5.3.4 Современные биотехнологии. Генная инженерия

Общие сведения о биотехнологиях

Технологии использования живых организмов и биологических процессов для производства и переработки различных продуктов называются биотехнологиями.

Некоторые биотехнологические процессы известны с древних времен и использовались в хлебопечении, приготовлении уксуса, сыра, различных способах переработки кожи и растительных волокон. Много столетий назад началось производство алкогольных напитков.

Появление термина “биотехнологии” относится к 70-м годам прошлого столетия и связано с успехами молекулярной генетики. Современные биотехнологии основаны главным образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток. Используя микробиологический синтез, получают кормовые и пищевые белки, ферменты, аминокислоты, антибиотики, витамины и др. Новое развитие получили биотехнологии с созданием генной инженерии. С применением генных технологий и естественных биоорганических материалов синтезируются биологически активные вещества – гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет. С помощью методов генетической инженерии получены бактерии, продуцирующие в промышленных масштабах интерферон, инсулин, гормон роста человека. Культуры растительных клеток используются для получения медицинских препаратов, селекции растений с нужными свойствами.

Развитие биотехнологий необходимо для обеспечения населения продовольствием, минеральными ресурсами, энергией. Разрабатываются и внедряются биологические методы очистки воды.

Генная инженерия

Генная технология включает методы молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генная инженерия возникла в начале 70-х годов XX века и называлась тогда технологией рекомбинантных ДНК. В ее основе лежит извлечение из клеток организма гена или группы генов, кодирующих нужный признак, и соединение их с молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма и размножаться в них. Основная цель генной инженерии – видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с нужными свойствами. На начальной стадии развития генных технологий был получен ряд биологически активных соединений – инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем генетики, медицины и сельского хозяйства.

Заданные операции с фрагментами ДНК позволяют производить два вида белков: ферменты рестриктазу и ДНК-лигазу. Первый выполняет функцию катализатора при расщеплении ДНК на определенные фрагменты нуклеотидов, а другой катализирует объединение двух фрагментов ДНК.

ДНК-лигаза может встроить в ДНК чужеродный фрагмент. Чужеродный фрагмент вырезается из молекулы донора ДНК. ДНК, в которую встраивается чужеродный фрагмент, называется плазмидой. Образовавшийся продукт называется рекомбинантной ДНК.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белков. Способность рекомбинантной ДНК управлять синтезом белков расширяет область применений микроорганизмов в биотехнологии. Появляется возможность сравнительно недорого производить многие природные ферменты. Открываются пути совершенствования технологии получения биокатализаторов, не существующих в природе.

Изменения в структуре и содержании современной биотехнологии, связанные с применением методов генетической инженерии, можно кратко сформулировать следующим образом:

1 Существенно повысилась продуктивность промышленных микроорганизмов – продуцентов ряда классических продуктов: аминокислот, ферментов и других путем введения дополнительных генов, увеличения их количества и активности.

2 Удалось изменить питательные потребности микроорганизма. Можно сказать, что микроорганизмы заставили есть то, что дают.

3 Микроорганизмы научили синтезировать несвойственные вещества, тем самым увеличилось разнообразие биотехнологической продукции.

4 Подверглась пересмотру вся логика селекции микроорганизмов – продуцентов. Ранее ученые искали активный штамм и создавали под него конкретную технологию. В настоящее время берут приспособленный к условиям производства штамм и вводят генную конструкцию, которая обеспечивает синтез целевого продукта.

Роль биотехнологий в увеличении продовольственных ресурсов

История развития сельского хозяйства началась примерно 12 тысяч лет назад. В то время численность населения нашей планеты составляла около 15 млн человек. К началу нового летоисчисления насчитывалось около 250 млн человек, к 1985 г. население Земли составило около 5 млрд. По некоторым оценкам к 2020 г. численность населения превысит 10 млрд. человек. Пропитание стремительно увеличивающегося населения планеты – одна из важнейших проблем современного человечества. К концу XX в. число людей, находящихся на грани голодной смерти, достигло 650 млн человек.

На протяжении длительного времени проблема увеличения продовольственных ресурсов решалась преимущественно путем расширения культивируемых земель. Однако к настоящему времени в большинстве стран вся пахотная земля уже освоена, расширение площадей требует больших капиталовложений и ставит под угрозу местный экологический баланс. Данную проблему нужно решать на базе последних достижений естествознания.

