БИОТЕХНОЛОГИЯ

Ферменты (энзимы) - белки, выполняющие функции биокатализаторов многочисленных химических (биохимических) реакций. Поскольку биотехнология основана на промышленном использовании биопроцессов, которые в значительной мере обеспечиваются ферментами, по существу, ни одна биотехнология не обходится без них. Ферментные системы микроорганизмов (бактерий, дрожжей) были первыми в истории человечества орудиями биотехнологий, на которых основано виноделие, пивоварение, переработка молока и т. д. Рассмотрим лишь 2 наиболее показательных примера состояния этих технологий в эпоху генной инженерии.

Пивоварение - старейшая биотехнологическая индустрия, базирующаяся на жизнедеятельности дрожжей, прежде всего Saccharomyces curevisiae, которые за последнее десятилетие стали одним из наиболее широко используемых генно-инженерных объектов, позволяющих создавать множество новых ценных штаммов. Так, исходные штаммы S. cerevisiae не способны переваривать декстрины, составляющие 20% полисахаридов ячменя, тогда как S. diastalicus содержит фермент амило-1,4глюкозидазу, расщепляющую декстрины (но эти дрожжи производят пиво худшего качества). Ген, кодирующий названный фермент, был изолирован из S. diaslaticus, перенесен и S. cerevisiae, и проблема была решена - получаемое с помощью генно-инженерного штамма пиво содержит очень мало сахаров, больше этанола и имеет улучшенные вкусовые качества.

Другая генно-инженерная операция - перенос а дрожжи из нитчатого гриба Aspergillus awamori гена, кодирующего гликоамидазу, которая расщепляет разветвленные высокомолекулярные полисахариды. Однако этот фермент очень устойчив в пиве и со временем все полисахариды превращаются в глюкозу, а пиво по мере хранения становится сладким. Чтобы устранить этот недостаток, ген перед переносом подвергли химической модификации, которая придала ферменту свойство разрушаться после завершения процесса брожения.

Поприщем генной инженерии стала и такая древняя биотехнология, как сыроварение, В технологии получения сыра ключевая роль принадлежит сычужному ферменту химозину, створаживающему молоко в желудке теленка. Потребность в химозине очень велика и далеко не удовлетворяется природным источником. Ген, кодирующий химозин, был проклонирован из геномной библиотеки коров и перенесен в дрожжи, которые после этого стали продуцентами ценного фермента.

Еще одна проблема в сыроварении - экономная утилизация сыворотку содержащей много ценных продуктов, в частности лактозу. Путем переноса в дрожжи генов (5-галактозидазы и лактозной пермеазы из бактерий получен штамм, который способен расти на сыворотке и производить спирт и биомассу, добавляемую к животным кормам.

Нельзя не сказать о многочисленных попытках получения растений, устойчивых к вирусам, наносящим огромный урон сельскому хозяйству. Спектр вирусов, инфицирующих сельскохозяйственные растения, велик. Ежегодно только вирус мозаики томата наносит ущерб на 50 млн. долл., а вирусы зерновых - на 1 - 2 млрд. долл. Наиболее перспективным способом зашиты растений от вирусов считают индуцирование у растений “иммунитета” к вирусам методом, сходным с иммунизацией. Например, ген белка оболочки вируса табачной мозаики перенесли в клетки табака и получили трансгенные растения, у которых 0,1% всех белков листьев был представлен вирусным белком. Значительная часть таких растений при инфицировании вирусом не проявляла никаких симптомов заболевания. Молекулярный механизм подавления вирусной инфекции пока неясен, существует несколько предположений. Сейчас планируется этим путем получать вирусорезистентные зерновые культуры.

Проводятся эксперименты по созданию растений, устойчивых к заболеваниям благодаря переносу в них вирусных генов в антисмысловой ориентации (т. е. анти-РНК вируса). Один из подходов повышения устойчивости растений к вирусам, не связанный с генной инженерией, основан на культивировании вирусов табачной и томатной мозаики и вирусов цитрусовых в специальных условиях (обработка азотной кислотой, повышенные температуры), в результате чего они утрачивают патогенность. Такие ослабленные вирусы служат своеобразной вакциной для растений.

Поскольку при СПИДе (по еще неизвестному механизму) поражается и центральная нервная система, которая закрыта от иммунной системы гематоэнцефалическим барьером, вакцина будет неэффективна после того, как вирус поразил эти органы. Кроме того, вакцины на основе убитых вирусов или вирусов с ослабленной инфекционностью, к сожалению, даже в опытных руках иногда могут служить источником инфекции (в США такие случаи были при вакцинации детей против полиомиелита). Более перспективны живые вакцины на основе рекомбинантного вируса осповакцины, созданные по схеме. Важно и то, на какой стадии заболевания используют вакцину. Очевидно, что вакцина против ретровирусов будет малоэффективна после того, как вирусная ДНК уже внедрилась в клетки.

Еще одна трудность лечения СПИДа состоит в том, что интегрированная вирусная ДНК может проявлять себя через длительный период, во время которого в ней могут произойти мутации, а при суперинфекции за счет механизма рекомбинации может в организме сформироваться более вирулентный (болезнетворный) штамм вируса. Сейчас основное направление состоит в попытках создать вакцины на основе белка оболочки ВИЧ. Такая вакцина, как ожидается, должна стимулировать появление антител, которые нейтрализуют вирус и будут также препятствовать взаимодействию вируса с клеткой-мишенью. Препятствием на пути получения такой вакцины является гиперизменчивость структуры белков оболочки ВИЧ. Сейчас ведется поиск консервативных (т. е. медленно изменяющихся) участков этого белка, способных выступать в качестве антигенов. Антитела, выработанные к таким участкам, оставались бы эффективными против вируса даже при гиперизменчивости других участков.

Для предотвращения связывания вируса с клеткой делаются попытки вводить в организм препараты рецептора CD4, который бы блокировал рецептор связывающие места вируса. При помощи методов генной инженерии уже получены препараты растворимого белка CD, В экспериментах вне организма этот препарат блокировал на оболочке ВИЧ участки связывания.

Одно из наиболее распространенных химических средств против СПИДа в настоящее время - азидотимидин (зидовудин), который подавляет процесс обратной транскрипции вирусной РНК. Избирательным антивирусным действием обладает препарат GLQ223, белок, выделенный из корневых клубней китайского огурца Trichosanthus kirillowi.

Блок трансляции вирусных мРНК возможен с помощью антисмысловых олигонуклеотидов. Уже синтезирован ряд таких соединений и показано, что они, связываясь с мРНК, препятствуют ее трансляции на рибосомах, т. е. мешают синтезу вирусных белков. Правильной модификации белков ВИЧ мешает кастаноспермин - растительный алкалоид. Выходу зрелых частиц ВИЧ (вирионов) из клеток препятствует а-интерферон, поэтому в принципе он может блокировать реинфицирование новых клеток.

Несмотря на то что обнаружено несколько агентов против ВИЧ, ни один из них не позволяет пока полностью предотвратить развитие заболевания. Обусловлено это множеством причин: нестабильностью соединений, наличием у них нежелательных побочных эффектов и главное - недостаточной эффективностью и др. В настоящее время исследователи не связывают свои надежды с каким-либо одним лекарственным препаратом. Видимо, необходима разработка разнообразных агентов способных воздействовать на разные этапы жизненного цикла ВИЧ. Но главное - это продолжающийся поиск принципиально новых подходов.