Молекулярная биология (англ. molecular biology) - наука о структуре и функционировании живых форм на молекулярном уровне. Основной целью молекулярной биологии является изучение структуры и воспроизведения генов, а также синтеза РНК и белков на основе закодированной в них информации. Молекулярная биология изучает также структуру, взаимодействие и физиологические функции РНК и белков.
     18.      Микробиологическая трансформация - использование ферментативной активности жизнеспособных клеток микроорганизмов, результатом чего является некоторое изменение молекулярной структуры трансформируемого субстрата.
     19.      Нанобиотехнология иначе бионанотехнология (англ. nanobiotechnology) - область науки на стыке биологии и нанотехнологии, которая охватывает широкий круг технологических подходов, включая: применение нанотехнологических устройств и наноматериалов в биотехнологии; использование биологических молекул для нанотехнологических целей; создание биотехнологических продуктов, свойства которых определяются размерными характеристиками (для объектов, размер которых лежит в дипазоне 1-100 нм); использование биотехнологических подходов, в основе которых лежит принцип контролируемой самоорганизации наноструктур.
     20.      Нанобиоэлектроника (англ. biomolecular electronics или molecular electronics) - область науки, лежащая на стыке электроники и нанотехнологий, в которой биомолекулы и реализованные в них принципы обработки информации и передачи энергии используются для создания элементов электронных устройств.

8

     21.       Подложка (англ, substrate или wafer) - образец со специально подготовленной поверхностью для наращивания на ней пленок и наноструктур или проведения исследований поверхностных процессов (адсорбции, десорбции, кластерообразования, поверхностной диффузии и т, д,),
     22.      Сополимер (англ, copolymer) - полимер, макромолекулы которого состоят из мономерных звеньев нескольких типов,
     23.       Супрамолекулярные гели иначе молекулярные гели (англ, supramo-lecular gels) - гели, образованные из низкомолекулярных гелеобразующих (желирующих) агентов,
     24.       Умные материалы иначе «интеллектуальные» материалы (англ, smart materials) - класс различных по химическому составу и агрегатному состоянию материалов, которые объединяют проявление одной или нескольких физических (оптических, магнитных, электрических, механических) или физико-химических (реологических и др,) характеристик, значительно (обратимо или необратимо) изменяющихся под влиянием внешних воздействий: давления, температуры, влажности, pH среды, электрического или магнитного поля и др,
     25.       Ферменты - белки, являющиеся биологическими катализаторами, Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты),
     26.       Хемосорбция - химическая адсорбция (англ, chemisorption) - адсорбция, при которой между адсорбентом и адсорбатом происходит образование химической связи,
     27.      Штамм (от нем, Stamm, буквально - «ствол», «род») - чистая культура вирусов, бактерий, других микроорганизмов или культура клеток, изолированная в определенное время и в определенном месте,

9

                1. ОСНОВЫ БИОИНЖИНИРИНГА





     Биоинженерия (англ, bioengineering) - направление науки и техники, развивающее применение инженерных принципов в биологии и медицине, Сфера деятельности биоинженерии простирается от создания искусственных органов для компенсации пониженных, либо утраченных физиологических функций (биомедицинская инженерия) и до разработки генетически модифицированных организмов, например, сельскохозяйственных растений и животных (генетическая инженерия), а также молекулярного конструирования соединений с заданными свойствами, Отличие биоинженерии от биомедицинской инженерии в том, что биоинженерия заинтересована в применении биологии в инженерных немедицинских инновациях. Инженерная биология и биомедицинская инженерия дополняют друг друга, так как могут существовать небиологические товары для медицинских нужд, одновременно с биологическими товарами для немедицинских нужд (инженерных систем), Кроме того, в немедицинских аспектах биомедицинская инженерия тесно переплетается с биотехнологией,
     Фундаментом современного биоинжиниринга являются молекулярная биология, микробиология, генетика, биохимия, биофизика, технология, приборостроение, За последние 40-50 лет произошло скачкообразное развитие этих наук, что привело к форменной революции в производстве медицинских биопрепаратов, созданию трансгенных растений и животных с заданными уникальными свойствами, Подобные исследования являются приоритетными направлениями научно-технического прогресса и в XXI веке займут ведущее место среди всех наук, Наука формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества, Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода,
     I.      Эмпирический (греч, «эмперикос» - опытный), или доисторический, период - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до нашей эры и около 2000 лет нашей эры, Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, 10

пива, уксуса, получение кисломолочных продуктов, квашение капусты, силосование, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических.
     II.    Этиологический (греч. «аитиа» - причина) период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX века и первую треть XX века (18561933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822-1895) - основоположника научной микробиологии. Пастер установил микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг существовавшее тогда представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии; предложил метод пастеризации как способ стерилизации. В этот же период занимались наукой его выдающиеся ученики, сотрудники и коллеги: Э. Дюкло, Э. Ру, И. И. Мечников, Р. Кох, Д. Листер, Ш. Китазато, Д. И. Ивановский и др.
     В биоинжиниринге очень важным этапом является приготовление питательных сред для культивирования микроорганизмов и культур клеток. Уже в 1859 г. Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Коху в 1876 г. удалось вырастить бациллы сибирской язвы в капле водянистой влаги, извлеченной из глаза погибшей коровы. В 80-е гг. XIX столетия Р. Кох предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля, а позднее - на агаризованных питательных средах. И как следствие этого, удалось доказать индивидуальность микроорганизмов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.); например, маслянокислые бактерии и вызываемое ими маслянокислое брожение, лактобактерии и молочнокислое брожение, дрожжи-сахаромицеты и спиртовое брожение, уксуснокислые бактерии и окисление этанона до уксусной кислоты и т. д. В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также продуктов обмена бактерий (метаболизма) - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот. Во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

11