KONTAKT. doc. RNDr. Milan Bartoš, Ph.D.

Transkript

1

2 KONTAKT doc. RNDr. Milan Bartoš, Ph.D.

3 Podmínky ke zkoušce Zanech naděje, kdokoli vstoupíš Zápočet ze cvičení Písemný test, zisk alespoň 60% bodů Ústní rozprava

4 Doporučená literatura Učební texty 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 Transgenoze rostlin - Ondřej a Drobník, 2002

5 Obsah přednášky 1. Zdroje biotechnologií 2. Historické mezníky 3. Využití biotechnologií 4. Farmaceutická biotechnologie

6 Co jsou to biotechnologie?

7 mikrobiologie genetika molekulární biologie Biotechnologie biochemie enzymologie bioinženýrství analytická chemie

8 Biotechnologie zahrnuje Procesy využívající živé organismy nebo jejich součásti k výrobě nebo modifikaci produktů; šlechtění živočichů, rostlin a mikroorganismů pro specifická použití.

9 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.

10 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

11 Historie biotechnologie Počáteční období do roku 1850 Éra Pasteurova Období průmyslové biotechnologie Éra nových biotechnologií Transgenní organismy

12 Biotechnologie v pravěku? empirické využívání divokých mikroorganismů k přípravě fermentovaných produktů Před 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.

13 Mladší doba kamenná - výroba piva ve Španělsku V roce 2013 v pohřební jeskyni Can Sadurni nedaleko Barcelony nalezen hrob 4 lidí starý asi 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.

14 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.

15 Biotechnologie ve starověkém Egyptě podle starých Egypťaňů naučil lidi vařit pivo bůh slunce Re Asi let př. n. l. využití kvasinek pro fermentaci chlebového těsta

16 Biotechnologie ve starověké Číně Před lety znali konzervaci mléka kvašením výroba sýrů, vína a octa Yunnan cheese

17 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

18 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

19 Pozor na amatérské provozování biotechnologií v novověku!

20 DRAMA při kvašení zelí Dva lidé se otrávili zplodinami :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.

21 Období do roku Jenner zavádí metodu vakcinace dětí proti neštovicím virus kravských neštovic

22 A co na to oponenti? Rytina James Gillray ( )

23 První grant Parlament přidělil Jennerovi liber na pokračování testů

24 Vazby na chemii G.E. Stahl (něm. otec chemie ) Zymotechnia Fundamentalis studium fermentací Franz Wöhler synthesa močoviny Liebig chemie zemědělství fermentace je pohyb atomů

25 Van Leeuwenhoek objevuje baktérie zubního kazu...

26 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

27 Neexistuje něco jako aplikovaná věda, jsou jen aplikace vědeckých poznatků. Louis Pasteur ( )

28 1857 Éra Pasteurova I Pasteur předpokládá, že fermentace je zapříčiněna mikroorganismy křížení bavlny W. J. Beal - hybrid kukuřice 1871 Ernst Hoppe-Seyler objev invertasy 1877 Koch vyvinul techniku barvení a identifikace bakterií

29 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

30 Éra Pasteurova III 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

31 Období průmyslové mikrobiologie a biotechnologie

32 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)

33 Průmyslové biotechnologie 20. století - I OD ZYMOTECHNOLOGIE K BIOTECHNOLOGII alternativa chemických výrob - vznik mikrobiologických sbírek (1884 Praha, 1906 Dánsko) 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

34 Průmyslové biotechnologie 20. století - II 1928 A. Fleming - objev penicilinu 40. léta 20. století vypracování nových technologií vedoucích 1941 k dramatickému rozvoji průmyslové mikrobiologie MIT - nová disciplina bioinženýrství 50. léta Japonsko výzkum, produkce antibiotik a aminokyselin 1959 Švýcarsko - hydrolytické enzymy pro prací prášky

35 Studená válka * nová technologická řešení * vývoj biologických zbraní

36 60. a 70. léta Zelené biotechnologie Snaha o řešení základních problémů hlad a nemoci vyčerpání energetických zdrojů produkce odpadu

