Малотоннажная биотехнология
Малотоннажная биотехнология
В.А. Прокулевич,
И.Д. Волотовский
Резюме
Малотоннажные биотехнологии, возникшие в конце прошлого века на основе развития ДНК технологий, имеют свои отличительные признаки и специфику. Они характеризуются рядом преимуществ перед традиционной биотехнологией (промышленной микробиологией), как в организационном, так и в экономическом отношении. В Беларуси на этот высокотехнологический сектор экономики было обращено внимание совсем недавно (2013 год), однако обширность рынка и потребность в продуктах создаваемых по принципам малотоннажной биотехнологии оставляет возможность для всемерного развития этого направления в республике.
Ключевые слова: биотехнология, малотоннажная и крупнотоннажная биотехнологии, продукты, развитие, организация производств.
Resume
tonnage biotechnologytonnage biotechnologies emerged at the end of the last century on the basis of DNA-technologies, have their own characteristics and peculiarities. A number of advantages over traditional biotechnology (Industrial Microbiology) characterizes them both institutionally and economically. In Belarus, this high-tech sector was pointed out recently (2013), but the vastness of the market and the demand for products produced according to the principles of low-tonnage biotechnology leaves room for the full development of this area in the Republic of Belarus.
Определение «Биотехнология» возникло в начале прошлого века (1917 г.) и было связано с областью промышленного свиноводства. Но в том понимании термин «биотехнология» не прижился и, понадобилось более 60 лет (до 80-х годов прошлого столетия) для того чтобы биотехнология наполнилась новым содержанием и заявила о себе в полный голос. Во многом это было связано с экономическими успехами США, о которых на экономическом форуме в Давосе (2000 г.) заявил Президент США Б. Клинтон. В качестве примера нового экономического уклада он привел биотехнологию и информатику - две отрасли экономики, дающие наибольшую отдачу. Таким образом, всего лишь за несколько десятилетий существования в современном понимании биотехнология вышла на первый план, став одной из ведущих отраслей мировой экономики со сферами приложения в медицине, сельском хозяйстве, энергетике, экологии и т.д.
Веками существовало, существует, и будет существовать понятие «биология» - Наука о жизни. К чему же привела простая вставка техно между био- и логия в слове биология? Основные изменения, к которым привела эта вставка, отражены в таблице 1.
Таблица 1
Трансформация биологии в биотехнологию. Приобретение биотехнологией экономического смысла
БиоЛогияБиоТехноЛогияЭкономикаЗатратность. Расходование бюджетных средств.Прибыльность. Самоокупаемость за счет получения прибыли. Использование инвестиций.Компонентность, научная и экономическаяБиохимия, Генетика, Генная инженерия. Микробиология, Физиология, Зоология, Ботаника, Молекулярная биология и др.Маркетинг, Производство. Менеджмент, Рентабельность, Прибыль.ЦелиИзучение основных законов и закономерностей проявления жизненных процессов.Получение прибыли путем реализации произведенных продуктовЗадачиРазработка методов исследований и накопление информации о проявлении основных жизненных процессов.Разработка технологий и освоение производства коммерческих продуктов с использованием знаний накопленных БиоЛогиейРезультатПолученная информация о жизненных процессах. Отчеты. Публикации. Монографии. Диссертации.Создание биотехнологического производства. Продукция коммерческого назначения. Доход. Прибыль. Налоги.
Анализ сведений, приведенных в таблице, 1 позволяет заключить, что между понятиями биология и биотехнология нет практически ничего общего. Цели, задачи, получаемый результат, экономика - абсолютно разные. Взаимосвязь просматривается только в одном: биотехнология использует информацию о механизмах процессов жизнедеятельности, полученных благодаря экспериментальным исследованиям в области генетики, микробиологии, биохимии и др., осуществленным, главным образом, за счет бюджетного финансирования. На основании этой информации разрабатываются технологические процессы производства высокорентабельных продуктов, реализация которых дает прибыль, в принципе со временем перекрывающую все затраты, понесенные, как в ходе биологических экспериментов, так и при разработке биотехнологий и организации биотехнологических производств. При этом в целом рентабельность биотехнологического производства оказывается, как правило, настолько большой, что быстро возмещает все затраты биологических экспериментов.
