БИОТЕХНОЛОГИЯ

В качестве основного биотехнологического элемента биосенсоров чаще всего применяют различные ферменты. Такими элементами для электрохимических, калориметрических и оптических биосенсоров, создаваемых промышленностью, являются глюкооксидаза, лактатоксидаза, пероксидаза, уриказа, цитохром С. В газофазных биосенсорах успешно используют формальдегид-дегидрогеназы (для определения паров формальдегида) и холинэстеразы (для тестирования фосфорорганических пестицидов). В последнее время появились иммуносенсоры, которые можно рассматривать как биосенсоры нового поколения, обещающие занять центральное место в этой сфере биотехнологии. Многообещающ и новый подход в создании биосенсоров - соединение с электродами различных биологических рецепторов.

Рынок потребления биосенсоров непрерывно растет, о чем свидетельствуют следующие цифры: только в общая стоимость производимых в 1986 г. биосенсоров составляла 14,4 млн. долл., а в 1991 г. ожидается, что она достигнет уже 365 млн. долл. Сходная ситуация, как предполагают специалисты, сложится в Японии и в европейских странах.

Заканчивая расказ об использовании микроорганизмов в биотехнологии, хотелось бы остановиться на некоторых трудностях принципиального характера, с которыми столкнулись исследователи, когда попытались на базе этих организмов реализовать такую прогрессивную технологию, как генная инженерия. Одна из трудностей связана с неоднозначной пространственной сборкой чужеродных белков, синтезируемых в трансформированных клетках микроорганизмов. Это сказывается на активности и специфичности получаемых белковых продуктов. Кроме того, в микроорганизмах не происходит модификация белков, необходимая для полноценного функционирования (гликозилирование, фосфорилирование и др.). Поэтому, несмотря на очевидные успехи в использовании микроорганизмов, исследователи все больше вовлекают в биотехнологию растительные и животные клетки.

Аэробные и анаэробные микроорганизмы уже давно и широко очищают воды от органических материалов. В бактериях рода Pseudomonas имеются оксиредуктазы, или гидроксилазы, способные разлагать углеводороды и высокотоксичные для окружающей среды ароматические вещества (бензол, толуол, ксилол). Гены, кодирующие в бактериях эти ферменты, локализованы в плазмидах. С помощью генной инженерии и генетических методов получен штамм Pseudomonas putida, который способен расти на неочищенной нефти и весьма эффективно очищать от нее сточные воды. Очистка сточных вод от металлов часто основана на поглощении их микроорганизмами. Так, на практике используют нитчатые грибы, которые способны в больших количествах поглощать торий.

Биодеградация - один из способов удаления пестицидов, способных длительное время сохраняться в почве. С помощью методов генной инженерии сконструирован штамм Pseudomonas ceparia, эффективно разрушающий 2, 4, 5-трихлорфеноксиацетат.

В настоящее время микробная биодеградация и биоконверсия служат основой для создания многих безотходных экологически чистых производств в сельском хозяйстве и промышленности. Все большее распространение получают биотехнологические цепочки, в которых отходы и побочные продукты одного биотехнологического процесса используются в качестве сырья для другого. Так, на гидролизатах растительного сырья выращивают дрожжи, а фильтрат культуральной жидкости используют для синтеза грибного белка. О некоторых других биотехнологиях, основанных на биодеградации и биоконверсии, мы расскажем в последующих двух разделах.

Не может обойтись без ферментов и медицина. Холестериноксидазу используют в диагностике для определения уровня холестерина в сыворотке крови. Продуцируемую грибами супероксиддисмутазу применяют для лечения артритов, болезней сердца и при трансплантации почек. Терапевтическими свойствами обладают белки стрептокиназа из Е. coli, аспарагиназа из Erwinia chrysantherni и др. Ферменты используют для растворения тромбов, удаления из организма токсических веществ, лечения рака, ожогов. Известно около 200 наследственных заболеваний, связанных с дефицитом ферментов или иных белковых факторов. Их лечение возможно путем введения в организм больных чужеродных ферментов замещающих отсутствующие эндогенные. При септических процессах, инфаркте миокарда, эмфиземе легких, панкреатите применяют ингибиторы ферментов протеаз, получаемые из актиномицетов (химостатин, антипаин и др.) и генно-инженерных штаммов эглии или дрожжей.

Перспективны ферменты и для синтеза тонких химических веществ и осуществления многих производственных процессов в пищевой и фармацевтической промышленности. К ним относятся ферменты, помогающие получать высокофруктозныи сироп, способствующие свертыванию молока, гидролизу лактоз и, белков и жиров, участвующие в синтезе полусинтетического пенициллина, аминокислоты L-лизина и др. Широко применяют в промышленности липазы различного происхождения, которые катализируют многие сложные химические процессы. Например, катализируемая липазой очистка пальмового масла используется для производства какосового масла, 30% которого содержится в шоколаде.

Амилазы из бактерии и грибов расщепляют крахмал до низкомолекулярных сахаров - декстринов, глюкозы, мальтозы. Бактериальные протеазы разрушают белки при выделке кожи, сыроварении. Фермент глюкоизомераза из Bacillus sp. помогает превращать глюкозу во фруктозу. В последнее время внимание привлечено к циклодекстринглюкозилтрансферазам (ЦДГТ), необходимым при производстве циклодекстринов - соединении, важных для химической и фармакологической промышленности, для улучшения качества пищи, производства косметики и т. д. В ближайшее пятилетие ожидается семикратное увеличение потребности в циклодекстринах. А разве могут обойтись без ферментов энзиматический синтез и модификация пептидов? Коммерческий интерес проявляют, например, к энзиматическому синтезу дипептида аспартама, - низкокалорийному пищевому сладкому агенту. Химически этот продукт получали путем соединения ангидрида формиласпарагиновой кислоты и метилового эфира L-фенилаланина. Этот процесс протекает неэффективно, и образующийся аспартам загрязнен другими продуктами реакции. Энзиматически же, с помощью термолизина, синтезируется только чистый аспартам, выход которого составляет больше 99%.

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.