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».