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.
Антибиотики - самый большой класс фармацевтических препаратов, которые синтезируются микроорганизмами. Некоторые из антибиотиков используют в сельском хозяйстве против различных сельскохозяйственных вредителей (например, полиоксин, баридакицин, косгалицин), другие - в медицинских целях (пенициллины, тетрациклины, цефалоспорин С и др.).
Шесть родов феламентозных грибов производят около 1000 различных антибиотиков. Много антибиотиков синтезируют актиномицеты (один только вид Streptomyces griscus производит более 50 антибиотиков). В практике реально используют небольшое число из известных пауке антибиотиков, производимых микроорганизмами. Это в первую очередь пенициллины и цефалоспорины, продуцируемые грибами родов Penicillum; стрептомицин, гентамицин, канамицин, эритромицин и тетрациклины, синтезируемые актиномицетами рода Streptomyces и бактериями родов Micromonospora и Bacillus, и некоторые другие.
До “эры” генной инженерии ценные для промышленности штаммы-продуценты антибиотиков с повышенной продуктивностью получали в основном с помощью мутагенеза и селекции природных микроорганизмов. Например, в результате селекции и улучшения техники ферментации промышленный выход пенициллина достиг 20 г/л, что в 10 тыс. раз выше уровня, который имелся в исходном штамме Penicillum chrysogenum.
Разработан также метод так называемого мутасинтеза, позволяющий получать модифицированные антибиотики. В этом случае используют мутантные штаммы-продуценты, в которых нарушен синтез определенных участков молекулы антибиотика. Для биосинтеза функционально-активного антибиотика в среду культивирования продуцента вносят аналоги этих участков. В связи с постепенным приобретением патогенными бактериями устойчивости к антибиотикам созданы методы внесения специальных модификаций в структуры антибиотиков, сохраняющие их антибактернальные эффекты. В настоящее время широко распространены полусинтетические антибиотики, например ампициллин, цефалексин, метициллин и др.
Это важнейшие направления биотехнологии, основанные на использовании микроорганизмов. Ведь переработка (биодеградация) отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности решает одновременно производственные и природоохранные задачи. Речь идет о достижении двух целей в едином процессе: утилизации (биодеградации) и превращении ненужного (как правило, экологически вредного) сырья в полезные продукты (биоконверсия).
Яркий пример биотехнологии, основанной на биодеградации в сочетании с биоконверсией - хорошо налаженная в Японии и других странах переработка отходов животноводческих комплексов с помощью синезеленых водорослей. Избавляясь от отходов, одновременно получают биомассу с высоким содержанием белка и биогаза, сильно обогащенный метаном. В Индии в настоящее время действует около 600 тыс. биоустановок по производству биогаза, обеспечивающих основную потребность в нем сельского хозяйства.
Одна из сложнейших проблем - утилизация целлюлозы. Целлюлоза - органическое соединение. На планете ежегодно синтезируется 4 - 1010 т-целлюлозы в результате фотосинтеза, т. е. в ней аккумулирована значительная часть солнечной энергии, поступающей на землю. Мировые ресурсы целлюлозы составляют 7×10 т. Это линейный полимер из мономеров целлобиозы, основу которой составляет глюкоза. Полное расщепление целлюлозы до глюкозы могло бы решить множество проблем - получение большого количества углеводов и очистку среды от отбросов лесов и сельскохозяйственного производства, бумажной и текстильной промышленности. Расщепить целлюлозу непросто, так как она состоит из нерастворимых волокон, ассоциированных с другими полисахаридами - гемицеллюлозой, пектином, и окружена лигнином, закрывающим целлюлозу от ферментов. Животные не переваривают целлюлозу. В природе ее расщепляют микроорганизмы, например нитчатый гриб - Trichoderma reesei, который продуцирует большое количество целлюлолитических ферментов (целлюлаз), представляющих собой смесь эндоцеллюлаз и экзоцеллюлаз (расщепляют полимер соответственно изнутри цепочки и с концов) и (3-глюкозидазы. Однако деятельность этих и других известных природных микроорганизмов недостаточно эффективна для создания на их основе промышленной биотехнологии расщепления целлюлозы.
В этой кардинальной и масштабной проблеме, как ни в какой другой, требуется помощь генной инженерии. В настоящее время гены целлюлолитических ферментов уже выделены из некоторых микроорганизмов. Разрабатываются методы их переноса в дрожжи, которые могли бы сначала гидролизовать целлюлозу до глюкозы и затем превращать ее в спирт. Существует, однако, серьезное опасение, что генно-инженерные микроорганизмы с повышенной целлюлолитической способностью могут распространиться в природе и станут наносить ущерб растительному миру и изделиям из целлюлозы, окружающим человека повсеместно.
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.
