БИОТЕХНОЛОГИЯ

Ферменты (энзимы) - белки, выполняющие функции биокатализаторов многочисленных химических (биохимических) реакций. Поскольку биотехнология основана на промышленном использовании биопроцессов, которые в значительной мере обеспечиваются ферментами, по существу, ни одна биотехнология не обходится без них. Ферментные системы микроорганизмов (бактерий, дрожжей) были первыми в истории человечества орудиями биотехнологий, на которых основано виноделие, пивоварение, переработка молока и т. д. Рассмотрим лишь 2 наиболее показательных примера состояния этих технологий в эпоху генной инженерии.

Пивоварение - старейшая биотехнологическая индустрия, базирующаяся на жизнедеятельности дрожжей, прежде всего Saccharomyces curevisiae, которые за последнее десятилетие стали одним из наиболее широко используемых генно-инженерных объектов, позволяющих создавать множество новых ценных штаммов. Так, исходные штаммы S. cerevisiae не способны переваривать декстрины, составляющие 20% полисахаридов ячменя, тогда как S. diastalicus содержит фермент амило-1,4глюкозидазу, расщепляющую декстрины (но эти дрожжи производят пиво худшего качества). Ген, кодирующий названный фермент, был изолирован из S. diaslaticus, перенесен и S. cerevisiae, и проблема была решена - получаемое с помощью генно-инженерного штамма пиво содержит очень мало сахаров, больше этанола и имеет улучшенные вкусовые качества.

Другая генно-инженерная операция - перенос а дрожжи из нитчатого гриба Aspergillus awamori гена, кодирующего гликоамидазу, которая расщепляет разветвленные высокомолекулярные полисахариды. Однако этот фермент очень устойчив в пиве и со временем все полисахариды превращаются в глюкозу, а пиво по мере хранения становится сладким. Чтобы устранить этот недостаток, ген перед переносом подвергли химической модификации, которая придала ферменту свойство разрушаться после завершения процесса брожения.

Поприщем генной инженерии стала и такая древняя биотехнология, как сыроварение, В технологии получения сыра ключевая роль принадлежит сычужному ферменту химозину, створаживающему молоко в желудке теленка. Потребность в химозине очень велика и далеко не удовлетворяется природным источником. Ген, кодирующий химозин, был проклонирован из геномной библиотеки коров и перенесен в дрожжи, которые после этого стали продуцентами ценного фермента.

Еще одна проблема в сыроварении - экономная утилизация сыворотку содержащей много ценных продуктов, в частности лактозу. Путем переноса в дрожжи генов (5-галактозидазы и лактозной пермеазы из бактерий получен штамм, который способен расти на сыворотке и производить спирт и биомассу, добавляемую к животным кормам.

Уже давно микроорганизмы используют как источник белка для питания человека и животных. Еще в годы первой мировой войны один из основоположников молекулярной биологии Макс Дельбрюк с коллегами в Германии (в 1937 г. переехал в США) разработали первый технологический процесс промышленного культивирования пивных дрожжей для их добавления в супы и колбасы. Белки, продуцируемые бактериями или дрожжами и используемые в пищевых целях, получили название белки одноклеточных организмов (БОО).

На первом этапе в качестве сырья для микроорганизмов использовали в основном углеводороды нефти. Затем интерес был проявлен к другим субстратам, прежде всего к природным газам (метан). Как субстраты для получения БОО из дрожжей используют некоторые промышленные отходы (например, отработанный сульфитный щелок с бумажных комбинатов, молочную сыворотку - побочный продукт сыроварения, мелассу (патока), отходы спиртоводочных заводов). Промышленный продукт получают в виде суммарной биомассы. Разработаны промышленные линии для производства и переработки микроводорослей с целью получения БОО. Объем дрожжевой биомассы, полученной в мире в 1985 г., превысил 1 млн. т. Ожидается, что в 1990 г. этот объем возрастет более чем в 2 раза.

Производство БОО имеет многие преимущества перед производством белка в животноводстве и растениеводстве: 500 кг дрожжей дают за сутки 80 кг белков, а у быка того же веса суточный привес составляет в лучшем случае 500 г белка. Однако БОО используют в основном как корм для скота, и лишь в будущем можно ожидать создания технологий получения БОО, пригодных для питания человека. Перспективно в этом отношении культивирование некоторых грибов (Fusarium), зеленых водорослей (Chlorella), цианобактерий (Spirulina), имеющих адекватные для человека органолептические свойства. В настоящее время уже налажено производство на базе крахмала волокнистой массы Fusarium как источника пищи для человека.

Изменения в генах, осуществленные с помощью генной инженерии, могут модифицировать структуру и улучшать свойства пищевых белков. Наибольший интерес в плане таких манипуляций привлекают к себе 3 белка животных и растений: овальбумин курицы, составляющий большую часть (54%) белка яйца, казеины (главная фракция в молоке) и белки сои (42% в бобах). Например, манипуляции с кодирующей частью гена k-казеина, в результате которых из белка элиминировался фрагмент, расположенный между 9-й и 17-й аминокислотами, а также” цистеин, участвующий в образовании дисульфидной связи, привели к тому, что новый белок как пищевой продукт стал более качественным.

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.

Как и откуда мог появиться ВИЧ? СПИД озадачил и ученых, и медиков-практиков тем, что это страшное заболевание появилось вдруг, как пришелец из космоса. Первые 3 года, когда еще не было ничего известно о природе патогена, ситуация была крайне шокирующей. Когда стало известно, что возбудитель заболевания вирус из класса ретровирусов, проблема несколько прояснилась, но облегчения не наступило. Во-первых, специалисты хорошо знают, насколько сложно иметь дело с ретровирусами, особенно с теми, которые внедряются в клетки иммунной системы. Во-вторых, ретровирусы, способные передаваться от человека к человеку, до самого последнего времени не были известны. Все это не могло не вызвать широкого общественного интереса к вопросу о происхождении возбудителя СПИДа, чем немедленно воспользовались журналисты - любители сенсации. Несколько лет на страницах газет муссировалась версия о том, что ВИЧ был сконструирован с помощью генно-инженерных методов и при испытании на обезьянах “сбежал”.

В принципе современные генно-инженерные онковирусологические лаборатории конструируют рекомбинантные ретровирусы. Поэтому такая версия исходила из реальной возможности. Однако доказательств, что это имело место, не было никаких. В то же время существует более правдоподобная версия о природном происхождении вируса, поскольку совсем недавно были открыты другие ретровирусы человека и животных, очень похожие на ВИЧ. В природе рекомбинационные процессы среди вирусов - нормальное явление и идут непрерывно, порождая новые формы вирусов. ВИЧ, безусловно, возник именно в результате этих процессов, хотя до сих пор наука не знает, как и когда это произошло (впрочем, столь же мало известно о происхождении других вирусов).

ВИЧ относится к ретровирусам - особому и специфическому классу РНК-содержащих вирусов, способных проникать в хромосомный аппарат клеток и находиться там сколь угодно долго. Название “ретровирусы” присвоили этому классу вирусов после того, как в 1970 г. было сделано одно из крупнейших в молекулярной биологии открытий, показавшее существование у этих вирусов фермента, который направляет поток наследственной информации в обратную сторону от РНК к ДНК.