Таким образом, можно сделать вывод, что если биология относится чисто к научной сфере деятельности и концентрирует свое внимание на изучении фундаментальных проблем жизнедеятельности, то биотехнология, используя накопленные фундаментальные знания, производит коммерческие продукты, появляющиеся в самих клетках в результате их жизнедеятельности или функционирования клеточных компонентов. Если кто-то утверждает, что он биотехнолог, но не ставит перед собой задачи получения прибыли от своей профессиональной деятельности, то он не биотехнолог.
В любом учебнике по биотехнологии на первых страницах указывается, что биотехнология древнейшая сфера деятельности человека и приводятся примеры существующих тысячелетия процессов хлебопечения, виноделия, пивоварения, получения кисломолочной продукции и др. Более приближенные к нам по времени технологии производства дрожжей, биоконсервантов, антибиотиков, ферментов, аминокислот, белково-витаминных концентратов и т.д. также стали относить к области биотехнологий, хотя совсем недавно это все объединялось термином «Промышленная микробиология». В СССР всеми этими производствами руководило Главное управление микробиологической промышленности СССР (Главмикробиопром). Превращение «Промышленной микробиологии» в «Биотехнологию» произошло благодаря прогрессу молекулярной биологии и молекулярной генетики, произошедшему в конце 1970-х годов, когда начала формироваться новая область на стыке технологий рекомбинантных ДНК и традиционной промышленной микробиологии. Именно эта стыковка дала «путевку в жизнь» термину «Биотехнология» с новым смысловым наполнением и именно под этим названием началось ее бурное развитие.
Впоследствии уже 1990-х годах «Промышленная микробиология» постепенно трансформировалась в «Биотехнологию». Данной трансформации способствовала практически полная идентичность самой общей технологической схемы старых и новых производств, которая включает относительно небольшое количество элементов:
- Сырье;
- Его предварительная обработка;
- Продуцент (микроорганизм);
- Конечная обработка;
- Конечный продукт.
Однако, несмотря на принципиальную общность технологической схемы традиционного микробиологического и нового биотехнологического производства, в конкретных деталях они существенно отличаются. В связи с этим возникла необходимость разделить биотехнологию на два типа: «Крупнотоннажную биотехнологию», которая включает в себя элементы традиционной промышленной микробиологии и объединяет в себе производства, существующие многие десятилетия и «Малотоннажную биотехнологию», под которой подразумевают новые ДНК-технологии. Между крупнотоннажной и малотоннажной биотехнологиями имеются существенные различия (таблица 2), хотя цель одна и та же - получение прибыли.
Таблица 2
Два типа биотехнологий
ПараметрыТип биотехнологииМалотоннажнаяКрупнотоннажнаяОбъем биореактораДо 30 л.От 100 л и более (1000, 10000, …)Производственные площадиДо 400 м2От 5 000 м2 и болееПродуцентыгенетически модифицированные штаммы микроорганизмовприродные (дикие) штаммы микроорганизмовЗатраты на капитальные вложениянизкиевысокиеЗатраты на научные разработкивысокиенизкиеСтоимость продуктаВысокая (например, 1 г. интерферона стоит 21 000 $)Низкая (например, 100 г. дрожжей стоит 0,21 $)РентабельностьОт 100 до 1000 % и вышеОт 20 до 100%Спросвысокийвысокий
В технологической схеме по принципу малотоннажной биотехнологии первый и второй пункты (сырье, предварительная обработка) заменяется одним - питательная среда. Это обычные питательные среды со строго контролируемым составом.
