БИОТЕХНОЛОГИЯ

Пилотируемые и автоматические системы существенно отличаются в отношении достигаемых характеристик невесомости. В управляемом варианте к перечню факторов, мешающих создавать возможный уровень невесомости, т. е. воздействующих на нее, добавляется ряд новых возмущающих факторов, вносимых космонавтами. Какие же космические факторы общего характера воздействуют на невесомость и какова степень этих воздействий в обеих системах? Это остаточный уровень гравитации , аэродинамические силы , маневрирование на орбите . В пилотируемых системах к этим факторам добавляются консольные операции, дыхание , движение внутри корабля.

В пилотируемом варианте биотехнологическим процессом легче управлять, а вся система в целом может быть не столь автоматизирована. Автоматические системы дешевле (затраты 5 тыс. долл. на 1 кг) пилотируемых (10 тыс. долл./кг), но требуют более продолжительных предварительных испытаний устройств, которые будут работать в космосе. Система многократного пользования “LIFESAT”, выводимая на орбиту системой “Шатл”, которая, как ожидается, будет использоваться 2 или более раза в год, начиная с 1992 г., обеспечивай невесомость ~10″5 и способна к повторным использованиям каждые 2 месяца. Ниже мы рассмотрим некоторые примеры космических биотехнологий.

Первые работы в области космической биотехнологии возникли в начале 70-х годов с отработки методов электрофоретического разделения биоматериалов. В последующем они все больше расширялись за счет других видов работ - кристаллизации белков клеточных культур и др. Считается, что примерно 4% рынка биотехнологических продуктов может быть обеспечено космосом, а к концу столетия размер этой продукции по одним оценкам составит 2 млрд., по другим - около 15 млрд. долл. из общего объема биотехнологического производства около 350 млрд. долл.

Ниже мы приводим некоторые, на наш взгляд наиболее интересные примеры, иллюстрирующие возможности современных биотехнологических подходов основанных на генной инженерии. Как уже говорилось, один из методических приемов переноса генов состоит в пользовании патогенной бактерии Agrobacterium tumefaciens, которая содержит Ti-плазмиду, ответственную за индукцию (побуждение) опухолей у двудольных растений. Технология введения чужеродных генов в эту плазмиду и последующее заражение растений агробактерией с измененной Ti-плазмидой на сегодняшний день наиболее хорошо отработана.

Растения - источник пищи и в принципе обеспечивают потребности человека и животных набором тех соединений, которые клетки животных и человека не синтезируют сами. К таким соединениям относятся и так называемые незаменимые аминокислоты, и многие витамины. Вместе с тем основные виды используемых в пищу растений неполноценны, т. е. дефицитны (для животных) по некоторым аминокислотам. В такие растительные корма необходимо добавлять некоторые аминокислоты - лизин, треонин, триптофан. Бобовые дефицитны по метионину и цистеину.

Для сбалансирования растительных кормов налажено специальное крупномасштабное микробиологическое промышленное производство этих аминокислот. Однако решение проблемы нельзя считать окончательным. Считается, что генная инженерия может кардинально упростить решение этой задачи. В настоящее время уже выделены гены запасаемых белков картофеля (пататин), фасоли (фазеолин), гороха (легуин), кукурузы (зеин), которые составляют основу кормов. Многие из этих генов удалось перенести в растения.

Что специалисты ожидают получить от этих манипуляции? Изменить эти гены таким образом, чтобы в кодируемых ими запасных белках увеличилось содержание дефицитных аминокислот. Есть, правда, опасение, что такая модификация структуры белков будет препятствовать их нормальному “складированию” в семенах. Кроме того, эти белки во многих случаях выполняют определенные функции в клетках, которые после модификации могут блокироваться. Другая идея - использовать искусственно (химически) синтезированные гены, кодирующие в большом количестве незаменимые аминокислоты. Такие эксперименты уже проводят о картофелем для повышения в нем содержания ценных аминокислот.

Запасы энергии в растительном покрове Земли, создаваемой с помощью фотосинтеза, сопоставимы с запасами энергии природных ископаемых. Обычно сухую биомассу превращают в энергию в процессе сгорания, тогда как наиболее эффективный способ превращения с помощью микроорганизмов сырой биомассы в энергию - получение углеводородов биогаза (метана).

Метановое брожение было открыто еще в конце XVIII в. Это сложный процесс, в котором участвует несколько видов микроорганизмов (превалируют Methanobacterium formicicum и М. hungati). Биогаз, образующийся В результате такого брожения, представляет собой смесь, главные компоненты которой метан (65%), углекислый газ (30%) и сероводород (1%).

