Биотехнология

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

Вакцины-антигены высокостабильны при хранении и  перевозке, сравнительно просты в изготовлении (в том числе и при крупномасштабном производстве), содержат минимальное количество белка и поэтому малоопасны как аллергены. Они гарантированы от остаточной инфекционности — 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 генноинженерном белке, могут обладать иммуноген-ными свойствами. К повышению иммуногенности вакцин-антигенов ведет добавление адьювантов, иммобилизация вакцин на носителях или их включение в липосомы.

Ферменты  медицинского назначения.

Многообразно  применение ферментных препаратов в медицине. Их используют для растворения тромбов, лечения наследственных заболеваний (вместо отсутствующих эндогенных ферментов), удаления не-

жизнеспособных, денатурированных структур, клеточных и тканевых    фрагментов,    освобождения    организма    от    токсических веществ    (Н.   Ф.    Казанская   и   др.,    1984).    Яркий   пример-спасение   жизни   больных    с   тромбозом    конечностей,   легких, коронарных    сосудов    сердца    при    помощи    громболитически.х ферментов   (стрсптокиназы,   урокиназы).   В  СССР такие  препараты   созданы   в   иммобилизованной   форме   под   руководством Е.  И.  Чазова   и  И.   В.   Березина.   Ген  урокнназы  клонирован  в бактериях  (S. Prentis, 1984). 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,  кото рая лишает раковые клетки ресурсов необходимого для их раз вития    аспарагина,    поступающего    с    током    крови.    Здоровые клетки   в   отличие   от   раковых   (некоторых   типов)   способны   к самостоятельному синтезу аспарагина.

Известно около 200 наследственных заболеваний, обуслов ленных дефицитом какого-либо фермента или иного белкового фактора. В настоящее время делают попытки лечения этих заболеваний с применением ферментов. Так, пытаются лечить болезнь Готе, при которой организм не способен расщеплять, глюкоцереброзиды (S. Prentis, 1984).

В   последние   годы   все   больше   внимания   уделяют   ингибиторам  ферментов.  Ингибиторы  протеаз,  получаемые  из  актино мицетов   (лейпептин, антипаин, химостатин и др.)   и генноинже нерных штаммов Е. coil  (эглин)   и дрожжей (a-1 антитрипсин) оказываются   полезными   при   септических   процессах,   инфаркте миокарда, эмфиземе легких, панкреатите. Уменьшение концентрации глюкозы в крови больных диабетом  может быть достигнуто при исполь зовании ингибиторов кишечных инвертаз и амилаз, отвечающих за превращение крахмала и сахарозы в глюкозу.  Особой задачей является  поиск  ингибиторов ферментов, с   помощью   которых   патогенные   микроорганизмы   разрушают антибиотики, вводимые в организм больного.

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

4. Биотехнология и  пищевая промышленность

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

Все большее  значение приобретают низкокалорийные, не опасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза — продукт превращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкоизомеразы. В некоторых продуктах применяют глицин, дающий в комбинации 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 (диетическое) молоко, размягчают мясо. Большие возможности в плане  повышения питательной ценности представляет добавление в продукты питания витаминов и аминокислот. Ряд аминокислот производят с применением микробов-сверхпродуцентов, полученных с применением методов генетической инженерии. Так, генноинженерный штамм E. coli синтезирует до 30 г/л L-треонина за 40 ч культивирования. Важный аспект биотехнологии — улучшение штаммов промышленных микроорганизмов. Основные приложения биотехнологии к пищевой промышленности суммированы в табл. 3.

Биомасса  одноклеточных в перспективе  может употребляться как пищевая  добавка. Основные принципы получения белка в пищу те же, что и для производства кормового белка, однако крут допустимых субстратов более ограничен, в требования к компонентному составу биомассы более жесткие. В пищевой биомассе должно содержаться не менее 80% белка сбалансированного аминокислотного состава, не более 2% нуклеиновых кислот и 1% липидов (М. Г. Безруков, 1985). Необходимы детальные токсикологические и медико-биологические исследования с последующим клиническим испытанием пищевых препаратов биомассы (В. Г. Высоцкий, 1985)

Психологический барьер, на который наталкивается  произ водство «микробной пиши»  в странах Европы и Японии, связан не только с прямым риском подвергнуться  интоксикации, но и с сомнительными  вкусовыми достоинствами этой «пищи  будущего». Эксперт по проблемам питания, попробовав образец бактериальной биомассы, заметил: «Она имеет все те свойства, которыми должна обладать новая человеческая пища: не имеет ни запаха, ни цвета, ни структуры, ни вкуса».

