БИОТЕХНОЛОГИЯ

Микроорганизмы, обитающие в недрах Земли, широко используются в биогеотехнологии - добыче, превращении и переработке природных ископаемых, нефти и газа. Биогеотехнология получения металлов эксплуатирует способности отдельных микроорганизмов переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руды) Thiobacillus ferrooxydans выщелачивает железо, медь и другие металлы с помощью окисления серной кислоты, которую образуют эти микроорганизмы из сульфида. Chromobacterium violaceum способна растворять золото, реализуя процесс Au->-Au (CN)4. Получены высокоэффективные штаммы Pseudomonas и термофильной бактерии Sulfolobus для удаления серы из угля - одной из важнейших экологических проблем. Ведь, сгорая, уголь сильно загрязняет окружающую среду серой.

Для извлечения металлов из сточных вод перспективны штаммы Cilrobacter sp. и Zoogloea, способные накапливать уран, медь, кобальт. Получены мутанты Cilrobacter sp. с высоким уровнем фермента фосфатазы. Такие сверхпродуценты в 2,5 раза быстрее накапливают уран, чем родительский штамм. Это связано с осаждением металла на поверхности клеток в результате энзиматического освобождения неорганического фосфата.

Бактерии родов Rliodococcus и Nocardia sp. используют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Обещают стать ценными очистителями среды галобактерии. Некоторые из штаммов этих бактерий уже с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Наряду с природными бактериями перспективна деятельность генно-инженерных штаммов. Уже удалось перенести плазмиды с генами ферментов, расщепляющих октан, камфару, нафталин и ксилол, в Pseudomonas sp. Получен штамм, способный эффективно утилизировать сырую нефть. В ближайшее время он будет включен в арсенал средств биотехнологической очистки от загрязнений.

Мы видим, что биотехнология, уже внедрившаяся в промышленность, активно и эффективно включается в решение экологических проблем. Именно с ней связаны надежды, что удастся создать экологически чистые и экономически высокоэффективные производства, которые придут в XXI в. на смену нынешним.

Антибиотики вырабатываются микроорганизмами в результате совместного действия продуктов 10 - 30 генов, что усложняет использование генно-инженерных подходов для управления их синтезом. Однако данная проблема разрешима в тех случаях, когда синтез антибиотиков определяется мультиферментными комплексами, кодируемыми одним опероном (например, в случае антибиотиков пептидной природы). Это открывает новые перспективы в биотехническом получении антибиотиков. Внедрение соответствующих генов из одного микроорганизма в клетки другого близкородственного может приводить к получению “гибридного” антибиотика, обладающего новыми свойствами. Этот подход был успешно применен в 1988 г. биохимиком Михаэлем Хопвудом в США. При объединении генов биосинтеза актинородина и медермицина был получен новый антибиотик, получивший название “медерродин”. В другом случае этот же автор создал штамм, продуцирующий “гибридный” антибиотик дигидрогранатиродив. Высокая продуктивность штаммов микроорганизмов иногда достигалась за счет увеличения в клетках количества копий генов биосинтеза антибиотика. Таким образом, удалось, например, существенно увеличить выход актинородина.

Широко применяют антибиотики в медицине, сельском хозяйстве (для лечения, а также для улучшения роста и развития молодняка), в пищевой промышленности (консервирующие средства). В 1987 г. за рубежом стоимость всех антибиотиков, использованных в качестве антибактериальных препаратов, составила 3,5 млрд. долл.; ожидается, что в 1992 г. она достигнет 4,2 млрд. долл.

В борьбе с болезнетворными бактериями вместо антибиотиков иногда используют другую бактерию - антагонист патогенного штамма. Примером может служить дикий патогенный штамм бактерии Streptococcus mutans, разрушающий зубную эмаль и дентин. При введении в ротовую полость мутантного штамма этого же вида выделяется белковый продукт, губительный для дикого штамма. В данном случае бактерии-антагонисты выступают в роли биостерилизаторов. Описаны аналогичные способы защиты сельскохозяйственных растений. В частности, это относится к инфекционному заболеванию рассады томатов, вызываемому почвенными бактериями Fusarium oxysporum. Заболевание связано с действием фузаровой кислоты, продуцируемой этими бактериями. В качестве биостерилизатора в этом случае используют клетки Pseudomonas solanactarum, способные накапливать фузаровую кислоту и этим снижать ее токсичнjt воздействие на томаты.

Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью тех веществ, производство которых необходимо. Для биотехнологии нужны высокопродуктивные штаммы микроорганизмов. Их создают методами селекции - направленного отбора спонтанных или индуцированных (химическими мутагенами или радиацией) мутантов. Получение таких штаммов занимаются иногда многие годы. В результате селекции производительность продуцентов удается увеличить в сотни или тысячи раз. Например, в работе с Penicillium методами селекции выход пенициллина был увеличен в конце концов, примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.

Отбору высокопроизводительных штаммов предшествуют тонкие манипуляции селекционера с генетическим материалом исходных штаммов. При этом используют весь спектр естественных способов рекомбинирования генов, известных у бактерий: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) была успешно использована при создании штамма Pseudomonas putida, способного утилизовать углеводороды нефти. Очень часто прибегают к трансдукции (перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериальных вирусов - бактериофагов) и амплификации (увеличение числа копий нужного гена).

Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибиотиков или их регуляторы находятся не в основной хромосоме, а в плазмидах. Путем амплификации удается увеличить число этих плазмид в клетках и существенно повысить производство антибиотиков.

Еще один подход в генетико-селекционной работе - получение генетических рекомбинантов путем слияния разных штаммов бактерий, лишенных стенок (протопластов). Так, слиянием протопластов двух штаммов Streptomyces был сконструирован новый высокоэффективный штамм-продуцент рифампицина С: мутанты Nocardia mediterranei, в которых не синтезировался рифампицин, после слияния сформировали штаммы, продуцирующие три новых рифампицина. Слияние протопластов позволяет объединять генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются.

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.