БИОТЕХНОЛОГИЯ

Аэробные и анаэробные микроорганизмы уже давно и широко очищают воды от органических материалов. В бактериях рода Pseudomonas имеются оксиредуктазы, или гидроксилазы, способные разлагать углеводороды и высокотоксичные для окружающей среды ароматические вещества (бензол, толуол, ксилол). Гены, кодирующие в бактериях эти ферменты, локализованы в плазмидах. С помощью генной инженерии и генетических методов получен штамм Pseudomonas putida, который способен расти на неочищенной нефти и весьма эффективно очищать от нее сточные воды. Очистка сточных вод от металлов часто основана на поглощении их микроорганизмами. Так, на практике используют нитчатые грибы, которые способны в больших количествах поглощать торий.

Биодеградация - один из способов удаления пестицидов, способных длительное время сохраняться в почве. С помощью методов генной инженерии сконструирован штамм Pseudomonas ceparia, эффективно разрушающий 2, 4, 5-трихлорфеноксиацетат.

В настоящее время микробная биодеградация и биоконверсия служат основой для создания многих безотходных экологически чистых производств в сельском хозяйстве и промышленности. Все большее распространение получают биотехнологические цепочки, в которых отходы и побочные продукты одного биотехнологического процесса используются в качестве сырья для другого. Так, на гидролизатах растительного сырья выращивают дрожжи, а фильтрат культуральной жидкости используют для синтеза грибного белка. О некоторых других биотехнологиях, основанных на биодеградации и биоконверсии, мы расскажем в последующих двух разделах.

Не может обойтись без ферментов и медицина. Холестериноксидазу используют в диагностике для определения уровня холестерина в сыворотке крови. Продуцируемую грибами супероксиддисмутазу применяют для лечения артритов, болезней сердца и при трансплантации почек. Терапевтическими свойствами обладают белки стрептокиназа из Е. coli, аспарагиназа из Erwinia chrysantherni и др. Ферменты используют для растворения тромбов, удаления из организма токсических веществ, лечения рака, ожогов. Известно около 200 наследственных заболеваний, связанных с дефицитом ферментов или иных белковых факторов. Их лечение возможно путем введения в организм больных чужеродных ферментов замещающих отсутствующие эндогенные. При септических процессах, инфаркте миокарда, эмфиземе легких, панкреатите применяют ингибиторы ферментов протеаз, получаемые из актиномицетов (химостатин, антипаин и др.) и генно-инженерных штаммов эглии или дрожжей.

Перспективны ферменты и для синтеза тонких химических веществ и осуществления многих производственных процессов в пищевой и фармацевтической промышленности. К ним относятся ферменты, помогающие получать высокофруктозныи сироп, способствующие свертыванию молока, гидролизу лактоз и, белков и жиров, участвующие в синтезе полусинтетического пенициллина, аминокислоты L-лизина и др. Широко применяют в промышленности липазы различного происхождения, которые катализируют многие сложные химические процессы. Например, катализируемая липазой очистка пальмового масла используется для производства какосового масла, 30% которого содержится в шоколаде.

Амилазы из бактерии и грибов расщепляют крахмал до низкомолекулярных сахаров - декстринов, глюкозы, мальтозы. Бактериальные протеазы разрушают белки при выделке кожи, сыроварении. Фермент глюкоизомераза из Bacillus sp. помогает превращать глюкозу во фруктозу. В последнее время внимание привлечено к циклодекстринглюкозилтрансферазам (ЦДГТ), необходимым при производстве циклодекстринов - соединении, важных для химической и фармакологической промышленности, для улучшения качества пищи, производства косметики и т. д. В ближайшее пятилетие ожидается семикратное увеличение потребности в циклодекстринах. А разве могут обойтись без ферментов энзиматический синтез и модификация пептидов? Коммерческий интерес проявляют, например, к энзиматическому синтезу дипептида аспартама, - низкокалорийному пищевому сладкому агенту. Химически этот продукт получали путем соединения ангидрида формиласпарагиновой кислоты и метилового эфира L-фенилаланина. Этот процесс протекает неэффективно, и образующийся аспартам загрязнен другими продуктами реакции. Энзиматически же, с помощью термолизина, синтезируется только чистый аспартам, выход которого составляет больше 99%.

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”.

В условиях пониженного гравитационного поля резко улучшается также процесс создания белковых кристаллов больших размеров, представляющих ценность в частности, для рентгеноструктурных исследований и получения высокочистых препаратов. Кристаллизация белков происходит в условиях стабилизации молекул благоприятствующих проявлению сил слабого взаимодействия, которые в земных условиях подавляются более превалирующими действующими на больших расстояниях силами гравитации и конвекции. Это увеличивает число точек кристаллизации в растворе и способствует образованию большого числа маленьких кристаллов. В условиях невесомости удается получать существенно более крупные кристаллы.

Из нескольких разработанных для этого методов наиболее привлекает метод “висячей капли”. Каплю жидкости, содержащей белок, буфер и соли (иногда вместо солей - полиэтиленгликоль), подвешивают на нижней поверхности какой-либо опоры и дают уравновеситься. В результате испарения воды белок концентрируется и выпадает в осадок, образуя кристаллы. Этот процесс “выращивания” кристаллов растягивается часто на многие недели. В условиях невесомости (ракеты программы TEXUS) были получены кристаллы нескольких ферментов: лизоцима, р-галактозидазы.

Оказалось, что кристаллизация идет в этих условиях быстрее, а сами кристаллы крупнее в 27 (р-галактозидаза) и в 1000 (лизоцим) раз, чем в земных условиях. Как сообщила Гарвардская школа бизнеса, фармацевтические фирмы готовы платить 100 - 200 тыс. долл. за белки, закристаллизованные в условиях невесомости. Ведутся также работы для проведения в условиях невесомости кристаллизации белков в неприкрепленной, а в свободно плавающей в пространстве капле, что может улучшить качество образуемых кристаллов.

Условия невесомости более благоприятны также для такого процесса, как инкапсулирование клеток в полупроницаемые мембраны. Инкапсулированные клетки, например клетки поджелудочной железы животных, можно имплантировать (вживлять) в тело больных сахарным диабетом, где они могут продуцировать инсулин. Поскольку инсулин - низкомолекулярный белок, он будет проходить через мембрану в кровоток, а антитела не смогут проникать через мембрану, т. е. имплантированные таким способом клетки не будут отторгаться. Инкапсулированные клетки печени, например, можно использовать также для создания искусственных органов с целью очищения крови.