KONTAKT
doc. RNDr. Milan Bartoš, Ph.D.
[email protected]
Podmínky ke zkoušce Zanech naděje, kdokoli vstoupíš
Zápočet ze cvičení Písemný test, zisk alespoň 60% bodů Ústní rozprava
Doporučená literatura Učební texty „www.farmaceuticka-biotechnologie.cz” Biotechnologie a farmakogenetika pro farmaceuty – Bartoš a kol., 2009 Základy buněčné biologie – Alberts a kol., 1998 Klonování genů a analýza DNA – Brown, 2006, překlad 2007 Metody molekulární biologie – Šmarda a kol., 2005 Pharmaceutical biotechnology – Crommelin et al. 2008 Transgenoze rostlin - Ondřej a Drobník, 2002
Obsah přednášky 1. Zdroje biotechnologií 2. Historické mezníky 3. Využití biotechnologií 4. Farmaceutická biotechnologie
Co jsou to biotechnologie?
molekulární
mikrobiologie
biologie genetika
Biotechnologie biochemie enzymologie analytická bioinženýrství
chemie
Biotechnologie zahrnuje
Procesy využívající živé organismy nebo jejich součásti k výrobě nebo modifikaci produktů; šlechtění živočichů, rostlin a mikroorganismů pro specifická použití.
Prof. Drobník Povaha biotechnologie je ve své podstatě spojena s aplikací biologie, tedy s průmyslem, a tedy i s komercí.. Proto je nutno ji provozovat tak, aby z jejích výsledků měli lidé co největší užitek, což bez komerčního vyústění není možné.
Z toho důvodu by kvalita vědecké práce v biotechnologii měla být měřena spíše patenty než impakt faktorem publikací.
Pročpak nám tato skvělá aplikovaná věda, která ušetřila práci a usnadnila život, přináší tak málo štěstí? Jednoduchou odpovědí na to je: Protože jsme se dosud nenaučili používat ji rozumně. Chcete-li, aby vaše práce přinášela lidstvu více požehnání, nestačí, abyste rozuměli aplikované vědě. Starost o člověka samého a o jeho osud musí vždy být hlavním zájmem veškerého technického snažení. Nikdy na to mezi svými rovnicemi a diagramy nezapomeňte! Albert Einstein ve svém projevu ke studentům Kalifornské techniky v únoru 1931
Historie biotechnologie • Počáteční období do roku 1850 • Éra Pasteurova • Období průmyslové biotechnologie • Éra nových biotechnologií • Transgenní organismy
Biotechnologie v pravěku? empirické využívání divokých mikroorganismů k přípravě fermentovaných produktů Před 100 000 lety se živili lidé z jeskyní v dnešním Mozambiku drceným čirokem V Súdánu se čirok konzumuje ve fermentovaném stavu, především ve formě místního tenkého chleba kisra, řídké kaše aceda nebo nasha.
http://www.osel.cz/index.php?clanek=4780
Mladší doba kamenná - výroba piva ve Španělsku V roce 2013 v pohřební jeskyni Can Sadurni nedaleko Barcelony nalezen hrob 4 lidí starý asi 6 400 let. Dospělý muž měl u sebe položenou i nádobu se dvěma uchy. Na jejím dně objevili archeologové jemnou vrstvu usazenin. Chemické analýzy prozradily, že obsahuje šťavelany a mikroskopické křemičité částice tzv. fytolity pocházející z obilek ječmene. Vědci z toho usoudili, že v poháru byl kvašený nápoj vyrobený z ječmene. http://www.ub.edu/web/ub/en/menu_eines/noticies/2013/11/044.html
Biotechnologie ve starověku? v Mezopotámii Sumerové v 7. tisíciletí b.c. – výroba piva V Chammurapiho zákoníku je zmínka o kvetoucí pivovarské činnosti a zákonem byl stanoven obsah mladiny v pivě a jeho cena. Porušení se trestalo smrtí utopením.
Biotechnologie ve starověkém Egyptě podle starých Egypťaňů naučil lidi vařit pivo bůh slunce Re Asi 4 000 let př. n. l. využití kvasinek pro fermentaci chlebového těsta
Biotechnologie ve starověké Číně Před 4 000 lety znali konzervaci mléka kvašením výroba sýrů, vína a octa
Yunnan cheese
Biotechnologie ve středověku I v Čechách vyráběli pivo v Břevnovském klášteře v Praze od roku 993 v současnosti se starověká výroba piva zachovala ve výrobě piva u afrických kmenů
Biotechnologie ve středověku II 1276 Irsko - první palírna whisky 14. století - “tajemná síla” – úzký vztah s alchymií, poznání procesu destilace 1400 Asie - vlivem islámu ústup od kvasných technologií pro přípravu alkoholických nápojů
15. století - objevena technologie kvašeného zelí technologie výroby jogurtu
Pozor na amatérské provozování biotechnologií v novověku!
