БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

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.

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.