Предмет и задачи биотехнологии. Генная инженерия

Биотехноло́гия — наука, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продукты их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

В настоящее время применяется в практически во всех отраслях промышленности.

Включает в себя такие направления, как:

биохимия

биофизика

молекулярная биология

генная инженерия

биоорганическая химия

Особенно интенсивно биотехнология стала развиваться с 1941 года, с возникновением необходимости синтеза таких антибиотиков, как пенициллин и стрептомицин, и на данный момент представляет собой систему приёмов направленного использования процессов жизнедеятельности живых организмов для получения промышленным способом ценных продуктов, включающую в себя создание организмов с заранее заданными свойствами, методами генной инженерии.

ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, или технология рекомбинантных ДНК, изменение с помощью биохимических и генетических методик хромосомного материала – основного наследственного вещества клеток. Хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Биологи изолируют те или иные участки ДНК, соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной клетки в другую. В результате удается осуществить такие изменения генома, которые естественным путем вряд ли могли бы возникнуть.

Методом генной инженерии получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон. И хотя эта технология еще только разрабатывается, она сулит достижение огромных успехов и в медицине, и в сельском хозяйстве. В медицине, например, это весьма перспективный путь создания и производства вакцин. В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-вредителям и гербицидам.

22.Нормальная микрофлора тела человека и её значение.

Нормальная микрофлора человека – это совокупность множества микробиоценозов, характеризующихся определенными взаимосвязями и местом обитания.

В организме человека в соответствии с условиями обитания формируются биотопы с определенными микробиоценозами. Любой микробиоценоз – это сообщество микроорганизмов, существующее как единое целое, связанное цепями питания и микроэкологией.

Виды нормальной микрофлоры:

1) резидентная – постоянная, характерная для данного вида;

2) транзиторная – временно попавшая, нехарактерная для данного биотопа; она активно не размножается.

Нормальная микрофлора формируется с рождения. На ее формирование оказывают влияние микрофлора матери и внутрибольничной среды, характер вскармливания.

Факторы, влияющие на состояние нормальной микрофлоры.

1. Эндогенные:

1) секреторная функция организма;

2) гормональный фон;

3) кислотно-основное состояние.

2. Экзогенные условия жизни (климатические, бытовые, экологические).

Микробное обсеменение характерно для всех систем, имеющих контакты с окружающей средой. В организме человека стерильными являются кровь, ликвор, суставная жидкость, плевральная жидкость, лимфа грудного протока, внутренние органы: сердце, мозг, паренхима печени, почек, селезенки, матка, мочевой пузырь, альвеолы легких.

Нормальная микрофлора выстилает слизистые оболочки в виде биопленки. Этот полисахаридный каркас состоит из полисахаридов микробных клеток и муцина. В нем находятся микроколонии клеток нормальной микрофлоры. Толщина биопленки – 0,1–0,5 мм. В ней содержится от нескольких сотен до нескольких тысяч микроколоний.

Формирование биопленки для бактерий создает дополнительную защиту. Внутри биопленки бактерии более устойчивы к действию химических и физических факторов.

Этапы формирования нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта (ЖКТ):

1) случайное обсеменение слизистой. В ЖКТ попадают лактобациллы, клостридии, бифидобактерии, микрококки, стафилококки, энтерококки, кишечная палочка и др.;

2) формирование сети из ленточных бактерий на поверхности ворсинок. На ней фиксируются в основном палочковидные бактерии, постоянно идет процесс формирования биопленки.

Нормальная микрофлора рассматривается как самостоятельный экстракорпоральный орган с определенной анатомической структурой и функциями.

Функции нормальной микрофлоры:

1) участвие во всех видах обмена;

2) детоксикация в отношении экзо– и эндопродуктов, трансформация и выделение лекарственных веществ;

3) участие в синтезе витаминов (группы В, Е, Н, К);

4) защита:

а) антагонистическая (связана с продукцией бактериоцинов);

б) колонизационная резистентность слизистых оболочек;

5) иммуногенная функция.