DRAMA při kvašení zelí Dva lidé se otrávili zplodinami 3.11. 2008 15:02 Našli ji kolegové na dně čtyřmetrové nádrže na kvašení zelí. Jeden ze zaměstnanců se rozhodl šestadvacetileté ženě pomoci a po žebříku se vydal za ní. Také on však po chvíli upadl do bezvědomí. Takovéto ráno prožili v pondělí lidé ve velkoskladu zeleniny v Malých Hošticích. Oba byli intoxikováni zplodinami kvašení, které se nahromadily v nádrži. Záchranáři proto museli přivolat další posádku, hasiče a policii. Muže ve věku pětadvaceti let se kolegům podařilo vytáhnout mimo nádrž. Záchranáři podali kyslík, zajistili žilní vstup a podali potřebné léky. Stav postiženého se zlepšil a muž byl transportován na interní ambulanci Slezské nemocnice v Opavě.
Ženu v hlubokém bezvědomí museli podle jeho slov z nádrže vyprostit až přivolaní hasiči. „Její stav byl vážný, zasahující lékařka musela zajistit dýchací cesty pacientky intubací a připojit ji k umělé plicní ventilaci.
www.katastrofy.com
Období do roku 1850 1797 Jenner zavádí metodu vakcinace dětí proti neštovicím
virus kravských neštovic
A co na to oponenti?
Rytina James Gillray (1757-1815)
První grant
Parlament přidělil Jennerovi 30 000 liber na pokračování testů
Vazby na chemii 1697 - G.E. Stahl (něm. “otec chemie”) Zymotechnia Fundamentalis – studium fermentací 1828 - Franz Wöhler – synthesa močoviny 1830 - Liebig – “chemie zemědělství” “fermentace je pohyb atomů”
Van Leeuwenhoek objevuje baktérie zubního kazu...
Pokroky biologických disciplín 1673 Anton van Leeuwenhoek – objev mikroskopu, popsal bakterie a prvoky a vyslovil domněnku o úloze v kvašení 1798 Edvard Jenner – srovnání účinnosti inokulace pravými neštovicemi a očkováním kravskými neštovicemi (vaccinus – lat. původem kravský) 1809 Nicolas Appert – sterilizační metoda pro přípravu konzerv – na zakázku Napoleonovy armády
Neexistuje něco jako aplikovaná věda, jsou jen aplikace vědeckých poznatků. Louis Pasteur (1822 - 1895)
Éra Pasteurova I 1857 Pasteur předpokládá, že fermentace je zapříčiněna mikroorganismy 1870-1890 křížení bavlny W. J. Beal - hybrid kukuřice 1871 Ernst Hoppe-Seyler – objev invertasy 1877 Koch vyvinul techniku barvení a identifikace bakterií
Éra Pasteurova II 1881 Pasteur – použití oslabených bacilů pro očkování proti antraxu 1881 Robert Koch – popsal bakteriální kolonie 1892 Ivanovsky – částice působící tabákovou mozaiku – “filtrovatelné viry” 1897 Eduard Buchner – kvašení pomocí kvasničného extraktu
Éra Pasteurova III 1900 - znovuobjevení Mendelových prací - prokázána možnost výroby chemikálií baktériemi (glycerol, butanol, aceton) 1910 Thomas Morgan – chromozomy jsou nositely genů 1919 Poprvé je použito slovo biotechnologie v tisku 1920 Evans a Long objevili lidské růstové hormony
Období průmyslové mikrobiologie a biotechnologie
Průmyslové biotechnologie 19. století ZYMOTECHNIKA: zymé (řec.) = kvas, kvasnice = soubor vybraných znalostí chemie, mikrobiologie a inženýrství PIVOVARSTVÍ Produkce piva (1883) – Německo 3,9 miliard litrů 1816 – Stavovská inženýrská škola v Praze 1872 – Pivovarská škola ve Weihenstephanu 1874 – Federace producentů lihu v Berlíně 1883 – Výzkumný a vzdělávací pivovarský institut v Berlíně 1884 – Chicago (USA) – pivovarská škola (Zymotechnic College)
