БИОТЕХНОЛОГИЯ

В настоящее время клонировано много генов, кодирующих важные для науки и практики белки. После переноса таких генов в клетки животных можно получать клетки - продуценты биологически активных белков. Белки, синтезируемые клетками животных, всегда полноценны, поскольку они правильно формируются и претерпевают все необходимые модификации (гликозилирование, карбоксилирование, гидроксилирование).

В наши дни в промышленных масштабах в биореакторах с помощью клеток животных налажено производство большого числа биологически активных белков которые используют как медицинские препараты. Наибольший интерес представляют эритропоэтин, активатора плазминогена, фактор свертывания крови антитрипсин, поверхностный белок вируса гепатита в интерлейкины, различные моноклональные антитела, антигены вируса СПИД.

Коротко о важнейших из них. Эритропоэтин гормон стимулирующий образование красных кровяных телец. Его используют при анемиях, обусловленных почечной недостаточностью (эритропоэтин синтезируется в почках). Факторы свертываемости крови VIII и IX используют яри лечении наследственной гемофилии для остановки кровотечений, активатор плазминогена, напротив, для предотвращения образования тромбов. Гормон роста - препарат для лечения карликовости, инсулин - для лечения диабета, гонадотропные гормоны (фолликулостимулирующий, лютеинизирующий, хорионический) - для нормализации или стимуляции функций яичника, антитрипсин - для лечения эмфиземы.

Быстро расширяется сфера биотехнологии, основанная на иммунологии, - иммунобиотехнология. Сюда относится индустрия диагностических тест-систем (диагностикумов) для широкого обследования распространенности инфекций, изготовление вакцин и, конечно, получение поликлональных и моноклональных антител. Все наслышаны о таких белках, как лимфокины, к которым относятся интерфероны, интерлейкины, фактор, стимулирующий колониеобразованне гранулоцитов и макрофагов, фактор некроза опухолей и некоторые другие. Эти белки секретируются клетками иммунной системы в ответ на появление внешнего антигена. Их используют в качестве противовирусных и противоопухолевых препаратов (возможность лечения ими злокачественных новообразований пока проблематична). Производство некоторых лимфокинов отлажено и в бактериальной системе, о чем мы уже говорили, но иногда клетки животных более приемлемы для этой цели, особенно для тех белков, которые содержат углеводный центр. Несколько подробнее остановимся на производстве антител. С давних пор для их получения используются животные - кролики, козы, бараны. На появление в крови чужеродного белка-антигена иммунная система реагирует активацией размножения В-лимфоцитов, в которых начинается синтез антител. На поверхности антигена обычно содержится несколько “активных” участков (антигенных детерминант), каждый из которых побуждает образование антител против себя. При этом к каждая В-клетка и ее потомки специализируются на синтезе одного сорта антител. В результате образуется столько разных видов антителообразующих В-клеток, сколько в антигене имеется детерминант. Получаемая при этом из крови антисыворотка содержит смесь антител к разным детерминантам. Такие антитела называют полиспецифическими, чаще - поликлональными.

Обсуждая в 1989 г. на страницах журнала “Trends in Biotechnology” перспективы использования биотехнологий в разных сферах сельского хозяйства сотрудники Федерального института в Цюрихе Николаус Гоч и Петер Риндер пишут о значении таких направлений как клонирование и перенос в растения новых генов ответственных за устойчивость к заболеваниям и контролирующих образование важных с экономической точки зрения метаболитов. Предполагается, что до 2007 г. будет проведено картирование генов большинства используемых в сельском хозяйстве одно- и двудольных растений и реализован искусственный перенос в них дополнительных генов. Перспективы успешного переноса генов, ответственных за фиксацию молекулярного азота, пока оцениваются невысоко из-за трудности решения этой проблемы. На данном этапе повышение эффективности фиксации азота за счет симбиотических и несимбиотических микроорганизмов представляется весьма реальным.

Говоря о быстром прогрессе в области генной инженерии растений, следует обратить внимание и на то, что в самое последнее время возникло и ширится движение экологов, в частности “зеленых”, против генно-инженерных работ с растениями. Они опасаются, что растения, которым придана устойчивость к гербицидам, могут быстро распространиться в природе с непредсказуемыми последствиями для культурных растений. Эти опасения небезосновательны. Поэтому можно ожидать, что генная инженерия растений будет развиваться преимущественно в направлении биотехнологического их использования. Основное внимание будет отдано культивированию клеток таких растений, которые продуцируют ценные препараты, а не созданию сортов полевых растений, устойчивых к химическим и биологическим вредителям. Конечно, это не относится к созданию растений, устойчивых к экстремальным условиям среды, ибо размножение соле-, засухо-, морозоустойчивых растения в любом случае будет полезным. Ведуться работы по строгому контролированию процесса опыления, которые в случае успеха помогут снять существующие опасения. В некоторых лабораториях пытаются получить растения с неактивной пыльцой (женская стерильность), чтобы исключить распространение пыльцы трансгенных растений.

