Биотехнология металлов

метки: Биотехнология, Металл, Растение, Клетка, Животное, Помощь, Средство, Препарат

С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в различных сферах практической дея­тельности человека. К ним относятся хлебопечение, виноделие, приготовление кисло-молочных продуктов и т. д. Однако биоло­гическая сущность этих процессов была выяснена лишь в XIX в., благодаря работам Л. Пастера. В первой половине XX в. сфера приложения биотехнологии пополнилась микробиологическим производством ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка.

Немаловажный вклад в биотехнологические разработки внесли советские исследователи: в СССР в 30-е годы были построены первые заводы по получению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках, под руководством В. Н. Шапошникова успешно внедрена технология микробиологического производства ацетона и бутанола. Большую роль в создание основ отече­ственной биотехнологии внесло учение Шапошникова о двухфаз­ном характере брожения. В 1926 г. в СССР были исследованы биоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами. В последующие годы биотехнологические разработки широко использовались в нашей стране для расши­рения «ассортимента» антибиотиков для медицины и животно­водства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов.

С момента создания в 1963 г. Всесоюзного научно-исследо­вательского института биосинтеза белковых веществ в на­шей стране налаживается крупнотоннажное производство бога­той белками биомассы микроорганизмов как корма. В 1966 г. микробиологическая промышленность была выделена в отдель­ную отрасль (Главное управление микробиологической промыш­ленности при Совете Министров СССР — Главмикробиопром).

Имеются ценные разработки по получению новых источников энергии биотехнологическим путем (технологическая биоэнерге­тика), отметим большое значение биогаза — заменителя топлива, получаемого из недр земли.

Значительные успехи, достигнутые во второй половине XX в. в фундаментальных исследованиях в области биохимии, био­органической химии и молекулярной биологии, создали предпо­сылки для управления элементарными механизмами жизнедея­тельности клетки, что явилось мощным импульсом для развития биотехнологии. Выяснение роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации, расшифровка генетического кода, раскрытие механизма индукции и репрессии генов, совершен­ствование технологии культивирования микроорганизмов, клеток и тканей растений и животных позволили разработать методы

Форсированное строительство социализма в СССР (1930-е гг.)

... резко снизились. Необходимо было искать новые источники и формы. Разработка пятилетнего плана. Курс на форсированное строительство современной промышленности. В 1927 г. ... тканей и др.) план был выполнен только в первой половине 50-х годов. Второй пятилетний план (1933 - ... Итоги и результаты. Высоким оставался уровень технологической зависимости СССР от государств запада. В 1929 - 1932 гг. ...

генетической и клеточной инженерии, с помощью которых можно искусственно создавать новые формы высокопродуктивных орга­низмов. Генетическая и клеточная инженерия рассматривается как принципиально новое направление биологической науки, которое сегодня ставят в один ряд с расщеплением атома, прео­долением земного притяжения и созданием средств электроники (Ю. А. Овчинников, 1985).

В разработку генноинженерных методов советские исследова­тели включились в 1972 г. Следует указать на успешное осу­ществление проекта «Ревертаза» — получение в промышленных масштабах обратной транскриптазы в СССР.

С 1970 г. в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции культур для непрерывного культивирования в про­мышленных целях.

Развитие методов для изучения структуры белков, выяснение механизмов функционирования и регуляции активности фермен­тов открыли путь к направленной модификации белков и привели к рождению инженерной энзимологии. Иммобилизованные фер­менты, обладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструментом для осуществления каталитических реакций в раз­личных отраслях промышленности.

Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уро­вень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами. В современном звучании биотехнология — это промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высоко­эффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами.

Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов. Многоэтапность процесса обусловли­вает необходимость привлечения к его осуществлению самых различных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и кле­точных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов био­технологического оборудования и др.

В Комплексной программе научно-технического прогресса стран — членов СЭВ в качестве первоочередных задач биотехно­логии определены создание и широкое народнохозяйственное освоение:

• новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста человека, моноклональных антител и т.д.), позволяющих осуществить в здравоохранении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний — сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфекционных, в том числе вирусных;

• микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений;
• новых высокопродуктивных и устойчивых к неблаго­приятным факторам внешней среды сортов и гибридов сельско­хозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;

• ценных кормовых добавок и биологически активных ве­ществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов и др.) для повышения продуктивности животноводства;
• новых методов биоинженерии для эффективной профилактики, диагностики и терапии основных болезней сель­скохозяйственных животных;

• новых технологий получения хозяйственно ценных продук­тов для использования в пищевой, химической, микробиологи­ческой и других отраслях промышленности;
• технологий глубокой и эффективной переработки сельско­хозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использова­ния сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

По оценкам специалистов, мировой рынок биотехнологиче­ской продукции уже к середине 90-х годов достигнет уровня 130—150 млрд. руб. (Ю. А. Овчинников, 1985).

Границы применения биотехнологии в пищевой промышленности

... в добыче и переработке полезных ископаемых, получении различных препаратов и создании новой аппаратуры для аналитических целей. 2. Биотехнология и сельское хозяйство, Биотехнология и растениеводство Культурные растения ... инструментом для осуществления каталитических реакций в различных отраслях промышленности. Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от ...

На пути решения поставленных задач биотехнологию подсте­регают немалые трудности, связанные с исключительной слож­ностью организации живого. Любой биообъект — это целостная система, в которой нельзя изменить ни один из элементов, не меняя остальных, нельзя произвольно перекомбинировать их, придавая организму то или иное желаемое свойство, например бактерии — способность к сверхсинтезу требуемой аминокислоты, сельскохозяйственному растению — устойчивость к фитопатоген-ным грибкам. Любое воздействие на объект вызывает не только желаемые, но и побочные эффекты; перестройка генома сказы­вается сразу на многих признаках организма. У человека суще­ствуют гены, отвечающие за злокачественное перерождение клеток. Высказывалось немало идей о необходимости превентив­ных генетических операций, пока не было установлено, что эти гены необходимы и для нормального роста. Помимо этого, экосистема также представляет собой целостную систему и изме­нения каждого из ее компонентов сказываются на остальных компонентах. Не исключено, что плазмида, с помощью которой трансплантирован желаемый ген культурному растению, будет далее передаваться сорнякам. Не будет ли в результате генных манипуляций превращаться в сорняк само культурное растение?

Успехи, достигнутые в области генетической и клеточной инженерии на простейших биологических системах, прокариотных организмах, вселяют уверенность в преодолимость рассмот­ренных трудностей. Что касается более сложных систем, а имен­но эукариотных организмов, то здесь делаются лишь первые шаги, идет накопление фундаментальных знаний.