Наибольшей обсемененностью характеризуются:

1) толстый кишечник;

2) ротовая полость;

3) мочевыделительная система;

4) верхние дыхательные пути;

5) кожа.

Ребенок развивается в полости матки в стерильных условиях и рождается стерильным. Но уже с первых минут после рождения он вступает в контакт с микрофлорой окружающей среды, и в течение короткого времени его кожные покровы и слизистые оболочки, сообщающиеся с внешней средой, заселяются разнообразными микроорганизмами из воздуха, а также в результате контакта с матерью, обслуживающим персоналом родильного дома и предметами ухода. В результате этого формируется новая экологическая система — организм человека + населяющая его микрофлора. Эта система очень динамична, так как взаимоотношения в ней — симбиоз микроорганизмов с макроорганизмом — могут носить характер мутуализма, комменсализма или паразитизма.

Под мутуализмом понимаются такие взаимоотношения, которые имеют взаимовыгодный харак­тер, т. е. микроорганизмы питаются за счет своего хозяина, но не только не причиняют ему никакого вреда, а, напротив, приносят пользу, например синтезируют для него витамины.

Комменсализм — форма сосуществования, при которой микроорганизмы питаются за счет своего хозяина, не нанося ему особого ущерба. Но при известных условиях комменсалы, которыми обычно являются условно-патогенные бактерии, могут стать виновниками различных, чаще всего гнойно-воспа­лительных заболеваний (стафилококки, стрептококки, грамотрицательные бактерии).

Паразитизм — существование микроорганизмов за счет хозяина, сопровождающееся нанесением ему серьезного ущерба в виде того или иного заболевания.

Нормальная, т. е. в условиях здорового организма, микрофлора в количественном и качественном отношении представлена на различных участках тела неодинаково. Причина этого — неодинаковые условия обитания на коже и слизистых оболочках разных органов. Заселение тела человека микроор­ганизмами происходит в результате оседания пыли и проникновения их вместе с вдыхаемым возду­хом, принимаемой пищей и т. д. Общее количество микроорганизмов, обнаруживаемых у взрослого человека, достигает 10¹⁴, что почти на порядок больше числа клеток всех тканей человека. В разных участках человеческого тела в соответствии с условиями обитания формируются ассоциации (биотопы) микроорганизмов, состоящие из разнообразных видовых сочетаний. На слизистых оболочках, особенно желудочно-кишечного тракта, представители нормальной микрофлоры обитают в виде двух форм: часть из них располагается в просвете, другая часть заключена в высокогидратированныи матрикс, который состоит из экзополисахаридномуциновых компонентов, образуя своеобразную био­пленку. Заключенные в эту биопленку микроорганизмы обладают по сравнению с просветными более высокой устойчивостью к действию физических, химических и биологических факторов. В случае, когда эти факторы подавляют компенсаторные возможности экологической системы (хозяин и его микрофлора), могут возникать микроэкологические нарушения, результатом которых могут быть раз­личные патологические состояния и другие неблагоприятные последствия (формирование антибиоти-коустойчивых и атипичных штаммов, образование новых микробных биотопов и т. п.).

Микрофлора кожи. Кожные покровы обильно заселены микроорганизмами, особенно места, защи­щенные от действия света и высыхания (подмышечные впадины, межпалыдевые и паховые складки, промежность). Количество бактерий на 1 см² варьирует от нескольких единиц до сотен тысяч особей. По расчетам П. Ремленже, общее число микробов на коже одного человека колеблется от 100 млн до 1 млрд клеток. Существенное значение имеет гигиеническое содержание кожных покровов. Наиболее постоянен состав микрофлоры не на ее поверхности, где он нередко имеет случайный характер, а в глубоких слоях ее, в области устьев сально-волосяных фолликулов. Наиболее частыми представителя­ми кожной микрофлоры являются Staphylococcus epidermidis, S.saprophyticus и грибы рода Candida, реже встречаются дифтероиды, микрококки. На кожных покровах условия для размножения бактерий не очень благоприятны, так как на них губительно действуют высыхание, десквамация эпителия, образующиеся перекиси, кислая рН и другие антимикробные факторы. При нормальном состоянии кожных покровов человек не ощущает присутствия на них микроорганизмов, но при травмах, потерто­стях, потливости, экзематозных поражениях они тотчас же дают о себе знать, вызывая процессы гнилостного разложения, отторжения эпидермиса, воспаление сальных и потовых желез и нагноитель-ные процессы. Сдвиг микрофлоры кожи в сторону увеличения грамотрицательных бактерий служит указанием на нарушение ее нормального состава.

