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.
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.
Новый этап развития биотехнологии связан в первую очередь с использованием растительных клеток. Уже сейчас из растений получают около 25% фармацевтических препаратов. Они - сырье для тонкой химии, а также источник биохимических компонентов для косметических изделий и пищевых добавок. Биотехнология стремится повысить выход ценных продуктов растений, если нужно, специалисты изменяют их свойства, а также прививают им способность производить новые, не свойственные для них виды продуктов.
Благодаря новейшим открытиям молекулярной биологии и генетики и достижениям генной инженерии растения стали быстро вовлекать в сферу биотехнологии. Этому способствует ряд особенностей жизнедеятельности и размножения растений - способность к неограниченному вегетативному размножению, т. е. к регенерации полноценного растения из черенка, а в условиях биотехнологических систем - из небольшой группы клеток и даже из одной клетки. При культивировании в питательных средах растительные клетки способны в одних условиях неограниченно размножаться, быстро наращивать биомассу, в других - дифференцироваться, образовывать корешки, стебельки, листочки (формируя в пробирке миниатюрное растеньице), а затем переходить к цветению и плодоношению. Таким образом, весь свой биологический цикл растения могут осуществлять в контролируемых условиях биотехнологических систем. Оказывая на развивающиеся в этих условиях растения физические, химические и иные воздействия, можно направленно улучшать культивируемые сорта, повышать их продуктивность, использовать растительные клетки в качестве продуцентов биологически активных веществ.
Благодаря биотехнологии традиционные методы гибридизации растений (приведшие к “зеленой революции”, т. е. кардинальному повышению урожайности) расширились и стали проводиться на клеточном уровне. С помощью новых методов клеточной инженерии теперь сливают друг с другом клетки разных растений и получают из них новые гибридные растения. Новые методы чрезвычайно расширили границы спектра скрещиваемых растений, куда вошли не скрещивающиеся в природе виды. Однако техническая возможность соединения клеток очень отдаленных видов растений не всегда означает преодоление их биологической несовместимости, поэтому не все гибриды могут сохраняться.
Все шире применяют в производстве иммобилизацию ферментов на носителях. Это позволяет увеличивать их стабильность, получать более чистые продукты реакции, облегчать восстановление и повторное использование биокатализаторов, например, при создании биосенсоров, о которых пойдет речь дальше. Одно из достижений биотехнологии - выделение ферментов из термофильных бактерий. Они термостабильны, что ценится промышленным производством. В частности, в органическом синтезе широко применяют никель-содержащую гидрогеназу из Methanobacterium thermoautotrop. Надо сказать, что большинство ферментов примышленного пользования получают из микроорганизмов и грибов. Только редкие ферменты растительного и животного происхождения (например, папаин, получаемый из плодов папайи) находят промышленное применение.
Ферменты из микроорганизмов все чаще заменяют используемые в некоторых отраслях промышленности аналогичные растительные и животные ферменты. Так, в пивоварении и хлебопечении амилазы Bacillus и Aspergillus сейчас заменили амилазы из пшеничного солода и ячменя, а протеазы из Aspergillus заменили животные и растительные протеазы, употребляемые для размягчения мяса.
Из 2 тыс. известных сейчас ферментов только около 10% ( - 200) вовлечено в промышленное производства Большой практический интерес представляют, в частности, аминоацилаза, применяемая для разделения смесей изомеров аминокислот, целлюлаза, осуществляющая гидролиз целлюлозы в глюкозу, инвертаза, используемая для получения инвертированного сахара, и др.