Биотехнологические разработки могут внести немаловажный вклад в решение комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения и науки.

Для удовлетворения пищевых потребностей необходимо уве­личить эффективность растениеводства и животноводства. Имен­но на это, в первую очередь, нацелены усилия биотехнологов. Кроме того, биотехнология предлагает как источник кормового (возможно, и пищевого) белка клеточную массу бактерий, гри­бов и водорослей.

Во-вторых, повышение цен на традиционные источники энер­гии (нефть, природный газ, уголь) и угроза исчерпания их запа­сов побудили человечество обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотехнология может дать ценные возобнов­ляемые энергетические источники: спирты, биогенные углеводо­роды, водород. Эти экологически чистые виды топлива можно получать путем биоконверсии отходов промышленного и сельско­хозяйственного производства.

Пищевая биотехнология

... другие соединения, полученные биотехнологическим способом. Таблица 2 - Использование продукции биотехнологии в пищевой промышленности Продукция биотехнологии Использование в пищевой промышленности Аминокислоты: Цистеин, метионин, лизин Повышение пищевой (биологической) ценности белоксодержащих продуктов Глутаминовая кислота (глутамат натрия) ...

В-третьих, уже в наши дни биотехнология оказывает реаль­ную помощь здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина, гормона роста, интерферонов, факторов свер­тывания крови и иммунной системы, тромболитических фермен­тов, изготовленных биотехнологическим путем. Помимо получе ния лечебных средств, биотехнология позволяет проводить ран­нюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, моноклональных антител, ДНК/РНК-проб. С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.

В-четвертых, биотехнология может резко ограничить масшта­бы загрязнения нашей планеты промышленными, сельскохозяй­ственными и бытовыми отходами, токсичными компонентами ав­томобильных выхлопов и т. д. Современные разработки нацелены

на создание безотходных технологий, на получение легко раз­рушаемых полимеров (в частности, биогенного происхождения: поли- b -оксибутирата, полиамилозы) и поиск новых активных микроорганизмов-разрушителей полимеров (полиэтилена, поли­пропилена, полихлорвинила).

Усилия биотехнологов направлены также на борьбу с пестицидными загрязнениями — следствием неумеренного и нерационального применения ядохимикатов.

Биотехнологические разработки играют важную роль в добы­че и переработке полезных ископаемых, получении различных препаратов и создании новой аппаратуры для аналитических целей.

Phytophtora

В последние годы большое внимание уделяют вирусным за­болеваниям растений. Наряду с болезнями, оставляющими види­мые следы на культурных растениях (мозаичная болезнь табака и хлопчатника, зимняя болезнь томатов), вирусы вызывают скрытые инфекционные процессы, значительно снижающие уро­жайность сельскохозяйственных культур и ведущие к их вырож­дению.

Биотехнологические пути защиты растений от рассмотренных вредоносных агентов включают: 1) выведение сортов растений, устойчивых к неблагоприятным факторам; 2) химические сред­ства борьбы (пестициды) с сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды), нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, ви­русами; 3) биологические средства борьбы с вредителями, ис­пользование их естественных врагов и паразитов, а также ток­сических продуктов, образуемых живыми организмами.

Наряду с защитой растений ставится задача повышения про­дуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормо­вой) ценности, задача создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах. Раз­работки нацелены на повышение энергетической эффективности различных процессов в растительных тканях, начиная от погло­щения кванта света и кончая ассимиляцией СО ₂ и водно-солевым обменом.

Выведение новых сор­тов растений. Традицион­ные подходы к выведению новых сортов растений — это селекция на основе гибридизации, спонтан­ных и индуцированных мутаций. Методы селекции не столь отда­ленного будущего включают гене­тическую и клеточную инженерию.

Rhizobium,

В настоящее время выделены и клонированы гены sym, от­вечающие за установление симбиотических отношений между клубеньковыми азотфиксаторами и растением-хозяином. Путем переноса этих генов в свободноживущие азотфиксирующие бак­терии ( Klebsiella, Azotobacter) представляется возможным за­ставить их вступить в симбиоз с ценными сельскохозяйственными культурами. Методами генетической инженерии предполагают также повысить уровень обогащения почвы азотом, амплифици-руя гены азотфиксации у Klebsiella и Azotobacter.

Разрабатываются подходы к межвидовому переносу генов asm, обусловливающих устойчивость растений к нехватке влаги, жаре, холоду, засоленности почвы. Перспективы повышения эф­фективности биоконверсии энергии света связаны с модифика­цией генов, отвечающих за световые и темновые стадии этого процесса, в первую очередь генов cfx, регулирующих фиксацию СО₂ растением. В этой связи представляют большой интерес

разработки по межвидовому переносу генов, кодирующих хлоро­филл а/ b- связывающий белок и малую субъединицу рибулозо-бис-фосфаткарбоксилазы — ключевого фермента в фотосинтети­ческой фиксации СО₂ .

Гены устойчивости к некоторым гербицидам, выделенные из бактерий и дрожжей, были успешно перенесены в растения таба­ка. Разведение устойчивых к гербицидам растений открывает возможность их применения для уничтоже­ния сорняков непосредственно на угодьях, занятых сельскохозяй­ственными культурами. Проблема состоит, однако, в том, что массивные дозы гербицидов могут оказаться вредными для при­родных экосистем.

Некоторые культурные растения сильно страдают от нематод. Обсуждается проект введения в растения новых генов, обуслов­ливающих биосинтез и выделение нематоцидов корневыми клет­ками. Важно, чтобы эти нематоциды не проявляли токсичности по отношению к полезной прикорневой микрофлоре. Возможно также создание почвенных ассоциаций «растение — бактерия» или «растение — гриб (микориза)» так, чтобы бактериальный (грибной) компонент ассоциации отвечал за выделение немато­цидов.

Важное место в выведении новых сортов растений занимает метод культивирования растительных клеток in vitro. Регенери­руемая из таких клеток «молодая поросль» состоит из идентич­ных по генофонду экземпляров, сохраняющих ценные качества избранного клеточного клона. В Австралии из культивируемых in vitro клеточных клонов выращивают красные камедные де­ревья (австралийские эвкалипты), отличающиеся способностью расти на засоленных почвах. Предполагается, что корни этих растений будут выкачивать воду из таких почв и тем самым по­нижать уровень грунтовых вод. Это приведет к снижению засо­ленности поверхностных слоев почвы в результате переноса мине­ральных солей в более глубокие слои с потоками дождевой воды. В Малайзии из клеточного клона получена масличная пальма с повышенной устойчивостью к фитопатогенам и увеличенной способностью к образованию масла (прирост на 20—30%).