Микрофлора верхних дыхательных путей представлена стрептококками, дифтероидами, мо-ракселлами, псевдомонадами. Основная масса микрофлоры рото- и носоглотки приходится на долю зеленящего стрептококка (до 99% всех микроорганизмов). Постоянно, но в меньшем количестве, встречаются нейссерии, коринебактерии (дифтероиды) и стафилококки. На состав микрофлоры оказы­вают влияние бактерицидные вещества слюны (лизоцим, ингибин), фагоцитарная активность лейкоци­тов, адсорбционные свойства слизи и ресничек эпителиальных клеток. При спокойном дыхании человек с каждым вдохом поглощает от 1500 до 14 000 и более микробных клеток, но все они задерживаются в верхних отделах дыхательных путей (это было доказано исследованиями плевраль­ного воздуха при естественном пневмотораксе). Слизистая оболочка гортани, трахеи, бронхов и альвеолы здорового человека не содержат микроорганизмов.

Микрофлора мочеполового тракта менее обильна, но по видовому составу разнообразна и представлена стафилококками, дифтероидами, стрептококками, микобактериями, бактероидами, фузо-бактериями. В наружных отделах половых органов и мочевыводящих путей чаще всего обнаруживают­ся микобактерии смегмы и фузобактерии. Во влагалище здоровых женщин преобладают молочнокис­лые палочки Додерлейна и дифтероиды, значительно реже встречаются стрептококки, стафилококки, пептострептококки, клостридии и грамотрицательные палочки. Число бактерий мочеполового тракта значительно уменьшается по мере удаления от его наружных отделов. Полость матки, фаллопиевы трубы и мочевой пузырь здоровых людей обычно микробов не содержат. На состав микрофлоры мочеполового тракта оказывают влияние бактерицидные свойства секретов половых путей, а у жен­щин — высокая кислотность влагалищного секрета (рН 4,0-4,6), которая регулируется молочнокис­лой палочкой Додерлейна (разные виды рода Lactobacillus) за счет образуемой ею молочной кислоты при расщеплении углеводного компонента слизи, прежде всего гликогена. Кислая среда угнетает рост стафилококков и грамотрицательных бактерий.

Микрофлора желудочно-кишечного тракта. Микрофлора полости рта представлена многочис­ленными видами аэробных и анаэробных микроорганизмов, так как для них здесь имеются вполне благоприятные условия — щелочная реакция слюны, наличие пищевых остатков, благоприятная для размножения температура (37 °С). Сразу после рождения ребенка в его ротовой полости формируется аэробная флора — кокки, палочки; с прорезыванием зубов появляются анаэробные бактерии, в том

числе вибрионы, спириллы, спирохеты, клостридии. В полости рта происходит непрерывное загрязне­ние микробами и самоочищение под влиянием лизоцима, ингибина и других факторов, вследствие чего формируется более или менее постоянная микрофлора, наиболее частыми представителями которой являются стафилококки, стрептококки, грибы Candida, лактобактерии, нейссерии, спирохе­ты, вибрионы, постоянно присутствуют анаэробы — вейллонеллы, бактероиды, пептострептококки. Иногда из слюны здоровых людей выделяют простейших, аспергиллы, дрожжи и другие микроорганиз­мы (см. также гл. 73).

