БИОТЕХНОЛОГИЯ

Ниже мы приводим некоторые, на наш взгляд наиболее интересные примеры, иллюстрирующие возможности современных биотехнологических подходов основанных на генной инженерии. Как уже говорилось, один из методических приемов переноса генов состоит в пользовании патогенной бактерии Agrobacterium tumefaciens, которая содержит Ti-плазмиду, ответственную за индукцию (побуждение) опухолей у двудольных растений. Технология введения чужеродных генов в эту плазмиду и последующее заражение растений агробактерией с измененной Ti-плазмидой на сегодняшний день наиболее хорошо отработана.

Растения - источник пищи и в принципе обеспечивают потребности человека и животных набором тех соединений, которые клетки животных и человека не синтезируют сами. К таким соединениям относятся и так называемые незаменимые аминокислоты, и многие витамины. Вместе с тем основные виды используемых в пищу растений неполноценны, т. е. дефицитны (для животных) по некоторым аминокислотам. В такие растительные корма необходимо добавлять некоторые аминокислоты - лизин, треонин, триптофан. Бобовые дефицитны по метионину и цистеину.

Для сбалансирования растительных кормов налажено специальное крупномасштабное микробиологическое промышленное производство этих аминокислот. Однако решение проблемы нельзя считать окончательным. Считается, что генная инженерия может кардинально упростить решение этой задачи. В настоящее время уже выделены гены запасаемых белков картофеля (пататин), фасоли (фазеолин), гороха (легуин), кукурузы (зеин), которые составляют основу кормов. Многие из этих генов удалось перенести в растения.

Что специалисты ожидают получить от этих манипуляции? Изменить эти гены таким образом, чтобы в кодируемых ими запасных белках увеличилось содержание дефицитных аминокислот. Есть, правда, опасение, что такая модификация структуры белков будет препятствовать их нормальному “складированию” в семенах. Кроме того, эти белки во многих случаях выполняют определенные функции в клетках, которые после модификации могут блокироваться. Другая идея - использовать искусственно (химически) синтезированные гены, кодирующие в большом количестве незаменимые аминокислоты. Такие эксперименты уже проводят о картофелем для повышения в нем содержания ценных аминокислот.

Запасы энергии в растительном покрове Земли, создаваемой с помощью фотосинтеза, сопоставимы с запасами энергии природных ископаемых. Обычно сухую биомассу превращают в энергию в процессе сгорания, тогда как наиболее эффективный способ превращения с помощью микроорганизмов сырой биомассы в энергию - получение углеводородов биогаза (метана).

Метановое брожение было открыто еще в конце XVIII в. Это сложный процесс, в котором участвует несколько видов микроорганизмов (превалируют Methanobacterium formicicum и М. hungati). Биогаз, образующийся В результате такого брожения, представляет собой смесь, главные компоненты которой метан (65%), углекислый газ (30%) и сероводород (1%).

Для получения биогаза используют смеси органических веществ (навоз, солому, помет, водоросли, целлюлозную биомассу), что требует для метанообразования многокомпонентных микробных ассоциаций. Биогаз давно производят в Китае, Индии, на Филиппинах. Сейчас интерес к этому виду топлива проявляют и в некоторых странах Западной Европы (в частности, во Франции). Метан важен не только для производства биоэнергии. Его получение - эффективный способ утилизации отходов сельского хозяйства.

Экологически чистое топливо - этанол. В последние годы его начинают использовать в двигателях внутреннего сгорания. Наиболее пригодны для производства этанола злаки (особенно кукуруза), картошка, маниок, земляная груша, сахарная свекла, сахарный тростник. У двух последних основной запасной углевод - сахароза, у остальных - крахмал. Сахарозу и крахмал обычно сбраживают с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В последнее время спектр используемых для этого микроорганизмов значительно расширился. Обращено, например, внимание на бактерию Zymomonas mobilis, способную сбраживать сок агавы. Она эффективнее сбраживает сахара и устойчивее к этанолу (конечному продукту), чем дрожжи. В настоящее время ведутся работы по генно-инженерному изменению этой бактерии с целью расширения круга утилизируемых ею субстратов. Перспективными для биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол считаются некоторые термофильные бактерии. Так, Clostridium tlicrmohydrosulfuricum утилизирует с очень высоким выходом этанола продукты деградации целлюлозы.

Для повышения выхода продукта и стабилизации активности бактерий производят иммобилизацию их на разных носителях. Согласно прогнозам этанол, получаемый ферментацией углеводородсодержащих субстратов, к 2000 г. будет стоить дешевле, чем спирт, производимый по традиционной химической технологии.

Благодаря поиску микроорганизмов, содержащих углеводороды, которые можно использовать в качестве заменителей нефти, обнаружены некоторые микроводоросли (Bolhryacoceus, Isochrysis и др.), содержащие эти соединения в количестве от 15 до 80% сухой массы клеток. Наилучший состав углеводородов присущ В. braunii, что позволяет использовать ее в качестве источника энергии.