Остается  выразить надежду на то, что в  эпоху, когда белок одноклеточных войдет в употребление, биотехнология сможет в полной мере использовать созданный ею же потенциал растительных и микробных клеток как продуцентов вкусовых, ароматизирующих и структурирующих пищу добавок. Перспективным представляется культивирование грибов (Fusarium), цианобак-терий (Spirulina), зеленых водорослей (Chlorella, Scenedesmus), имеющих консистенцию и другие органолептические свойства, более привычные для человека. Волокнистую массу Fusarium на базе картофельного или пшеничного крахмала как источник пищи для человека производит ныне компания Rank Hovis Me. Dougall. 

Таблица 3. Перспективы использования биотехнологических продуктов в пищевой промышленности (по П. П. Клесову, 1984; М. Haas, 1984; J. Kas, 1984; О. Volfova, 1984; О. Sahai, M. Knuth, 1985) 

5. Биогеотехнология

Приложения  биотехнологии к добыче, обогащению и перераработке руд, отделению  и концентрированию металлов из сточных вод как вторичного сырья, экстракции остаточных порций нефти из иссякающих месторождений относятся к области биогео-технологии. Большую роль в этих процессах играют микроорганизмы, способные жить в недрах Земли и осуществлять там химические превращения.

Способностью  переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руд) обладают различные бактерии. Например, Thiobacillus ferrooxydans выщелачивает железо, медь, цинк, уран и другие металлы, окисляя их серной кислотой, которая образуется этой бактерией из сульфида (Г. И. Ка-равайко, 1984). Chromobacterium violaceum растворяет золото по схеме Au-vAu(CN)₂ (A. D. Smith, R. J. Hunt, 1985). Технологии подобных процессов подкупают своей простотой: для извлечения остатков меди, урана, никеля из «пустых пород» горнорудного производства их обливают водой и собирают вытекающие продукты жизнедеятельности микроорганизмов — растворимые соединения (CuSO4, UO|⁺ и т. д.). Метод бактериального выщелачивания позволяет рассматривать разработку бедных месторождений как экономически выгодное предприятие. В США бедные никелевые руды, содержащие всего около 1 кг Ni на 1 т породы, предполагают «выдать на гора» с применением бактериального выщелачивания.

Если  речь идет об извлечении металлов из сточных  вод, то большое значение придается  таким микроорганизмам, как Citrobacter sp. (L. Е. Macaskie, А. С. R. Dean, 1985), Zoogloea ramigera, клетки и внеклеточные полисахариды которой извлекают U, Си, Cd (Г. И. Каравайко, 1984). Велика хелирующая способность грибной биомассы, что, учитывая сравнительную дешевизну ее наработки в больших количествах, открывает

перспективы не только для концентрирования металлов (РЬ, Hg, Zn, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, Ag, Au, Pt, Pd) из растворов, где они присутствуют в следовых количествах (Г'. И. Каравайко, 1984), но и для освобождения растворов от радиоактивных примесей (дезактивации).

Ксантан, внеклеточный полисахарид бактерии Xanthomonas campestris, может применяться для извлечения нефти из иссякающих месторождений. Остаточные порции нефти обычно адсорбируются на различных породах, содержащихся в нефтеносных пластах, и не вымываются из них водой. Раствор ксантана в воде обладает, однако, высокой вязкостью и при закачке в пласты под повышенным давлением высвобождает капли нефти из всех трещин и углублений нефтеносных пород (S. Prentis,

1984). Бактерии-деэмульгаторы,  например Nocardia sp, Rhodoco-сеик rhodochrous, разделяют водную и нефтяную фазы, что может быть использовано как для конценгрирования нефти, так и для очистки сточных вод от нефтяных примесей, создающих угрозу для окружающей среды.