БИОТЕХНОЛОГИЯ

В последние годы значительные успехи достигнуты в биотехнологических работах, проводимых с использованием клеток животных. Уже длительное время применяют технику гибридизации животных клеток разного происхождения, а также перенос чужеродных генов в культивируемые клетки.

В середине 70-х годов вирусолог Рудольф Ениш (ФРГ) провел первый успешный эксперимент по переносу чужеродного гена в геном целого животного организма (мыши). В качестве переносчика гена (вектора) использовали вирус лейкоза мышей. В дальнейшем были отработаны различные варианты переноса генов в животных (трансгенные животные), включая прямую микроинъекцию в пронуклеус зиготы. Подобные эксперименты оказали решающее воздействие на вовлечение клеток животных в биотехнологию. Существенно то, что только на базе клеток животных можно получать такие важные для медицины биотехнологические продукты, как антитела и вакцины. Использование клеток животных для продуцирования других биологически активных продуктов пока, как правило, экономически менее выгодно, чем на базе микроорганизмов. Однако получить некоторые полноценные белки можно только из клеток животных.

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.

Уже давно микроорганизмы используют как источник белка для питания человека и животных. Еще в годы первой мировой войны один из основоположников молекулярной биологии Макс Дельбрюк с коллегами в Германии (в 1937 г. переехал в США) разработали первый технологический процесс промышленного культивирования пивных дрожжей для их добавления в супы и колбасы. Белки, продуцируемые бактериями или дрожжами и используемые в пищевых целях, получили название белки одноклеточных организмов (БОО).

На первом этапе в качестве сырья для микроорганизмов использовали в основном углеводороды нефти. Затем интерес был проявлен к другим субстратам, прежде всего к природным газам (метан). Как субстраты для получения БОО из дрожжей используют некоторые промышленные отходы (например, отработанный сульфитный щелок с бумажных комбинатов, молочную сыворотку - побочный продукт сыроварения, мелассу (патока), отходы спиртоводочных заводов). Промышленный продукт получают в виде суммарной биомассы. Разработаны промышленные линии для производства и переработки микроводорослей с целью получения БОО. Объем дрожжевой биомассы, полученной в мире в 1985 г., превысил 1 млн. т. Ожидается, что в 1990 г. этот объем возрастет более чем в 2 раза.

Производство БОО имеет многие преимущества перед производством белка в животноводстве и растениеводстве: 500 кг дрожжей дают за сутки 80 кг белков, а у быка того же веса суточный привес составляет в лучшем случае 500 г белка. Однако БОО используют в основном как корм для скота, и лишь в будущем можно ожидать создания технологий получения БОО, пригодных для питания человека. Перспективно в этом отношении культивирование некоторых грибов (Fusarium), зеленых водорослей (Chlorella), цианобактерий (Spirulina), имеющих адекватные для человека органолептические свойства. В настоящее время уже налажено производство на базе крахмала волокнистой массы Fusarium как источника пищи для человека.

Изменения в генах, осуществленные с помощью генной инженерии, могут модифицировать структуру и улучшать свойства пищевых белков. Наибольший интерес в плане таких манипуляций привлекают к себе 3 белка животных и растений: овальбумин курицы, составляющий большую часть (54%) белка яйца, казеины (главная фракция в молоке) и белки сои (42% в бобах). Например, манипуляции с кодирующей частью гена k-казеина, в результате которых из белка элиминировался фрагмент, расположенный между 9-й и 17-й аминокислотами, а также” цистеин, участвующий в образовании дисульфидной связи, привели к тому, что новый белок как пищевой продукт стал более качественным.

В качестве основного биотехнологического элемента биосенсоров чаще всего применяют различные ферменты. Такими элементами для электрохимических, калориметрических и оптических биосенсоров, создаваемых промышленностью, являются глюкооксидаза, лактатоксидаза, пероксидаза, уриказа, цитохром С. В газофазных биосенсорах успешно используют формальдегид-дегидрогеназы (для определения паров формальдегида) и холинэстеразы (для тестирования фосфорорганических пестицидов). В последнее время появились иммуносенсоры, которые можно рассматривать как биосенсоры нового поколения, обещающие занять центральное место в этой сфере биотехнологии. Многообещающ и новый подход в создании биосенсоров - соединение с электродами различных биологических рецепторов.

Рынок потребления биосенсоров непрерывно растет, о чем свидетельствуют следующие цифры: только в общая стоимость производимых в 1986 г. биосенсоров составляла 14,4 млн. долл., а в 1991 г. ожидается, что она достигнет уже 365 млн. долл. Сходная ситуация, как предполагают специалисты, сложится в Японии и в европейских странах.

Заканчивая расказ об использовании микроорганизмов в биотехнологии, хотелось бы остановиться на некоторых трудностях принципиального характера, с которыми столкнулись исследователи, когда попытались на базе этих организмов реализовать такую прогрессивную технологию, как генная инженерия. Одна из трудностей связана с неоднозначной пространственной сборкой чужеродных белков, синтезируемых в трансформированных клетках микроорганизмов. Это сказывается на активности и специфичности получаемых белковых продуктов. Кроме того, в микроорганизмах не происходит модификация белков, необходимая для полноценного функционирования (гликозилирование, фосфорилирование и др.). Поэтому, несмотря на очевидные успехи в использовании микроорганизмов, исследователи все больше вовлекают в биотехнологию растительные и животные клетки.