БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

Не может обойтись без ферментов и медицина. Холестериноксидазу используют в диагностике для определения уровня холестерина в сыворотке крови. Продуцируемую грибами супероксиддисмутазу применяют для лечения артритов, болезней сердца и при трансплантации почек. Терапевтическими свойствами обладают белки стрептокиназа из Е. coli, аспарагиназа из Erwinia chrysantherni и др. Ферменты используют для растворения тромбов, удаления из организма токсических веществ, лечения рака, ожогов. Известно около 200 наследственных заболеваний, связанных с дефицитом ферментов или иных белковых факторов. Их лечение возможно путем введения в организм больных чужеродных ферментов замещающих отсутствующие эндогенные. При септических процессах, инфаркте миокарда, эмфиземе легких, панкреатите применяют ингибиторы ферментов протеаз, получаемые из актиномицетов (химостатин, антипаин и др.) и генно-инженерных штаммов эглии или дрожжей.

Перспективны ферменты и для синтеза тонких химических веществ и осуществления многих производственных процессов в пищевой и фармацевтической промышленности. К ним относятся ферменты, помогающие получать высокофруктозныи сироп, способствующие свертыванию молока, гидролизу лактоз и, белков и жиров, участвующие в синтезе полусинтетического пенициллина, аминокислоты L-лизина и др. Широко применяют в промышленности липазы различного происхождения, которые катализируют многие сложные химические процессы. Например, катализируемая липазой очистка пальмового масла используется для производства какосового масла, 30% которого содержится в шоколаде.

Амилазы из бактерии и грибов расщепляют крахмал до низкомолекулярных сахаров - декстринов, глюкозы, мальтозы. Бактериальные протеазы разрушают белки при выделке кожи, сыроварении. Фермент глюкоизомераза из Bacillus sp. помогает превращать глюкозу во фруктозу. В последнее время внимание привлечено к циклодекстринглюкозилтрансферазам (ЦДГТ), необходимым при производстве циклодекстринов - соединении, важных для химической и фармакологической промышленности, для улучшения качества пищи, производства косметики и т. д. В ближайшее пятилетие ожидается семикратное увеличение потребности в циклодекстринах. А разве могут обойтись без ферментов энзиматический синтез и модификация пептидов? Коммерческий интерес проявляют, например, к энзиматическому синтезу дипептида аспартама, - низкокалорийному пищевому сладкому агенту. Химически этот продукт получали путем соединения ангидрида формиласпарагиновой кислоты и метилового эфира L-фенилаланина. Этот процесс протекает неэффективно, и образующийся аспартам загрязнен другими продуктами реакции. Энзиматически же, с помощью термолизина, синтезируется только чистый аспартам, выход которого составляет больше 99%.

Всего за 10 лет (первые трансгенные мыши были получены в 1980 г.) создана уникальная область генно-инженерных животных. Трансгенные мыши всего за одно поколение претерпевают такие целенаправленные изменения, для достижения которых ранее требовалось проводить селекцию на 40 - 50 поколениях. Они способны продуцировать совершенно новые виды белковых продуктов, которые иногда оказывают эффективные воздействия на рост и развитие самих мышей. В результате, переноса дополнительного гена гормона роста (неважно, из какого источника - из другого животного, человека) образуется избыточное количество гормона роста, стимулирующего рост: размеры мыши удваиваются (таких трансгенных мышек называют гигантскими).

Трансгенные мыши стали обычными объектами лабораторных исследований и уже вносят неоценимый вклад в фундаментальные научные исследования. Однако они совершенно не пригодны для целен биотехнологического производства. Начиная с 1985 г. во многих лабораториях пытаются получить трансгенных сельскохозяйственных животных - овец, свиней. За это время удалось преодолеть методические трудности проведения таких работ на сельскохозяйственных животных. Уже получено большое число овец и свиней, содержащих чужеродные гены. Планируется получение ряда важных медицинских препаратов - фактора свертываемости крови, интерферонов и т. д.

Очень хотелось бы воспроизвести на сельскохозяйственных животных продемонстрированный на мышах аффект ускоренного роста. Специалисты считают, что трансгенные сельскохозяйственные животные - это живые биотехнологические фабрики XXI в., которые экологически будут наиболее чистыми производителями ценных белковых препаратов. Сегодня уже создана фундаментальная и методическая база, но требуется еще приспособить эти научно-технические достижения к условиям работы с сельскохозяйственными животными.

Зарождающаяся на наших глазах космическая биотехнология свидетельствует о том, что биотехнология проникает во все сферы производства. Как и другие виды инженерно-технологических работ, биотехнология делает первые шаги в космос, осваивая специфические неземные условия. С самых первых шагов было очевидно, что космос создает для биотехнологических процессов не только большие трудности, но и большие преимущества. Они обусловлены главным образом невесомостью, существенно изменяющей течение физико-химических процессов, на которых основаны многие биотехнологии. Это, прежде всего, относится к производственным процессам электрофоретического или хроматографического разделения белков и других биоматериалов. Невесомость создает следующие условия, важные для этих процессов. 1. Редуцирует конвекции (перенос тепла), вызванные плавучестью, и исключает седиментацию (осаждение под воздействием гравитационных сил). 2. Делает силы поверхностного натяжения больше гравитационных. 3. Обеспечивает протекание процессов без емкостей. В земных условиях температурные различия между жидкостями после их смешения, быстро выравниваются в результате конвекционных перемещений, вызванных плотностными различиями теплых и холодных частей жидкости. В условиях невесомости этого не происходит, что крайне важно для процессов разделения - сохраняется гетерогенность фаз и содержимого жидкостей, что качественно улучшает разрешающую способность методов разделения, повышает выход и чистоту получаемых продуктов.

Другая из упомянутых выше особенностей космических условий состоит в том, что жидкости из-за повышенной (в сравнении с земными условиями) величины поверхностного натяжения и понижения сил гравитации обретают сферические формы, не нуждающиеся в сосудах, емкостях, минимизируется энтропия жидкостей. Это создает благоприятные условия для процессов кристаллизации белков - важного для многих биотехнологий процесса получения высококачественных белковых продуктов и для рентгеноструктурных анализов белков. Почти полное отсутствие гравитации приводит к свободной флотации составных частей в свободной жидкости в отсутствии стенок сосудов, контейнеров, что также важно для технологии разделения. Ведь исключаются возмущающие нормальное течение процесса пристеночные явления, меняющие физико-механические свойства жидкости и “оказывающие воздействие на поведение находящихся в них компонентов. К тому же и сами стойки, какими бы они ни были нейтральными к источниками загрязнений и дополнительных электрических, химических сил, могут избирательно сорбировать вещества.

Для технологии важно наличие всех перечисленных условии. Не обязателен полет в космос, ибо невесомость может быть создана и искусственно. Существует ряд технических способов создания невесомости вне космоса которые на нынешнем этапе научно-технических достижений различаются между собой по продолжительности времени создаваемой невесомости и стоимости. На сегодняшний день для создания продолжительной невесомости лучше всего, естественно, орбитальные средства - пилотируемые и автоматические. К первым относятся космический “Шатл STS” США и советская космическая станция “Мир”. К автоматическим относятся многократно используемые спутники “EURECA” (США) и европейская космическая платформа “LIFESAT”.