В «Крупнотоннажной биотехнологии» используются природные продуценты, т.е. выделенные из окружающей среды микроорганизмы без какой-либо их генетико-селекционной обработки, например, пекарские дрожжи. Однако существуют и исключения из этого правила. Это в первую очередь касается продуцентов антибиотиков и аминокислот. В процессе генетико-селекционной работы с первичным продуцентом пенициллина эффективность биосинтеза была повышена в 10 000 раз от исходной, что равноценно по выпуску продукции строительству 10 000 заводов. Крупнотоннажное производство аминокислоты треонин во всем мире сейчас основано на использовании одного бактериального сверхпродуцента полученнго во ВНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов в середине 1980 годов современными молекулярно-генетическими методами.
Наоборот «Малотоннажная биотехнология» в подавляющем большинстве примеров использует только штаммы-продуценты, сконструированные методами генной инженерии. Основными продуктами при этом являются белки человека или животных в большинстве случаев фармацевтического предназначения (цитокины, гормоны, ферменты, антимикробные пептиды и др.). Эти продукты по строению полностью идентичны белкам организма человека или животных и их получение включает достаточно дорогую и сложную очистку. Все это приводит к увеличению затрат на научные разработки и усложняет технологию получения продукта. Тем не менее, в экономическом плане «Малотоннажная биотехнология» имеет ряд преимуществ.
Во-первых, это низкая энергоемкость процесса. Небольшие расходы воды, а значит и питательных сред. Экологическая совместимость с окружающей средой - отсутствие вредных, загрязняющих выбросов.
Во-вторых, низкие капитальные затраты поскольку требуемые производственные площади совсем невелики.
В-третьих, самое главное, высокая потребительская ценность продукта. В примере, приведенном в таблице 2, потребительская цена 1 гр. продукта получаемого способом малотоннажной биотехнологии в 1 000 000 (миллион!) раз выше цены 1 гр. продукта крупнотоннажной биотехнологии. В результате добавленная стоимость, прибыль и рентабельность продукта, производимого по принципу малотоннажной биотехнологии приводит к очень быстрой окупаемости затрат на разработки, проектирование, строительство и организацию производства. Такие продукты сейчас производятся и поступают на мировой рынок. Это, в основном, фармацевтические и ветеринарные субстанции и препараты - рекомбинантный человеческий инсулин, интерфероны, гормональные препараты, различные цитокины (интерлейкины, эритропоэтин). В принципе можно организовать производство более 500 генноинженерных лечебно-профилактических средств для целей медицины и столько же для ветеринарии. Высокую рентабельность экономики малотоннажной биотехнологии иллюстрирует следующий пример, так в стоимостном выражении выпуск только одного препарата на основе рекомбинантного альфа интерферона (пегасис) в прошлом году составил 7 млрд. долларов США. инновационный малотоннажный биотехнология беларусь
В свое время Беларусь была одним из лидеров крупнотоннажной биотехнологии в СССР. В БССР были построены в Новополоцке и Мозыре 2 крупнотоннажных производства белково-витаминных концентратов (БВК) для животноводства, сырьем в которых служили углеводороды нефти. В огромных количествах производился затребованный экспортный продукт. Однако, к сожалению, эти крупнейшие производства пришлось закрыть в связи с резким удорожанием сырья и, как следствие, потерей рентабельности. Развал СССР и потеря рынка остановили производство рибофлавина на Пинском заводе «Энзим». Печальна судьба Дрогичинского завода «Экзон», который начал строиться в 1986 году и должен был стать крупнейшим производителем антибиотиков для медицины и ветеринарии, однако, по разным причинам его перепрофилировали. В республике сохраняется на уровне производство этилового спирта. В настоящее время имеется только несколько предприятий крупнотоннажной биотехнологии маломощных, не обладающих современным оборудованием и не сертифицированных по правилам GMP.
