Первоначально во многих случаях ферменты использовали в биотехнологическом производстве только в составе живых клеток, которыми нужно уметь управлять так, чтобы мобилизовать содержащиеся в них ферменты на нужные для производства биопроцессы. Сделать это удается не всегда, поэтому биотехнология, основанная на использовании ферментов в составе клеток (и организмов), имеет пределы на пути повышения эффективности. Идеальной была бы система, в которой можно использовать каталитические свойства очищенных ферментов, создав нужные для каждого производства технологические цепочки. В постепенном вытеснении живых (полуоткрытых) систем, каковыми являются клетки и организмы, биохимическими, т. е. полностью открытыми системами, состоящими из изолированных клеточных структур, и заключается тенденция прогресса в биотехнологии. Однако на каждом этапе развития именно уровень научных и методических достижений определяет возможность отказа от клеток и перехода к открытой системе.
Важнейшее достоинство клеток - это хорошо налаженное автоматическое восполнение изнашивающихся структур и постоянное поддержание их в рабочем состоянии. Этого пока не удалось добиться в открытых системах, они неустойчивы и дороги. Поэтому на данном этапе биотехнология выделения и использования ферментов распространяется пока на те случаи, когда ферменты участвуют в производственных процессах, осуществляются относительно простые химические реакции в производственных масштабах - расщепление (гидролиз), сбраживание, обработка и т. д. Ферментам присущи свойства, которые делают возможным их промышленное применение как катализаторов органических синтезов. Они обладают высокой каталитической активностью и в отличие от неорганических катализаторов высокоспецифичны, работают при умеренных рН и температурах (до 50 - 60°С). Неорганические же катализаторы требуют жестких кислотных и температурных условий, разрушительно действующих как на субстрат, так и на продукт реакции.
Активность ферментов поддается регулированию в широких пределах направленным изменением условий среды, ее кислотности, добавками веществ”, активирующих или подавляющих фермент. Главный недостаток ферментов - “ранимость”, повреждаемость. Правда, достигнуты значительные успехи в изменении свойств ферментов - повышена их устойчивость. Удалось существенно расширить сферу потенциального применения ферментов - они теперь “работают” в ангидридных органических растворителях и суперкритических жидкостях.
Пилотируемые и автоматические системы существенно отличаются в отношении достигаемых характеристик невесомости. В управляемом варианте к перечню факторов, мешающих создавать возможный уровень невесомости, т. е. воздействующих на нее, добавляется ряд новых возмущающих факторов, вносимых космонавтами. Какие же космические факторы общего характера воздействуют на невесомость и какова степень этих воздействий в обеих системах? Это остаточный уровень гравитации , аэродинамические силы , маневрирование на орбите . В пилотируемых системах к этим факторам добавляются консольные операции, дыхание , движение внутри корабля.
В пилотируемом варианте биотехнологическим процессом легче управлять, а вся система в целом может быть не столь автоматизирована. Автоматические системы дешевле (затраты 5 тыс. долл. на 1 кг) пилотируемых (10 тыс. долл./кг), но требуют более продолжительных предварительных испытаний устройств, которые будут работать в космосе. Система многократного пользования “LIFESAT”, выводимая на орбиту системой “Шатл”, которая, как ожидается, будет использоваться 2 или более раза в год, начиная с 1992 г., обеспечивай невесомость ~10″5 и способна к повторным использованиям каждые 2 месяца. Ниже мы рассмотрим некоторые примеры космических биотехнологий.
Первые работы в области космической биотехнологии возникли в начале 70-х годов с отработки методов электрофоретического разделения биоматериалов. В последующем они все больше расширялись за счет других видов работ - кристаллизации белков клеточных культур и др. Считается, что примерно 4% рынка биотехнологических продуктов может быть обеспечено космосом, а к концу столетия размер этой продукции по одним оценкам составит 2 млрд., по другим - около 15 млрд. долл. из общего объема биотехнологического производства около 350 млрд. долл.
