БИОТЕХНОЛОГИЯ

Химический и электрохимический способы получения водорода неэкономичны. Поэтому специалисты обратили внимание на микроорганизмы, способные выделять водород. Еще в начале 60-х годов установили, что хлоропласты шпината в присутствии бактериального экстракта, содержащего фермент гидрогеназу, продуцируют водород. Это способны делать хемотрофные бактерии, цианобактерии, некоторые водоросли и простейшие. Сейчас предложено несколько вариантов биотехнологических систем для производства водорода, однако пока ни одна из них неприемлема для практических целей.

Не одно поколение ученых бьется над проблемой повышения эффективности фотосинтеза у микроорганизмов и растений. Задача эта еще далека от решения. Однако в результате исследований в области биологии фотосинтеза (в частности, выделения и характеристики различных мутантов фотосинтезирующих микроорганизмов) работы вышли на уровень, когда они могут стать основой для решения прикладных задач. Так, некоторые фотосинтезирующие микроорганизмы способны продуцировать аммоний за счет биоконверсии солнечной энергии. Поскольку гербициды подавляют фотосинтез, получение мутантов, не чувствительных к гербицидам - путь к созданию гербицидустойчивых сортов растений. Предполагается, что фотосинтезирующие бактерии будут участвовать в очистке промышленных газов, биодеградации токсических веществ и отходов производства.

Биотехнологической биоэнергетике предстоит ответить на вопросы, связанные с созданием биотопливных элементов, способных превращать химическую энергию субстратов в другие виды энергии, главным образом в электрическую. Такие элементы используют в настоящее время при создании биологических датчиков-биосенсоров.

В середине 70-х годов возникла новая экспериментальная технология - генетическая (или генная) инженерия, которая основана на конструировании рекомбинантной ДНК вне клетки (in vitro) и ее размножении в клетках микроорганизмов. В результате использования этой технологии стало возможным выделять индивидуальные гены, модифицировать, соединять друг с другом, получая “слитые гены”, продуцирующие белки с совершенно новыми свойствами (белковая инженерия).

Типичная схема получения и размножения (амплификации) индивидуального фрагмента ДНК (гена) приведена на рис. 2. В качестве векторов, т. е. молекул-носителей, в которых происходит размножение генов, используют плазмиды, бактериофаги и вирусы, способные размножаться в бактериальных клетках. После соединения (лигирования) вектора с фрагментом ДНК, несущим ген, образуется рекомбинантная ДНК. Затем вектор с геном вводят в клетки микроорганизмов (трансформация), где они амплифицируются. В результате получается множество копий одного гена - клон. Поэтому такой способ получения индивидуального гена называют клонированием.

Если для клонирования использовать ДНК человека, содержащую все его гены, они окажутся в разных клонах будет получена генная библиотека (клонотека) человека. Гены животных, человека и растений, клонируемые таким путем в бактериях (как правило, используют Е. coli), не функционируют в них. Для этого их нужно выделить из бактерии, снабдить регулятором бактериального гена и вновь ввести в бактерию. Получены и используются многие штаммы бактерий, в которых функционируют гены разного происхождения, производящие нужные продукты.

Этот арсенал новых, генно-инженерных, штаммов-продуцентов позволил наряду с продуктами природных штаммов (их называют биопродуктами первого поколения) начать производство на базе генно-инженерных штаммов рекомбинантные белки - биопродукцию второго поколения. Биопродукцией третьего поколения будут искусственно синтезированные соединения, полностью имитирующие биологические функции природных белков, но не являющиеся ими.

Генно-инженерные методы (технология рекомбинантных ДНК) все шире используют в биотехнологическом производстве прежде всего ценных для медицины белков, в том числе таких, которые трудно синтезировать химическими методами пли получить в нужных количествах из биологического материала. Это в первую очередь белки и пептиды (белковые молекулы, состоящие из небольшого числа аминокислот), которые синтезируются в организме человека и используются как медикаменты. Усилия генных инженеров направлены на создание бактерий-продуцентов, которые бы с высокой эффективностью производили такие биологически активные продукты. Основные трудности здесь заключаются не столько в конструировании продуцентов, сколько в том, чтобы синтезирующиеся в них чужеродные белки нормально формировались, модифицировались и не разрушались в клетках микроорганизмов.

