БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

Сегодня биотехнология, устремленная в XXI в., занимает передний край научно-технического прогресса. Она обещает коренным образом изменить способы решения кардинальных проблем здравоохранения, охраны окружающей среды, многих сфер промышленного производства, обеспечения общества продовольствием. Зарождается космическая биотехнология.

В мире уже существуют тысячи биотехнологических корпорации и фирм, среди которых примерно 100 занимают ведущее место. Такие фирмы, как “Genentech”, “Cetus”, “Biogen”, “ImmunoGen” (в США), в Японии - “Suntory”, “Asahi Chemical Industry”, “BIDEC”, в ФРГ - “Boehringer Mannheim”, “Invitron”, во Франции - “Bio-France”, “Paribas”, “Cortecs”, и другие - пионеры использования новейших достижений генной и клеточной инженерии. За рубежом выходит много периодических изданий, посвященных вопросам биотехнологии, например, “Trends in Biotechnology”, “Biotechnology News”, “Biotechnology Bulletin”, “Biosensors”, “Biotechnology Law Reports”, “Current Biotechnology Abstracts”, “Biofutur”.

В СССР о биотехнологии рассказывают в таких журналах, как “Биотехнология”, “Антибиотики и химиотерапия”, “Микробиология”, “Прикладная биохимия и микробиология” и др. С 1982 г. стал выходить реферативный журнал “Физико-химическая биология и биотехнология”. Публикуются специальные монографии по проблемам биотехнологии. Только в 1989 г. на русский язык переведены две монографии - “Биотехнология растений” под редакцией Р. А. Диксона и “Биотехнология клеток животных” под редакцией Р. Е. Спиера и Дж. Б. Гриффитса. В Минске в серии “Наука и техника” в 1989 г. вышла монография “Биотехнология микробных ферментов” (авторы Лобанок А. Г., Астапович Н. И., Михайлова Р. В.).

Ежегодно проблемам биотехнологии посвящаются десятки симпозиумов и конференций, издаются сделанные на них доклады, проходят многочисленные международные выставки, на которых демонстрируются и технологии, и продукция.

Это короткие полипептиды, участвующие в организации иммунного ответа. С помощью генной инженерии в настоящее время созданы штаммы-продуценты Е. coli, производящие различные типы интерлейкинов человека. В СССР получен штамм-продуцент интерлейкина-2 (Институт органического синтеза АН Латвийской ССР), который используют для лечения рака почек. Получен рекомбинантный интерлейким-1, продуцируемый клетками Е. coli. Этот белок рекомендуют для лечения не только иммунных расстройств, но и некоторых опухолевых заболеваний.

Для создания высокоэффективных лекарственных средств в последнее время с помощью генно-инженерных методов конструируют бифункциональные белки, например, противоопухолевый препарат, представляющий собой белок, содержащий последовательности интерлейкина-2 и колоний-стимулирующего фактора гранулоцитов и макрофагов.

Производство белково-пептидных препаратов для медицинских целей - одно из наиболее бурно развиваемых направлений биотехнологии, в которое вкладывают огромные средства. В 1987 г. в США терапевтических полипептидов было произведено на общую сумму 568 млн. долл. Эта сумма, как предполагают специалисты, к 1995 г. возрастет до 1117 млн. долл. Ожидается, что к 2000 г. общая стоимость фармакологических препаратов и диагностикумов достигнет 100 млрд. долл.

По имеющимся в литературе оценкам, к 2000 г. белки с измененными свойствами, полученные целенаправленной модификацией структуры кодирующих их генов, будут составлять примерно 4% всех потребляемых белков на общую сумму 15 млрд. долл. Общее же количество пищевых продуктов, получаемых с помощью биотехнологии, к концу XX п. увеличится, по расчетам специалистов, по крайней мере, в 10 раз.

На использовании микроорганизмов основано производство ими аминокислот, в первую очередь так называемых незаменимых, которые могут быть полезными добавками в пищу животных и человека. Среди незаменимых аминокислот, промышленное производство которых уже давно налажено, первое место занимает лизин, затем треонин и глутаминовая кислота. Получены штаммы Brevibacterium flavum, которые превращают в лизин более одной трети сахаров, содержащихся в питательной среде.

В СССР во ВНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов с помощью генно-инженерных методов сконструированы высокопродуктивные штаммы Е. coli продуценты L-треонина, L-лизина и L-триптофана, которые используются и промышленности.

Интерес к микробиологическим способам промышленного производства аминокислот вызван также и тем, что они позволяют получать L-аминокислоты в чистом виде, тогда как при химическом синтезе получают рацемические смеси, содержащие L- и D-аминокислоты. Последние не входят в состав природных белков (они содержатся в незначительных количествах лишь в некоторых пептидах микроорганизмов, в частности пептидах, являющихся антибиотиками).

Производство витаминов. Напомним, что витамины - это низкомолекулярные органические соединения, роль которых для нормальной жизнедеятельности организма хорошо известна. Поскольку в пищевых продуктах витаминов содержится немного (10 - 100 мг на 100 г съедобной части продукта) и они быстро разрушаются, требуется витаминизация готовой пищи и продуктов. Поэтому уже давно витамины производят в больших количествах. Традиционные способы получения витаминов основаны либо на переработке больших количеств ценного сырья, либо (в редких случаях) на химическом синтезе. Поэтому витаминная промышленность нуждается в более эффективных технологиях. Такие технологии успешно создаются.

С помощью лишь генетических манипуляций (воздействием на регуляцию метаболизма) были получены штаммы микроорганизмов, которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов, чем необходимо для их роста. Это - штамм Ashbya gossypii - продуцент рибофлавина, штаммы Pseuclomonas dеnitrificans и Propioribacterium freudenrcechii, производящие витамин В2 и др. В СССР на базе Bacillus subtilis сконструирован эффективный продуцент витамина B2.

Микробиологические технологии позволили решить и задачу производства аскорбиновой кислоты (витамин С). В Японии разработан эффективный ферментативный способ получения стабильного производного витамина С - аскорбил-2-фосфата, который используют в качестве антиоксиданта.

Помимо широкого применения в медицине в качест-пе профилактических и лечебных средств, получаемые микробиологическим путем витамины В2 и В2 добавляют в пищу животным для сбалансирования кормов.