БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.

Поскольку растительные клетки окружены жесткими целлюлозными оболочками, для их слияния нужно предварительно растворить эту оболочку, сохранив находящуюся под ней нежную белково-липидную плазматическую мембрану. Клетки, лишенные целлюлозной оболочки, называют протопластами. Получают протопласты обработкой клеток смесью ферментов. Затем протопласты с обнажившейся плазматической мембраной сливают, получая гибридные клетки, несущие свойства обеих клеток-партнеров. Этим путем созданы межвидовые гибриды табака, картофеля, капусты с турнепсом. Протопласты используют та we для переноса в них органоидов других клеток - митохондрий, хлоропластов, цитоплазмы.

Приведем наиболее интересные гибриды, полученные в результате слияния клеток. Широкое распространение в США и Англии получил гибридный сорт помидоров, устойчивый к двум вирусам (PLRV и PVY), которые наносят наибольший вред этим растениям. Гибридный сорт создали в результате слияния протопластов дикого вида помидора S. brevidens, устойчивого к PLRV и PVY, и коммерческого помидора S. tuberosum. В Японии создан таким образом сорт помидора, устойчивого к высоким температурам.

Значительный прогресс в этой области произошел и благодаря искусственным ассоциациям растительных клеток с микроорганизмами, особенно с азотфиксирующими бактериями. Проблема придания растениям свойства азотфиксации имеет огромное народнохозяйственное значение, поскольку производство азотных удобрений требует больших затрат, а их использование загрязняет среду. Уже получены положительные результаты благодаря искусственным ассоциациям азотфиксирующей бактерии Anaboena variabilis и табака. Несколько подробнее о проблеме азотфиксации будет сказано ниже.

Несмотря на очевидные успехи клеточной инженерии, наибольший интерес в последнее время вызывают работы по целенаправленному изменению свойств сельскохозяйственных растений с помощью методов генной инженерии - конструирования и переноса генов в растительные клетки и в целые растения, В последние годы с появлением генно-инженерных методов клонирования генов и их переноса в растительные клетки, а затем и в регенерируемые из них растения стало возможным заметно быстрее создавать новые сорта. Это направление, зародившееся лишь в середине 80-х годов, быстро набирает темп. Изолировано множество генов растений и микроорганизмов, кодирующих признаки продуктивности, устойчивости к неблагоприятным факторам. Получено немало растений, содержащих такие гены. Растения, несущие в геноме чужеродные гены, т. с. трансгенные растения, постепенно внедряются в сельскохозяйственную практику, их вклад в производстве сельскохозяйственной продукции быстро растет. Прогнозируется, что рынок биотехнологически улучшенных растений и семян в США составит в 1992 г. 24 млн., долл., а в 1997 г. может достичь 122,5 млн. долл.

Всего за 10 лет (первые трансгенные мыши были получены в 1980 г.) создана уникальная область генно-инженерных животных. Трансгенные мыши всего за одно поколение претерпевают такие целенаправленные изменения, для достижения которых ранее требовалось проводить селекцию на 40 - 50 поколениях. Они способны продуцировать совершенно новые виды белковых продуктов, которые иногда оказывают эффективные воздействия на рост и развитие самих мышей. В результате, переноса дополнительного гена гормона роста (неважно, из какого источника - из другого животного, человека) образуется избыточное количество гормона роста, стимулирующего рост: размеры мыши удваиваются (таких трансгенных мышек называют гигантскими).

Трансгенные мыши стали обычными объектами лабораторных исследований и уже вносят неоценимый вклад в фундаментальные научные исследования. Однако они совершенно не пригодны для целен биотехнологического производства. Начиная с 1985 г. во многих лабораториях пытаются получить трансгенных сельскохозяйственных животных - овец, свиней. За это время удалось преодолеть методические трудности проведения таких работ на сельскохозяйственных животных. Уже получено большое число овец и свиней, содержащих чужеродные гены. Планируется получение ряда важных медицинских препаратов - фактора свертываемости крови, интерферонов и т. д.

Очень хотелось бы воспроизвести на сельскохозяйственных животных продемонстрированный на мышах аффект ускоренного роста. Специалисты считают, что трансгенные сельскохозяйственные животные - это живые биотехнологические фабрики XXI в., которые экологически будут наиболее чистыми производителями ценных белковых препаратов. Сегодня уже создана фундаментальная и методическая база, но требуется еще приспособить эти научно-технические достижения к условиям работы с сельскохозяйственными животными.

Перспективным представляется использование, например, видоизмененных регуляторных белков ВИЧ и которые из них полностью подавляют функционирование нормальных белков и предотвращают этим размножение вируса. Теоретически гены, кодирующие такие мутантные белки, можно вводить в стволовые клетки костного мозга в культуре, а затем трансформированные клетки переносить в костный мозг человека.

Для профилактики СПИДа создают диагностикумы для быстрого и однозначного обнаружения ВИЧ. Эта задача сейчас решена - есть хорошие диагностиками, налажено их массовое производство. Большинство таких диагностикумов основано па выявлении в крови вирусных белков с помощью антител. Но и здесь интенсивно ищут новые подходы. Перспективным считают обнаружение следовых количеств ВИЧ с помощью цепной полимеразной реакции. В результате 20 последовательно проведенных циклов “денатурация - синтез” в течение короткого времени количество анализируемой ДНК в пробе возрастает в миллионы раз, и она легко определяется с помощью реагентов.

Общественное движение за решение проблемы СПИДа только набирает силу (в нашей стране этот процесс идет с большом задержкой). Должно быть полностью осознано что наряду с ядерной опасностью и экологией СПИД стал общемировой проблемой. Необходимость в срочной мобилизации международных ученых привела к созданию глобальной программы по СПИДу, координируемой Всемирной Организацией здравоохранения (ВОЗ). Над созданием вакцин работают лаборатории многих стран, объединенных в специальную программу IIIVAC (от англ. HIV-vaccine) и возглавляемой первооткрывателем ретровирусов человека - Робертом Галло.

Пока же кривая числа зарегистрированных больных и вирусоносителей поднимается все выше: только в США за прошедшие годы больных было в 1987 г 50 тыс. в 1988 г. - 66464 человек, в 1989 г. - 113211. По данным ВОЗ, в 159 странах мира в феврале 1990 г. было зарегистрировано 215 тыс. больных (по неофициальным данным, их в 2 - 2,5 раза больше). Прогнозируется, что их число только в США составит в 1991 г 270 тыс. в 1992 г. - 365 тыс., в 1993 г. - 450 тыс. человек. Число вирусоносителей во всем мире оценивается сейчас от 5 до 10 млн. Ожидается резкий подъем вирусоносительства в ближайшие годы в СССР. Возможно ли, чтобы СПИД устоял против современного мира? Ученые уверены, что он будет побежден, хотя и неясно, когда и какой ценой. Такая оценка сегодняшних возможностей медицины в лечении СПИДа может показаться несправедливой, учитывая, что в популярной печати часто появляются сообщения, которые позволяют предполагать либо о решении проблемы лечения СПИДа, либо о близости такого решения. К сожалению, это заблуждение характерно и для других острых медицинских проблем (например, онкологической) Так недавно в газетах сообщалось об успехе в лечении больных СПИДом, достигнутом благодаря прогреву крови выкаченной из тела больного и затем влитой обратно. Однако в научной медицинской литературе пока нет достоверного описания и обоснования такого метода лечения.