Průmyslové biotechnologie 20. století - I „OD ZYMOTECHNOLOGIE K BIOTECHNOLOGII“ - alternativa chemických výrob - vznik mikrobiologických sbírek (1884 Praha, 1906 Dánsko) 1884 Max Delbrück – “kvasinka je stroj” produkce org. kyselin (mléčná, citrónová, máselná) 1.sv. válka Německo – glycerol (výbušniny) V.Británie - aceton (výbušniny) 30. léta krize, zemědělské přebytky – výroba alkoholu
Průmyslové biotechnologie 20. století - II 1928 A. Fleming - objev penicilinu 40. léta 20. století vypracování nových technologií vedoucích k dramatickému rozvoji průmyslové mikrobiologie 1941 MIT - nová disciplina “bioinženýrství” 50. léta Japonsko – výzkum, produkce antibiotik a aminokyselin 1959 Švýcarsko - hydrolytické enzymy pro prací prášky
Studená válka * nová technologická řešení * vývoj biologických zbraní
60. a 70. léta – Zelené biotechnologie Snaha o řešení základních problémů hlad a nemoci vyčerpání energetických zdrojů produkce odpadu
Enzymové inženýrství a buněčné technologie 1953 Objev struktury DNA 1969 Poprvé je syntetizován enzym in vitro
Éra nových biotechnologií (po r. 1975) - genové inženýrství - rekombinantní technologie - cílené pozměňování genetické informace - GMO - produkce proteinů v modifikované formě
- hybridomové technologie - využití hybridomů – jednobuněčné organismy vytvořené křížením zdravé živočišné a nádorové buňky - monoklonální protilátky, vakcíny
Transgenní organismy Rostliny – odolnější vůči herbicidům, imunní vůči škodlivému hmyzu; modifikovaný vzhled (větší plody, květy)… Živočichové – využití v diagnóze a terapii onemocnění
Novodobé milníky - I 1977 Založena firma Genentech 1978 Poprvé je vyroben lidský insulin 1980 Nejvyšší soud USA – patentová ochrana biotech produktu 1981 První transgenní zvířata
1982 FDA schválila první biotechnologicky připravený lék – lidský insulin
Novodobé milníky - II 1983 Vytvořena technika PCR Poprvé syntetizovány umělé chromozomy První celá biotechnologicky vytvořená rostlina – petúnie 1986 Rekombinantní vakcína pro lidi – hepatitis B První polní testy transgenní rostliny – tabáku 1990 Zavedena výroba umělé formy enzymu chymosinu k produkci sýrů První potravinářský produkt schválený ve Velké Británii – modifikované kvasnice
Novodobé milníky - III 1993 FDA schválila hovězí somatotropin ke zvyšování produkce mléčné produkce dojných krav 1997 První zvíře klonované z dospělé buňky – ovce Dolly Na trhu jsou první biotechnologické plodiny resistentní k plevelům – sója a bavlna
Novodobé milníky - IV 2001 Rozluštěn lidský genom z 95% 14.4. 2003 Dokončení plné identifikace lidského genomu
Pane! Rozluštili kód lidského genomu!
Zatrápení hackeři … budu muset změnit heslo!
Novodobé milníky - V 2003 Světová výměra biotechnologických plodin dosahuje 167,2 mil. akrů v 18 zemích světa 2004 FDA schválila první antiangiogenní lék proti rakovině, Avastin (bevacizumab) 1.2. 2005 FDA schválila klinické užití léku Abraxane pro léčbu metastazujících nádorů prsu (paklitaxel ve formě nanočástic)
Průmyslové uplatnění Biotechnologie v průmyslu znamená
→
vhodné doplnění chemické technologie
→
rozšíření palety vyrobitelných látek
• Látky vyrobitelné jen chemickou syntézou • Látky vyrobitelné jen pomocí biotechnologie • Látky vyrobitelné chemickou technologií i
biotechnologií
Hlediska v rozhodování mezi těmito možnostmi • technická uskutečnitelnost biotechnologického procesu
• aktuální cena surovin • snadnost izolace konečného produktu a jeho čistota • možnost získání užitečných vedlejších produktů • úspěšnost z hlediska rychlosti komercializace atd.
