Введение к работе
Актуальность исследования. Биотехнология является одной из ведущих отраслей науки и промышленности в большинстве экономически развитых стран мира. В дальнейшем ее роль, в связи с сокращением традиционных источников биологического сырья на планете, будет только возрастать. Основой биотехнологии является использование современных наукоемких технологий в производстве лекарственных, пищевых, кормовых и других ценных веществ, необходимых для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека, а также в сохранении биоразнообразия и воспроизводстве природного и сельскохозяйственного сырья. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (ФАО), 25-30 миллионов тонн совокупного мирового вылова гидробионтов теряются в результате неправильного обращения с сырьем, и примерно столько же теряется в качестве отходов промышленной переработки. Эти потери представляют собой очень большой сырьевой резерв, который не используется должным образом. Морские гидробионты являются уникальным возобновляемым сырьем для производства природных соединений различных по химическому строению и биологической активности.
При обработке промысловых морских организмов отходы составляют до 60 % от массы улова. Основные исторически сложившиеся направления использования таких отходов – производство кормовой муки и жира. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что отходы промышленной переработки многих морских организмов, в особенности, беспозвоночных (моллюсков, иглокожих, ракообразных), водорослей, представляют ценное сырье для получения биологически активных веществ (БАВ) различной химической природы. Эти биологически активные вещества, обладающие противомикробным, противовирусным и противораковым действием, могут эффективно использоваться для профилактики и лечения различных заболеваний иммунной и сердечно-сосудистой систем, суставов, коррекции липидного и углеводного обмена. Лекарства морского происхождения играют значительную роль в народной медицине народов, населяющих побережье Мирового океана. Особую актуальность эта проблема приобретает в настоящее время с появлением “заболеваний века” - иммунодефицита, лучевого поражения, злокачественных новообразований. Состояние здоровья населения России ухудшается в значительной степени неблагоприятной экологической обстановкой и недоброкачественными пищевыми продуктами и напитками. Только 15 % городского населения проживает на территориях с уровнем загрязнения атмосферного воздуха в пределах гигиенических нормативов. Улучшение экологической обстановки в регионах невозможно без разработки новой методологии для оценки экологических факторов и внедрения современных наукоемких технологий утилизации и переработки отходов производств. Для сохранения здоровья населения необходимо создавать новые функциональные продукты, направленные на снижение воздействия неблагоприятных факторов на здоровье населения, а в отдельных случаях устраняющих их.
Производство и широкое применение БАВ из морских организмов ограничивается в настоящее время высокой себестоимостью этих препаратов. И одним из путей снижения стоимости БАВ является создание комплексных малоотходных технологий переработки сырья морского происхождения, включая производство пищевой, кормовой, технической продукции, биологически активных добавок, фармакологических субстанций и лекарственных препаратов.
Цель диссертационной работы - разработать комплексные технологии получения биологически активных веществ (БАВ) из морских гидробионтов для применения в фармацевтической и пищевой промышленности, создать на их основе лекарственные и парафармацевтические препараты и разработать рекомендации по их применению, расширить сырьевую базу производства БАВ и лекарственных субстанций за счет введения новых промысловых видов и использования отходов рыбоперерабатывающей промышленности, а также адаптировать разработанные технологии к конкретным производствам.
Задачи исследования: оценить ресурсный потенциал возобновляемого океанического сырья, отходов рыбоперерабатывающей промышленности и марикультуры как перспективных источников БАВ; определить содержание БАВ в океаническом сырье и разработать лабораторные методы их выделения; разработать технологии получения БАВ, обладающих перспективными медико-биологическими свойствами; создать рецептуры новых лекарственных и парафармацевтических препаратов, провести испытания медико-биологических свойств БАВ и продуктов на их основе; разработать рекомендации по использованию биологически активных добавок (БАД) и парафармацевтических препаратов; организовать производство лекарственных субстанций на опытном участке ТИБОХ ДВО РАН и выпустить опытные партии; адаптировать разработанные технологии к конкретным производствам.
Научная новизна. Работа объединяет многолетние исследования, связанные с поиском новых БАВ в океаническом сырье, его ресурсоведческой оценкой, выполнением всего цикла создания технологий от лабораторных методик до опытного и промышленного производства.
Впервые разработаны технологии получения биологически активных соединений из ряда непромысловых видов морских гидробионтов, а также отходов переработки марикультурного сырья, рыб и крабов.
Впервые исследованы физико-химические и фармакологические свойства полисахаридов (зоостерина, фукоидана, уронофукана), низкомолекулярных соединений различной химической структуры (полигидроксинафтохинонов, каротиноидов, розмариновой кислоты, флавоноидов и фенолкарбоновых кислот), белков (лектинов, гемоцианина, оксигемоглобина и коллагенового белка голотурий), протеолитических ферментов, а также продуктов биокаталитической конверсии белков – пептидов морского коллагена. Впервые изучен водорастворимый представитель витаминов группы P – 7,3’-дисульфат лютеолин.