Клонирование клеток с последующим их скринингом и регенерацией растений из отобранных клонов рассматривают как важный метод сохранения и улучшения древесных пород умеренных широт, в частности хвойных деревьев. Растения-регенеранты, выращенные из клеток или тканей меристемы, используют ныне для разведения спаржи, земляники, брюссельской и цветной капусты, гвоздик, папорот­ников, персиков, ананасов, бананов.

С клонированием клеток связывают надежды на устранение вирусных заболеваний растений. Разработаны методы, позволя­ющие получать регенеранты из тканей верхушечных почек расте­ний. В дальнейшем среди регенерированных растений проводят отбор особей, выращенных из незараженных клеток, и выбраковку больных растений. Раннее выявление вирусного заболевания, необходимое для подобной выбраковки, может быть осуществ­лено методами иммунодиагностики, с использованием моноклональных антител или методом ДНК/РНК-проб. Предпосылкой для этого является получение очищенных препаратов соответ­ствующих вирусов или их структурных компонентов.

Клонирование клеток — перспективный метод получения не только новых сортов, но и промышленно важных продуктов. При правильном подборе условий культивирования, в частности при оптимальном соотношении фитогормонов, изолированные клетки более продуктивны, чем целые растения. Иммобилизация растительных клеток или протопластов нередко ведет к повыше­нию их синтетической активности. Табл. 6 включает биотехно­логические процессы с использованием культур растительных клеток, наиболее перспективные для промышленного внед­рения.

Коммерческое значение в основном имеет промышленное про­изводство шиконина. Применение растительных клеток, которые являются высокоэффективными продуцентами алкалоидов, терпе­нов, различных пигментов и масел, пищевых ароматических до­бавок (земляничной, виноградной, ванильной, томатной, сельде­рейной, спаржевой) наталкивается на определенные трудности, связанные с дороговизной используемых технологий, низким выходом целевых продуктов, длительностью производственного процесса.

Таким образом, биотехнология открывает широкие перспективы в области выведения новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным внешним воздействиям, вредителям, патогенам, не требующих азотных удобрений, отличающихся высокой продуктивностью.

Таблица 1. Примеры клеточных культур — высокоэффективных проду­центов ценных соединений (по О. Sahai, M. Knuth, 1985. К. Hahlbrock. 1986)

Вид растения	Целевой продукт	Предполагаемое применение
Lithospermum erithrorhizon (воробейник)	Шиконин и его производные	Красный пигмент, используемый в косметике как «биологическая губная помада», антибактериаль­ный агент, используемый при ле­чении ран, ожогов, геморроя
Nicotiana tabacum (та­бак)	Убихинон- 10	Важный компонент дыхательной и фотосинтетической цепей пере­носа электронов, применяемый как витамин и в аналитических целях
To же	Глутатион	Участник многих окислительно-восстановительных реакций в клет­ке, приравнивается к витамину
Morinda citrifolia	Антрахиноны	Сырье для лакокрасочной про­мышленности
Coleus blumei	Розмариновая кислота	Жаропонижающее средство, проходящее клинические испытания
Berberis stolonifera (барбарис)	Ятрорризин	Спазмолитическое лекарственное средство

Биодеградация пестицидов. Пестициды облада­ют мощным, но недостаточно избирательным действием. Так, гербициды, смываясь дождевыми потоками или почвенными во­дами на посевные площади, наносят ущерб сельскохозяйствен­ным культурам. Помимо этого, некоторые пестициды длительно сохраняются в почве, что тоже приводит к потерям урожая. Воз­можны разные подходы к решению проблемы: 1) усовершенство­вание технологии применения пестицидов, что не входит в ком­петенцию биотехнологии; 2) выведение растений, устойчивых к пестицидам; биодеградация пестицидов в почве.

К разрушению многих пестицидов способна микрофлора поч­вы. Методами генетической инженерии сконструированы штаммы микроорганизмов с повышенной эффективностью биодеградации ядохимикатов, в частности штамм Pseudomonas ceparia, разру­шающий 2, 4, 5-трихлорфеноксиацетат. Устойчивость того или иного пестицида в почве меняется при добавлении его в сочета­нии с другим пестицидом. Так, устойчивость гербицида хлорпро-фама увеличивается при его внесении совместно с инсектицидами из группы метилкарбаматов. Оказалось, что метилкарбаматы ингибируют микробные ферменты, катализирующие гидролиз хлорпрофама.

Микробная трансформация пестицидов имеет и оборотную сторону. Во-первых, быстрая деградация пестицидов сводит на нет их полезный эффект. Во-вторых, в результате микробного превращения могут образоваться продукты, сильно ядовитые для растений. При использовании гербицида тиобенкарба в Япо­нии наблюдали подавление роста и развития риса. Установлено, что подавляет не сам гербицид, а его дехлорированное производ­ное S-бензил-N,N-диэтилтиокарбамат. Чтобы предотвратить об­разование такого производного, тиобенкарб применяют в ком­бинации с метоксифеном, ингибитором дехлорирующего фермен­та микроорганизмов.

Биологическая защита растений от вреди­телей и патогенов. Из широкого спектра биологических средств защиты растений ограничимся рассмотрением средств борьбы с насекомыми-вредителями и патогенными микроорга­низмами. Именно в этих областях имеются наибольшие перспек­тивы.

Beauveria

Важным источником бактериальных энтомопатогенных препа­ратов служит Bacillus thuringiensis. Эти препараты обладают высокой устойчивостью и патогенны для нескольких сотен видов насекомых-вредителей, в том числе для листогрызущих насеко­мых — вредителей яблонь, винограда, капусты, лесных деревьев. Гены, отвечающие за синтез одного из токсинов В. thuringiensis, были изолированы и перенесены в растения табака. Необходимо, чтобы такие «энтомопатогенные» растения не содержали веществ, токсичных для человека и животных.

Вирусные препараты отличаются высокой специфичностью действия, длительным (до 10—15 лет) сохранением активности, устойчивостью к колебаниям температуры и влажности. Из многих сотен известных энтомопатогенных вирусов наибольшее примене­ние находят вирусы ядерного полиэдроза, обладающие высокой эффективностью действия на насекомых-вредителей. Насекомых выращивают в искусственных условиях, заражают вирусом, из гомогенатов погибших насекомых готовят препараты. При­меняют отечественные препараты вирин-ЭКС (против капустной совки), вирин-ЭНШ (против непарного шелкопряда).

