БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

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.

Первоначально во многих случаях ферменты использовали в биотехнологическом производстве только в составе живых клеток, которыми нужно уметь управлять так, чтобы мобилизовать содержащиеся в них ферменты на нужные для производства биопроцессы. Сделать это удается не всегда, поэтому биотехнология, основанная на использовании ферментов в составе клеток (и организмов), имеет пределы на пути повышения эффективности. Идеальной была бы система, в которой можно использовать каталитические свойства очищенных ферментов, создав нужные для каждого производства технологические цепочки. В постепенном вытеснении живых (полуоткрытых) систем, каковыми являются клетки и организмы, биохимическими, т. е. полностью открытыми системами, состоящими из изолированных клеточных структур, и заключается тенденция прогресса в биотехнологии. Однако на каждом этапе развития именно уровень научных и методических достижений определяет возможность отказа от клеток и перехода к открытой системе.

Важнейшее достоинство клеток - это хорошо налаженное автоматическое восполнение изнашивающихся структур и постоянное поддержание их в рабочем состоянии. Этого пока не удалось добиться в открытых системах, они неустойчивы и дороги. Поэтому на данном этапе биотехнология выделения и использования ферментов распространяется пока на те случаи, когда ферменты участвуют в производственных процессах, осуществляются относительно простые химические реакции в производственных масштабах - расщепление (гидролиз), сбраживание, обработка и т. д. Ферментам присущи свойства, которые делают возможным их промышленное применение как катализаторов органических синтезов. Они обладают высокой каталитической активностью и в отличие от неорганических катализаторов высокоспецифичны, работают при умеренных рН и температурах (до 50 - 60°С). Неорганические же катализаторы требуют жестких кислотных и температурных условий, разрушительно действующих как на субстрат, так и на продукт реакции.

Активность ферментов поддается регулированию в широких пределах направленным изменением условий среды, ее кислотности, добавками веществ”, активирующих или подавляющих фермент. Главный недостаток ферментов - “ранимость”, повреждаемость. Правда, достигнуты значительные успехи в изменении свойств ферментов - повышена их устойчивость. Удалось существенно расширить сферу потенциального применения ферментов - они теперь “работают” в ангидридных органических растворителях и суперкритических жидкостях.