БИОТЕХНОЛОГИЯ

Нельзя не сказать о многочисленных попытках получения растений, устойчивых к вирусам, наносящим огромный урон сельскому хозяйству. Спектр вирусов, инфицирующих сельскохозяйственные растения, велик. Ежегодно только вирус мозаики томата наносит ущерб на 50 млн. долл., а вирусы зерновых - на 1 - 2 млрд. долл. Наиболее перспективным способом зашиты растений от вирусов считают индуцирование у растений “иммунитета” к вирусам методом, сходным с иммунизацией. Например, ген белка оболочки вируса табачной мозаики перенесли в клетки табака и получили трансгенные растения, у которых 0,1% всех белков листьев был представлен вирусным белком. Значительная часть таких растений при инфицировании вирусом не проявляла никаких симптомов заболевания. Молекулярный механизм подавления вирусной инфекции пока неясен, существует несколько предположений. Сейчас планируется этим путем получать вирусорезистентные зерновые культуры.

Проводятся эксперименты по созданию растений, устойчивых к заболеваниям благодаря переносу в них вирусных генов в антисмысловой ориентации (т. е. анти-РНК вируса). Один из подходов повышения устойчивости растений к вирусам, не связанный с генной инженерией, основан на культивировании вирусов табачной и томатной мозаики и вирусов цитрусовых в специальных условиях (обработка азотной кислотой, повышенные температуры), в результате чего они утрачивают патогенность. Такие ослабленные вирусы служат своеобразной вакциной для растений.

Традиционным способом невозможно получить моноспецифические, или, как говорят, моноклинальные антитела (сокращенно МАТ). Для этого необходимо разделить либо смесь антител, либо В-клетки на отдельные виды. Эта задача была решена в 1975 г. немецкими специалистами Даном Келлером и Досоном Мелстейном, которые разработали метод создания гибридом. Метод основан на слиянии клеток опухоли с В-лимфоцитами и получении клеточных гибридов или гибридом. Опухолевые клетки придают лимфоцитам способность к неограниченному размножению вне организма с сохранением их способности продуцировать и секретировать в культуральную среду антитела. В условиях культивирования гибридом вне организма можно из каждой гибридной клетки получить обособленный клон, производящий антитела одной специфичности - МАТ.

В последнее время разработана процедура получения неспецифических МАТ, основанная на слиянии двух разных гибридов. Гибридная гибридома (фузома) обеспечивает образование одного иммуноглобулина с антигенсвязывающей способностью, характерной для обоих партнеров. Сейчас гибридомы и фузомы широко используют для производства гомогенных антител, специфичных для почти любого антигена.

Новое направление в иммунобиотехнологии - создание искусственных антител, обладателей необычных свойств. Ген тяжелой цепи иммуноглобулина (молекулы антитела) выделяли гибридомы, которая продуцировала иммуноглобулин против химического агента 4-гидрокси-З-нитрофенацетн-ла (ГНФ). У этого гена вариабельная (изменчивая) область (V) соответствует антигену. Затем в константную область (С) гена иммуноглобулина вставляли ген фермента ДНКазы из Staphylococcus aureus. Образующийся рекомбинантный (гибридный) ген кодировал рекомбинантный белок, состоящий из изменяющейся области и части константной области иммуноглобулина, а также ДНКазы. При функционировании этого гена в клетках, продуцирующих легкую цепь иммуноглобулина, происходила самосборка и образовывался рекомбинантный (гибридный) иммуноглобулин, состоящий из легкой и тяжелой цепей (антитело). Это антитело было специфично по отношению к ГНФ и в то же время обладало ДНКазной активностью. Таким образом, можно осуществлять разнообразные комбинации компонентов антител, получать новые их формы, отсутствующие в природе.

