Биотехнология. Вклад в решение глобальных проблем человечества

Биотехнология. Вклад в решение глобальных проблем человечества.

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  началииспользовать 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 105о 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? На  помощь  пришла  генная   инженерия.   Учёные   выделили   гены, ответственные  за   синтез  белков  паутины,  и  перенесли   их   в микроорганизмы.  В  1995  г.   появилось   сообщение   американских исследователей, что в микроорганизмах  действительно  синтезируется нужный  белок.  Таким  образом  открывается  путь  к  промышленному микробиологическому синтезу нового материала. Обычно для роста  микроорганизмов  используются  дешёвые  крахмал,