В послед­ние годы для культивирования вирусов широко применяю; культуры клеток насекомых.

Комбинация из нескольких биологических средств нередко действует на вредителей более эффективно, чем каждый в от дельности. Смертность соснового шелкопряда резко возрастает, если вирус цитоплазматического полиэдроза применяют в сочета­нии с препаратами из Вас. thuringiensis. Эффективна комбинация биологических и химических средств защиты растений от насекомых.

Среди новых средств защиты растений — вещества биогенного происхождения, ингибирующие откладку яиц насекомыми или стимулирующие активность естественных врагов насекомых вредителей: хищников, паразитов .

Разнообразны средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.

Trichoderma

2. Фитоалексины, естественные растительные агенты, инактивирующие микробных возбудителей заболеваний. Эти соединения, синтезируемые в тканях растений в ответ на внедрение фитопатогенов, могут служить высокоспецифичными замените-

лями пестицидов. Фитоалексин перца успешно применяли при фитофторозе. Могут быть использованы также вещества, сти­мулирующие синтез фитоалексинов в растительных тканях.

3. Использование микробов-антагонистов, вытесняющих пато­генный вид и подавляющих его развитие.

4. Иммунизация и вакцинация растений. Вакцинные препара­ты стремятся вводить непосредственно в прорастающие семена.

5. Введение в ткани растений специфичного агента (d-фактора), снижающего жизнеспособность возбудителя.

Биологические средства — важная составная часть комплекс­ной программы защиты растений. Эта программа предусматри­вает проведение защитных мероприятий агротехнического, биоло­гического и химического плана наряду с использованием устой­чивых сортов растений. Задачей комплексной программы явля­ется поддержание численности вредителей растений на экологи­чески сбалансированном уровне, не наносящем ощутимого вреда культурным растениям.

Биологические удобрения. Биологические (бакте­риальные) удобрения применяют для обогащения почвы связан­ным азотом. Большое распространение получили препараты нитрагин и азотобактерин — клетки клубеньковых бактерий и азотобактера, к которым добавляют стабилизаторы (мелассу, тиомочевину) и наполнитель (бентонит, почву).

Азотобактерин обогащает почву не только азотом, но и витаминами и фитогормонами, гиббереллинами и гетероауксинами. Препарат фосфо-бактерин из Bacillus megaterium превращает сложные органиче­ские соединения фосфора в простые, легко усвояемые расте­ниями. Фосфобактерин также обогащает почву витаминами и улучшает азотное питание растений.

Растения синтезируют ряд соединений, регулирующих их рост и развитие (фитогормоны, биорегуляторы).

К их числу принадле­жат ауксины, гиббереллины, цитокинины. Созревание плодов стимулирует этилен. Эти биорегуляторы находят применение в сельском хозяйстве. К числу новых, обнаруженных в послед­ние годы биорегуляторов относят пептиды, имеются перспек­тивы их применения в сельском хозяйстве.

Большое значение в связи с интенсификацией животноводства отводится профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных с применением рекомбинантных живых вакцин и генноинженерных вакцин-антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с по­мощью моноклональных антител и ДНК/РНК-проб.

Для повышения продуктивности животных нужен полноцен­ный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кор­мовой белок на базе различных микроорганизмов — бактерий,

грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одно­клеточных организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет получить 0,4- 0,6 т свинины, до 1,5 т мяса птиц, 25—30 тыс. яиц и сэкономить 5—7 т зерна (Р. С. Рычков, 1982).

Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80% площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.

Одноклеточные организмы характеризуются высоким содержа­нием белка — от 40 до 80% и более. Белок одноклеточных богат лизином, незаменимой аминокислотой, определяющей его кормовую ценность. Добавка биомассы одноклеточных к недо­статочным по лизину растительным кормам позволяет приблизить их аминокислотный состав к оптимальному. Недостатком био­массы одноклеточных является нехватка серусодержащих аминокислот, в первую очередь метионина. У одноклеточных его приблизительно вдвое меньше, чем в рыбной муке. Этот недостаток присущ и таким традиционным белковым кормам, как соевая мука. Питательная ценность биомассы одноклеточных может быть значительно повышена добавкой син­тетического метионина.

Производство кормового белка на основе одноклеточных — процесс, не требующий посевных площадей, не зависящий от климатических и погодных условий. Он может быть осуществлен в непрерывном и автоматизированном режиме.

В нашей стране производится биомасса одноклеточных, в особенности на базе углеводородного сырья. Достигнутые успехи не должны заслонять проблемы, возникающей при использо­вании углеводородов как субстратов для крупномасштабного производства белка, — ограниченность их ресурсов. Важнейшими альтернативными суб­стратами служит метанол, этанол, углеводы растительного про­исхождения, в перспективе водород.

Очищенный этанол на мировом рынке стоит почти вдвое дороже метанола, но этанол отличается очень высокой эффективностью биоконверсии. Из 1 кг этанола можно получить до 880 г дрожжевой массы, а из 1 кг метанола-до 440 г. Биомасса из этанола особенно богата лизином — до 7%.

Большое значение для животноводства имеет обогащение растительных кормов микробным белком. Для этого широко применяют твердофазные процессы.

Spirulina

Spirulina

Технологическая биоэнергетика — одно из направлений био­технологии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это может быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, накопленной в результате фотосинте­за в дешевое и высококалорийное топливо — метан и другие углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации самого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО ₂ и син­теза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования энергии Солн­ца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи энергии).

Рассмотрим вначале путь, пролегающий через использование биомассы, в первую очередь, растительной, ресурсы которой в мире огромны и оцениваются в 100 млрд. т по сухому веществу в год. Лишь незначительная часть ее расходуется человечеством, но и эта часть дает до 14% потребляемой в мире энергии. Биомасса — не только возобновляемый и почти даровой источ­ник энергии, но и альтернатива тающим запасам полезных ископаемых.

Этанол — экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО ₂ и Н₂ О. Он исполь­зуется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10—20%-ная добавка к бензину (газохол).

В Бразилии уже к 1983 г. 75% автомобилей работали на 95%-ном этаноле, а ос­тальные — на газохоле. В США предполагают заменить на эта­нол 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.

На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотех­нологической переработки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: продо­вольствие или энергия. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным: на каждый литр спирта при-

ходится 12—14 л сточных вод с высокой концентрацией отхо­дов, опасных для природных экосистем. Проблема рациональной переработки этих отходов не решена.

