БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

В настоящее время клонировано много генов, кодирующих важные для науки и практики белки. После переноса таких генов в клетки животных можно получать клетки - продуценты биологически активных белков. Белки, синтезируемые клетками животных, всегда полноценны, поскольку они правильно формируются и претерпевают все необходимые модификации (гликозилирование, карбоксилирование, гидроксилирование).

В наши дни в промышленных масштабах в биореакторах с помощью клеток животных налажено производство большого числа биологически активных белков которые используют как медицинские препараты. Наибольший интерес представляют эритропоэтин, активатора плазминогена, фактор свертывания крови антитрипсин, поверхностный белок вируса гепатита в интерлейкины, различные моноклональные антитела, антигены вируса СПИД.

Коротко о важнейших из них. Эритропоэтин гормон стимулирующий образование красных кровяных телец. Его используют при анемиях, обусловленных почечной недостаточностью (эритропоэтин синтезируется в почках). Факторы свертываемости крови VIII и IX используют яри лечении наследственной гемофилии для остановки кровотечений, активатор плазминогена, напротив, для предотвращения образования тромбов. Гормон роста - препарат для лечения карликовости, инсулин - для лечения диабета, гонадотропные гормоны (фолликулостимулирующий, лютеинизирующий, хорионический) - для нормализации или стимуляции функций яичника, антитрипсин - для лечения эмфиземы.

Быстро расширяется сфера биотехнологии, основанная на иммунологии, - иммунобиотехнология. Сюда относится индустрия диагностических тест-систем (диагностикумов) для широкого обследования распространенности инфекций, изготовление вакцин и, конечно, получение поликлональных и моноклональных антител. Все наслышаны о таких белках, как лимфокины, к которым относятся интерфероны, интерлейкины, фактор, стимулирующий колониеобразованне гранулоцитов и макрофагов, фактор некроза опухолей и некоторые другие. Эти белки секретируются клетками иммунной системы в ответ на появление внешнего антигена. Их используют в качестве противовирусных и противоопухолевых препаратов (возможность лечения ими злокачественных новообразований пока проблематична). Производство некоторых лимфокинов отлажено и в бактериальной системе, о чем мы уже говорили, но иногда клетки животных более приемлемы для этой цели, особенно для тех белков, которые содержат углеводный центр. Несколько подробнее остановимся на производстве антител. С давних пор для их получения используются животные - кролики, козы, бараны. На появление в крови чужеродного белка-антигена иммунная система реагирует активацией размножения В-лимфоцитов, в которых начинается синтез антител. На поверхности антигена обычно содержится несколько “активных” участков (антигенных детерминант), каждый из которых побуждает образование антител против себя. При этом к каждая В-клетка и ее потомки специализируются на синтезе одного сорта антител. В результате образуется столько разных видов антителообразующих В-клеток, сколько в антигене имеется детерминант. Получаемая при этом из крови антисыворотка содержит смесь антител к разным детерминантам. Такие антитела называют полиспецифическими, чаще - поликлональными.

Ферменты (энзимы) - белки, выполняющие функции биокатализаторов многочисленных химических (биохимических) реакций. Поскольку биотехнология основана на промышленном использовании биопроцессов, которые в значительной мере обеспечиваются ферментами, по существу, ни одна биотехнология не обходится без них. Ферментные системы микроорганизмов (бактерий, дрожжей) были первыми в истории человечества орудиями биотехнологий, на которых основано виноделие, пивоварение, переработка молока и т. д. Рассмотрим лишь 2 наиболее показательных примера состояния этих технологий в эпоху генной инженерии.

Пивоварение - старейшая биотехнологическая индустрия, базирующаяся на жизнедеятельности дрожжей, прежде всего Saccharomyces curevisiae, которые за последнее десятилетие стали одним из наиболее широко используемых генно-инженерных объектов, позволяющих создавать множество новых ценных штаммов. Так, исходные штаммы S. cerevisiae не способны переваривать декстрины, составляющие 20% полисахаридов ячменя, тогда как S. diastalicus содержит фермент амило-1,4глюкозидазу, расщепляющую декстрины (но эти дрожжи производят пиво худшего качества). Ген, кодирующий названный фермент, был изолирован из S. diaslaticus, перенесен и S. cerevisiae, и проблема была решена - получаемое с помощью генно-инженерного штамма пиво содержит очень мало сахаров, больше этанола и имеет улучшенные вкусовые качества.

Другая генно-инженерная операция - перенос а дрожжи из нитчатого гриба Aspergillus awamori гена, кодирующего гликоамидазу, которая расщепляет разветвленные высокомолекулярные полисахариды. Однако этот фермент очень устойчив в пиве и со временем все полисахариды превращаются в глюкозу, а пиво по мере хранения становится сладким. Чтобы устранить этот недостаток, ген перед переносом подвергли химической модификации, которая придала ферменту свойство разрушаться после завершения процесса брожения.

Поприщем генной инженерии стала и такая древняя биотехнология, как сыроварение, В технологии получения сыра ключевая роль принадлежит сычужному ферменту химозину, створаживающему молоко в желудке теленка. Потребность в химозине очень велика и далеко не удовлетворяется природным источником. Ген, кодирующий химозин, был проклонирован из геномной библиотеки коров и перенесен в дрожжи, которые после этого стали продуцентами ценного фермента.

Еще одна проблема в сыроварении - экономная утилизация сыворотку содержащей много ценных продуктов, в частности лактозу. Путем переноса в дрожжи генов (5-галактозидазы и лактозной пермеазы из бактерий получен штамм, который способен расти на сыворотке и производить спирт и биомассу, добавляемую к животным кормам.

Ни одна другая медицинская проблема столь быстро не вовлекла в сферу исследований и клиники таких ресурсов, как СПИД. Хотя со времени обнаружения вируса ВИЧ прошло около 7 лет, на испытании уже находятся десятки потенциальных лекарственных препаратов. Однако и задача оказалась уникальной по сложности, СПИД как бы сконцентрировал в себе все самые сложные проблемы современной медицины. Если бы это заболевание встало перед человечеством не в 90-е годы, а хотя бы на 30 - 40 лет раньше, когда наука еще не проникла в тайны молекулярных механизмов взаимодействия вируса и клетки, иммунной системы, не была вооружена генно-инженерными методами, - было бы невозможно определить даже направление поиска лекарственных средств для борьбы с ретровирусами. В свете же сегодняшних знаний, а также при наличии возможности размножать вирус вне организма в клетках in vitro, осуществлять генно-инженерные операции с клеточным и вирусным геномами специалистам ясно, в каком направлении вести поиск средств против СПИДа. Нужно найти факторы, способные прервать на какой-либо стадии репродукцию вируса, начиная от его проникновения в клетку. Большие успехи в борьбе с различными вирусными инфекциями были достигнуты с помощью вакцинации. Вакцинация - форма иммунопрофилактики, в которой весь агент или часть инфекционного агента вводится однократно, либо несколько раз для образования иммунного ответа, защищающего от последующей инфекции. Широкое распространение получили вакцины на основе живого или ослабленного вируса. Этим же путем пошли и при борьбе со СПИДом. Однако несколько проблем осложнило получение эффективной и дешевой вакцины. Сложность в случае СПИДа состоит в том, что вакцина должна активировать именно те клетки организма (Т4-лимфоциты и макрофаги), которые сами поражаются вирусом, т. е. должны сами себя очистись от вируса.