БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

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.

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.