Saccharomyces

1. Конкуренция брожения и дыхания. Субстрат (например, глюкоза) лишь частично сбраживается до этанола. Оставшаяся часть безвозвратно теряется, превращаясь в результате дыхания в СО ₂ и Н₂ О. Процесс необходимо вести в анаэробных условиях или применять мутанты дрожжей, утратившие митохондрии и не способные к дыханию.

2. Чувствительность к этанолу, которая снижает выход целе­вого продукта на единицу объема биореактора. Получены устойчивые к этанолу мутанты, характеризующиеся измененным строением клеточных мембран.

cerevisiae,

Zymomonas

Thermoanaerobium

Повышение выхода спирта и стабилизация активности его про­дуцентов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так, эффективный синтез этанола осуществлен с применением клеток Z. mobilis, иммобилизованных на хлопчатобумажных во­локнах (S. Prentis, 1984).

Получение мета­на — важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Он получается в виде биогаза — смеси метана и СО ₂ . Присут­ствие СО₂ ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в зависимости от соотношения СН₄ /СО₂ составляет 20,9—33,4 кДж/м³ . Содержание метана в биогазе варьирует от 50 до 85%.

Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жиз­недеятельность метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях. Субстратами для образования ме­тана могут служить муравьиная и уксусная кислоты, метанол, газовые смеси (Н ₂ + СО, Н₂ + СО₂ ).

Поскольку биогаз практиче­ски получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образования применяют многокомпонентные микробные ассо­циации.

Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и уксусную кислоты, Н ₂ , СО и т. д. Примером может служить метаногенная ассоциация « Methanobacillus Kuzneceovii», образующая метан при разложе­нии биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).

Процесс метанобразования отличается высокой эффективно­стью: до 90—95% используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с успехом используют для очистки сточных вод от органических загрязнений с одновремен­ным получением высококалорийного топлива. До 5—10% потреб­ленного углерода превращается в биомассу, которая также нахо­дит применение. Используют как жидко-, так и твердофазные про­цессы получения биогаза (биогазификации).

Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют дру­гие ценные продукты, например витамин В ₁₂ После переработки органического субстрата в биогаз остается материал, представ­ляющий собой ценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение.

Получение биогаза — процесс, отличающийся простотой обо­рудования и доступностью сырья, требует небольших капитало­вложений. В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10—15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потреб­ностей семьи из пяти человек.

Botryacoceus,

Получение водо­рода как топлива пока остается на уровне поисковых разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н ₂ О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г. Химический и электрохимический способы получения Н₂ неэкономичны, поэтому заманчиво использование микроорга­низмов, способных выделять водород. Такой способностью обла­дают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие (Е. Н. Кондратьева, И. Н. Го-готов, 1981).

Процесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.

Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры. Она ката­лизирует реакцию

2Н ⁺ + 2е^— = Н₂

Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной гидрогеназы в состав искусственных Н ₂ -генерирую-щих систем. Сложной проблемой является нестабильность изоли­рованного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение ста­бильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилиза­цией (Чан Динь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. al., 1986).

Иммобили­зация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом.

Предложено много вариантов модельных систем, катализирую­щих образование водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированный из них хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторые системы наряду с водо­родом образуют кислород: в этом случае речь идет о биофотолизе воды.

Примером может служить система хлоропласт — ферредоксин — гидрогеназа. Ферредоксин служит промежуточным перенос­чиком электронов от фотосинтетической цепи хлоропластов к до­бавленной гидрогеназе. Серьезной проблемой является поддер­жание низкого парциального давления этих газов, с тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н ₂ . Флавопротеид и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным в детергент ные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена также система с гидрогеназой, иммо­билизованной в агарозном геле, с которым прочно связан поли­мерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла.

Rhodopseudomonas

Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа. У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина).

Ос­новной функцией нитрогеназы является восстановление моле­кулярного азота:

N ₂ + 8H+ + 8е^— + nАТФ -> 2NH₃ + Н₂ + nАДФ + nфосфорная кислота

В отсутствие основного субстрата (N ₂ ) нитрогеназа катали­зирует энергозависимое

восстановление Н ⁺ с образованием Н₂ . Переключение фермента с одного режима работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения — получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утили­зирующей азот.

В Японии получен штамм Anabaena sp., который осуще­ствляет биофотолиз воды в режиме, не чувствительном к Н₂ , О₂ и N₂ . Повышению эффективности биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования биообъекта как про­дуцента Н₂ и О₂ с периодами «отдыха», когда клетки фотоассими-лируют СО₂ (вводимый на этот период в среду культивирования).

Возможно комбинирование процессов получения Н₂ и других ценных продуктов. В частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой Cl. saccharo- perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н₂ , то наблюдается ингибирование образования Н₂ и эффективный синтез бутанола, ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с довольно активным образованием Н₂ культура синтезирует лишь этанол. Этот пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического процесса условиями культивирования био­объекта.

Таким образом, предложены разнообразные проекты систем для получения водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного превращения в энергию химической связи в молекуле Н ₂ .

Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е. коэффициент превращения световой энергии в химическую энергию органических веществ, близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктив­ные культурные растения запасают не более 1,5—2% энергии падающего света. Актуальная проблема технологической биоэнер­гетики — повышение эффективности фотосинтеза у культурных растений.

Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы: 1) повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% за счет увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство в системы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование фитогормонов, трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что приведет к повышению их фотосинтетической активности; 4) увеличение числа хлоропластов в клетке на единицу площади листа; 5) установление оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, на­пример, цитохромами; 6) увеличение скорости переноса электро­нов между фотосистемами I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом АТФ.

Радикальным способом максимизации эффективности фотосин­теза было бы создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими десятилетиями.

На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток, например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.

Окисление субстрата происходит на электроде (аноде).

По­средником между субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей передачи электронов на

элек­трод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный транспорт электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985).

Конструкция биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток, но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в смесь фрук­тозы и глюконовой кислоты.

Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они представляют собой основной компонент биологи­ческих датчиков — биосенсоров, широко применяемых в химиче-

ской промышленности, медицине, при контроле за биотехнологи­ческими процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода. Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают чувствитель­ный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина. Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для измерения кон­центрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro- somonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH₄ ⁺ . На биосенсоре протекают следующие превращения: NH₄ ^{+ Nitrosomonas} NO₂ ^Nitrobacter NO₃ Раз­работаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.

