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.

Всего за 10 лет (первые трансгенные мыши были получены в 1980 г.) создана уникальная область генно-инженерных животных. Трансгенные мыши всего за одно поколение претерпевают такие целенаправленные изменения, для достижения которых ранее требовалось проводить селекцию на 40 - 50 поколениях. Они способны продуцировать совершенно новые виды белковых продуктов, которые иногда оказывают эффективные воздействия на рост и развитие самих мышей. В результате, переноса дополнительного гена гормона роста (неважно, из какого источника - из другого животного, человека) образуется избыточное количество гормона роста, стимулирующего рост: размеры мыши удваиваются (таких трансгенных мышек называют гигантскими).

Трансгенные мыши стали обычными объектами лабораторных исследований и уже вносят неоценимый вклад в фундаментальные научные исследования. Однако они совершенно не пригодны для целен биотехнологического производства. Начиная с 1985 г. во многих лабораториях пытаются получить трансгенных сельскохозяйственных животных - овец, свиней. За это время удалось преодолеть методические трудности проведения таких работ на сельскохозяйственных животных. Уже получено большое число овец и свиней, содержащих чужеродные гены. Планируется получение ряда важных медицинских препаратов - фактора свертываемости крови, интерферонов и т. д.

Очень хотелось бы воспроизвести на сельскохозяйственных животных продемонстрированный на мышах аффект ускоренного роста. Специалисты считают, что трансгенные сельскохозяйственные животные - это живые биотехнологические фабрики XXI в., которые экологически будут наиболее чистыми производителями ценных белковых препаратов. Сегодня уже создана фундаментальная и методическая база, но требуется еще приспособить эти научно-технические достижения к условиям работы с сельскохозяйственными животными.

Традиционным способом невозможно получить моноспецифические, или, как говорят, моноклинальные антитела (сокращенно МАТ). Для этого необходимо разделить либо смесь антител, либо В-клетки на отдельные виды. Эта задача была решена в 1975 г. немецкими специалистами Даном Келлером и Досоном Мелстейном, которые разработали метод создания гибридом. Метод основан на слиянии клеток опухоли с В-лимфоцитами и получении клеточных гибридов или гибридом. Опухолевые клетки придают лимфоцитам способность к неограниченному размножению вне организма с сохранением их способности продуцировать и секретировать в культуральную среду антитела. В условиях культивирования гибридом вне организма можно из каждой гибридной клетки получить обособленный клон, производящий антитела одной специфичности - МАТ.

В последнее время разработана процедура получения неспецифических МАТ, основанная на слиянии двух разных гибридов. Гибридная гибридома (фузома) обеспечивает образование одного иммуноглобулина с антигенсвязывающей способностью, характерной для обоих партнеров. Сейчас гибридомы и фузомы широко используют для производства гомогенных антител, специфичных для почти любого антигена.

Новое направление в иммунобиотехнологии - создание искусственных антител, обладателей необычных свойств. Ген тяжелой цепи иммуноглобулина (молекулы антитела) выделяли гибридомы, которая продуцировала иммуноглобулин против химического агента 4-гидрокси-З-нитрофенацетн-ла (ГНФ). У этого гена вариабельная (изменчивая) область (V) соответствует антигену. Затем в константную область (С) гена иммуноглобулина вставляли ген фермента ДНКазы из Staphylococcus aureus. Образующийся рекомбинантный (гибридный) ген кодировал рекомбинантный белок, состоящий из изменяющейся области и части константной области иммуноглобулина, а также ДНКазы. При функционировании этого гена в клетках, продуцирующих легкую цепь иммуноглобулина, происходила самосборка и образовывался рекомбинантный (гибридный) иммуноглобулин, состоящий из легкой и тяжелой цепей (антитело). Это антитело было специфично по отношению к ГНФ и в то же время обладало ДНКазной активностью. Таким образом, можно осуществлять разнообразные комбинации компонентов антител, получать новые их формы, отсутствующие в природе.