Přednosti biotechnologií
Levná surovinová základna
Nižší energetická náročnost Vyšší rychlost biochemických dějů
Nevýhody biotechnologií Vysoké náklady na výzkum a vývoj a na počáteční investice Malá efektivnost Nízká koncentrace zúčastněných látek Zatím nevyjasněná rizika
Hlavní oblasti použití biotechnologií Medicína a farmaceutický průmysl • Přírodní metabolity - biosyntéza - např. ATB, vitamíny aj. • Látky připravené biokatalýzou - biokonverze (biotransformace) - např. steroidní látky • Lidské proteiny a polypeptidy – genové manipulace
Příklady použití biotechnologií v medicíně - I Aminokyseliny, vitaminy, polysacharidy
Léčiva (antibiotika, steroidy, antifungální látky, námelové alkaloidy...) Monoklonální protilátky, vakcíny Interferony, interleukiny
Příklady použití biotechnologií v medicíně - II Hormony - lidský růstový hormon, FSH Bílkoviny se specifickými účinky (výroba insulinu) Produkční enzymy a čisté enzymy pro bioanalytické metody (imunoanalýza) Genové terapie, sledování metabolických vad
vrozených
Biotechnologie v zemědělství Rostlinná výroba - zvyšování úrodnosti půd mikrobiální fixací atmosférického dusíku - ochrana rostlin proti škůdcům (tzv. biopesticidy) - ochrana rostlin proti vymrzávání - nové kultivary a kulturních plodin - diagnostika rostlinných chorob, aj.
Živočišná výroba - krmné směsi, antibiotika, aj. - zvyšování produkce masa a mléka - řízená říje a reprodukce
Biotechnologie v potravinářském průmyslu genové manipulace (pěstování ovoce a zeleniny) výroba fruktosového sirupu ze škrobu, výroba bezlaktosového mléka, ochucovadel, barviv, aminokyselin, antioxidantů, sladidel (aspartam). výroba alkoholu, droždí a mléčných výrobků (chymosin). mikrobiální SCP „single cell protein“
Explantátové kultury rostlin produkce sekundárních metabolitů šlechtění a selekce rostlin
Zábavné biotechnologie Starlight Avatar, 17.2. 2014
http://zena.centrum.cz/bydleni/clanek.phtml?id=801553#utm_source=cent rumHP&utm_medium=dynamicleadbox&utm_campaign=B&utm_term=po sition-24
Biotechnologie v chemickém průmyslu výroba chemikálií z rostlinné biomasy (cukru) alkoholy aj. org. rozpouštědla, organické kyseliny aminokyseliny a nukleotidy biodegradabilní polymery emulgační, zahušťovací a suspenzní činidla v petrochemickém, sklářském, textilním, papírenském a potravinářském průmyslu výroba plastů (kyselina polylaktidová)
Produkce energie - biopaliva výroba plynných a kapalných biopaliv výroba etanolu konverze rostlinných olejů na motorovou naftu výroba bioplynu biologické výroby vodíku bionafta
Ochrana životního prostředí recyklace toxických kovů rozklad a detoxikace polutantů životního prostředí metody monitorovaní kvality ovzduší, půdy a vod čištění odpadních vod
Těžba nerostných surovin – biometalurgie mikrobní extrakce řady důležitých kovů i nekovů z chudých rud (např. rod Thiobacillus)
Informatika, výpočetní technika a přenos dat biosenzory, biočipy (např. DNA čipy) konstrukce nanorobotů (nanotechnologie)
Klasifikace biotechnologie • Klasické mikrobiální technologie • Enzymové technologie • Využívání živočišných a rostlinných buněk • Genové technologie
• Farmaceutická biotechnologie
Farmaceutická biotechnologie podle European Association of Pharma Biotechnology (EAPB)
věda, která překrývá všechny technologie nezbytné k vytvoření, výrobě a registraci biotechnologických léčiv
Je to opravdu věda? 1) Existence předmětu bádání 2) Ústřední teorie 3) Existence metodických přístupů 4) Institucionalizace 5) Vlastní časopis
Předmět farmaceutické biotechnologie Předmětem studia farmaceutické biotechnologie je léčivo vytvořené specifickým (biotechnologickým) postupem - s využitím organismů, živých buněk nebo jejich součástí.
Vyžaduje specifický přístup ve všech fázích produkce - vlastního návrhu, vývoje a konečně výroby. Léčiva vytvořená postupy biotechnologickými podléhají zvláštnímu režimu registrace, protože se jedná o produkty geneticky modifikovaných organismů.
Ústřední teorie společný evoluční původ organismů univerzalita genetického kódu napříč živými systémy podobnost transkripčních a translačních aparátů
Látky, biologicky aktivní v jednom organismu, mohou být produkovány v jakémkoli jiném organismu.
