Биотехнологии

                                     Биотехнологии

Удивительными открытиями в науке и грандиозным научно-техническим  прогрессом ознаменовался XX век, однако научно-технический прогресс в настоящем  виде имеет негативные стороны: исчерпание ископаемых ресурсов загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов растений и животных, глобальное изменение  климата, появление озоновых дыр  над полюсами Земли и т.д. Ясно, что такой путь ведёт в тупик. Нужно принципиальное изменение  вектора развития. Биотехнология  может внести решающий вклад в  решение глобальных проблем человечества.

Биотехнология - это  использование живых организмов (или их составных частей) в практических целях. Когда говорят о современной  биотехнологии, то подобное определение  дополняют словами: на базе достижений молекулярной биологии. Если не сделать  подобного добавления, то под определение "биотехнология" попадут и традиционное с/х, животноводство и многие отрасли  пищевой промышленности, использующие микроорганизмы. Далее мы остановимся  на одном из видов биотехнологии, а именно на генной инженерии, которая  открывает совершенно новые пути в медицине химии, в производстве Энергии, новых материалов, в охране окружающей среды. Генная инженерия - это  технология манипуляций с веществом  наследственности - ДНК.

Сегодня учёные могут  в пробирке разрезать молекулу ДНК  в желательном месте, изолировать  и очищать отдельные её фрагменты, синтезировать их из двух дезоксирибонуклеотидов, могут сшивать такие фрагменты. Результатом таких манипуляций  являются "гибридные", или рекомбинантные молекулы ДНК, которых до этого не было в природе.

Годом рождения генной инженерии считается 1972 год, когда  в лаборатории Пола Берга в  США была получена в пробирке первая рекомбинантная реплицироваться, т.е. размножаться, в бактерии кишечной палочки E.сoli. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря  фундаментальным открытиям в  молекулярной биологии.

В 60-е годы ученые расшифровали генетический код, т.е. установили, что  каждая аминокислота в белке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК. Особенно важно, что генетический код  универсален для всего живого мира. Это означает, что весь мир "разговаривает" на одном языке. Если передать в какую- либо клетку "чужеродную" ДНК, то информация, в ней закодированная, будет правильно  воспринята клеткой реципиентом.

Далее было установлено, что существуют специальные последовательности ДНК, определяющие начало и окончание  транскрипции, трансляции , репликации. Практически все эти системы, в первом приближении, безразличны  к последовательностям ДНК, расположенным  между данными сигналами. Надо сказать, что сами сигналы различаются  в разных организмах. Из всего сказанного следует, что если взять некий  структурный ген(например человека) и in vitro снабдить его сигналами, характерными для гена бактериальной клетки, то такая структура, помещённая в бактериальную  клетку, будет способна к синтезу  человеческого белка.

Принципиальная особенность  генной - способность создавать структуры  ДНК, которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия  преодолела барьер, существующий в  живом мире, где генетический обмен  осуществляется только в пределах одного вида или близкородственных видов  организмов. Она позволяет переносить гены из одного живого организма в  любой другой. Эта новая техника  открыла безграничные перспективы  создания микроорганизмов, растений и  животных с новыми полезными свойствами.

Конечно, нарушение  барьеров живой природы может  таить потенциальную опасность. Вот почему во всех развитых странах  мира правила работы, законы, регулирующие генно-инженерную деятельность. Закон  о "генно-инженерной деятельности" принят и парламентом РФ в июле 1996 г.

Невозможно рассказать о всех аспектах применения техники  генной инженерии в биотехнологии  или научных исследованиях. Приведём лишь несколько примеров, иллюстрирующих возможности этого метода.

Одно из наиболее важных направлений генной инженерии - производство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки  человека. Следует напомнить, что в большинстве случаев белки человека (как и других животных) видоспецифичны, т.е. для лечения человека можно использовать только белки человека. Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в нужных количествах.

В связи со сказанным  интересна история получения  интерферонов. В 1957 г. английские ученые Иссаакс и Линдельман обнаружили, что мыши, болевшие гриппом, не подвержены инфекции другими, более опасными вирусами. Исследование наблюдаемого явления  привело к выводу, клетки животных и человека в ответ на вирусную инфекцию выделяют какое-то вещество, которое делает окружающие здоровые клетки устойчивыми к вирусной инфекции. Это вещество (или вещества) получило название интерферона.