Нет такого экспериментального подхода или исследователь­ского направления в биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему столь многообразны связи между биотехнологией и самой гуманной из всех наук. Здесь мы остановимся лишь на основных моментах.

Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие высокой физиологической актив­ностью по отношению к определенным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающих их рост или полностью подавляющих развитие (Н. С. Егоров, 1979).

Далеко не все из этих соединений, число которых прибли­жается к 5000, допущены для применения в медицине. К важней­шим антибиотикам терапевтического назначения принадлежат следующие их классы (табл. 2).

Приведенные классы антибиотиков не исчерпывают их много­образия, список их пополняется с каждым годом. Причины неос­лабевающего внимания к поиску новых антибиотиков, как видно из табл. 10, связаны с токсичностью существующих антибиоти­ков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастанием устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым пре­паратам и, помимо этого, с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, против которых недостаточно эффектив­ны известные ныне антибиотики. Основные пути поиска вклю­чают:

1. Испытание новых продуцентов. Так, с начала 80-х годов исследуют миксобактерии, продуцирующие большое количество антимикробных агентов (Н. Thierbach, N. Reichenbach, 1981).

2. Химическая модификация антибиотиков. Противомикроб-ные макролиды токсичны для человека. Например, гептаен амфо-терицин В, используемый по жизненным показаниям при тяже­лых микозах, вызывает необратимые поражения почек. Получены метиловые эфиры амфотерицина, менее токсичные и сохра­няющие противогрибковую активность. При модификации пенициллинов и цефалоспоринов ис­пользуют иммобилизованные ферменты.

Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения

Класс	Типичные антибиотики	Продуценты	На кого действует	Механизм действии	Трудности терапевтического применения
b-Лактамные	Пенициллины, це-фалоспорины	Грибы родов Ре nicillium , Cephalosporum	Грамположитель-ные и грамотрицательные бактерии	Нарушение синте­за клеточной стенки	Аллергические реакции
Аминогликозидные	Стрептомицин, гентамицин, канамицин, тобрамицин, амикацин	Актиномицеты ро­да Streptomyces , бактерии родов Micromonospora . Bacil ­ lus	В основном грамотрицательные бак­терии	Необратимое подавление синтеза белка	Токсическое дейст­вие на слуховой нерв и почки
Тетрациклины	Одноименные антибиотики	Актиномицеты ро­да Streptomyces	Грамположительные и грамотрицательные бактерии, риккетсии, хламидии, простейшие	Обратимое подав­ление синтеза белка	Распространение устойчивых штаммов
Макролиды	Антибактериаль­ные: эритромицин Противогрибковые и антипротозойные: полиены	Актиномицеты ро­да Streptomyces То же	Грамположительные бактерии Грибы, некоторые простейшие	То же Нарушение плаз­матической мемб­раны	Токсичность
Полипептидные и депсипептидные	Полимиксины, грамицидины, бацитрацины	Различные микро-организмы	В основном грамотрицательные бак­терии	Механизм дейст­вия различен	Высокая токсичность

3. Мутасинтез. Применяют мутантные штаммы, у которых блокирован синтез отдельных фрагментов молекулы антибиотика. В среду культивирования вносят аналоги этих фрагментов. Мик­роорганизм использует эти аналоги для биосинтеза, в результате чего получают модифицированный антибиотик.

4. Клеточная инженерия. Получают гибридные антибиотики, например, с новыми комбинациями агликона и Сахаров.

5. Генетическая инженерия — введение в геном микроорганиз­ма информации о ферменте, необходимом для модификации про­дуцируемого антибиотика, например его метилирования при по­мощи метилаз.

Penicillium

Многообещающим подходом служит инкапсулирование анти­биотиков, в частности их включение в лигюсомы, что позволяет прицельно доставлять препарат только к определенным органам и тканям, повышает его эффективность и снижает побочное действие. Этот подход применим и для других лекарственных препаратов. Например, кала-азар, болезнь, вызываемая лейгшма-нией, поддается лечению препаратами сурьмы. Однако лечебная доза этих препаратов токсична для человека. В составе липосом препараты сурьмы избирательно доставляются к органам, пора­женным лейшманией, — селезенке и печени.

Streptococ­

Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли в последние годы в направлении синтеза пеп-тидных гормонов.

Раньше гормоны получали из органов и тканей животных и человека (крови доноров, удаленных при операциях органов, трупного материала).

Требовалось много материала для получе­ния небольшого количества продукта. Так, человеческий гормон роста (соматотропин) получали из гипофиза человека, каждый гипофиз содержит его не более 4 мг. В то же время для лечения одного ребенка, страдающего карликовостью, требуется около 7 мг соматотропина в неделю; курс лечения должен продолжать­ся несколько лет. С применением генноинже-нерного штамма Е. coli в настоящее время получают до 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования. Открываются пер­спективы борьбы не только с карликовостью, но и с низкорос-лостью — более слабой степенью дефицита соматотропина. Сома­тотропин способствует заживлению ран и ожогов, наряду с каль-цитонином (гормоном щитовидной железы) регулирует обмен Са²⁺ в костной ткани.

Инсулин, пептидный гормон островков Лангерганса подже­лудочной железы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. Эта болезнь вызвана дефицитом инсулина и проявляется повышением уровня глюкозы в крови. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка и свиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина 1—3 аминокислотными заменами, так что возникала угроза аллерги­ческих реакций, особенно у детей. Широкомасштабное терапев­тическое применение инсулина сдерживалось его высокой стои­мостью и ограниченностью ресурсов. Путем химической модифи­кации инсулин из животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это означало дополнительное удорожание продукта.

Компания Eli Lilly с 1982 г. производит генноинженерный инсулин на основе раздельного синтеза Е. coli его А- и В-цепей. Стоимость продукта значительно снизилась, получаемый инсулин идентичен человеческому. С 1980 г. в печати имеются сообщения о клонировании у Е. сой гена проинсулина — предшественника гормона, переходящего в зрелую форму при ограниченном протеолизе.

К лечению диабета приложена также технология инкапсули-рования: клетки поджелудочной железы в капсуле, введенные однократно в организм больного, продуцируют инсулин в течение года.