37 1953 Enzymové inženýrství a buněčné technologie Objev struktury DNA 1969 Poprvé je syntetizován enzym in vitro

38 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

39 Transgenní organismy Rostliny odolnější vůči herbicidům, imunní vůči škodlivému hmyzu; modifikovaný vzhled (větší plody, květy) Živočichové využití v diagnóze a terapii onemocnění

40 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

41 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

42 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

43 Novodobé milníky - IV 2001 Rozluštěn lidský genom z 95% Pane! Rozluštili kód lidského genomu! Zatrápení hackeři budu muset změnit heslo! Dokončení plné identifikace lidského genomu

44 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) FDA schválila klinické užití léku Abraxane pro léčbu metastazujících nádorů prsu (paklitaxel ve formě nanočástic)

45 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

46 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.

47 Přednosti biotechnologií Levná surovinová základna Nižší energetická náročnost Vyšší rychlost biochemických dějů

48 Nevýhody biotechnologií Vysoké náklady na výzkum a vývoj a na počáteční investice Malá efektivnost Nízká koncentrace zúčastněných látek Zatím nevyjasněná rizika

49 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

50 Příklady použití biotechnologií v medicíně - I Aminokyseliny, vitaminy, polysacharidy Léčiva (antibiotika, steroidy, antifungální látky, námelové alkaloidy...) Monoklonální protilátky, vakcíny Interferony, interleukiny

51 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 vrozených metabolických vad

52 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

53 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

54 Explantátové kultury rostlin produkce sekundárních metabolitů šlechtění a selekce rostlin

55 Zábavné biotechnologie Starlight Avatar, rumhp&utm_medium=dynamicleadbox&utm_campaign=b&utm_term=po sition-24

56 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)

57 výroba plynných a kapalných biopaliv výroba etanolu konverze rostlinných olejů na motorovou naftu výroba bioplynu biologické výroby vodíku bionafta Produkce energie - biopaliva

58 Ochrana životního prostředí recyklace toxických kovů rozklad a detoxikace polutantů životního prostředí metody monitorovaní kvality ovzduší, půdy a vod čištění odpadních vod

59 Těžba nerostných surovin biometalurgie mikrobní extrakce řady důležitých kovů i nekovů z chudých rud (např. rod Thiobacillus)

60 Informatika, výpočetní technika a přenos dat biosenzory, biočipy (např. DNA čipy) konstrukce nanorobotů (nanotechnologie)

61 Klasifikace biotechnologie Klasické mikrobiální technologie Enzymové technologie Využívání živočišných a rostlinných buněk Genové technologie Farmaceutická biotechnologie

62 Farmaceutická biotechnologie podle European Association of Pharma Biotechnology (EAPB) věda, která překrývá všechny technologie nezbytné k vytvoření, výrobě a registraci biotechnologických léčiv

63 Je to opravdu věda? 1) Existence předmětu bádání 2) Ústřední teorie 3) Existence metodických přístupů 4) Institucionalizace 5) Vlastní časopis

64 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.

65 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.

66 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

67 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

68 Specifické metody? Genové terapie? DNA vakcíny? Vakcíny na bázi interferujících RNA?

69 Vědecké společnosti Evropská asociace farmaceutické biotechnologie (The European Association of Pharma Biotechnology, EAPB) The American Association of Pharmaceutical Scientists (AAPS) de/

70 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)

71 Časopisy I EAPB vydává časopis NewDrugs 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

72 Časopisy II Research in Pharmaceutical Biotechnology 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

73 Časopisy III Current Pharmaceutical Biotechnology je vydávaný Bentham Science Publishers obsahuje souhrnné i výzkumné články je částečně k dispozici on-line vychází od roku 2001

74 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 )

75 A jaká je realita?

76 Už to není sen, ale skutečnost!

77 Je to tedy opravdu věda? 1) Existence předmětu bádání 2) Ústřední teorie 3) Existence metodických přístupů 4) Institucionalizace 5) Vlastní časopis

78 Shrnutí přednášky 1. Zdroje biotechnologií 2. Historické mezníky 3. Využití biotechnologií 4. Farmaceutická biotechnologie

79 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?