В течение последующих 20 лет велись интенсивные исследования. Было установлено, что интерфероны - группы белков, относящиеся к 3 классам - alpha, betta и gamma. Лейкоциты крови выделяют интерферон типа alpha , фибробласты типа betta и T- лейкоциты типа gamma. Интерфероны  выделили, очистили и показали их эффект как противовирусных лекарств. Кроме  того, эти белки оказались эффективными при лечении рассеянного склероза и некоторых видов рака. Единственным препятствием к использованию интерферонов была их малая доступность. Они синтезировались  в очень малых количествах: источником их получения была или донорская  кровь, или культура клеток человека. К сожалению, эти источники не позволяли получать интерфероны  в количестве, нужных медицине.

В 1980 - 1985 гг. в нескольких лабораториях мира, в том числе  и в СССР, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и  введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Очень важно, что они  быстро растут, используют дешёвую  питательную среду и синтезируют  большое количество белка. Из 1 л  бактериальной культуры можно выделить столько человеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс. л. донорской  крови. Полученный белок абсолютно  идентичен интерферону, синтезируемому в организме человека. Конечно, пришлось решать сложную задачу очистки интерферона, полученного способом генной инженерии, до гомогенного состояния.

Ещё 4 - 6 лет заняли доклинические и клинические  испытания. Наконец в 1989 -1990 гг. появилось  новое лекарство - человеческий интерферон alpha; в России он выпускается под  названием "реаферон". За эту работу группа ученых удостоена Ленинской  премии.

Сегодня это почти  единственный препарат, который эффективен против вирусных гепатитов как в  острой, так и в хронических  формах, против герпеса, простудных заболеваний. Интерферон применяется и в терапии  некоторых видов рака. За рубежом  с 1994 г. выпускаются препараты betta и gamma - интерферонов человека.

Из других препаратов рекомбинантных белков человека, получивших широкое медицинское применение, следует назвать инсулин, гормон роста, эритропоэтин. Свиной инсулин  отличается от человеческого всего  одной аминокислотой. Применяется  с 1926 г. для лечения людей при  инсулинзависимом сахарном диабете. Для  гормона роста и эритропоэтина  отмечается, как и для интерферонов, видоспецифичность белков. Генная инженерия  открыла новую возможность использования  этих белков в медицине. Гормон роста  применяется не только для борьбы с карликовостью, но и широко используется как стимулятор для заживления ран, сращивания костей. Гормоны роста  животных начали использовать в с/х (увеличение на 15% удоя коров, ускорение  роста рыб). Эритропоэтин - стимулятор кроветворения и используется при  лечении различного рода анемий.

В настоящее время  в мире получили разрешение на применение более 30 препаратов, созданных методами генной инженерии, и более 200 находятся  на разных стадиях клинических исследований. Сейчас более 20% фармацевтического  рынка лекарств составляют лекарства  новой биотехнологии.

Использование рекомбинантных белков человека - принципиально новая  терапия. В не вводится ничего чужого. Действительно, если в нём не хватает  инсулина или гормона роста, их добавляют (заместительная терапия). С вирусами организм сам борется с помощью  интерферонов - человек просто помогает ему.

Значительные успехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и тканей растений в пробирке и возможность  регенерации целого растения из отдельных  клеток.

В генной инженерии  растений есть свои проблемы. Одна из них  состоит в том, что многие полезные свойства растений кодируются не одним, а многими генами. Это делает трудным  или невозможным прямое генно-инженерное совершенствование свойств. Другое препятствие, которое постепенно преодолевается, - трудности культивирования и  регенерации клеток в целое растение среди некоторых видов, например злаков. Лучшие результаты получены в  том случае, когда перенос одного гена может привести к появлению  у растения полезного свойства.

Несмотря на ограничения, получены впечатляющие результаты: созданы  сорта хлопчатника, томатов, табака, риса, устойчивых к насекомым-вредителям, вирусам, грибковым заболеваниям. Пионер в области применения генно-инженерных растений в с/х - США. Здесь в 1996 году до 20% посевов хлопчатника произведено  семенами, модифицированными методом  генной инженерии.