Традиционные пути решения увеличения продовольственных ресурсов основаны на совершенствовании технологий производства и хранения продуктов питания. В производственном процессе должны восстанавливаться структура и плодородие почвы, использоваться удобрения и регуляторы роста растений и животных. Существенным фактором производства продуктов питания является контроль над вредителями. При решении всех этих вопросов тесно переплетаются технологии, основанные на химических, биологических и других естественнонаучных знаниях.

Другим путем увеличения продовольственных ресурсов является получение пищевой биомассы из отходов производства. Благодаря достижениям биотехнологий в настоящее время производится в промышленных масштабах целая гамма искусственных питательных веществ, по многим свойствам превосходящих продукты естественного происхождения. Особое значение при этом имеет производство белков, необходимых для постоянной регенерации и роста любых организмов.

Современные биотехнологии позволяют превратить отходы древесины, соломы и другое растительное сырье в ценные питательные белки. Эта технология включает процесс гидролизации промежуточного продукта – целлюлозы – и нейтрализацию образующейся глюкозы с введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов – дрожжевых грибков. В результате жизнедеятельности этих микроорганизмов получается высококачественный пищевой продукт, содержащий около 50% белка-сырца и различные витамины.

Некоторые виды грибков превращают нефть, мазут, природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Так, из 100 т неочищенного мазута можно получить 90 т дизельного топлива и 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чистого белка. Столько же дрожжей производится из 50 т сухой древесины или 30 тысяч кубометров природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо из 10000 голов коров, которых необходимо кормить и содержать. Промышленное производство белка автоматизировано, дрожжевые культуры растут в тысячи раз быстрее, чем крупный рогатый скот. Искусственные белковые питательные вещества широко используются в животноводстве, давая возможность получать высококачественную мясную продукцию.

Биотехнологии и медицина

Важнейший вклад биотехнологии в решение проблем охраны здоровья человека – получение антибиотиков. Антибиотиками называются органические вещества, вырабатываемые микроорганизмами и обладающие токсическим действием по отношению к другим микроорганизмам. Антибиотиками называются также антибактериальные вещества, выделяемые из растительных и животных клеток. Первый эффективный антибиотик (пенициллин) был открыт А. Флемингом в 1929 г. Антибиотики широко вошли в медицинскую практику в 40-е годы XX века. В настоящее время в мире налажено промышленное производство антибиотиков, они занимают первое место среди продукции мировой фармацевтической промышленности по объему производства. Насчитывается до 6000 различных антибиотиков, более 100 из которых находят широкое применение. Антибиотики используются как лекарственные препараты для подавления развития бактерий, микроскопических грибов, некоторых вирусов и простейших. Получены противоопухолевые антибиотики.

Уже упоминался синтез инсулина – белка для лечения диабета. Ген, синтезирующий инсулин человека, был введен в плазмиду и внедрен в обычную бактерию E.coli. Другой пример – синтез соматотропина, применяющегося при лечении заболеваний, вызванных нарушением функциональной деятельности гормонов роста.

Многие вакцины, защищающие от вирусных инфекций, часто выделяют из природных источников. Введение при вакцинации активного вируса, вызывающего заболевание, сопряжено с определенным риском. Более безопасные вакцины получают с применением генной инженерии, позволяющей получить ДНК, кодирующую белок поверхностного слоя вируса. В таком случае иммунитет достигается введением белковой оболочки вируса, что исключает случайное заражение организма.

Химически приготовленные последовательности ДНК используются для выявления генетических дефектов, свидетельствующих о предрасположенности организма к тому или иного заболеванию. Можно надеяться, что генетические болезни будут излечиваться путем замещения дефектных генов. Следует ожидать, что технологии рекомбинантных ДНК помогут выяснить природу регуляции генов в клетке.

Интерес для медицины представляют природные молекулы, обладающие биологической активностью. Однако их не всегда можно использовать для фармацевтических целей из-за сравнительной высокой себестоимости и нежелательных побочных действий. Поэтому часто используют химически сходные молекулы или фрагменты природного вещества. Генная инженерия позволяет производить лекарственные препараты модифицированной формы для повышения их биологической активности. На основе современных биотехнологий синтезируются препараты, блокирующие биологическую активность разных биомолекул.

Большое значение в медицине имеет разработка кровезаменителей.