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.
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.
В качестве основного биотехнологического элемента биосенсоров чаще всего применяют различные ферменты. Такими элементами для электрохимических, калориметрических и оптических биосенсоров, создаваемых промышленностью, являются глюкооксидаза, лактатоксидаза, пероксидаза, уриказа, цитохром С. В газофазных биосенсорах успешно используют формальдегид-дегидрогеназы (для определения паров формальдегида) и холинэстеразы (для тестирования фосфорорганических пестицидов). В последнее время появились иммуносенсоры, которые можно рассматривать как биосенсоры нового поколения, обещающие занять центральное место в этой сфере биотехнологии. Многообещающ и новый подход в создании биосенсоров - соединение с электродами различных биологических рецепторов.
Рынок потребления биосенсоров непрерывно растет, о чем свидетельствуют следующие цифры: только в общая стоимость производимых в 1986 г. биосенсоров составляла 14,4 млн. долл., а в 1991 г. ожидается, что она достигнет уже 365 млн. долл. Сходная ситуация, как предполагают специалисты, сложится в Японии и в европейских странах.
Заканчивая расказ об использовании микроорганизмов в биотехнологии, хотелось бы остановиться на некоторых трудностях принципиального характера, с которыми столкнулись исследователи, когда попытались на базе этих организмов реализовать такую прогрессивную технологию, как генная инженерия. Одна из трудностей связана с неоднозначной пространственной сборкой чужеродных белков, синтезируемых в трансформированных клетках микроорганизмов. Это сказывается на активности и специфичности получаемых белковых продуктов. Кроме того, в микроорганизмах не происходит модификация белков, необходимая для полноценного функционирования (гликозилирование, фосфорилирование и др.). Поэтому, несмотря на очевидные успехи в использовании микроорганизмов, исследователи все больше вовлекают в биотехнологию растительные и животные клетки.
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.
