БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

В организме он продуцируется клетками передней доли гипофиза. Вес этой доли - меньше одной десятой грамма, и лишь небольшая часть ее клеток занята выработкой гормона роста. Его нехватка в организме снижает темп роста, вызывает карликовость (карликовые мыши весят примерно в 2 раза меньше нормальных). Введением гормона можно нормализовать рост.

В медицине при лечении одного пациента требуется 7 мг в неделю очищенного гормона, который ранее получали из гипофиза человека (трупного материала). Наряду с этим уже налажено микробиологическое производство генно-инженерного гормона, позволяющее получать 100 мг препарата из 1 л культуральной среды. В принципе этим способом можно производить килограммы гормона, причем независимо от природы гормона и клеток, где он производится в норме. Генио-инженерное микробиологическое производство выравнивает (унифицирует) условия наработки всех продуктов, т. е. делает биотехнологию индустриальной. Старьте же способы получения в сильной мере зависят от особенностей ткани и концентрации в ней гормона, требуют иногда переработки огромных масс дорогостоящих тканей. К примеру, для получения 25 - 30 мкг гормона секретина необходимо 1 т кишечника коров.

Список производимых гормонов непрерывно пополняется, и их очередность определяется как практической важностью, так и готовностью науки. Создать необходимые продуценты. К гормонам, производство которых начато или начинается, относятся эритропоэтин (регулятор образования эритроцитов и, следовательно, гемоглобина), энкефалины и эндорфины (гормоны нервной системы, которые применяют для снятия болевых ощущений, улучшения памяти, тонуса, настроения).

Микробные клетки пригодны и для производства некоторых стероидных гормонов. Например, Artbrobacter globiformis используют для синтеза преднизолона из гидрокортизона, Микробиологическая трансформация позволяет резко сократить число этапов химического синтеза гормона надпочечников - кортизона.

Аэробные и анаэробные микроорганизмы уже давно и широко очищают воды от органических материалов. В бактериях рода Pseudomonas имеются оксиредуктазы, или гидроксилазы, способные разлагать углеводороды и высокотоксичные для окружающей среды ароматические вещества (бензол, толуол, ксилол). Гены, кодирующие в бактериях эти ферменты, локализованы в плазмидах. С помощью генной инженерии и генетических методов получен штамм Pseudomonas putida, который способен расти на неочищенной нефти и весьма эффективно очищать от нее сточные воды. Очистка сточных вод от металлов часто основана на поглощении их микроорганизмами. Так, на практике используют нитчатые грибы, которые способны в больших количествах поглощать торий.

Биодеградация - один из способов удаления пестицидов, способных длительное время сохраняться в почве. С помощью методов генной инженерии сконструирован штамм Pseudomonas ceparia, эффективно разрушающий 2, 4, 5-трихлорфеноксиацетат.

В настоящее время микробная биодеградация и биоконверсия служат основой для создания многих безотходных экологически чистых производств в сельском хозяйстве и промышленности. Все большее распространение получают биотехнологические цепочки, в которых отходы и побочные продукты одного биотехнологического процесса используются в качестве сырья для другого. Так, на гидролизатах растительного сырья выращивают дрожжи, а фильтрат культуральной жидкости используют для синтеза грибного белка. О некоторых других биотехнологиях, основанных на биодеградации и биоконверсии, мы расскажем в последующих двух разделах.

По имеющимся в литературе оценкам, к 2000 г. белки с измененными свойствами, полученные целенаправленной модификацией структуры кодирующих их генов, будут составлять примерно 4% всех потребляемых белков на общую сумму 15 млрд. долл. Общее же количество пищевых продуктов, получаемых с помощью биотехнологии, к концу XX п. увеличится, по расчетам специалистов, по крайней мере, в 10 раз.

На использовании микроорганизмов основано производство ими аминокислот, в первую очередь так называемых незаменимых, которые могут быть полезными добавками в пищу животных и человека. Среди незаменимых аминокислот, промышленное производство которых уже давно налажено, первое место занимает лизин, затем треонин и глутаминовая кислота. Получены штаммы Brevibacterium flavum, которые превращают в лизин более одной трети сахаров, содержащихся в питательной среде.

В СССР во ВНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов с помощью генно-инженерных методов сконструированы высокопродуктивные штаммы Е. coli продуценты L-треонина, L-лизина и L-триптофана, которые используются и промышленности.

Интерес к микробиологическим способам промышленного производства аминокислот вызван также и тем, что они позволяют получать L-аминокислоты в чистом виде, тогда как при химическом синтезе получают рацемические смеси, содержащие L- и D-аминокислоты. Последние не входят в состав природных белков (они содержатся в незначительных количествах лишь в некоторых пептидах микроорганизмов, в частности пептидах, являющихся антибиотиками).

Производство витаминов. Напомним, что витамины - это низкомолекулярные органические соединения, роль которых для нормальной жизнедеятельности организма хорошо известна. Поскольку в пищевых продуктах витаминов содержится немного (10 - 100 мг на 100 г съедобной части продукта) и они быстро разрушаются, требуется витаминизация готовой пищи и продуктов. Поэтому уже давно витамины производят в больших количествах. Традиционные способы получения витаминов основаны либо на переработке больших количеств ценного сырья, либо (в редких случаях) на химическом синтезе. Поэтому витаминная промышленность нуждается в более эффективных технологиях. Такие технологии успешно создаются.

С помощью лишь генетических манипуляций (воздействием на регуляцию метаболизма) были получены штаммы микроорганизмов, которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов, чем необходимо для их роста. Это - штамм Ashbya gossypii - продуцент рибофлавина, штаммы Pseuclomonas dеnitrificans и Propioribacterium freudenrcechii, производящие витамин В2 и др. В СССР на базе Bacillus subtilis сконструирован эффективный продуцент витамина B2.

Микробиологические технологии позволили решить и задачу производства аскорбиновой кислоты (витамин С). В Японии разработан эффективный ферментативный способ получения стабильного производного витамина С - аскорбил-2-фосфата, который используют в качестве антиоксиданта.

Помимо широкого применения в медицине в качест-пе профилактических и лечебных средств, получаемые микробиологическим путем витамины В2 и В2 добавляют в пищу животным для сбалансирования кормов.