Выполненные исследования позволяют создать производство БАВ для фармацевтической, пищевой и косметической промышленности. Новизна принятых в работе научных и технических решений подтверждена 6 международными патентами (USA, EP и WO) и 54 патентами Российской Федерации.
Практическая значимость работы. В результате проведенного скрининга выявлены биоресурсы морского происхождения, которые содержат БАВ, обладающие протеолитической и коллагенолитической активностью, противовирусным, антикоагулянтным и противовоспалительным действиями. Определены запасы наиболее перспективных источников БАВ, разработаны методы их добычи, хранения и транспортировки. Исследован состав отходов рыбоперерабатывающих производств и разработаны способы извлечения из них биологически активных субстанций. Созданы высокоэффективные технологии получения биологически активных веществ из морских гидробионтов и промышленных отходов рыбоперерабатывающих предприятий. Разработаны пилотные установки для выпуска опытно-промышленных партий морских полисахаридов, белков и ферментов, низкомолекулярных соединений и пептидов.
Разработаны опытно-промышленные регламенты получения лекарственных субстанций эхинохрома А и коллагеназы камчатского краба для выпуска лекарственных препаратов серии “Гистохром” и ферментного препарата “Коллагеназа КК”. Подготовлена и утверждена нормативно-техническая документация на производство лекарственных средств и биологически активных добавок. На основании результатов, полученных ТИБОХ ДВО РАН, Федеральным управлением медико-биологических и экстремальных проблем при Министерстве здравоохранения России оформлены и утверждены “Методические указания по применению зостерина в лечебно-профилактическом питании на свинцово-цинковых производствах и предприятиях поливалентных металлов” (Москва, 1995г.). В 2003 году постановлением Министерства труда РФ разрешено использовать напитки группы VITA, содержащие пектин морской травы Zostera marina, как лечебно-профилактические средства охраны труда. Технология получения пектина (зостерина) была дважды реализована по неисключительной лицензии на рыбокомбинатах Приморского края. Технология получения фукоидана из Laminaria japonica также была реализована по неисключительной лицензии на ООО ”Биополимер”. В ТИБОХ ДВО РАН выпускаются в настоящее время биологически активные добавки к пище: “Гербамарин”, ”Экстракт морского ежа”, “Зостерин”, “Марихит” и ”Хитохром С”. Бальзамы серии “Гербамарин” получили серебряную медаль на Международной выставке изобретений в Брюсселе “Brussels Eureka-99” как высокотехнологичная наукоемкая продукция.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Биоресурсы морского происхождения – богатый источник БАВ.
-
Биологически активные субстанции, полученные из океанического сырья и представляющие собой уникальные полисахариды, белки и витаминоподобные соединения, не продуцируемые другими видами лекарственного сырья, но накапливающиеся в модифицированном виде (производные) в морских гидробионтах, могут являться основой нового направления – морской фармакологии.
-
Разработанные комплексные технологии получения биологически активных веществ из отходов промышленной переработки океанического сырья позволяют значительно расширить сырьевую базу производства БАВ и рационально использовать биологические ресурсы.
-
Особенности механизма действия пигментов морских ежей выделяют их из ряда известных биоантиоксидантов и открывают перспективу для создания на их основе лекарственных препаратов нового поколения – корректоров метаболизма.
-
Пектин зостерин из морских трав семейства Zosteraceae обладает широким спектром биологической активности, проявляя антидотное, гипохолестеринемическое, антибактериальное, противоязвенное и антиаллергическое действие.
-
Полифенольные соединения морских трав семейства Zosteraceae (розмариновая кислота, 7,3’-дисульфат лютеолина, лютеолин, диосметин и хризоэринол, кофейная кислота и ее этиловый эфир) представляют собой уникальный набор новых лекарственных субстанций противовоспалительного, иммуномодулирующего, канцерпревентивного и антивирусного действия.
-
Разработанная универсальная технология комплексной переработки морской звезды Patiria pectinifera позволяет получать каротиноидные препараты, обогащенные астаксантином и проявляющие иммуномодулирующую, противовоспалительную и антиоксидантную активность.
-
Продукт биотрансформации коллагеновых белков дальневосточного трепанга, апостатин, обладает выраженными антикоагулянтным и противоопухолевым действиями, что позволяет разрабатывать на его основе новые средства профилактики заболеваний опорно-двигательного аппарата и сердечно-сосудистой системы.
Личный вклад автора заключается в теоретическом обосновании проблемы, выборе направления исследования и непосредственном участии в выполнении экспериментальных и методологических исследований, а также создании и оформлении нормативно-технической документации, внедрении технологий в производство и выпуске опытно-промышленных партий продукции. Анализ результатов медико-биологических исследований БАД, их теоретическое обоснование, разработка концептуальных представлений об адаптационном действии полигидроксилированных нафтохинонов как метаболических корректоров осуществлены лично автором.