Широкое применение МАТ нашли в сфере науки и в медицине для диагностики и лечения заболевании, вызываемых патогенами, прежде всего микроорганизмами и их токсинами. С помощью биосенсоров (см. выше), сконструированных на основе МАТ, диагностируют беременность, выявляют предрасположенность к диабету, ревматоидному артриту, диагностируют наследственные заболевания. Используют МАТ также для диагностики и лечения рака, СПИДа и т. д.

Рынок сбыта биотехнологических продуктов, предназначенных для иммунотерапии, непрерывно растет: в США в 1987 г. его объем равнялся 1,5 млрд. долл., а к 1993 г. ожидается, что он составит 8,6 млрд. долл. Вне медицины мат. широко используют в биологических датчиках (биосенсорах), применяемых для тестирования качества пищевой продукции, для диагностики болезней животных и растений.

Еще одно новое направление в иммунобиотехнологии - получение каталитических антител, абизимов, соединяющих в себе каталитический центр фермента и связывающий центр антитела. Некоторые абизимы уже начинают производиться промышленностью. В качестве примера такого абизима можно привести МАТ к фосфонамидату, которые способны катализировать гидролиз карбоксамида.

Зарождающаяся на наших глазах космическая биотехнология свидетельствует о том, что биотехнология проникает во все сферы производства. Как и другие виды инженерно-технологических работ, биотехнология делает первые шаги в космос, осваивая специфические неземные условия. С самых первых шагов было очевидно, что космос создает для биотехнологических процессов не только большие трудности, но и большие преимущества. Они обусловлены главным образом невесомостью, существенно изменяющей течение физико-химических процессов, на которых основаны многие биотехнологии. Это, прежде всего, относится к производственным процессам электрофоретического или хроматографического разделения белков и других биоматериалов. Невесомость создает следующие условия, важные для этих процессов. 1. Редуцирует конвекции (перенос тепла), вызванные плавучестью, и исключает седиментацию (осаждение под воздействием гравитационных сил). 2. Делает силы поверхностного натяжения больше гравитационных. 3. Обеспечивает протекание процессов без емкостей. В земных условиях температурные различия между жидкостями после их смешения, быстро выравниваются в результате конвекционных перемещений, вызванных плотностными различиями теплых и холодных частей жидкости. В условиях невесомости этого не происходит, что крайне важно для процессов разделения - сохраняется гетерогенность фаз и содержимого жидкостей, что качественно улучшает разрешающую способность методов разделения, повышает выход и чистоту получаемых продуктов.

Другая из упомянутых выше особенностей космических условий состоит в том, что жидкости из-за повышенной (в сравнении с земными условиями) величины поверхностного натяжения и понижения сил гравитации обретают сферические формы, не нуждающиеся в сосудах, емкостях, минимизируется энтропия жидкостей. Это создает благоприятные условия для процессов кристаллизации белков - важного для многих биотехнологий процесса получения высококачественных белковых продуктов и для рентгеноструктурных анализов белков. Почти полное отсутствие гравитации приводит к свободной флотации составных частей в свободной жидкости в отсутствии стенок сосудов, контейнеров, что также важно для технологии разделения. Ведь исключаются возмущающие нормальное течение процесса пристеночные явления, меняющие физико-механические свойства жидкости и “оказывающие воздействие на поведение находящихся в них компонентов. К тому же и сами стойки, какими бы они ни были нейтральными к источниками загрязнений и дополнительных электрических, химических сил, могут избирательно сорбировать вещества.

Для технологии важно наличие всех перечисленных условии. Не обязателен полет в космос, ибо невесомость может быть создана и искусственно. Существует ряд технических способов создания невесомости вне космоса которые на нынешнем этапе научно-технических достижений различаются между собой по продолжительности времени создаваемой невесомости и стоимости. На сегодняшний день для создания продолжительной невесомости лучше всего, естественно, орбитальные средства - пилотируемые и автоматические. К первым относятся космический “Шатл STS” США и советская космическая станция “Мир”. К автоматическим относятся многократно используемые спутники “EURECA” (США) и европейская космическая платформа “LIFESAT”.