БИОТЕХНОЛОГИЯ

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.