Современные биотехнологии

Значителен  вклад биотехнологии и в промышленное производство не пеп-тидных гормонов, в первую очередь стероидов. Методы микробио-логической трансформации позволили резко сократить число этапов хими-ческого синтеза кортизона, гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артрита. При производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованные микробные клетки, например Arthrobacter globiformis, для синтеза преднизолона из гидрокортизона. Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тирок-сина из микроводорослей.

Рекомбинантные  вакцины и вакцины-антигены.

Вакцинация — один из основных способов борьбы с инфекционными за-болеваниями. Путем поголовной вакцинации ликвидирована натуральная оспа, резко ограничено распространение бешенства, полиомиелита, жел-той лихорадки. На повестке дня — изготовление вакцин против гриппа, ге-патитов, герпесов, свинки, кори, острых респираторных заболеваний. Большое экономическое значение имеет разработка вакцин против болез-ней сельскохозяйственных животных — ящура, африканской болезни ло-шадей, овечьей болезни «синего языка», трипаносомозов и др. Традици-онные вакцинные препараты изготовляют на основе ослабленных, инакти-вированных или дезинтегрированных возбудителей болезней.

Современные биотехнологические разработки предусматривают  создание рекомбинантных вакцин и вакцин-антигенов. Вакцины обоих типов осно-ваны на генно-инженерном подходе. Для получения рекомбинантных вак-цин обычно используют хорошо известный вирус коровьей оспы (оспо-вакцины). В его ДНК встраивают чужеродные гены, кодирующие иммуно-генные белки различных возбудителей (гемагглютинин вируса гриппа, гли-копротеин D вируса герпеса, поверхностный антиген вируса гепатита В, ан-тиген малярийного плазмодия). Получаются вакцины против соответству-ющих инфекций, хорошо зарекомендовавшие себя в опытах на животных. К их достоинствам относится возможность создания поливалентных вак-цинных препаратов на основе объединения участков ДНК различных пато-генов «под эгидой» ДНК вируса оспо-вакцины. Открывается возможность одномоментной комплексной иммунизации, скажем, крупного рогатого скота против всех опасных инфекций данной местности.

Вакцины-антигены получают, клонируя гены возбудителя  болезни в Е. colt, дрожжах, клетках насекомых и млекопитающих. Клонирован ген поверх-ностного антигена HBS-вируса гепатита В (сывороточного гепатита), ген белка оболочки УРЬ-вируса ящура. Вирус ящура существует в виде многих серотипов, методом белковой инженерии удалось скомбинировать имму-но-генные компоненты различных серотипов в рамках одной вакцины-антигена.

Вакцины-антигены высокостабильные при хранении и  перевозке, сравни-тельно просты в изготовлении (в том числе и при крупномасштабном про-изводстве), содержат минимальное количество белка и поэтому мало-опасные как аллергены. Они гарантированы от остаточной инфекцион-ности — способности вызывать инфекционную болезнь вместо того, чтобы предохранять от нее. Проблемой является низкая иммуногенность вакцин-антигенов. Одной из причин может быть то, что вакцина не включает всех компонентов возбудителя, необходимых для создания иммунитета к нему. Так, вирус, покидая клетку, часто «одевается» ее мембраной. Компоненты этой мембраны, отсутствующие в генно-инженерном белке, могут обла-дать иммуно-генными свойствами. К повышению иммуногенности вакцин-антигенов ведет добавление адъювантов, иммобилизация вакцин на носителях или их включение в лизосомы.

Ферменты  медицинского назначения.

Многообразно  применение ферментных препаратов в  медицине. Их испо-льзуют для растворения тромбов, лечения наследственных заболеваний (вместо отсутствующих эндогенных ферментов), удаления нежизнеспособ-ных, денатурированных структур, клеточных и тканевых    фрагментов,    ос-вобождения    организма    от    токсических веществ.    Яркий   пример, спа-сение   жизни   больных    с   тромбозом    конечностей,   легких, коронар-ных    сосудов    сердца    при    помощи    громболитически.х ферментов   (строптокиназы,   урокиназы). Ген урокиназы  клонирован в бактериях. В современной медицине протеазы применяются для очистки очагов гнойно-некротических процессов от   патологических   продуктов,   а   также   для   лечения   ожогов. Лечение рака связано с использованием  L-аспарагиназы,  которая лишает раковые клетки ресурсов необходимого для их раз вития    аспарагина,    поступающего    с    током    крови.    Здоро-вые клетки   в   отличие   от   раковых   (некоторых   типов)   способны   к самостоятельному синтезу аспарагина.