До нынешнего времени малотоннажной биотехнологии в Беларуси не было и только сейчас она начинает развиваться. Первый реальный вклад в развитие этого направления сделан в 2013 году, когда в Государственную программу «Инновационные биотехнологии» была включена и профинансирована подпрограмма «Малотоннажные биотехнологии». В подпрограмму вошли 12 заданий, название каждого из которых формируется следующим образом: «Разработать технологию и организовать производство». С точки зрения биотехнологии, как мы ее понимаем, это требование само собой разумеющееся, поскольку каждое задание и вся подпрограмма в целом направлена на создание продуктов по принципам малотоннажной биотехнологии и получение реальной прибыли от их реализации. Однако именно это требование стало камнем преткновения для многих коллективов и исследователей, относящих себя к биотехнологам.
Мало кто решился взяться за реальные научно-технологические разработки, результатом которых должен был стать не привычный отчет, а продукт биотехнологического производства. Отчасти это можно понять. В Беларуси нет производителя, который мог бы осуществить полный производственный цикл по принципам малотоннажной биотехнологии. Из организаций-исполнителей заданий подпрограммы ни одна из них не имеет полного набора оборудования, необходимого для проведения исследований в области генной инженерии и создания соответствующих технологических процессов. Например, ГНУ Институт биоорганической химии НАН Беларуси в своем задании кроме пункта создание технологий получения высокоочищенных препаратов рекомбинантных ферментов, поставил задачу организации производственно-технологического участка по выпуску препаратов рекомбинантных ферментов человека (ароматазы, альдостеронсинтазы, стероидлиазы и деметилазы). РУП «Институт экспериментальной ветеринарии им. С.Н. Вышелесского» предполагает организовать выпуск разрабатываемых традиционных вакцин на собственном производственном участке. БГУ как учебному заведению, не имеющему своей производственной базы и лицензии на производство и выпуск продукции, пришлось искать производителей вне организации-исполнителя. К исполнению практической части заданий были привлечены ОАО «БелВитунифарм» и ООО «НПЦ ПроБиоТех».
Учитывая экономическую значимость биотехнологического направления, встает насущный вопрос о нехватке в республике центров генной инженерии и биотехнологий, которые взяли бы на себя функцию развития малотоннажной биотехнологии. Центры полностью должны быть организованы по стратегии «Замкнутого цикла»: от исследовательской работы до послепродажного сервиса. Лаборатории (отделы) центра должны работать над созданием каждого конкретного продукта по схеме:
Исследование → Создание технологии → Производство → Реализация
Примером успешной работы такой схемы является опыт Кубы. Кубинские центры генной инженерии и биотехнологий с 1986 года являются одним из самых важных научно-производственных объектов в стране. Центры тесно связаны с полным циклом биологических исследований, что включает в себя биотехнологию продуктов, процессы разработки, изготовления и регистрации. В каждом центре работают около 550 ученых и инженеров. В настоящее время Центры работают над 50 новыми вакцинами, терапевтическими моноклональными антителами и диагностическими системами и др.
Даже во времена экономических трудностей Правительство Кубы продолжало оказывать политическую и финансовую поддержку биотехнологии. За последние 20 лет оно инвестировало в научные исследования и разработки около 1 миллиарда долларов США. Сегодня кубинская биотехническая промышленность имеет около 1200 международных партнеров и поставляет фармацевтическую продукцию и вакцины на рынки более чем 50 стран. Объем экспорта стремительно растет, что приносит ежегодные доходы в размере нескольких сотен миллионов долларов. Центр имеет многолетний опыт по производству рекомбинантных биофармацевтических молекул, таких как интерферон, вакцина против гепатита В, вакцина против синтетической гемофильной инфекции типа В. До 85% кубинских фармацевтических препаратов производится в центре «БиоКубаФарма».
