Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью тех веществ, производство которых необходимо. Для биотехнологии нужны высокопродуктивные штаммы микроорганизмов. Их создают методами селекции - направленного отбора спонтанных или индуцированных (химическими мутагенами или радиацией) мутантов. Получение таких штаммов занимаются иногда многие годы. В результате селекции производительность продуцентов удается увеличить в сотни или тысячи раз. Например, в работе с Penicillium методами селекции выход пенициллина был увеличен в конце концов, примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.
Отбору высокопроизводительных штаммов предшествуют тонкие манипуляции селекционера с генетическим материалом исходных штаммов. При этом используют весь спектр естественных способов рекомбинирования генов, известных у бактерий: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) была успешно использована при создании штамма Pseudomonas putida, способного утилизовать углеводороды нефти. Очень часто прибегают к трансдукции (перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериальных вирусов - бактериофагов) и амплификации (увеличение числа копий нужного гена).
Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибиотиков или их регуляторы находятся не в основной хромосоме, а в плазмидах. Путем амплификации удается увеличить число этих плазмид в клетках и существенно повысить производство антибиотиков.
Еще один подход в генетико-селекционной работе - получение генетических рекомбинантов путем слияния разных штаммов бактерий, лишенных стенок (протопластов). Так, слиянием протопластов двух штаммов Streptomyces был сконструирован новый высокоэффективный штамм-продуцент рифампицина С: мутанты Nocardia mediterranei, в которых не синтезировался рифампицин, после слияния сформировали штаммы, продуцирующие три новых рифампицина. Слияние протопластов позволяет объединять генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются.
Ожидается, что прикладная энзимология затронет также область промышленной модификации сахаров и спиртов, эстерификацию олигосахаридов и рибофлавина (витамина В2) и др. Для повышения выхода конечного продукта, упрощения ферментативных процессов и повышения их производственной эффективности в нынешние технологии получения и использования ферментов внедряют генно-инженерные методы. Хороший пример - сыроварение, в котором одновременно используют молочнокислые бактерии и фермент химозин из желудка телят. Клонированный ген прохимозина коровы был перенесен в молочнокислые бактерии Lactococcus и Leuconosloc. Трансформированные молочнокислые бактерии приобрели способность продуцировать химозин что упростило технологию производства сыра. Генно-инженерный (рекомбинатный) пепсиноген, предшественник желудочного фермента пепсина свиньи, получают в клетках Bacillus brevis, трансформированных плазмидой, содержащей ген пепсиногена.
Для повышения термостабильности ферментов в последние годы с помощью генно-инженерных подходов клонируют соответствующие гены из термофильных бактерий и переносят их в клетки продуцентов. Так, для получения из крахмала высокоочищенной глюкозы используют термостабильную а-амилазу Bacillus, продуцируемую Е. coli.
Биотехнологические процессы, состоящие из нескольких ферментативных актов, удается упростить благодаря включению в хромосому одной бактерии всех генов, кодирующих эти ферменты. Таким способом уже удалось в одном ферментационном чане превращать крахмал в фруктозную патоку, ранее для этого процесса требовалось 3 разных фермента - А-амилаза, глюкоамилаза и глюкоизомераза. Для модификации активных центров ферментов и усиления их каталитической активности специалисты возлагают большие надежды на разрабатываемые методы белковой инженерии.
Большое значение для медицины и сельского хозяйства имеют вакцины, которые вызывают активный иммунитет против инфекционных болезней. С помощью генной инженерии получены так называемые рекомбинантные вакцины.
Такой составной вирус экспрессировал слитый белок на поверхности инфицированных им клеток, растущих в культуре. При инъекциях этих клеток в цыплят почти все иммунизированные птицы были устойчивы к вирусу болезни Ньюкасле. Аналогичная живая вакцина была получена и для вируса бронхита птиц.
Отлажена техника изготовления вакцин-антигенов, которая заключается в клонировании и функционировании отдельных генов возбудителей болезней в Е. coli, дрожжах, клетках насекомых или млекопитающих. Вакцины-антигены высокостабильны, малоопасны как аллергены и неинфекционны. Одна из проблем, возникающая при использовании этих вакцин - наблюдающаяся низкая иммуногенность.
Чтобы пациенты легко переносили действие вакцин и для повышения их эффективности разработаны синтетические вакцины. Их создают с помощью соединения фрагментов белков, полисахаридов и других веществ микроорганизмов (к которым образуются антитела) с большими молекулами-носителями (адъювантами), которые усиливают иммуногенность антигенов. При этом к одной молекуле, стимулирующей иммунный ответ, могут быть присоединены фрагменты антигенов нескольких видов микробов и вирусов, что приводит к образованию поливакцин.
С помощью генной инженерии уже получены первые коммерчески доступные вакцины для человека пробактериального энтеротоксина, против гепатита Б.
В последние годы значительные успехи достигнуты в биотехнологических работах, проводимых с использованием клеток животных. Уже длительное время применяют технику гибридизации животных клеток разного происхождения, а также перенос чужеродных генов в культивируемые клетки.
В середине 70-х годов вирусолог Рудольф Ениш (ФРГ) провел первый успешный эксперимент по переносу чужеродного гена в геном целого животного организма (мыши). В качестве переносчика гена (вектора) использовали вирус лейкоза мышей. В дальнейшем были отработаны различные варианты переноса генов в животных (трансгенные животные), включая прямую микроинъекцию в пронуклеус зиготы. Подобные эксперименты оказали решающее воздействие на вовлечение клеток животных в биотехнологию. Существенно то, что только на базе клеток животных можно получать такие важные для медицины биотехнологические продукты, как антитела и вакцины. Использование клеток животных для продуцирования других биологически активных продуктов пока, как правило, экономически менее выгодно, чем на базе микроорганизмов. Однако получить некоторые полноценные белки можно только из клеток животных.
