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.

Химический и электрохимический способы получения водорода неэкономичны. Поэтому специалисты обратили внимание на микроорганизмы, способные выделять водород. Еще в начале 60-х годов установили, что хлоропласты шпината в присутствии бактериального экстракта, содержащего фермент гидрогеназу, продуцируют водород. Это способны делать хемотрофные бактерии, цианобактерии, некоторые водоросли и простейшие. Сейчас предложено несколько вариантов биотехнологических систем для производства водорода, однако пока ни одна из них неприемлема для практических целей.

Не одно поколение ученых бьется над проблемой повышения эффективности фотосинтеза у микроорганизмов и растений. Задача эта еще далека от решения. Однако в результате исследований в области биологии фотосинтеза (в частности, выделения и характеристики различных мутантов фотосинтезирующих микроорганизмов) работы вышли на уровень, когда они могут стать основой для решения прикладных задач. Так, некоторые фотосинтезирующие микроорганизмы способны продуцировать аммоний за счет биоконверсии солнечной энергии. Поскольку гербициды подавляют фотосинтез, получение мутантов, не чувствительных к гербицидам - путь к созданию гербицидустойчивых сортов растений. Предполагается, что фотосинтезирующие бактерии будут участвовать в очистке промышленных газов, биодеградации токсических веществ и отходов производства.

Биотехнологической биоэнергетике предстоит ответить на вопросы, связанные с созданием биотопливных элементов, способных превращать химическую энергию субстратов в другие виды энергии, главным образом в электрическую. Такие элементы используют в настоящее время при создании биологических датчиков-биосенсоров.

Традиционным способом невозможно получить моноспецифические, или, как говорят, моноклинальные антитела (сокращенно МАТ). Для этого необходимо разделить либо смесь антител, либо В-клетки на отдельные виды. Эта задача была решена в 1975 г. немецкими специалистами Даном Келлером и Досоном Мелстейном, которые разработали метод создания гибридом. Метод основан на слиянии клеток опухоли с В-лимфоцитами и получении клеточных гибридов или гибридом. Опухолевые клетки придают лимфоцитам способность к неограниченному размножению вне организма с сохранением их способности продуцировать и секретировать в культуральную среду антитела. В условиях культивирования гибридом вне организма можно из каждой гибридной клетки получить обособленный клон, производящий антитела одной специфичности - МАТ.

В последнее время разработана процедура получения неспецифических МАТ, основанная на слиянии двух разных гибридов. Гибридная гибридома (фузома) обеспечивает образование одного иммуноглобулина с антигенсвязывающей способностью, характерной для обоих партнеров. Сейчас гибридомы и фузомы широко используют для производства гомогенных антител, специфичных для почти любого антигена.

Новое направление в иммунобиотехнологии - создание искусственных антител, обладателей необычных свойств. Ген тяжелой цепи иммуноглобулина (молекулы антитела) выделяли гибридомы, которая продуцировала иммуноглобулин против химического агента 4-гидрокси-З-нитрофенацетн-ла (ГНФ). У этого гена вариабельная (изменчивая) область (V) соответствует антигену. Затем в константную область (С) гена иммуноглобулина вставляли ген фермента ДНКазы из Staphylococcus aureus. Образующийся рекомбинантный (гибридный) ген кодировал рекомбинантный белок, состоящий из изменяющейся области и части константной области иммуноглобулина, а также ДНКазы. При функционировании этого гена в клетках, продуцирующих легкую цепь иммуноглобулина, происходила самосборка и образовывался рекомбинантный (гибридный) иммуноглобулин, состоящий из легкой и тяжелой цепей (антитело). Это антитело было специфично по отношению к ГНФ и в то же время обладало ДНКазной активностью. Таким образом, можно осуществлять разнообразные комбинации компонентов антител, получать новые их формы, отсутствующие в природе.

Широкое применение МАТ нашли в сфере науки и в медицине для диагностики и лечения заболевании, вызываемых патогенами, прежде всего микроорганизмами и их токсинами. С помощью биосенсоров (см. выше), сконструированных на основе МАТ, диагностируют беременность, выявляют предрасположенность к диабету, ревматоидному артриту, диагностируют наследственные заболевания. Используют МАТ также для диагностики и лечения рака, СПИДа и т. д.

Рынок сбыта биотехнологических продуктов, предназначенных для иммунотерапии, непрерывно растет: в США в 1987 г. его объем равнялся 1,5 млрд. долл., а к 1993 г. ожидается, что он составит 8,6 млрд. долл. Вне медицины мат. широко используют в биологических датчиках (биосенсорах), применяемых для тестирования качества пищевой продукции, для диагностики болезней животных и растений.

Еще одно новое направление в иммунобиотехнологии - получение каталитических антител, абизимов, соединяющих в себе каталитический центр фермента и связывающий центр антитела. Некоторые абизимы уже начинают производиться промышленностью. В качестве примера такого абизима можно привести МАТ к фосфонамидату, которые способны катализировать гидролиз карбоксамида.