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.
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.
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.