Широкое применение МАТ нашли в сфере науки и в медицине для диагностики и лечения заболевании, вызываемых патогенами, прежде всего микроорганизмами и их токсинами. С помощью биосенсоров (см. выше), сконструированных на основе МАТ, диагностируют беременность, выявляют предрасположенность к диабету, ревматоидному артриту, диагностируют наследственные заболевания. Используют МАТ также для диагностики и лечения рака, СПИДа и т. д.

Рынок сбыта биотехнологических продуктов, предназначенных для иммунотерапии, непрерывно растет: в США в 1987 г. его объем равнялся 1,5 млрд. долл., а к 1993 г. ожидается, что он составит 8,6 млрд. долл. Вне медицины мат. широко используют в биологических датчиках (биосенсорах), применяемых для тестирования качества пищевой продукции, для диагностики болезней животных и растений.

Еще одно новое направление в иммунобиотехнологии - получение каталитических антител, абизимов, соединяющих в себе каталитический центр фермента и связывающий центр антитела. Некоторые абизимы уже начинают производиться промышленностью. В качестве примера такого абизима можно привести МАТ к фосфонамидату, которые способны катализировать гидролиз карбоксамида.

Зарождающаяся на наших глазах космическая биотехнология свидетельствует о том, что биотехнология проникает во все сферы производства. Как и другие виды инженерно-технологических работ, биотехнология делает первые шаги в космос, осваивая специфические неземные условия. С самых первых шагов было очевидно, что космос создает для биотехнологических процессов не только большие трудности, но и большие преимущества. Они обусловлены главным образом невесомостью, существенно изменяющей течение физико-химических процессов, на которых основаны многие биотехнологии. Это, прежде всего, относится к производственным процессам электрофоретического или хроматографического разделения белков и других биоматериалов. Невесомость создает следующие условия, важные для этих процессов. 1. Редуцирует конвекции (перенос тепла), вызванные плавучестью, и исключает седиментацию (осаждение под воздействием гравитационных сил). 2. Делает силы поверхностного натяжения больше гравитационных. 3. Обеспечивает протекание процессов без емкостей. В земных условиях температурные различия между жидкостями после их смешения, быстро выравниваются в результате конвекционных перемещений, вызванных плотностными различиями теплых и холодных частей жидкости. В условиях невесомости этого не происходит, что крайне важно для процессов разделения - сохраняется гетерогенность фаз и содержимого жидкостей, что качественно улучшает разрешающую способность методов разделения, повышает выход и чистоту получаемых продуктов.

Другая из упомянутых выше особенностей космических условий состоит в том, что жидкости из-за повышенной (в сравнении с земными условиями) величины поверхностного натяжения и понижения сил гравитации обретают сферические формы, не нуждающиеся в сосудах, емкостях, минимизируется энтропия жидкостей. Это создает благоприятные условия для процессов кристаллизации белков - важного для многих биотехнологий процесса получения высококачественных белковых продуктов и для рентгеноструктурных анализов белков. Почти полное отсутствие гравитации приводит к свободной флотации составных частей в свободной жидкости в отсутствии стенок сосудов, контейнеров, что также важно для технологии разделения. Ведь исключаются возмущающие нормальное течение процесса пристеночные явления, меняющие физико-механические свойства жидкости и “оказывающие воздействие на поведение находящихся в них компонентов. К тому же и сами стойки, какими бы они ни были нейтральными к источниками загрязнений и дополнительных электрических, химических сил, могут избирательно сорбировать вещества.

Для технологии важно наличие всех перечисленных условии. Не обязателен полет в космос, ибо невесомость может быть создана и искусственно. Существует ряд технических способов создания невесомости вне космоса которые на нынешнем этапе научно-технических достижений различаются между собой по продолжительности времени создаваемой невесомости и стоимости. На сегодняшний день для создания продолжительной невесомости лучше всего, естественно, орбитальные средства - пилотируемые и автоматические. К первым относятся космический “Шатл STS” США и советская космическая станция “Мир”. К автоматическим относятся многократно используемые спутники “EURECA” (США) и европейская космическая платформа “LIFESAT”.

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.