БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

Первоначально во многих случаях ферменты использовали в биотехнологическом производстве только в составе живых клеток, которыми нужно уметь управлять так, чтобы мобилизовать содержащиеся в них ферменты на нужные для производства биопроцессы. Сделать это удается не всегда, поэтому биотехнология, основанная на использовании ферментов в составе клеток (и организмов), имеет пределы на пути повышения эффективности. Идеальной была бы система, в которой можно использовать каталитические свойства очищенных ферментов, создав нужные для каждого производства технологические цепочки. В постепенном вытеснении живых (полуоткрытых) систем, каковыми являются клетки и организмы, биохимическими, т. е. полностью открытыми системами, состоящими из изолированных клеточных структур, и заключается тенденция прогресса в биотехнологии. Однако на каждом этапе развития именно уровень научных и методических достижений определяет возможность отказа от клеток и перехода к открытой системе.

Важнейшее достоинство клеток - это хорошо налаженное автоматическое восполнение изнашивающихся структур и постоянное поддержание их в рабочем состоянии. Этого пока не удалось добиться в открытых системах, они неустойчивы и дороги. Поэтому на данном этапе биотехнология выделения и использования ферментов распространяется пока на те случаи, когда ферменты участвуют в производственных процессах, осуществляются относительно простые химические реакции в производственных масштабах - расщепление (гидролиз), сбраживание, обработка и т. д. Ферментам присущи свойства, которые делают возможным их промышленное применение как катализаторов органических синтезов. Они обладают высокой каталитической активностью и в отличие от неорганических катализаторов высокоспецифичны, работают при умеренных рН и температурах (до 50 - 60°С). Неорганические же катализаторы требуют жестких кислотных и температурных условий, разрушительно действующих как на субстрат, так и на продукт реакции.

Активность ферментов поддается регулированию в широких пределах направленным изменением условий среды, ее кислотности, добавками веществ”, активирующих или подавляющих фермент. Главный недостаток ферментов - “ранимость”, повреждаемость. Правда, достигнуты значительные успехи в изменении свойств ферментов - повышена их устойчивость. Удалось существенно расширить сферу потенциального применения ферментов - они теперь “работают” в ангидридных органических растворителях и суперкритических жидкостях.

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%.

Перспективным представляется использование, например, видоизмененных регуляторных белков ВИЧ и которые из них полностью подавляют функционирование нормальных белков и предотвращают этим размножение вируса. Теоретически гены, кодирующие такие мутантные белки, можно вводить в стволовые клетки костного мозга в культуре, а затем трансформированные клетки переносить в костный мозг человека.

Для профилактики СПИДа создают диагностикумы для быстрого и однозначного обнаружения ВИЧ. Эта задача сейчас решена - есть хорошие диагностиками, налажено их массовое производство. Большинство таких диагностикумов основано па выявлении в крови вирусных белков с помощью антител. Но и здесь интенсивно ищут новые подходы. Перспективным считают обнаружение следовых количеств ВИЧ с помощью цепной полимеразной реакции. В результате 20 последовательно проведенных циклов “денатурация - синтез” в течение короткого времени количество анализируемой ДНК в пробе возрастает в миллионы раз, и она легко определяется с помощью реагентов.

Общественное движение за решение проблемы СПИДа только набирает силу (в нашей стране этот процесс идет с большом задержкой). Должно быть полностью осознано что наряду с ядерной опасностью и экологией СПИД стал общемировой проблемой. Необходимость в срочной мобилизации международных ученых привела к созданию глобальной программы по СПИДу, координируемой Всемирной Организацией здравоохранения (ВОЗ). Над созданием вакцин работают лаборатории многих стран, объединенных в специальную программу IIIVAC (от англ. HIV-vaccine) и возглавляемой первооткрывателем ретровирусов человека - Робертом Галло.

Пока же кривая числа зарегистрированных больных и вирусоносителей поднимается все выше: только в США за прошедшие годы больных было в 1987 г 50 тыс. в 1988 г. - 66464 человек, в 1989 г. - 113211. По данным ВОЗ, в 159 странах мира в феврале 1990 г. было зарегистрировано 215 тыс. больных (по неофициальным данным, их в 2 - 2,5 раза больше). Прогнозируется, что их число только в США составит в 1991 г 270 тыс. в 1992 г. - 365 тыс., в 1993 г. - 450 тыс. человек. Число вирусоносителей во всем мире оценивается сейчас от 5 до 10 млн. Ожидается резкий подъем вирусоносительства в ближайшие годы в СССР. Возможно ли, чтобы СПИД устоял против современного мира? Ученые уверены, что он будет побежден, хотя и неясно, когда и какой ценой. Такая оценка сегодняшних возможностей медицины в лечении СПИДа может показаться несправедливой, учитывая, что в популярной печати часто появляются сообщения, которые позволяют предполагать либо о решении проблемы лечения СПИДа, либо о близости такого решения. К сожалению, это заблуждение характерно и для других острых медицинских проблем (например, онкологической) Так недавно в газетах сообщалось об успехе в лечении больных СПИДом, достигнутом благодаря прогреву крови выкаченной из тела больного и затем влитой обратно. Однако в научной медицинской литературе пока нет достоверного описания и обоснования такого метода лечения.