Ученые полагают, что дальнейший прогресс человечества не только будет во многом зависеть от развития биотехнологии, но просто не сможет без нее обойтись, ибо иначе не удастся прокормить все растущее население Земли. Рассказывается о том, как на основе методов биотехнологии организуют производство медицинских препаратов, некоторых продуктов питания и кормов для животных.

При раскопках Вавилона была обнаружена дощечка, относящаяся к VI тысячелетию до н. э., на которой описан процесс приготовления пива. Это, вероятно, одно из древнейших письменных упоминаний о целенаправленном применении человеком в практике естественного биологического процесса. С древних времен известно использование и других биотехнологических процессов в различных сферах практической деятельности человека: в виноделии, хлебопечении, сбраживании молочных продуктов и т. д. Однако научный анализ биохимических механизмов, лежащих в основе этих биотехнологических процессов, был проведен лишь в XIX в. Луи Пастером.

Термин “биотехнология” впервые использовал венгр Карл Эреки в 1919 г. для обозначения работ, в которых продукты получают с помощью живых организмов. В Биологическом энциклопедическом словаре, изданном в 1986 г., биотехнологией называют использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Европейская федерация биотехнологии (EFB) определяет современную биотехнологию как использование наук о природе (биологии, химии, физики) и инженерных наук (например, электроники) применительно к биосистемам в биоиндустрии, а Европейская комиссия (ЕС) дополняет - для того, чтобы снабдить биологическое сообщество требуемыми продуктами и услугами. Будучи древней сферой производства, биотехнология сегодня представляет собой ультрасовременный этап научно-технического прогресса.

На начальном этапе биотехнология опиралась главным образом на достижения микробиологов и энзимологов, а в последние 10 - 15 лет она получила мощный импульс к развитию со стороны наиболее интенсивно развивающихся областей биологии: вирусологии, молекулярной и клеточной биологии, молекулярной генетики.

Это белки-биостимуляторы, активаторы иммунной системы клеток. Кроме того, они обладают антивирусной активностью и препятствуя размножению раковых клеток. Существуют 3 класса интерферонов человека: а, р и у. Уже в конце 70-х гидов были получены первые гибридные ДНК, способные функционировать в бактериальных клетках с образованием р-интерферона человека. Затем аналогичные конструкции были созданы для а- и у интерферонов.

В результате переноса в клетки Е. соi рекомбинантных (гибридных) ДНК с регуляторными элементами бактериального триптофанового или лактозного оперона и интерфероновыми генами получили соответствующие штаммы-продуценты. Для повышения их продуктивности, а также усиления антивирусной активности интерферонов в дальнейшем было проведено несколько дополнительных модификаций рекомбинантной ДНК (в частности, проведена замена некоторых аминокислот), подобраны генотипы клеток-хозяев и условия их культивирования.

Бактериальные штаммы-продуценты всех трех типов интерферонов были получены и в СССР: для а- и у интерферонов - и Институте биоорганической химии АН СССР, а для р-интерферона - во ВНИИГенетики и селекции промышленных микроорганизмов. Кроме Е. coli, для производства интерферонов используют также грамотрицательные бактерии Metfrylomonas, Salmonella, Pseudomonas и др. В частности, на основе штамма Pseudomonas sp. налажено промышленное получение человеческого р-интерферона в СССР. Созданы и дрожжевые продуценты интерферонов, которые имеют некоторые преимущества перед бактериальными: дрожжи используют более дешевые субстраты, не подвержены литическому действию фагов (что постоянно угрожает бактериальным продуцентам) или аутолизису, легко сепарируются, осуществляют правильный процессинг (формирование) преинтерферонов и др.