БИОТЕХНОЛОГИЯ

Высокочувствительные искусственные элементы биологической природы, способные распознавать микроколичества газообразных, жидких и твердых веществ, называют биосенсорами. Их используют в качестве датчиков аналитических приборов в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении, охране окружающей среды.

Биосенсоры основаны на способности биологических молекул с очень высокой избирательностью и чувствительностью распознавать другие вещества и вступать с ними во взаимодействия - образовывать с ними комплексы, расщеплять и придавать им новые свойства. Поскольку биомолекул в живой природе бесчисленное разнообразие и многие из них способны распознавать определенные вещества, мы имеем неисчерпаемый источник биосенсоров. Первые биосенсоры были предложены американскими исследователями Л. Кларком и X. Лионсом в 1962 г., после чего началось их массовое использование. Биосенсоры стали применять в медицине и в химической технологии для выявления таких широко распространенных веществ, как углеводы, мочевина, креатинин, лактат, спирт, аскорбат, аспирин, аминокислоты. Сейчас в стадии внедрения в промышленное производство находятся биосенсоры для анализа газов и легколетучих веществ.

Все шире применяют в производстве иммобилизацию ферментов на носителях. Это позволяет увеличивать их стабильность, получать более чистые продукты реакции, облегчать восстановление и повторное использование биокатализаторов, например, при создании биосенсоров, о которых пойдет речь дальше. Одно из достижений биотехнологии - выделение ферментов из термофильных бактерий. Они термостабильны, что ценится промышленным производством. В частности, в органическом синтезе широко применяют никель-содержащую гидрогеназу из Methanobacterium thermoautotrop. Надо сказать, что большинство ферментов примышленного пользования получают из микроорганизмов и грибов. Только редкие ферменты растительного и животного происхождения (например, папаин, получаемый из плодов папайи) находят промышленное применение.

Ферменты из микроорганизмов все чаще заменяют используемые в некоторых отраслях промышленности аналогичные растительные и животные ферменты. Так, в пивоварении и хлебопечении амилазы Bacillus и Aspergillus сейчас заменили амилазы из пшеничного солода и ячменя, а протеазы из Aspergillus заменили животные и растительные протеазы, употребляемые для размягчения мяса.

Из 2 тыс. известных сейчас ферментов только около 10% ( - 200) вовлечено в промышленное производства Большой практический интерес представляют, в частности, аминоацилаза, применяемая для разделения смесей изомеров аминокислот, целлюлаза, осуществляющая гидролиз целлюлозы в глюкозу, инвертаза, используемая для получения инвертированного сахара, и др.

В середине 70-х годов возникла новая экспериментальная технология - генетическая (или генная) инженерия, которая основана на конструировании рекомбинантной ДНК вне клетки (in vitro) и ее размножении в клетках микроорганизмов. В результате использования этой технологии стало возможным выделять индивидуальные гены, модифицировать, соединять друг с другом, получая “слитые гены”, продуцирующие белки с совершенно новыми свойствами (белковая инженерия).

Типичная схема получения и размножения (амплификации) индивидуального фрагмента ДНК (гена) приведена на рис. 2. В качестве векторов, т. е. молекул-носителей, в которых происходит размножение генов, используют плазмиды, бактериофаги и вирусы, способные размножаться в бактериальных клетках. После соединения (лигирования) вектора с фрагментом ДНК, несущим ген, образуется рекомбинантная ДНК. Затем вектор с геном вводят в клетки микроорганизмов (трансформация), где они амплифицируются. В результате получается множество копий одного гена - клон. Поэтому такой способ получения индивидуального гена называют клонированием.

Если для клонирования использовать ДНК человека, содержащую все его гены, они окажутся в разных клонах будет получена генная библиотека (клонотека) человека. Гены животных, человека и растений, клонируемые таким путем в бактериях (как правило, используют Е. coli), не функционируют в них. Для этого их нужно выделить из бактерии, снабдить регулятором бактериального гена и вновь ввести в бактерию. Получены и используются многие штаммы бактерий, в которых функционируют гены разного происхождения, производящие нужные продукты.

Этот арсенал новых, генно-инженерных, штаммов-продуцентов позволил наряду с продуктами природных штаммов (их называют биопродуктами первого поколения) начать производство на базе генно-инженерных штаммов рекомбинантные белки - биопродукцию второго поколения. Биопродукцией третьего поколения будут искусственно синтезированные соединения, полностью имитирующие биологические функции природных белков, но не являющиеся ими.

Генно-инженерные методы (технология рекомбинантных ДНК) все шире используют в биотехнологическом производстве прежде всего ценных для медицины белков, в том числе таких, которые трудно синтезировать химическими методами пли получить в нужных количествах из биологического материала. Это в первую очередь белки и пептиды (белковые молекулы, состоящие из небольшого числа аминокислот), которые синтезируются в организме человека и используются как медикаменты. Усилия генных инженеров направлены на создание бактерий-продуцентов, которые бы с высокой эффективностью производили такие биологически активные продукты. Основные трудности здесь заключаются не столько в конструировании продуцентов, сколько в том, чтобы синтезирующиеся в них чужеродные белки нормально формировались, модифицировались и не разрушались в клетках микроорганизмов.

Это белки-биостимуляторы, активаторы иммунной системы клеток. Кроме того, они обладают антивирусной активностью и препятствуя размножению раковых клеток. Существуют 3 класса интерферонов человека: а, р и у. Уже в конце 70-х гидов были получены первые гибридные ДНК, способные функционировать в бактериальных клетках с образованием р-интерферона человека. Затем аналогичные конструкции были созданы для а- и у интерферонов.

В результате переноса в клетки Е. соi рекомбинантных (гибридных) ДНК с регуляторными элементами бактериального триптофанового или лактозного оперона и интерфероновыми генами получили соответствующие штаммы-продуценты. Для повышения их продуктивности, а также усиления антивирусной активности интерферонов в дальнейшем было проведено несколько дополнительных модификаций рекомбинантной ДНК (в частности, проведена замена некоторых аминокислот), подобраны генотипы клеток-хозяев и условия их культивирования.

Бактериальные штаммы-продуценты всех трех типов интерферонов были получены и в СССР: для а- и у интерферонов - и Институте биоорганической химии АН СССР, а для р-интерферона - во ВНИИГенетики и селекции промышленных микроорганизмов. Кроме Е. coli, для производства интерферонов используют также грамотрицательные бактерии Metfrylomonas, Salmonella, Pseudomonas и др. В частности, на основе штамма Pseudomonas sp. налажено промышленное получение человеческого р-интерферона в СССР. Созданы и дрожжевые продуценты интерферонов, которые имеют некоторые преимущества перед бактериальными: дрожжи используют более дешевые субстраты, не подвержены литическому действию фагов (что постоянно угрожает бактериальным продуцентам) или аутолизису, легко сепарируются, осуществляют правильный процессинг (формирование) преинтерферонов и др.