В таблице 3 приведены основные этапы создания высокорентабельного малотоннажного биотехнологического производства. Реализация подпрограммы «Малотоннажная биотехнология» в Государственной программе «Инновационные биотехнологии» на 2010-2012 гг. и на период до 2015 г. является, по сути, стартовым событием для развития в стране данного направления биотехнологического сектора экономики
Этапы создания малотоннажного биотехнологического производства
ЭтапыСодержание1Маркетинговая проработка проектаОценка объема рынка, расчетной рентабельности, наличия конкурентных продуктов, преимущества планируемого продукта, способа финансирования, сроков и др.2Научно-техническая разработкаСоздание генных и трансгенных конструкций, штаммов-продуцентов, создание технолого-ферментационного процесса, выделение и очистка продукта, приготовление лекарственной формы, проведение клинических испытаний, регистрация, лицензирование.3Создание или привязка к имеющейся инфраструктуре технологического процессаОпределение мест производства, адаптация имеющегося оборудования к решению задачи или закупка нового оборудования, оптимизация производства, сертификация по GMP и др.4Реализация продукцииУстановление связи с потребителем продукции. Ценообразование, налогообложение и организация экспорта продукции.
Все начинается с маркетинговой проработки проекта. В первую очередь определяются объемы рынка и конкурентоспособность планируемого(ых) продукта(ов). В настоящее время малотоннажная биотехнология в мире решает задачи медицинской фармацевтики. Область здравоохранения является основным потребителем продукции, и рынок в этой области постоянно растет. Так, полностью удовлетворены спрос на рекомбинантный человеческий инсулин, различного рода цитокины, гормоны, ферменты, но это маленькая толика от возможностей малотоннажной биотехнологии. В ходе исполнения международной программы «Геном человека» выявлено более 500 генных продуктов (белков), имеющих медицинское значение. Еще более обширным потребителем продуктов малотоннажной биотехнологии является сельское хозяйство - ветеринария. Есть основание полагать, что эти рынки еще полностью не заняты, несмотря на все успехи развития малотоннажной биотехнологии в мире. Нужно надеяться, что там найдется место и для белорусских биотехнологических продуктов.
Все определяется ассортиментом и стоимостью получения продукта, определяющего его конкурентоспособность, наличием высококвалифицированных кадров, способных осуществлять генно-инженерные разработки, а также оснащенностью научных лабораторий и производства современным оборудованием и снабжением соответствующими реактивами.
На втором этапе необходимо установить и клонировать соответствующие гены и сконструировать штамм-продуцент, эффективно экспрессирующий целевой продукт, разработать методы очистки целевого белка, и в случае необходимости осуществить его рефолдинг, создать готовую лекарственную форму, провести клинические испытания и государственную регистрацию препарата.
Ключевой этап создания малотоннажного производства - разработка технологического процесса. Главная задача данного этапа - масштабировать лабораторные разработки и перевести их в стадию производства. Для этого существует два пути. Адаптировать имеющееся производство к новому процессу или создать новый производственный участок под конкретный продукт. Ни в первом, ни во втором случае нет необходимости в значительных финансовых вложениях. Как следует из таблицы 2, невелики и капитальные затраты. Технологический процесс происходит на малообъемном относительно недорогом оборудовании. Все расходы на организацию новых производств составят не более 10 млн. долларов США. Обязательна организация производства и международная сертификация по правилам GMP. Это залог экспортного потенциала продукции.
Главная трудность заключительного этапа - это выведение нового продукта на рынок. Из опыта известно, что какими бы волшебными свойствами не обладал новый фармацевтический продукт для его широкого внедрения необходимо не менее 5 лет, как в медицинской, так и в ветеринарной областях. Одной из причин этого является тот факт, что между конечным потребителем и производителем обязательно присутствует посредник - доктор, или ветеринар, назначающий лекарства. И очень многое определяет их субъективное восприятие лечебного процесса при том или ином заболевании.