Компания Integrated Genetics приступила к выпуску фолли-кулостимулирующего и лютенизирующего гормонов. Эти пептиды составлены из двух субъединиц. На повестке дня вопрос о про­мышленном синтезе олигопептидных гормонов нервной систе­мы — энкефалинов, построенных из 5 аминокислотных остатков, и эндорфинов, аналогов морфина. При рациональном примене­нии эти пептиды снимают болевые ощущения, создают хорошее

настроение, повышают работоспособность, концентрируют внима­ние, улучшают память, приводят в порядок режим сна и бодр­ствования. Примером успешного применения методов генетиче­ской инженерии может служить синтез р-эндорфина по техноло­гии гибридных белков, описанной выше для другого пептидного гормона, соматостатина.

Arthrobacter

Интерфероны

Различают a -, b -, g- и e-интерфероны, образуемые соответст­венно лейкоцитами, фибробластами соединительной ткани, Т-лимфоцитами и эпителиальными клетками. Наибольшее значение имеют первые три группы. Интерфероны состоят из 146—166 аминокислотных остатков, b — и g-интерфероны связаны с остат­ками Сахаров (гликозилированы).

До введения методов генети­ческой инженерии интерфероны получали из донорской крови — до 1 мкг неочищенного интерферона из 1 л крови, т. е. примерно одну дозу для инъекции.

В настоящее время a-, b — и g-интерфероны успешно получают с применением генноинженерных штаммов Е. coli, дрожжей, куль­тивируемых клеток насекомых ( Drosophil a) и млекопитающих. Генно-инженерные интерфероны могут быть очищены с использо­ванием моноклональных антител. В случае у- и р-интерферонов предпочтительно применение эукариотических продуцентов, так как прокариоты не гликозилируют белки. Некоторые фирмы, на­пример Bioferon (ФРГ), используют не генноинженерные мутан­ты, а культивируемые in vitro фибропласты человека.

Интерфероны используются для лечения болезней, вызывае­мых вирусами герпеса, бешенства, гепатитов, цитомегаловиру-сом, вирусом, вызывающим опасное поражение сердца, а также для профилактики вирусных инфекций. Вдыхание аэрозоля ин­терферонов позволяет предупредить развитие острых респиратор­ных заболеваний. Несколько курьезной проблемой является то что интерфероны, в частности a-интерфероны, сами могут вызывать у пациентов простудные симптомы (насморк, повышение температуры и т.д.).

Проблема побочного действия стоит особенно остро при длительном терапевтическом применении интерферонов, необходимом для лечения злокаче­ственных опухолей.

Интерфероны оказывают лечебное воздействие на организм больных раком груди, кожи, гортани, легких, мозга, рассеянной миеломе и саркоме Капоци — два последних заболевания харак­терны для лиц, страдающих приобретенными иммунодефицитами (см. ниже).

Интерфероны полезны также при лечении рассеян­ного склероза.

Методы генетической инженерии позволяют получать модифи­цированные Интерфероны. Антивирусная активность интерферо­нов варьирует при аминокислотных заменах (J. Werenne, 1983).

Американская компания Cetus Corporation производит b -интер-ферон, в аминокислотной последовательности которого цистеин в положении 17 замещен на серии. Это приводит к повышению терапевтической активности препарата, так как предотвращает наблюдаемое in vitro формирование неактивного димера b -интер-ферона за счет дисульфидных связей между остатками цистеина в положении 17. Определенные надежды возлагают на модифи­кацию интерферонов путем получения гибридных молекул (Е. Д. Свердлов, 1984).

Интерлейкины

Интерлейкины, основные лечебные средства при иммунных расстройствах, получают путем клонирования соответствующих генов в Е. coll или культивирования лимфоцитов in vitro. Англий­ская компания Celltech Ltd и японская Sakyo Company предла­гают синтезированный генноинженерными бактериями интерлей-кин-1 наряду с другим тюлипептидным агентом —фактором нек­роза опухолей — для лечения ряда опухолевых заболеваний (В. Sikyta el al., 1986).

Получаемые биотехнологическим путем факторы свертывания крови, особенно фактор VIII (с помощью культивируемых кле­ток млекопитающих) и фактор IX (с помощью генноинженер-ного штамма Е. coli ), необходимы для терапии форм гемофи­лии наследственной болезни, при которой кровь теряет способность свертываться. К числу ценных с клинической точки зрения факторов, полученных в биореакторах с культурами животных клеток, следует отнести фактор роста В-лимфоцитов, фактор активации макрофагов, Т-заместительный фактор, активатор тканевого плазминогена.

Моноклональные антитела — продукты В-гибридомных клеток — используют для диагностики различных заболеваний. Об­ладая высокой специфичностью действия, они обеспечивают иден­тификацию не только вида возбудителя, но и его серотипа. С по­мощью моноклональных антител можно тестировать различные гормоны, метаболиты, белковые факторы. Наиболее быстрый ме­тод индикации основан на применении антител, иммобилизован­ных на мембранных электродах — аналогах ферментных биосен­соров. Они позволяют диагностировать беременность, выявлять предрасположенность к диабету, ревматоидному артриту (J. Col-lins et al., 1986), идентифицировать наследственные заболе­вания, сопровождающиеся утратой тех или иных ферментов и других белковых компонентов. Моноклональные антитела широко используют для диагностики рака и определения его форм.

Трудности связаны с тем, что специфических «раковых» анти­генов, по-видимому, не бывает, и характерные для злокачествен­но переродившейся клетки детерминанты могут быть с некоторой, пусть небольшой, вероятностью обнаружены и в здоровых клет­ках. Перспективна диагностика рака при помощи моноклональ-ных антител к вырабатываемым злокачественной опухолью осо­бым гормонам, аутокринам, ведущим к самостимуляции роста раковых клеток.

Моноклональные антитела имеют не только диагностическое, но и лечебное значение. При аутоиммунных заболеваниях, когда иммунные клетки «ополчаются» против собственных органов и тканей, моноклональные антитела соответствующей специфич­ности могут связывать антитела, наносящие вред организму больного. Для лечения рака предлагают использовать монокло­нальные антитела, конъюгированные с токсичными для раковых клеток соединениями. Моноклональные антитела доставляют яд точно по адресу, избегая поражения здоровых клеток. Поэтому к моноклональным антителам можно присоединять очень сильные токсины, например рицин — яд из клещевины, одной молекулы которого достаточно для поражения одной клетки. В современ­ной фармацевтической промышленности моноклональные анти­тела используют для очистки лекарственных препаратов.

Диагностическое значение имеют короткие фрагменты ДНК и РНК, несущие радиоактивную или иную метку, так называемые ДНК/РНК-пробы. С их помощью можно установить наличие в организме определенных типов нуклеиновых кислот, соответ­ствующих болезнетворным агентам, злокачественным опухолям, а также проверить геном пациента на наличие у него тех или иных генетических аномалий. Метод основан на комплементар­ном взаимодействии проб с участками ДНК или РНК, выделен­ными из исследуемых клеток и фиксированными на носителе. Взаимодействия нуклеотидных цепочек пробы с ДНК (РНК) из образца регистрируют по радиоактивной метке или иным спо­собом.