Поскольку при СПИДе (по еще неизвестному механизму) поражается и центральная нервная система, которая закрыта от иммунной системы гематоэнцефалическим барьером, вакцина будет неэффективна после того, как вирус поразил эти органы. Кроме того, вакцины на основе убитых вирусов или вирусов с ослабленной инфекционностью, к сожалению, даже в опытных руках иногда могут служить источником инфекции (в США такие случаи были при вакцинации детей против полиомиелита). Более перспективны живые вакцины на основе рекомбинантного вируса осповакцины, созданные по схеме. Важно и то, на какой стадии заболевания используют вакцину. Очевидно, что вакцина против ретровирусов будет малоэффективна после того, как вирусная ДНК уже внедрилась в клетки.

Еще одна трудность лечения СПИДа состоит в том, что интегрированная вирусная ДНК может проявлять себя через длительный период, во время которого в ней могут произойти мутации, а при суперинфекции за счет механизма рекомбинации может в организме сформироваться более вирулентный (болезнетворный) штамм вируса. Сейчас основное направление состоит в попытках создать вакцины на основе белка оболочки ВИЧ. Такая вакцина, как ожидается, должна стимулировать появление антител, которые нейтрализуют вирус и будут также препятствовать взаимодействию вируса с клеткой-мишенью. Препятствием на пути получения такой вакцины является гиперизменчивость структуры белков оболочки ВИЧ. Сейчас ведется поиск консервативных (т. е. медленно изменяющихся) участков этого белка, способных выступать в качестве антигенов. Антитела, выработанные к таким участкам, оставались бы эффективными против вируса даже при гиперизменчивости других участков.

Для предотвращения связывания вируса с клеткой делаются попытки вводить в организм препараты рецептора CD4, который бы блокировал рецептор связывающие места вируса. При помощи методов генной инженерии уже получены препараты растворимого белка CD, В экспериментах вне организма этот препарат блокировал на оболочке ВИЧ участки связывания.

Одно из наиболее распространенных химических средств против СПИДа в настоящее время - азидотимидин (зидовудин), который подавляет процесс обратной транскрипции вирусной РНК. Избирательным антивирусным действием обладает препарат GLQ223, белок, выделенный из корневых клубней китайского огурца Trichosanthus kirillowi.

Блок трансляции вирусных мРНК возможен с помощью антисмысловых олигонуклеотидов. Уже синтезирован ряд таких соединений и показано, что они, связываясь с мРНК, препятствуют ее трансляции на рибосомах, т. е. мешают синтезу вирусных белков. Правильной модификации белков ВИЧ мешает кастаноспермин - растительный алкалоид. Выходу зрелых частиц ВИЧ (вирионов) из клеток препятствует а-интерферон, поэтому в принципе он может блокировать реинфицирование новых клеток.

Несмотря на то что обнаружено несколько агентов против ВИЧ, ни один из них не позволяет пока полностью предотвратить развитие заболевания. Обусловлено это множеством причин: нестабильностью соединений, наличием у них нежелательных побочных эффектов и главное - недостаточной эффективностью и др. В настоящее время исследователи не связывают свои надежды с каким-либо одним лекарственным препаратом. Видимо, необходима разработка разнообразных агентов способных воздействовать на разные этапы жизненного цикла ВИЧ. Но главное - это продолжающийся поиск принципиально новых подходов.

В каких случаях чаще всего назначают гормоны?

1. Для восполнения их нехватки у людей с наследственными дефектами (сахарный диабет, карликовость, импотенция и т. д.) или заболеваниями, возникшими при жизни.

2. Для суперактивации регулируемого гормоном процесса (стимулирование многоплодия и т. д.).

Тормозит практическое применение гормонов, главным образом в медицине, их дефицит. До начала 80 х. годов источником гормонов служили органы и ткани человека и животных, главным образом донорская кровь. Однако в последние годы создание любых препаратов из органов и крови человека резко ограничилось из-за опасения распространения таким путем вирусов, и в первую очередь ВИЧ, вызывающего СПИД.

Белково-пептидные препараты животного происхождения иммунологически отличаются от белков человека, поэтому могут вызывать (и нередко вызывают) аллергические реакции, сила которых зависит от индивидуальных особенностей белкового препарата и пациента. Тем не менее, до сих пор люди вынуждены широко применять гормоны животных. Биотехнология, вступившая в эру генной инженерии, впервые открыла реальные возможности промышленного производства гормонов и иных препаратов человека в масштабах, достаточных для удовлетворения потребностей медицины.

Рассмотрим наиболее ценные для медицины и животноводства продукты, биотехнологическое производство которых налажено или налаживается в промышленных масштабах.