Перенос генов в растения может быть с успехом использован и для создания новых интересных форм в цветоводстве. С помощью генно-инженерных подходов получена, например, трансгенная петуния с белыми цветами. Достигнуто это путем переноса гена хальконсинтетазы в антисмысловой ориентации. В результате синтеза анти-мРНК нарушалось образование флавиноидов, ключевую роль в котором играет фермент хальконсинтетаза.
Большое внимание в биотехнологических работах уделяют сое, плоды которой содержат много белка (40%) и масла (20%). Некоторым исследовательским группам удалось регенерировать из трансформированных отдельными генами клеток сои, растущих в культуре, целые растения с измененными генетическими свойствами. Они устойчивее к гербицидам, вирусам и насекомым, содержат больше богатых метионином запасных белков. Работы с соей продолжаются с целью получения новых сортов, устойчивых к вирусам и с измененным составом масла. Желание исследователей улучшить свойства такого ценного продукта, как масло, вполне понятно. Ведь мировая продукция растительного масла в настоящее время достигает 60 млн. т, а общая стоимость производимого масла составляет 20 млрд. долл.
Мы уже говорили об ассоциациях растений с микробами. Генная инженерия стремится изменить генетические свойства не только растений, но и ассоциированных с ними микроорганизмов. Известно, что растения получают из почвы лишь незначительную часть содержащегося в ней азота. Некоторых из них снабжают азотом симбиотические бактерии, которые живут в анаэробных условиях в клубеньках, образуемых на корневых волосках. За связывание атмосферного азота у азотфиксирующих клубеньковых бактерий Rhizobium ответственны гены nif. Перенос nif-генов в генетический аппарат растений решил бы важнейшую агробиотехнологическую задачу. Однако сейчас пока удалось реализовать несколько иной подход, который позволяет усилить азотфиксирующие свойства симбионта донника (Rhizobium meliloti) путем увеличения в нем числа nil-генов.
Разработаны подходы для получения морозоустойчивых растений, основанные на генно-инженерных манипуляциях с Pseudomonas syringae, сосуществующей с некоторыми растениями и содержащей белок, который ускоряет кристаллизацию льда. Когда из бактерии удаляют ген для этого белка, полученный штамм называют “лед-минус”. Штамм “лед-минус”, распыленным над клубнями картофеля, конкурирует с обычными бактериями, что в конечном счете приводит к повышению морозоустойчивости растений.
Два вида разделения биоматериалов испытывается в космических условиях: электрофорез и термодинамическое фазовое разделение. Как уже говорилось выше, в земных условиях в результате конвекции разделяемые вещества вновь перемешиваются. Конвекции возникают из-за того, что выделяемое электричеством тепло создает различия в жидкости, которые в условиях гравитации порождают конвекции. В условиях невесомости перемещение тепла минимизировано, что позволяет повысить напряжение электрического поля и тем самым - скорость процесса электрофоретического разделения.
За рубежом первые электрофоретические системы были использованы на борту “Аполлон-14″ в 1971 г., затем “Аполлон-16″ и “Союз-Аполлон”. Эффективность процесса разделения в невесомости была в сотни раз выше, чем в земных условиях, а качество разделения было лучше примерно в 4 раза. С помощью электрофореза в космических условиях был получен ценный медицинский препарат эритропоэтин - гормон, стимулирующий образование красных кровяных телец. Электрофоретическое разделение белков, в частности интерферона, проводится и на советских спутниках.
Очень хороший метод разделения биологических материалов основан на использовании несмешиваемых жидкостей (двухфазных систем), стремящихся обособиться по термодинамическому закону, по которому система должна минимизировать свободную энергию. В земных условиях этот метод крайне мало эффективен из-за того, что конвекция и седиментация смешивают разделяемые вещества с большей эффективностью, чем система их разделяет. В условиях невесомости метод показывает очень хорошие результаты. В настоящее время этот подход совершенствуется путем сочетания с электрическим полем.