1) Rekombinantní produkt (ačkoli nevzniká ve svém původním organismu) je z hlediska funkce shodný nebo alespoň velmi podobný „originálu“. 2) Biofarmaceutický produkt může být biotechnologem vhodně upraven tak, aby měl zvláštní vlastnosti, díky kterým může v cílovém organismu vykonávat specifickou funkci.
Metodický přístup Rozmanitost zdrojů = široké spektrum metod Vývoj léčiva = molekulární biologie, genetika a genové inženýrství
Produkce léčiva = klasická mikrobiologie, genetika Purifikace a charakterizace produktů = biochemie, analytická chemie Úprava léčiva = biochemie, enzymové inženýrství, organická chemie, farmaceutická chemie, technologie léčiv a farmakologie Registrace léčiva = aplikovaná farmacie
Specifikum metodického přístupu? KOMPLEXNOST Příklad produkce rekombinantního proteinu – viz. učební text
Izolace genu Klonování do produkčních buněk Charakterizace klonu Produkce rekombinantního proteinu Separace a purifikace produktu Charakterizace a chemická definice Klinické testy Administrativní proces registrace Postklinické zkoušky
Specifické metody? Genové terapie? DNA vakcíny? Vakcíny na bázi interferujících RNA?
Vědecké společnosti Evropská asociace farmaceutické biotechnologie (The European Association of Pharma Biotechnology, EAPB) http://www.eapb.de/
The American Association of Pharmaceutical Scientists (AAPS) http://www.aapspharmaceutica.com/http://www.eapb. de/
Výzkumné instituce Zahraniční – příklady v učebním textu Česká republika Ústav experimentální biofarmacie, AV ČR, Hradec Králové BioPharm – Výzkumný ústav biofarmacie a veterinárních léčiv, a.s., Jílové u Prahy BioTest, s.r.o., Konárovice (MediTox, s.r.o. od roku 2012)
Časopisy I EAPB vydává časopis „NewDrugs“ www.new-drugs.com
Profesionální list, ve kterém farmaceutické, biotechnologické a servisní společnosti prezentují své vlastní výzkumné aktivity AAPS vydává tři vlastní časopisy - The AAPS Journal - AAPS PharmSciTech - Pharmaceutical Research a řadu dalších sponzoruje
Časopisy II Research in Pharmaceutical Biotechnology http://www.academicjournals.org/rpb/index.htm vychází jako měsíčník od roku 2009 články o bioinženýrství, biomimetice, tkáňových kulturách, navrhování léčiv a jejich vývoji, apod. volně dostupný odborné komunitě BIOINFO Pharmaceutical Biotechnology má za cíl publikovat to nejlepší v oboru Farmaceutické biotechnologie, volně dostupný
Časopisy III Current Pharmaceutical Biotechnology
http://www.benthamscience.com/cpb/
je vydávaný Bentham Science Publishers obsahuje souhrnné i výzkumné články je částečně k dispozici on-line vychází od roku 2001
Farmaceutická biotechnologie na FaF Brno? Projekt OP VaVpI MŠMT – „Rozvoj kapacit studia farmacie v oblasti molekulární biologie a strukturní biologie a farmaceutické biotechnologie“ (ukončeno k 31.12. 2014)
A jaká je realita?
Už to není sen, ale skutečnost!
Je to tedy opravdu věda? 1) Existence předmětu bádání 2) Ústřední teorie 3) Existence metodických přístupů 4) Institucionalizace 5) Vlastní časopis
Shrnutí přednášky 1. Zdroje biotechnologií 2. Historické mezníky 3. Využití biotechnologií 4. Farmaceutická biotechnologie
A otázky na závěr 1) Samostatná vědní disciplína musí také a) Odpovídat na specifické otázky, které jiné vědní disciplíny nedokáží uspokojivě vysvětlit b) Musí sama klást nové otázky a vytvářet prostor pro svůj vlastní rozvoj, jakožto rozvoj lidského poznání v tom nejširším slova smyslu Dokážete nalézt konkrétní příklady pro obor Farmaceutické biotechnologie? 2) Najdete další příklady vědecko-výzkumných nebo komerčně založených společností (tuzemských i zahraničních), které mají v obsahu činnosti předmět studia Farmaceutické biotechnologie? 3) Rozlišuje Český lékopis produkty farmaceutické biotechnologie od ostatních léků?
