Микроорганизмы, обитающие в недрах Земли, широко используются в биогеотехнологии - добыче, превращении и переработке природных ископаемых, нефти и газа. Биогеотехнология получения металлов эксплуатирует способности отдельных микроорганизмов переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руды) Thiobacillus ferrooxydans выщелачивает железо, медь и другие металлы с помощью окисления серной кислоты, которую образуют эти микроорганизмы из сульфида. Chromobacterium violaceum способна растворять золото, реализуя процесс Au->-Au (CN)4. Получены высокоэффективные штаммы Pseudomonas и термофильной бактерии Sulfolobus для удаления серы из угля - одной из важнейших экологических проблем. Ведь, сгорая, уголь сильно загрязняет окружающую среду серой.
Для извлечения металлов из сточных вод перспективны штаммы Cilrobacter sp. и Zoogloea, способные накапливать уран, медь, кобальт. Получены мутанты Cilrobacter sp. с высоким уровнем фермента фосфатазы. Такие сверхпродуценты в 2,5 раза быстрее накапливают уран, чем родительский штамм. Это связано с осаждением металла на поверхности клеток в результате энзиматического освобождения неорганического фосфата.
Бактерии родов Rliodococcus и Nocardia sp. используют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Обещают стать ценными очистителями среды галобактерии. Некоторые из штаммов этих бактерий уже с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Наряду с природными бактериями перспективна деятельность генно-инженерных штаммов. Уже удалось перенести плазмиды с генами ферментов, расщепляющих октан, камфару, нафталин и ксилол, в Pseudomonas sp. Получен штамм, способный эффективно утилизировать сырую нефть. В ближайшее время он будет включен в арсенал средств биотехнологической очистки от загрязнений.
Мы видим, что биотехнология, уже внедрившаяся в промышленность, активно и эффективно включается в решение экологических проблем. Именно с ней связаны надежды, что удастся создать экологически чистые и экономически высокоэффективные производства, которые придут в XXI в. на смену нынешним.
На основе рекомбинантного вируса коровьей оспы, несущего ген гликопротеида вируса бешенства, создано новое поколение вакцин против бешенства.
Суть метода генно-инженерного получения живых вакцин отражена далее. В рекомбинантную молекулу ДНК с геном тимидинкиназы (ТК) вируса вакцины оставляют ген другого вируса (герпеса, гепатита, вазикулярного стоматита или др.). Нормальный вирус вакцины и составную плазмиду переносят в клетки животных, в которых собственный ген. тимидинкиназы не работает (ТК-клетки). Ввиду наличия гомологии (схожести) между вирусной и плазмидной ДНК (общее у них - тимидинкиназный ген) между ними происходит гомологичная рекомбинация. Клетки, в которых такая рекомбинация не произошла, становятся ТК (за счет работы тимидинкиназного гена вируса вакцины), а клетки с рекомбинантным вирусом остаются ТК, что и позволяет их отселектировать (разделить). Такие составные вирусы используют затем в качестве живых безопасных вакцин. Вставляя в вирус вакцины одновременно гены разных вирусом, можно создавать мультивалентную вакцину против нескольких вирусов одновременно.
Получение биологически активных белков с помощью культивируемых клеток животных проводится в промышленных масштабах с использованием ферментеров - специальных культиваторов, в которых можно выращивать клетки в больших количествах. Самый крупный ферментер для культивирования животных клеток-продуцентов создан фирмой Cellthech. Его объем 2000 л, а производительность - 15 кг МАТ в год. Существует проект ферментера на 10 000 л.
Потребность в продуктах, синтезируемых клетками животных, непрерывно растет. В 1990 г. рынок сбыта (потребность) одного из таких продуктов - эритропоэтина - оценен в 400 - 750 млн. долл. В 1987 г. в США было продано рекомбинантных вакцин на сумму 745 млн. долл. Ожидается, что в 1993 г. эта сумма возрастет до 4,5 млрд. долл. Для диагиостикумов иммунных заболеваний (главным образом СПИДа), создаваемых на основе антител, только в США рынок сбыта составлял в 1987 т. 167,2 млн. долл., а к 1992 г. он достигнет, как ожидается, 294 млн. долл.
