БИОТЕХНОЛОГИЯ

На начальном этапе своего развития биотехнология в основном пользовалась живыми системами в том виде, в каком они существовали в природе. Следующий шаг - использование традиционных методов селекции (искусственного отбора) микроорганизмов, растений и животных, получение более продуктивных штаммов, линий. В последние 10 - 15 лет целенаправленнее улучшение свойств живых систем как объектов биотехнологии резко ускорилось и расширилось после того, как с середины 70-х до середины 80-х гг. были разработаны методы генной инженерии. Сначала это были методы рекомбинирования и конструирования очищенных из клеток генов. На следующем этапе были усовершенствованы методы переноса генов в микроорганизмы, а в конце 70-х годов отработаны подходы к переносу генов в культивируемые клетки животных.

В 1980 - 1982 гг. появились методы переноса генов в целые (многоклеточные) животные организмы и почти одновременно - методы переноса генов в растительные клетки и в целые растения. Микроорганизмы, а также клетки, растущие вне организма, после переноса в них новых генов называют генетически трансформированными клетками. Трансформированными можно называть и многоклеточные организмы - животные, растения, но чаще их обозначают как трансгенные животные и растения. Генетический материал переносят в клетки и организмы с помощью разных методов. В микроорганизмы гены вводят в составе кольцевых молекул.

Особые приемы используют для переноса генов в целые животные организмы. Один из них заключается в том, что очищенные гены впрыскивают в только что оплодотворившиеся яйцеклетки (зиготы) с помощью шприца и микропипетки, кончик которой (с внутренним диаметром ~1 мкм) вводят непосредственно в ядро. Ген можно перенести в эмбрион и с помощью вирусов. Существует 2 подхода переноса генов в растения. Первый состоит в том, что гены вводят в изолированные клетки, лишенные полисахаридных стенок (такие клетки называют протопластами). Затем из этих клеток получают целые растения. При другом подходе используют ДНК (Ti-плазмиду) микроорганизма Agrobacterium tumefaciens, способного заражать растительные клетки и переносить в них часть Ti-плазмиды вместе с любой содержащейся в ней чужой ДНК. Переносимый ген предварительно вводят в эту часть Ti-плазмиды. Напомним, что плазмиды - кольцевые молекулы ДНК, присутствующие в клетках вне хромосом.

Естественно, что в небольшой по объему заметке невозможно рассказать в полной мере обо всех аспектах современной биотехнологии. Поэтому наша цель - ознакомить интересующихся лишь с основными, наиболее перспективными направлениями биотехнологических работ.

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.

Это короткие полипептиды, участвующие в организации иммунного ответа. С помощью генной инженерии в настоящее время созданы штаммы-продуценты Е. coli, производящие различные типы интерлейкинов человека. В СССР получен штамм-продуцент интерлейкина-2 (Институт органического синтеза АН Латвийской ССР), который используют для лечения рака почек. Получен рекомбинантный интерлейким-1, продуцируемый клетками Е. coli. Этот белок рекомендуют для лечения не только иммунных расстройств, но и некоторых опухолевых заболеваний.

Для создания высокоэффективных лекарственных средств в последнее время с помощью генно-инженерных методов конструируют бифункциональные белки, например, противоопухолевый препарат, представляющий собой белок, содержащий последовательности интерлейкина-2 и колоний-стимулирующего фактора гранулоцитов и макрофагов.

Производство белково-пептидных препаратов для медицинских целей - одно из наиболее бурно развиваемых направлений биотехнологии, в которое вкладывают огромные средства. В 1987 г. в США терапевтических полипептидов было произведено на общую сумму 568 млн. долл. Эта сумма, как предполагают специалисты, к 1995 г. возрастет до 1117 млн. долл. Ожидается, что к 2000 г. общая стоимость фармакологических препаратов и диагностикумов достигнет 100 млрд. долл.

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.