Пищевод у здоровых людей обычно свободен от микроорганизмов или заселен ими очень мало.

Желудок. В связи с кислой реакцией среды, неблагоприятной для развития микроорганизмов, в желудке прижилась специфическая микрофлора: дрожжи, сарцины, грибы, лактобактерии, стафило­кокки, стрептококки, кампилобактерии и другие, но не гнилостные бактерии (всего до 30 видов). Изменение состава микрофлоры, в частности появление гнилостных бактерий, — признак нарушения нормальной функции желудочной секреции.

Тонкий кишечник. Микрофлора не обильная и довольно однообразная: лактобактерии, энтерококки, бифидумбактерии, E.coli и некоторые другие. Размножению бактерий препятствуют бактерио-статичес-кое действие желчи, секретов слизистой оболочки и секреторные иммуноглобулины класса IgAs. В ряде случаев, например, в связи с нарушением желудочной секреции, или с повреждением слизистой оболочки кишечника в результате радиационного облучения, или вследствие заболевания печени, желчных путей и поджелудочной железы, или иммунодефицита, у людей развивается синдром избыточной колонизации тонкого кишечника. Он заключается в том, что в тонкой кишке резко увеличивается концентрация бактериальной популяции, аналогичной по видовому и количественному составу микрофлоре толстого кишечника. Такое накопление в тонком кишечнике необычной для него микрофлоры может привести к различным нарушениям его функции и к явлениям энтеральной недостаточности.

Микрофлора толстого кишечника наиболее обильна и многообразна. Особенности условий обитания для микроорганизмов в толстом кишечнике состоят в том, что это орган не секреторный, а экскреторный, в нем отсутствует лизоцим, лимфоидная ткань представлена менее мощно, в то же время здесь благоприятная рН, температура, обилие питательных веществ и т. п. Формирование микрофлоры толстого кишечника начинается с первым вздохом ребенка, но в первые три дня, пока ребенок питается молозивом (молоко, обогащенное иммуноглобулинами матери), в толстом кишечни­ке размножаются разнообразные, в том числе гнилостные бактерии. Как только он начинает питаться грудным молоком матери, гнилостные бактерии исчезают и формируется постоянная микрофлора, в которой преобладают бактерии, образующие при ферментации глюкозы молочную кислоту. В толстом кишечнике обнаружено более 260 видов бактерий, общая биомасса их составляет около 1,5 кг.

Микрофлору толстого кишечника можно разделить на 4 следующие группы:

Основную массу микрофлоры составляют строгие анаэробы, не образующие спор: грамположи-тельные бактерии рода Bifidobacterium и грамотрицательные бактерии семейства Bacteroidaceae. На долю бифидобактерий и бактероидов приходится до 96-99% всей микрофлоры толстого кишечника. Они выделяются из испражнений даже при разведении Ю^-10-10~¹² степени.

Вторую группу составляют факультативные анаэробы, представленные главным образом грамот-рицательной E.coli и грамположительными энтерококками и молочнокислыми палочками рода Lactobacillus (спор не образуют). На их долю приходится 1-4% всей микрофлоры.

Третью группу составляет так называемая остаточная микрофлора, на которую приходится 0,01-0,001% всех микроорганизмов толстого кишечника. К этой группе принадлежат: Staphylococcus, Proteus, Candida, Clostridium, Pseudomonas.

К четвертой группе относятся различные другие представители семейства Enterobacteriaceae, которые могут временно или постоянно обнаруживаться в кишечнике и вызывать кишечные инфекции (Salmonella, Shigella, Enterobacter и другие роды).