Антибиотики вырабатываются микроорганизмами в результате совместного действия продуктов 10 - 30 генов, что усложняет использование генно-инженерных подходов для управления их синтезом. Однако данная проблема разрешима в тех случаях, когда синтез антибиотиков определяется мультиферментными комплексами, кодируемыми одним опероном (например, в случае антибиотиков пептидной природы). Это открывает новые перспективы в биотехническом получении антибиотиков. Внедрение соответствующих генов из одного микроорганизма в клетки другого близкородственного может приводить к получению “гибридного” антибиотика, обладающего новыми свойствами. Этот подход был успешно применен в 1988 г. биохимиком Михаэлем Хопвудом в США. При объединении генов биосинтеза актинородина и медермицина был получен новый антибиотик, получивший название “медерродин”. В другом случае этот же автор создал штамм, продуцирующий “гибридный” антибиотик дигидрогранатиродив. Высокая продуктивность штаммов микроорганизмов иногда достигалась за счет увеличения в клетках количества копий генов биосинтеза антибиотика. Таким образом, удалось, например, существенно увеличить выход актинородина.
Широко применяют антибиотики в медицине, сельском хозяйстве (для лечения, а также для улучшения роста и развития молодняка), в пищевой промышленности (консервирующие средства). В 1987 г. за рубежом стоимость всех антибиотиков, использованных в качестве антибактериальных препаратов, составила 3,5 млрд. долл.; ожидается, что в 1992 г. она достигнет 4,2 млрд. долл.
В борьбе с болезнетворными бактериями вместо антибиотиков иногда используют другую бактерию - антагонист патогенного штамма. Примером может служить дикий патогенный штамм бактерии Streptococcus mutans, разрушающий зубную эмаль и дентин. При введении в ротовую полость мутантного штамма этого же вида выделяется белковый продукт, губительный для дикого штамма. В данном случае бактерии-антагонисты выступают в роли биостерилизаторов. Описаны аналогичные способы защиты сельскохозяйственных растений. В частности, это относится к инфекционному заболеванию рассады томатов, вызываемому почвенными бактериями Fusarium oxysporum. Заболевание связано с действием фузаровой кислоты, продуцируемой этими бактериями. В качестве биостерилизатора в этом случае используют клетки Pseudomonas solanactarum, способные накапливать фузаровую кислоту и этим снижать ее токсичнjt воздействие на томаты.
Следующее направление генно-инженерных работ - создание гербицидустойчивых ценных видов культурных растений, с тем чтобы эффективнее бороться с сорняками. Традиционные методы селекции создания сортов, устойчивых к гербицидам, очень длительны и малорезультативны. Поэтому и здесь большие надежды связывают с использованием генной инженерии. Пока можно говорить об отдельных примерах. Осуществлен успешный перенос гена устойчивости к гербицидам из Streptomyces в клетки сахарной свеклы. После этого регенерировавшие из них растения приобрели устойчивость к гербициду фосфинотрициану. Этим же путем удалось получить устойчивые к гербицидам растения табака.
Есть еще одна интересная область применения генной инженерии. В размягчении плодов помидоров при их хранении, ухудшающем потребительские качества плодов, участвует фермент полигалактуронидаза (ПГУ). Естественно желание подавить активность этого фермента в созревающих помидорах. Методом генной инженерии сконструирован ген, транскрипция которого приводит к образованию вместо природной мРНК фермента анти-мРНК (т. е. РНК, комплементарную нормальной мРНК). В результате в клетках растения, в которое перенесен искусственно созданный ген, накапливается анти-мРНК, которая ингибирует природную мРНК. Механизм подавления мРНК ПГУ в клетках томатов представляется следующим образом: накапливающиеся в клетках молекулы анти-ПГУ мРНК вступают в комплекс с мРНК ПГУ, в результате чего последняя не в состоянии транслироваться. Анти-мРНК в данном случае действуют подобно антителам, инактивирующим антигены.
