IV. Биотехнология и ее основные направления

Биотехнологией люди занимались еще тысячи лет назад: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании.

Древнейшим биотехнологическим процессом, скорее всего, было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э.

В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов.

Биотехнология — это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

Объекты биотехнологии:

— микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.}

— растения

— животные

— изолированные клетки и субклеточные структуры (органеллы).

В биотехнологии широко используются генетическая и клеточная инженерия, культивирование тканей многоклеточных организмов, иммунокоррекция, манипуляция с половыми клетками и др.

Выделяют пять основных направлений биотехнологии:

1) Производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок

Так, в настоящее время удалось осуществить микробный (и недорогой) синтез многих биологически активных веществ, присутствующих в тканях животных и растений в весьма низких концентрациях: инсулина, интерферона человека, гормона роста человека, вакцины против гепатита и т. д.

Были получены также штаммы микроогранизмов, которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В₃, В₁₃, и др.), чем исходные формы.

2) Применение микроорганизмов для добычи, превращения и переработки природных ископаемых.

Уже в древности первые металлурги получали железо из болотных руд, производимых железобактериями, которые способны концентрировать железо. Теперь разработаны способы бактериальной концентрации ряда других ценных металлов — марганца, цинка, меди, хрома и др. Эти методы используются для разработки отвалов старых рудников и бедных месторождений, где традиционные методы добычи экономически невыгодны.

3) Применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.).

Так, бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти.

Для извлечения металлов из сточных вод могут широко использоваться Citrobacter, Zoogloea, способные накапливать уран, медь, кобальт.

4) Создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных - этим направлением занимается:

Генная (генетическая) инженерия — это целенаправленное создание новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты.

Основной метод - создание рекомбинантной ДНК. Она образуется при введении ДНК одного организма в клетки другого организма.

Для осуществления переноса генов (или трансгенеза) от одного вида организмов в другой необходимо выполнить несколько сложных операций:

1) выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бактерий, растений или животных (в отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов);

2) соединение (сшивание) отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды;

3) введение гибридной плазмидной ДНК, содержащей нужный ген, в клетки хозяина;

4)копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы.

Микроорганизмы, растения и животные, геном которых изменен путем генноинженерных операций, получили название трансгенных.

Создание трансгенных бактерий

Трансгенные микроорганизмы позволяют решать ряд экологических проблем:

- активно поглощать углекислый газ из атмосферы, а следовательно, снижать парниковый эффект;

- активно поглощать воду из атмосферы, значит превращать пустыни в плодородные земли;

- конструировать трансгенные микроорганизмы, повышающие плодородие почв, утилизирующие загрязнители, конвертирующие отходы, ослабляющие проблему дефицита сырья (трансгенные микробы, синтезирующие каучук) и т. п.

Так, в настоящее время методами генной инженерии созданы штаммы бактерий, которые с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Получены штаммы бактерий, способные расщеплять октан, камфору, нафталин, ксилол, эффективно утилизировать сырую нефть. Разработаны высокоэффективные штаммы термофильных бактерий для удаления серы из угля и т.д.

Для создания трансгенных животных и растений клонированные гены путем микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающих или протопласты растений (изолированные клетки, лишенные клеточной стенки) и из них выращивают целых животных или растения, в геном которых встроены (интегрированы) клонированные гены.

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих и человека.

От трансгенных коз уже получено 10 лекарственных белков, которые выделялись с молоком в приличной концентрации — около одного грамма на литр молока. Это много: для курса лечения некоторых болезней требуется всего несколько миллиграммов.

Российским ученым удалось вырастить овцу, которая продуцировала с молоком химозин крупного рогатого скота — сычужный фермент, без которого нельзя приготовить сыр. Если раньше, чтобы добыть химозин, убивали двухнедельных телят, то теперь достаточно 50 тонн коровьего молока залить несколькими литрами овечьего молока и перемешать.

Успешно завершились опыты по выведению первых гипоаллергенных кошек учеными американской компании Allerca. Раздражение слизистой оболочки у людей обычно вызывает белок, который содержится в слюне и сальных железах животных. Ученым удалось модифицировать ген таким образом, что белок видоизменился и перестал воздействовать на человека.

Существуют программы по созданию трансгенной овцы, покрытой вместо шерсти шелком; трансгенной козы, молоко которой содержит ценный для человека интерферон. В Канаде работают над получением коз, выделяющих в молоко белок паутины. Из него хотят делать шовный материал для хирургии, пластики сухожилий, бронежилеты и многое другое.

В настоящее время созданы трансгенные растения томатов, картофеля, рапса, моркови, яблони и груши с геном rs дефензинов редьки, обладающие антимикробными свойствами.

Введение гена оболочки вируса табачной мозаики позволило создать устойчивый к нему трансгенный табак. Создаются также трансгенные формы огурцов, арбуза устойчивых к различным вирусам и проходящих в настоящее время полевые испытания.

Активно ведутся исследования по клонированию генов для данных растений от грибных болезней. Так, создан трансгенный табак, несущий ген хитиназы фасоли.

Ведутся работы по созданию трансгенного шпината, который вырабатывает белок, подавляющий ВИЧ-инфекции, и др.