Для получения биогаза используют смеси органических веществ (навоз, солому, помет, водоросли, целлюлозную биомассу), что требует для метанообразования многокомпонентных микробных ассоциаций. Биогаз давно производят в Китае, Индии, на Филиппинах. Сейчас интерес к этому виду топлива проявляют и в некоторых странах Западной Европы (в частности, во Франции). Метан важен не только для производства биоэнергии. Его получение - эффективный способ утилизации отходов сельского хозяйства.

Экологически чистое топливо - этанол. В последние годы его начинают использовать в двигателях внутреннего сгорания. Наиболее пригодны для производства этанола злаки (особенно кукуруза), картошка, маниок, земляная груша, сахарная свекла, сахарный тростник. У двух последних основной запасной углевод - сахароза, у остальных - крахмал. Сахарозу и крахмал обычно сбраживают с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В последнее время спектр используемых для этого микроорганизмов значительно расширился. Обращено, например, внимание на бактерию Zymomonas mobilis, способную сбраживать сок агавы. Она эффективнее сбраживает сахара и устойчивее к этанолу (конечному продукту), чем дрожжи. В настоящее время ведутся работы по генно-инженерному изменению этой бактерии с целью расширения круга утилизируемых ею субстратов. Перспективными для биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол считаются некоторые термофильные бактерии. Так, Clostridium tlicrmohydrosulfuricum утилизирует с очень высоким выходом этанола продукты деградации целлюлозы.

Для повышения выхода продукта и стабилизации активности бактерий производят иммобилизацию их на разных носителях. Согласно прогнозам этанол, получаемый ферментацией углеводородсодержащих субстратов, к 2000 г. будет стоить дешевле, чем спирт, производимый по традиционной химической технологии.

Благодаря поиску микроорганизмов, содержащих углеводороды, которые можно использовать в качестве заменителей нефти, обнаружены некоторые микроводоросли (Bolhryacoceus, Isochrysis и др.), содержащие эти соединения в количестве от 15 до 80% сухой массы клеток. Наилучший состав углеводородов присущ В. braunii, что позволяет использовать ее в качестве источника энергии.

В условиях пониженного гравитационного поля резко улучшается также процесс создания белковых кристаллов больших размеров, представляющих ценность в частности, для рентгеноструктурных исследований и получения высокочистых препаратов. Кристаллизация белков происходит в условиях стабилизации молекул благоприятствующих проявлению сил слабого взаимодействия, которые в земных условиях подавляются более превалирующими действующими на больших расстояниях силами гравитации и конвекции. Это увеличивает число точек кристаллизации в растворе и способствует образованию большого числа маленьких кристаллов. В условиях невесомости удается получать существенно более крупные кристаллы.

Из нескольких разработанных для этого методов наиболее привлекает метод “висячей капли”. Каплю жидкости, содержащей белок, буфер и соли (иногда вместо солей - полиэтиленгликоль), подвешивают на нижней поверхности какой-либо опоры и дают уравновеситься. В результате испарения воды белок концентрируется и выпадает в осадок, образуя кристаллы. Этот процесс “выращивания” кристаллов растягивается часто на многие недели. В условиях невесомости (ракеты программы TEXUS) были получены кристаллы нескольких ферментов: лизоцима, р-галактозидазы.

Оказалось, что кристаллизация идет в этих условиях быстрее, а сами кристаллы крупнее в 27 (р-галактозидаза) и в 1000 (лизоцим) раз, чем в земных условиях. Как сообщила Гарвардская школа бизнеса, фармацевтические фирмы готовы платить 100 - 200 тыс. долл. за белки, закристаллизованные в условиях невесомости. Ведутся также работы для проведения в условиях невесомости кристаллизации белков в неприкрепленной, а в свободно плавающей в пространстве капле, что может улучшить качество образуемых кристаллов.

Условия невесомости более благоприятны также для такого процесса, как инкапсулирование клеток в полупроницаемые мембраны. Инкапсулированные клетки, например клетки поджелудочной железы животных, можно имплантировать (вживлять) в тело больных сахарным диабетом, где они могут продуцировать инсулин. Поскольку инсулин - низкомолекулярный белок, он будет проходить через мембрану в кровоток, а антитела не смогут проникать через мембрану, т. е. имплантированные таким способом клетки не будут отторгаться. Инкапсулированные клетки печени, например, можно использовать также для создания искусственных органов с целью очищения крови.