Создание генно-инженерных (их сейчас называют трансгенными) животных имеет те же принципиальные трудности, что и создание трансгенных растений, а именно: множественность генов, определяющих хозяйственно ценные признаки. Тем не менее, есть быстро развивающаяся  область, связанная с созданием  трансгенных животных - продуцентов  биологически активных белков.

В высших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенных тканях. Хотя все гены содержатся в каждой клетке, в специализированных клетках работают только некоторые из них, этим и определяется тканевая специфичность. Примером может  служить производство белков молока (козеин, лактальбумин) в молочных железах. Есть возможность подставить нужный нам ген под регуляторные последовательности, например казеина, и получить чужеродный белок в составе молока. Важно  при этом, что животное чувствует  себя нормально, так как чужой  ген работает только в процессе лактации.

В мире уже существуют сотни трансгенных овец и коз, продуцирующих в молоке от десятков миллиграмм до нескольких грамм биологически активных белков человека в 1л молока. Такой метод производства экономически выгоден и экологически чище, хотя и требует от ученых больших усилий и времени при создании трансгенных  животных по сравнению с созданием  генно-инженерных микроорганизмов.

С молоком трансгенных  животных можно получать не только лекарства. Известно, что для производства сыра высокого качества необходим фермент, створаживающий молоко, - реннин. Этот фермент добывают из желудков молочных телят. Он дорог и не всегда доступен. Наконец, генные инженеры сконструировали  дрожжи, которые стали производить  этот ценный белок при микробиологическом синтезе.

Следующий этап генной инженерии - создание трансгенных овец, которые синтезируют химозин  в молоке. Небольшое стадо наших  овец в России находится на Ленинских  Горках под Москвой. Эти овцы синтезируют  до 300 мг/л фермента в молоке. Для  процесса сыроварения белок можно  не выделять, а использовать просто в составе молока.

Возможна экспансия  биотехнологии в области, которые  сегодня целиком принадлежат  химии. Это - биокатализ (вместо химического  катализа) и новые материалы. Один из процессов биокатализа, успешно  реализованного в промышленности, - получение акриламида из акрилонитрила.

CH2=CH–CN -> CH2=CH-C=0

|

NH2

Акриламид служит исходным мономером для получения полимеров  и сополимеров, широко используемых при очистке воды и стоков, в  горном деле, при осветлении соков  и вин, приготовлении красок и  т.п.

До недавнего времени  процесс гидролиза нитрила вели при 105 С в присутствии серной кислоты. После окончания процесса серную кислоту нейтрализовали аммиаком. Большое количество сернокислого аммония, в конечном счёте оказывался в  реках. Были велики затраты энергии, быстро изнашивалось оборудование, и  качество акриламида оставляло желать лучшего.

В 1987 году ученые из института  генетики и селекции промышленных микроорганизмов  совместно со своими коллегами из Саратовского филиала института  приступили к поиску в природе  микроорганизмов, которые могли  бы превращать акрилонитрил в акриламид, Такие микроорганизмы были найдены. После ряда манипуляций получены микроорганизмы, синтезирующие в 10 тыс. раз больше фермента – нитрилгидратазы, ответственного за трансформацию акрилонитрила.

Достижения учёных реализованы на практике. На одном  из заводов, выпускающий антибиотики, налажен выпуск биокатализатора, т.е. нужных микроорганизмов, а ещё на 3 заводах осуществлён процесс  биокаталитического получения акриламида. Процесс осуществляется при комнатном  давлении и температуре, следовательно, мало энергоёмок. Процесс практически  не имеет отходов, экологически чист. Получаемый новым методом акриламид  имеет высокую чистоту, что важно, так как большая его часть  далее полимеризуется в полиакриламид, а качество полимера сильно зависит  от чистоты мономера.

Другой пример относится  не к биокатализу, а к биоматериалам. Учёные давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала, из которого пауки плетут сети.

Паутинка примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса, этот материал мягче хлопка, прочнее  стали, обладает уникальной эластичностью, практически не меняет свойств при  изменении температуры, материал идеально подходит для многих практических целей: парашютного корда, бронежилетов и  т.д. Вопрос, где взять большое  количество паутины по исходной цене?