Биотехнология. Вклад в решение глобальных проблем человечества

Биотехнология. Вклад в решение глобальных проблем человечества

                           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.

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?

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, патока и другие с/х продукты, т.е. возобновляемое сырьё.

Приведённые примеры далеко не охватывают всех практических аспектов применения генной инженерии. Мы не касались вопросов энергетики, охраны среды, добычи полезных ископаемых, микробиологической промышленности, а также очень важного вопроса – роли генной инженерии в развитии самой молекулярной биологии.

Новая «Зелёная революция», которая уже началась, даст растения, которые не будут нуждаться в пестицидах, а в будущем - и в азотных удобрениях. Прекращение использования

Химических пестицидов резко улучшит состояние окружающей среды, сократит расходы нефти и газа на их производство (на 3%). Появятся новые материалы новые лекарства, высокопроизводительные животные, новые пищевые продукты.

По заключению экспертов конгресса США, «биотехнология в наибольшей степени изменит образ жизни людей в XXI веке».