Апробация работы. Исследования проводились в соответствии с тематическим планом НИР Тихоокеанского института биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН в период с 1987 по 2011 гг., в ходе выполнения хоздоговорных и инновационных работ в рамках государственных программ “Мировой океан”, “Новейшие методы биоинженерии. 1992-2005 гг.”, “Соя ”, “Дети России ”и “Рыба ”.
Разделы работы доложены и получили положительную оценку на научных форумах: на V Всесоюзной конференции “Методы получения и анализа биохимических препаратов” (Юрмала, 1987); на Всесоюзном семинаре “Проблемы производства продукции из красных и бурых водорослей” (Владивосток, 1987); на Всесоюзном совещании “Биологически активные вещества при комплексной утилизации гидробионтов” (Владивосток, 1988); на X, XI и XIII Международных конференциях по лектинам (Prague, 1988; Tartu, 1989, Berlin, 1991); на Всесоюзной научно-практической конференции “Иерсиниозы (микробиология, эпидемиология, клиника, патогенез, лабораторная диагностика)” (Владивосток, 1989); на Региональной конференции Сибири и Дальнего Востока "Перспективы развития малотоннажной химии" (Красноярск, 1989); на VI, IX и XI Международных симпозиумах по морским природным продуктам (Senegal, Dakar, 1989; Townsville, Queensland, 1998; Italy, Sorrento, 2004); на Всесоюзной конференции “Методы получения, анализа и применения ферментов” (Юрмала, 1990); на Всесоюзной конференции по химии пищевых веществ, свойствам и использованию биополимеров в пищевых продуктах (Могилев, 1990); на III Всесоюзном совещании "Культивирование клеток животных и человека" (Пущино, 1990); на Рабочем совещании “Иммуномодуляторы природного происхождения” (Владивосток, 1990); на Всесоюзном совещании "Биологически активные вещеcтва гидробионтов - новые лекарственные, лечебно-профилактактические и технические препараты" (Владивосток, 1991); на Всесоюзной конференции “Рациональное использование биоресурсов Тихого океана“ (Владивосток, 1991);на 8 Международной конференции по применению химических веществ в лечении рака (Japan, Kyoto, 1993); на Межгосударственной научной конференции "Комплексная переработка пищевого сырья и основные направления расширения ассортимента продуктов питания" (Владивосток, 1993); на Региональной Ассамблее “Здоровье населения Дальнего Востока” (Владивосток; 1996); на Научной конференции ТИБОХ “Исследования в области физико-химической биологии и биотехнологии” (Владивосток, 1998); на III Дальневосточной региональной конференции с всероссийским участием “Новые научные технологии в Дальневосточном регионе ” (Благовещенск, 1999); на 5-ой Международной конференции по морской биотехнологии (Townsville, Australia, 2000); на научной конференции “Биоактивные вещества из морских макро- и микроорганизмов и наземных растений Дальнего Востока” (Владивосток, 2001); на 1-ом Международном конгрессе "Биотехнология – состояние и перспективы развития" (Москва, 2002); на III Съезде Биохимического общества (Санкт-Петербург, 2002); на VII и VIII Международных съездах “Актуальные проблемы создания новых лекарственных препаратов природного происхождения ” (Санкт-Петербург-Пушкин, 2003; Финляндия, Миккели, 2004); на 1-й и 2-й Региональных научных конференциях “Исследования в области физико-химической биологии и биотехнологии” (Владивосток, 2004; 2006); на V Дальневосточном региональном конгрессе с международным участием “Человек и лекарство” (Владивосток, 2008); на XVI Росcийском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел РЭМ’2009 (Черноголовка, 2009); на Научно-практической конференции “Биологически активные вещества: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения” (Крым, Украина, 2009); на Научном форуме “Дни иммунологии в Санкт-Петербурге 2009” (Санкт-Петербург, 2009); на Конференции с международным участием “Актуальные проблемы химии природных соединений” (Узбекистан, Ташкент, 2010); на Межрегиональном форуме “Актуальные вопросы аллергологии и иммунологии – междисциплинарные проблемы” (Санкт-Петербург, 2010); на международной научно-технической конференции “Инновационные технологии переработки продовольственного сырья” (Владивосток, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 174 научные работы, среди которых 1 монография, 39 статей (в том числе 26 в журналах, рекомендованных ВАК РФ) и 60 российских и международных патентов.
Благодарности. Автор выражает свою искреннюю признательность за помощь в работе, консультации и проведение медико-биологических испытаний сотрудникам ТИБОХ ДВО РАН, а также коллегам из других институтов (Федеральное государственное унитарное предприятие “Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр”, Научно-исследовательском институте эпидемиологии и микробиологии СО РАМН, Владивостокский государственный медицинский университет). С глубокой благодарностью автор вспоминает первого директора ТИБОХ ДВО РАН академика Г. Б. Елякова, создавшего лабораторию биотехнологии и постоянно поддерживавшего это направление. Особую благодарность автор выражает д.х.н., профессору Л. А. Еляковой за всестороннюю поддержку исследований и д.х.н, профессору Козловской Эмме Павловне, за многолетнее сотрудничество, консультации и неоценимую помощь.