Начало развития малотоннажной биотехнологии в Республике положено в 2013 году, когда начала работать подпрограмма «Малотоннажные биотехнологии» (на 2013-2015 гг.) в рамках Государственной программы «Инновационные биотехнологии» на 2010-2012 гг. и на период до 2015 года. Основное направление было придано разработкам в области сельского хозяйства. Республика Беларусь относится к странам с высокоразвитым сельским хозяйством. Главой государства поставлена задача, постоянно увеличивать экспорт сельскохозяйственной продукции, в частности молочной и мясной. Значительное увеличение поголовья требует новых подходов по снижению заболеваемости животных и птицы, повышению их продуктивности. Для этого необходимы новые высокоточные методы диагностики, средства для профилактики различных заболеваний, средства, влияющие на репродуктивные функции и увеличивающие продуктивность по молоку и мясу. А это все расширяющийся рынок малотоннажной биотехнологии.
Следует отметить, что за те полтора года, прошедшие с начала финансирования новой подпрограммы, уже достигнуты весьма ощутимые успехи. Так, например, кафедра микробиологии БГУ инициировала выполнение заданий, комплексно направленных на решение проблем в области животноводства, в частности повышения продуктивности крупного рогатого скота (КРС). Были проанализированы заболевания животных, снижающие экономическую эффективность товарного производства, ветеринарное обеспечение крупного рогатого скота, предполагаемые потребности рынка для новых ветпрепаратов и возможности малотоннажной биотехнологии в удовлетворении этих потребностей.
При формировании программы акцент был сделан на 5-ти вопросах. Во-первых, на заболеваниях вымени дойных коров, причем на самой неприятной его форме - субклиническом мастите. В США годовые потери в молочном производстве от этого заболевания оцениваются в 3 млрд. долларов. По литературным данным и мнению многих ветеринарных врачей эта форма наиболее распространена и с трудом поддается лечению существующими препаратами и методами. Предложенная нами лекарственная форма, находящаяся в разработке, по предварительным исследованиям, проведенным сотрудниками РУП «Институт экспериментальной ветеринарии им. С.Н. Вышелесского», показала при субклинических маститах лечебную эффективность 83,3%. Лекарственная форма не содержит никаких антибиотиков, недопустимых в составе продукта и процесс лечения не сказывается на качестве молока и мяса.
Второе важное направление - профилактика заболеваний крупного рогатого скота. Поставлена задача, повысить эффективность защитного действия различного рода вакцин. В БГУ совместно с Витебской ветеринарной академией и ОАО «БелВитунифарм» разрабатывается новая вакцина против дерматомикозов КРС. Предложенная технология базируется на глубинном культивировании гриба-антигена, способного вызывать иммунитет высокой напряженности.
Третья разработка создание адъювантов (усилителей) вакцин, обладающих не только традиционным пролонгирующим действием антигена, но и одновременно с этим влияющих на сам механизм формирования иммунитета к тому или иному инфекционному возбудителю. За короткое время созданы и прошли Государственную регистрацию технические условия на производство такого рода адъюванта («Разбавитель-адъювант для сухих живых вакцин против трихофитии КРС» ТУ BY 691457701.013-2014). Важным теоретическим выводом из проводимых исследований является заключение о том, что для каждого типа вакцин, возбудителей и вида животных необходимо создавать свои адъюванты.
Передана на регистрацию научно-техническая документация на «Биферон-Б» - видоспецифический иммуномодулирующий биопрепарат нового поколения для крупного рогатого скота. В разработке также находится биопрепарат двойного действия для лечения вирусных и бактериальных заболеваний телят.
Для всех вышеперечисленных разработок общим является следующее:
все препараты производятся по принципу малотоннажной биотехнологии;
они не имеют мировых аналогов;
они видоспецифичны;
все препараты высокорентабельны в производстве;
все препараты относятся к продукции «Высоких технологий», т.е. V и VI технологическим укладам.
Уже из первого опыта становления малотоннажной биотехнологии в Беларуси становится очевидной ее перспективность для ветеринарной и медицинской фармацевтики. Нет никакого сомнения, что это направление следует активно развивать и это должно найти отражение в новой Государственной программе «Инновационные биотехнологии - 2» на 2016-2018 гг. и на период до 2025 года, к разработке которой приступила Национальная академия наук Беларуси.