Таким образом, кожные покровы и слизистая оболочка организма заселены различными видами микроорганизмов, которые образуют с макроорганизмом единую целостную экологическую систему. Состав и состояние микрофлоры зависят от макроорганизма, но, в свою очередь, и микрофлора, особенно толстого кишечника, оказывает существенное и многообразное влияние на макроорганизм. Ее воздействие на макроорганизм проявляется в следующем:

1. Она является одним из важных факторов естественной резистентности организма, так как проявляет высоко антагонистическое действие по отношению к другим, в том числе патогенным бактериям, препятствуя их размножению в организме. На это обстоятельство давно указывал И. И. Мечни­ков: «Природа пользуется конкуренцией безобидных микробов, чтобы помешать поселению патоген­ных микробов». И. И. Мечникову принадлежит идея употребления в пищу молочнокислых продуктов с целью подавления развития в кишечнике гнилостных бактерий и продления жизни человека.

Микрофлора своими антигенными факторами стимулирует развитие лимфоидной ткани организ­ма и, таким образом, также способствует развитию неспецифической и опосредованной специфичес­кой резистентности.

Микрофлора, особенно толстого кишечника, участвует в процессах пищеварения, в том числе в обмене холестерина и желчных кислот.

Важная роль микрофлоры заключается также в том, что она обеспечивает организм человека различными витаминами, которые синтезируются ее представителями (витамины В_ь В₂, В₆, В₁₂, К, никотиновая, пантотеновая, фолиевая кислоты и др.). Эти витамины обеспечивают большую часть потребностей в них организма.

Однако представители нормальной микрофлоры не всегда приносят только пользу. При определен­ных условиях, в частности при воздействии факторов, снижающих естественную резистентность, особенно в результате ионизирующего облучения, практически все представители нормальной микро­флоры, за исключением бифидумбактерий, могут стать виновниками различных эндогенных инфекций, чаще всего гнойно-воспалительных заболеваний с различной локализацией: ангины, менингиты, цисти­ты, отиты, сепсисы, нефриты, аппендициты, абсцессы, флегмоны и т. п.

Нередко после перенесенных кишечных заболеваний и особенно после длительного и нерациональ­ного применения антибиотиков возникают дисбактериозы.

Дисбактериоз — изменение количественного соотношения и состава нормальной микрофлоры организма, главным образом его кишечника, при котором происходит уменьшение количества или исчезновение обычно составляющих ее микроорганизмов и появление в большом количестве редко встречающихся или несвойственных ей микробов. Обычно это соотношение нарушается в сторону увеличения количества факультативно-анаэробной или остаточной микрофлоры, главным образом грам-отрицательных палочек, стафилококков, дрожжеподобных грибов Candida или Clostridium. Дисбактери­озы развиваются потому, что антибиотики, особенно с широким антимикробным спектром, действуют не только на возбудителя заболевания, но и на чувствительных к ним представителей нормальной микрофлоры, угнетая их размножение. В этих условиях те микроорганизмы, на которые антибиотики не действуют, начинают беспрепятственно размножаться, особенно если понижена и естественная резистент­ность организма. Чаще всего устойчивыми являются стафилококки, грибы Candida и различные грамотрицательные палочки (кишечная палочка, протей, псевдомонады). Это и приводит к развитию дисбактериозов. Наиболее тяжелыми формами дисбактериозов, представляющими уже самостоятельные заболевания, являются стафилококковые пневмонии, стафилококковые сепсисы, кандидомикозы (в том числе генерализованные) и антибиотико-ассоциированные колиты, особенно стафилококковый и псевдо-мембранозный колит, вызываемый Clostridium difficile. Для лечения дисбактериозов кишечника и колитов рекомендуется применение специальных бактерийных препаратов, способствующих восстановле­нию нормальной микрофлоры: колибактерин (высушенная взвесь живых бактерий антагонистически активного в отношении шигелл Флекснера и Зонне штамма E.coli М-17), бифидумбактерий (высушенная взвесь живых бифидобактерий), лактобактерин (высушенная взвесь антагонистически активных штаммов лактобактерий), бификол (высушенная взвесь живых антагонистически активных бифидобактерий и E.coli М-17), бактисубтил или других, сходных по назначению и составу биопрепаратов.