Не может обойтись без ферментов и медицина. Холестериноксидазу используют в диагностике для определения уровня холестерина в сыворотке крови. Продуцируемую грибами супероксиддисмутазу применяют для лечения артритов, болезней сердца и при трансплантации почек. Терапевтическими свойствами обладают белки стрептокиназа из Е. coli, аспарагиназа из Erwinia chrysantherni и др. Ферменты используют для растворения тромбов, удаления из организма токсических веществ, лечения рака, ожогов. Известно около 200 наследственных заболеваний, связанных с дефицитом ферментов или иных белковых факторов. Их лечение возможно путем введения в организм больных чужеродных ферментов замещающих отсутствующие эндогенные. При септических процессах, инфаркте миокарда, эмфиземе легких, панкреатите применяют ингибиторы ферментов протеаз, получаемые из актиномицетов (химостатин, антипаин и др.) и генно-инженерных штаммов эглии или дрожжей.

Перспективны ферменты и для синтеза тонких химических веществ и осуществления многих производственных процессов в пищевой и фармацевтической промышленности. К ним относятся ферменты, помогающие получать высокофруктозныи сироп, способствующие свертыванию молока, гидролизу лактоз и, белков и жиров, участвующие в синтезе полусинтетического пенициллина, аминокислоты L-лизина и др. Широко применяют в промышленности липазы различного происхождения, которые катализируют многие сложные химические процессы. Например, катализируемая липазой очистка пальмового масла используется для производства какосового масла, 30% которого содержится в шоколаде.

Амилазы из бактерии и грибов расщепляют крахмал до низкомолекулярных сахаров - декстринов, глюкозы, мальтозы. Бактериальные протеазы разрушают белки при выделке кожи, сыроварении. Фермент глюкоизомераза из Bacillus sp. помогает превращать глюкозу во фруктозу. В последнее время внимание привлечено к циклодекстринглюкозилтрансферазам (ЦДГТ), необходимым при производстве циклодекстринов - соединении, важных для химической и фармакологической промышленности, для улучшения качества пищи, производства косметики и т. д. В ближайшее пятилетие ожидается семикратное увеличение потребности в циклодекстринах. А разве могут обойтись без ферментов энзиматический синтез и модификация пептидов? Коммерческий интерес проявляют, например, к энзиматическому синтезу дипептида аспартама, - низкокалорийному пищевому сладкому агенту. Химически этот продукт получали путем соединения ангидрида формиласпарагиновой кислоты и метилового эфира L-фенилаланина. Этот процесс протекает неэффективно, и образующийся аспартам загрязнен другими продуктами реакции. Энзиматически же, с помощью термолизина, синтезируется только чистый аспартам, выход которого составляет больше 99%.

По имеющимся в литературе оценкам, к 2000 г. белки с измененными свойствами, полученные целенаправленной модификацией структуры кодирующих их генов, будут составлять примерно 4% всех потребляемых белков на общую сумму 15 млрд. долл. Общее же количество пищевых продуктов, получаемых с помощью биотехнологии, к концу XX п. увеличится, по расчетам специалистов, по крайней мере, в 10 раз.

На использовании микроорганизмов основано производство ими аминокислот, в первую очередь так называемых незаменимых, которые могут быть полезными добавками в пищу животных и человека. Среди незаменимых аминокислот, промышленное производство которых уже давно налажено, первое место занимает лизин, затем треонин и глутаминовая кислота. Получены штаммы Brevibacterium flavum, которые превращают в лизин более одной трети сахаров, содержащихся в питательной среде.

В СССР во ВНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов с помощью генно-инженерных методов сконструированы высокопродуктивные штаммы Е. coli продуценты L-треонина, L-лизина и L-триптофана, которые используются и промышленности.

Интерес к микробиологическим способам промышленного производства аминокислот вызван также и тем, что они позволяют получать L-аминокислоты в чистом виде, тогда как при химическом синтезе получают рацемические смеси, содержащие L- и D-аминокислоты. Последние не входят в состав природных белков (они содержатся в незначительных количествах лишь в некоторых пептидах микроорганизмов, в частности пептидах, являющихся антибиотиками).

Производство витаминов. Напомним, что витамины - это низкомолекулярные органические соединения, роль которых для нормальной жизнедеятельности организма хорошо известна. Поскольку в пищевых продуктах витаминов содержится немного (10 - 100 мг на 100 г съедобной части продукта) и они быстро разрушаются, требуется витаминизация готовой пищи и продуктов. Поэтому уже давно витамины производят в больших количествах. Традиционные способы получения витаминов основаны либо на переработке больших количеств ценного сырья, либо (в редких случаях) на химическом синтезе. Поэтому витаминная промышленность нуждается в более эффективных технологиях. Такие технологии успешно создаются.

С помощью лишь генетических манипуляций (воздействием на регуляцию метаболизма) были получены штаммы микроорганизмов, которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов, чем необходимо для их роста. Это - штамм Ashbya gossypii - продуцент рибофлавина, штаммы Pseuclomonas dеnitrificans и Propioribacterium freudenrcechii, производящие витамин В2 и др. В СССР на базе Bacillus subtilis сконструирован эффективный продуцент витамина B2.

Микробиологические технологии позволили решить и задачу производства аскорбиновой кислоты (витамин С). В Японии разработан эффективный ферментативный способ получения стабильного производного витамина С - аскорбил-2-фосфата, который используют в качестве антиоксиданта.

Помимо широкого применения в медицине в качест-пе профилактических и лечебных средств, получаемые микробиологическим путем витамины В2 и В2 добавляют в пищу животным для сбалансирования кормов.