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.

Все, о чем мы рассказываем, - еще не полностью готовые производственные биотехнологии, а лишь подготовка базы для их создания. Существует два тесно взаимосвязанных варианта будущего биотехнологического производства ценных продуктов из растений; культивирование целых растений и культивирование клеток.

Методы культивирования растительных клеток в питательных средах создали самостоятельную отрасль биотехнологического производства ценных препаратов. Если культуру получать из одной клетки, то все вновь выросшие клетки будут генетически идентичны и образуют клон. Такие клоны интенсивно размножающихся клеток, как и бактериальные культуры, - хорошие продуценты ценных растительных продуктов. Их производительность и экономичность зачастую значительно выше, чем у целых растений. Здесь, как и при работе с бактериями, можно использовать клетки, которые в растениях производят нужный продукт, а можно целенаправленно изменить клетку с помощью методов генной инженерии, сделав ее ценным продуцентом необходимого продукта. В производстве уже используются клеточные культуры следующих природных продуцентов: клетки табака, производящие убихинон-10 (применяют как витамин), культуру клеток барбариса, продуцирующую ятрорризин (спазмолитическое лекарственное средство), клетки воробейника, производящие шиконин (используются при лечении ран, ожогов, геморроя). Однако промышленное производство этих культур, за исключением, например, продуцентов шиконина, пока экономически невыгодно. Требуется дальнейшее усовершенствование технологии культивирования клеток и повышение их продуктивности.

Несомненно, что область клеточных биотехнологий в ближайшем будущем, после того как реализует свои возможности генная инженерия, станет важнейшим источником ценных продуктов. Сначала будут получены трансгенные растения, а затем из них - высокопродуктивные культуры клеток. Например, трансгенные растения рапса, в которые введены гены лей-энкефалина и других нейропептидов человека, соединенные с частью гена альбумина , продуцируют около 1 мг ценного рекомбинантного белка на 1 т семян.

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.

Антибиотики - самый большой класс фармацевтических препаратов, которые синтезируются микроорганизмами. Некоторые из антибиотиков используют в сельском хозяйстве против различных сельскохозяйственных вредителей (например, полиоксин, баридакицин, косгалицин), другие - в медицинских целях (пенициллины, тетрациклины, цефалоспорин С и др.).

Шесть родов феламентозных грибов производят около 1000 различных антибиотиков. Много антибиотиков синтезируют актиномицеты (один только вид Streptomyces griscus производит более 50 антибиотиков). В практике реально используют небольшое число из известных пауке антибиотиков, производимых микроорганизмами. Это в первую очередь пенициллины и цефалоспорины, продуцируемые грибами родов Penicillum; стрептомицин, гентамицин, канамицин, эритромицин и тетрациклины, синтезируемые актиномицетами рода Streptomyces и бактериями родов Micromonospora и Bacillus, и некоторые другие.

До “эры” генной инженерии ценные для промышленности штаммы-продуценты антибиотиков с повышенной продуктивностью получали в основном с помощью мутагенеза и селекции природных микроорганизмов. Например, в результате селекции и улучшения техники ферментации промышленный выход пенициллина достиг 20 г/л, что в 10 тыс. раз выше уровня, который имелся в исходном штамме Penicillum chrysogenum.

Разработан также метод так называемого мутасинтеза, позволяющий получать модифицированные антибиотики. В этом случае используют мутантные штаммы-продуценты, в которых нарушен синтез определенных участков молекулы антибиотика. Для биосинтеза функционально-активного антибиотика в среду культивирования продуцента вносят аналоги этих участков. В связи с постепенным приобретением патогенными бактериями устойчивости к антибиотикам созданы методы внесения специальных модификаций в структуры антибиотиков, сохраняющие их антибактернальные эффекты. В настоящее время широко распространены полусинтетические антибиотики, например ампициллин, цефалексин, метициллин и др.