Известно  около 200 наследственных заболеваний, обусловленных дефици-том какого-либо фермента или иного белкового фактора. В настоящее вре-мя делают попытки лечения этих заболеваний с применением ферментов. Так, пытаются лечить болезнь Готе, при которой организм не способен рас-щеплять глюкоцереброзиды.

Таковы основные направления биотехнологических разработок в области медицины. Без преувеличения можно сказать что центральное приложе-ние новейших биотехнологических подходов — медицина. Одной из проб-лем, связанных с белками медицинского назначения, является наличие у них побочных эффектов. Например, аллергические реакции возникают как против генно-инженерных белков, так и против моноклональных антител, даже если их получают на основе человеческих гибридом. Эта проблема не нова для медицины и не является непреодолимой.

5. Биотехнология и пищевая промышленность.

Микроорганизмы, культуры растительных клеток могут  дать пищевые до-бавки, выгодно отличающиеся своей «натуральностью» от синтетических продуктов, преобладающих в настоящее время. В будущем кулинар смо-жет добавить в изделие аромат земляники или винограда, масло чеснока или мяты — продукты, образуемые в биореакторах с растительными клет-ками.

Все большее  значение приобретают низкокалорийные, не опасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь  фруктоза — продукт превращения  глюкозы при участии иммобилизованной глюко-изомеразы. В некоторых продуктах применяют глицин, дающий в комби-нации с аспарагиновой кислотой различные оттенки сладкого и кислого. Планируют пищевое применение очень сладкого дипептида аснартама и особенно 100—200-звенных пептидов тауматина и монеллина, которые слаще сахарозы в 10 тыс. раз. В виде мультимера аспартам получен с помощью генноинженерных мутантов Е. coli, недавно клонирован также ген тауматина.

Немаловажную  роль играют ныне в пищевой промышленности ферменты. С их помощью осветляю  фруктовые соки, производят безлактозное (дие-тическое) молоко, размягчают мясо. Большие возможности в плане повы-шения питательной ценности представляет добавление в продукты пита-ния витаминов и аминокислот. Ряд аминокислот производят с примене-нием микробов-сверхпродуцентов, полученных с применением методов генетической инженерии. Так, генноинженерный штамм E. coli синтези-рует до 30 г/л L-треонина за 40 ч культивирования. Важный аспект биотех-нологии — улучшение штаммов промышленных микроорганизмов.

Биомасса  одноклеточных в перспективе может употребляться как пищевая добавка. Основные принципы получения белка в пищу те же, что и для производства кормового белка, однако круг допустимых субстратов более ограничен, в требования к компонентному составу биомассы более жест-кие. В пищевой биомассе должно содержаться не менее 80% белка сба-лансированного аминокислотного состава, не более 2% нуклеиновых кис-лот и 1% липидов. Необходимы детальные токсикологические и медико-биологические исследования с последующим клиническим испытанием пищевых препаратов биомассы.

6. Биогеотехнология.

Биогеотехнология - использование геохимической деятельности микро-организмов в горнодобывающей промышленности. Это экстракция и кон-центрирование металлов при биологической очистке сточных вод пред-приятий горнодобывающей промышленности и флотационных процессах: выщелачивание бедных и отработанных руд, десульфирование каменного угля, окисление пиритов и пиритсодержащих пород. Своими корнями био-геотехнология уходит в геологическую микробиологию. Микроорганизмы принимали и принимают активное участие в геологических процессах. Биологические свойства различных групп микроорганизмов и особенности их жизнедеятельности в месторождениях полезных ископаемых составляют научные основы биогеотехнологии.

 Биогеотехнология стихийно зародилась еще в XVI в. До нас дошли све-дения о том, что в те далекие времена в Венгрии для получения меди гру-ды добытой руды орошали водой. Этот нехитрый технологический прием оказался прообразом современного бактериально-химического метода кучного выщелачивания металлов из руд. Конечно, тогда еще не знали, что используемый процесс получения меди по своей природе является микро-биологическим. Это стало известно только в 1922 г. благодаря работам немецких ученых Рудольфа и Хельброннера. По-видимому, 1922 г. следует считать официальной датой рождения биогеотехнологии. В дальнейшем биогеотехнология развивалась неровно и своего совершеннолетия достиг-ла к началу 80-х годов нашего века. К этому времени наряду с бактериаль-ным выщелачиванием металлов сформировались и другие разделы био-геотехнологии — удаление серы из углей, борьба с метаном в угольных шахтах, повышение нефтеотдачи пластов.

