Обсуждая в 1989 г. на страницах журнала “Trends in Biotechnology” перспективы использования биотехнологий в разных сферах сельского хозяйства сотрудники Федерального института в Цюрихе Николаус Гоч и Петер Риндер пишут о значении таких направлений как клонирование и перенос в растения новых генов ответственных за устойчивость к заболеваниям и контролирующих образование важных с экономической точки зрения метаболитов. Предполагается, что до 2007 г. будет проведено картирование генов большинства используемых в сельском хозяйстве одно- и двудольных растений и реализован искусственный перенос в них дополнительных генов. Перспективы успешного переноса генов, ответственных за фиксацию молекулярного азота, пока оцениваются невысоко из-за трудности решения этой проблемы. На данном этапе повышение эффективности фиксации азота за счет симбиотических и несимбиотических микроорганизмов представляется весьма реальным.
Говоря о быстром прогрессе в области генной инженерии растений, следует обратить внимание и на то, что в самое последнее время возникло и ширится движение экологов, в частности “зеленых”, против генно-инженерных работ с растениями. Они опасаются, что растения, которым придана устойчивость к гербицидам, могут быстро распространиться в природе с непредсказуемыми последствиями для культурных растений. Эти опасения небезосновательны. Поэтому можно ожидать, что генная инженерия растений будет развиваться преимущественно в направлении биотехнологического их использования. Основное внимание будет отдано культивированию клеток таких растений, которые продуцируют ценные препараты, а не созданию сортов полевых растений, устойчивых к химическим и биологическим вредителям. Конечно, это не относится к созданию растений, устойчивых к экстремальным условиям среды, ибо размножение соле-, засухо-, морозоустойчивых растения в любом случае будет полезным. Ведуться работы по строгому контролированию процесса опыления, которые в случае успеха помогут снять существующие опасения. В некоторых лабораториях пытаются получить растения с неактивной пыльцой (женская стерильность), чтобы исключить распространение пыльцы трансгенных растений.
Высокочувствительные искусственные элементы биологической природы, способные распознавать микроколичества газообразных, жидких и твердых веществ, называют биосенсорами. Их используют в качестве датчиков аналитических приборов в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении, охране окружающей среды.
Биосенсоры основаны на способности биологических молекул с очень высокой избирательностью и чувствительностью распознавать другие вещества и вступать с ними во взаимодействия - образовывать с ними комплексы, расщеплять и придавать им новые свойства. Поскольку биомолекул в живой природе бесчисленное разнообразие и многие из них способны распознавать определенные вещества, мы имеем неисчерпаемый источник биосенсоров. Первые биосенсоры были предложены американскими исследователями Л. Кларком и X. Лионсом в 1962 г., после чего началось их массовое использование. Биосенсоры стали применять в медицине и в химической технологии для выявления таких широко распространенных веществ, как углеводы, мочевина, креатинин, лактат, спирт, аскорбат, аспирин, аминокислоты. Сейчас в стадии внедрения в промышленное производство находятся биосенсоры для анализа газов и легколетучих веществ.
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.
Ожидается, что прикладная энзимология затронет также область промышленной модификации сахаров и спиртов, эстерификацию олигосахаридов и рибофлавина (витамина В2) и др. Для повышения выхода конечного продукта, упрощения ферментативных процессов и повышения их производственной эффективности в нынешние технологии получения и использования ферментов внедряют генно-инженерные методы. Хороший пример - сыроварение, в котором одновременно используют молочнокислые бактерии и фермент химозин из желудка телят. Клонированный ген прохимозина коровы был перенесен в молочнокислые бактерии Lactococcus и Leuconosloc. Трансформированные молочнокислые бактерии приобрели способность продуцировать химозин что упростило технологию производства сыра. Генно-инженерный (рекомбинатный) пепсиноген, предшественник желудочного фермента пепсина свиньи, получают в клетках Bacillus brevis, трансформированных плазмидой, содержащей ген пепсиногена.
Для повышения термостабильности ферментов в последние годы с помощью генно-инженерных подходов клонируют соответствующие гены из термофильных бактерий и переносят их в клетки продуцентов. Так, для получения из крахмала высокоочищенной глюкозы используют термостабильную а-амилазу Bacillus, продуцируемую Е. coli.
Биотехнологические процессы, состоящие из нескольких ферментативных актов, удается упростить благодаря включению в хромосому одной бактерии всех генов, кодирующих эти ферменты. Таким способом уже удалось в одном ферментационном чане превращать крахмал в фруктозную патоку, ранее для этого процесса требовалось 3 разных фермента - А-амилаза, глюкоамилаза и глюкоизомераза. Для модификации активных центров ферментов и усиления их каталитической активности специалисты возлагают большие надежды на разрабатываемые методы белковой инженерии.