Биогеотехнология выщелачивания металлов — использование главным образом тионовых (окисляющих серу и серосодержащие соединения) бак-терий для извлечения металлов из руд, рудных концентратов и горных по-род. При переработке бедных и сложных руд тысячи и даже миллионы тонн ценных металлов теряются в виде отходов, шлаков, «хвостов». Проис-ходят также выбросы вредных газов в атмосферу. Бактериально-химичес-кое выщелачивание металлов уменьшает эти потери. Основу этого процес-са составляет окисление содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. Окисляются сульфиды меди, железа, цинка, оло-ва, кадмия и т. д. При этом металлы из нерастворимой сульфидной формы переходят в сульфаты, хорошо растворимые в воде. Из сульфатных раство-ров металлы извлекаются путем осаждения, экстракции, сорбции. Одним из возможных путей извлечения металлов из растворов является адсорб-ция металлов клетками живых микроорганизмов, так называемая био-сорбция металлов. Металлы включаются в состав специфических белков – металлотионеинов. Полезными для биогеотехнологии добычи металлов свойствами обладает целый ряд микроорганизмов. Но основным из них, безусловно, является открытый в 1947 г. Колмером и Кинкелем вид тионо-вых бактерий, названный Thiobacillus ferrooxidans. Необходимую для роста энергию эти бактерии получают при окислении восстановленных соедине-ний серы и двухвалентного железа в присутствии свободного кислорода. Они окисляют практически все известные в настоящее время сульфиды металлов. Источником углерода для роста бактерий служит при этом угле-кислый газ. Характерной особенностью их физиологии является потреб-ность в очень кислой среде. Они развиваются при рН от 1 до 4,8 с оптиму-мом при 2—3. Интервал температур, в котором могут развиваться бакте-рии этого вида, составляет от 3 до 40°С с оптимумом при 28°С. Тионовые бактерии широко распространены в природе. Они обитают в водоемах, почвах, угольных и золоторудных месторождениях. В значительных коли-чествах встречаются они в месторождениях серных и сульфидных руд. Но в условиях естественного залегания таких руд активность тионовых бактерий сдерживается отсутствием кислорода. При разработке сульфидных место-рождений руды вступают в контакт с воздухом, и в них развиваются мик-робиологические процессы, приводящие к выщелачиванию металлов. Применяя определенные биотехнологические мероприятия, этот естественный процесс можно ускорить.

 Основной  технологической операцией этого  способа является орошение отвалов  добытой руды растворами, содержащими  серную кислоту, ионы двух- и  трехвалентного железа, а также  жизнеспособные клетки тионовых бактерий. Иногда для усиления процессов выщелачивания внутрь отвала подают воздух. В таких условиях выщелачивающий раствор фильтруется через толщу руды и в результате микробиологических и химических про-цессов обогащается извлекаемыми из руды металлами. Затем этот раствор собирают с помощью системы коллекторов, и из него извлекают металлы одним из физико-химических методов. Ежегодно в мире таким способом добывают сотни тысяч тонн меди, или примерно 5 % от ее общей добычи. В ряде стран этим способом получают также значительные количества урана.

Биогеотехнология обессеривания углей — использование тионовых бак-терий для удаления серосодержащих соединений из углей. Как бурые, так и каменные угли нередко содержат значительные количества серы. Общее содержание серы в углях может достигать 10—12 %. При сжигании углей содержащаяся в них сера превращается в сернистый газ, который поступа-ет в атмосферу, где из него образуется серная кислота. Из атмосферы сер-ная кислота выпадает на поверхность земли в виде сернокислотных дождей.

 По имеющимся  данным, в некоторых странах Западной  Европы в год на 1 га земли  с дождями выпадает до 300 кг  серной кислоты. Нетрудно себе  представить, какой ущерб наносят  кислотные дожди здоровью человека, его хозяйственной деятельности  и окружающей природе. Кроме  этого, вы-сокосернистые угли плохо коксуются и поэтому не могут быть использо-ваны в цветной металлургии. Микробное удаление серы из углей, по мне-нию специалистов, является экономически выгодным, и с ним связывают надежды на решение проблемы сернокислотных дождей.

 Первые  опыты по направленному удалению  серы из угля с использовани-ем микроорганизмов были выполнены в 1959 г. в нашей стране 3. М. Зару-биной, Н. Н. Ляликовой и Е. И. Шмук. В результате этих опытов за 30 суток с участием бактерий Th. ferrooxidans из угля было удалено 23—30 % серы. Позднее несколько работ по микробиологическому обессериванию угля было опубликовано американскими исследователями. Им удалось с помо-щью тионовых бактерий снизить содержание пиритной серы в каменном угле за четверо суток почти на 50 %.

 Этот  метод будет сопровождаться попутным  выщелачиванием различных металлов. Известно, что в заметных количествах содержится в углях герма-ний, никель, бериллий, ванадий, золото, медь, кадмий, свинец, цинк, мар-ганец. Попутное получение ценных металлов при десульфуризации угля должно дать дополнительный экономический эффект.