Моноклональные антитела и ДНК/РНК-пробы используют для диагностики болезней животных и растений. В частности, с помощью этих проб проводят индикацию зараженности кар­тофеля вирусом. Диагностические средства из арсенала биотех­нологов предлагают применять для быстрого определения пола у цыплят.

Вакцина­ция — один из основных способов борьбы с инфекционными забо­леваниями. Путем поголовной вакцинации ликвидирована нату­ральная оспа, резко ограничено распространение бешенства, по­лиомиелита, желтой лихорадки. На повестке дня — изготовление вакцин против гриппа, гепатитов, герпесов, свинки, кори, острых респираторных заболеваний. Большое экономическое значение имеет разработка вакцин против болезней сельскохозяйственных животных — ящура, африканской болезни лошадей, овечьей бо-

лезни «синего языка», трипаносомозов и др. Традиционные вакцин­ные препараты изготовляют на основе ослабленных, инактивиро-ванных или дезинтегрированных возбудителей болезней.

Современные биотехнологические разработки предусматрива­ют создание рекомбинантных вакцин и вакцин-антигенов. Вак­цины обоих типов основаны на генноинженерном подходе.

рекомбинантных вакцин

Вакцины-антигены

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.

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.

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.

Перспективы использования биотехнологических продуктов в пищевой промышленности

Продукт	Примеры	Применение в пищевой промышленности
Аминокислоты	Цистеин, метионин, лизин	Повышение питательной ценности пищи (в том числе белка одноклеточных)
	Глутамат	Усиление аромата мясных, рыбных, грибных изделий
	Глицин, аспартат	Придание кондитерским изделиям и напиткам кисло-сладкого вкуса
Олигопептиды	Аспартам, тауматин, монеллин	Низкокалорийные, очень сладкие веще­ства
Ферменты	a-Амилаза	Гидролиз крахмала при производстве спирта, вин, в пивоварении, хлебопече­нии, изготовлении кондитерских изделий и детского питания
	Глюкоамилаза	Получение глюкозы, удаление остаточ­ных декстринов из пива
	Инвертаза	Производство кондитерских изделий
	Пуллуланаза	Производство мальтозных (в сочетании с a-амилазой) или глюкозных (в сочета­нии с глюкоамилазой) сиропов из крах­мала, предварительно обработанного a-амилазой
	b-Галактози-даза	Производство безлактозного молока, освобождение молочной сыворотки от лактозы, приготовление мороженого
	Целлюлозы	Приготовление растворимого кофе, мор­ковного джема, улучшение консистенции грибов и овощей, обработка цитрусовых
	Пектиназы	Осветление вин и фруктовых соков, обработка цитрусовых
	Микробные протеазы	Сыроварение, ускорение созревания теста, производство крекеров
	Пепсин, па-паин	Осветление пива
	Фицин, трип­син, бромелаин	Ускорение маринования рыбы, удаление мяса с костей
	Липазы	Придание специфического аромата сы­ру, шоколаду, молочным продуктам, улучшение качества взбитых яичных белков
	Глюкозооксидаза в сочетании с каталазой	Удаление кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, лимонных, апель­синовых и виноградных соков
Витамины	А, В 1 , В2 , В6 , В12 , С, D, Е, нико­тиновая кислота С, Е	Повышение питательной ценности пи­щевых продуктов Антиоксиданты
Терпены и род­ственные соедине­ния	Гераниол, не­рол	Ароматизаторы
Органические кислоты	Уксусная, бен-зойная, молочная, глюконовая, ли­монная	Консерванты, ароматизаторы

биогео-технологии.

Thiobacillus

Citrobacter

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).

Xanthomonas

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.

Пересечение различных сфер приложения биотехнологии (в нашем примере — биогеотехнологической и природоохранной) составляет характерную особенность ее современного этапа развития. Генноинженерные штаммы псевдомонад, утилизиру­ющие сырую нефть, допускают, по меньшей мере, две сферы применения: получение биомассы на базе необ работанной нефти и предотвращение нефтяного загрязнения окружающей среды, в частности устранения нефтяных пленок на поверхности вод морей и океанов.

Нет сомнения, потенциал биотехнологии в наши дни велик. Ей дано — пусть в определенных границах — перевивать поновому «нить жизни» — ДНК — методами генетической и кле­точной инженерии, создавать биообъекты по заранее заданным параметрам и, как обычно добавляют, на благо человечества.

Всегда ли на благо? Думается, что уже из основного текста ясно: что накопленный разносторонний потенциал современной биотехнологии — это обоюдоострый меч, который, подобно другим новым отраслям научно-технического прогресса, сформировавшимся в XX в. (ядерная энергетика, компьютерная электроника, космонавтика), может принести не только пользу, но и вред при бесконтрольном, неосторожном и тем более зло­намеренном применении. Так, в распространении методов генети­ческой инженерии видели угрозу заражения людей невидан­ными болезнетворными «генетическими монстрами», создания новых разновидностей злостных сорняков и даже выведения «стандартных людей» по заранее заданным программам. Потен­циальную угрозу, заключающуюся в развитии биотехнологии, нельзя ни преувеличивать, ни преуменьшать, она в значительной мере определяется не чисто научно-техническими, а этическими и социально-политическими факторами. Как отмечено в материа­лах XXVII съезда КПСС, в разных общественно-политических системах научно-техническая революция оборачивается разными ее гранями и последствиями.

Биотехнология представляется «страной контрастов», сочета­ния самых передовых достижений научно-технического прогресса с определенным возвратом к прошлому, выражающимся в ис­пользовании живой природы как источника полезных для человека продуктов вместо химической индустрии.

Значительные контрасты характерны для биотехнологии и в отношении необходимых для ее развития финансовых средств, сырьевых материалов и кадров. Есть биотехнологические раз­работки, требующие весьма внушительных капиталовложений, концентрации усилий крупных коллективов научных работников, инженерно-технических и управленческих кадров, дорогосто­ящего сырья и оборудования (многие генноинженерные разра­ботки, биотехнологические процессы с применением автоматизи­рованных систем управления).

Это так называемая «большая

биотехнология». Ей противостоит «малая биотехнология» (полу­чение биогаза, выращивание микроводорослей в прудах), об­ходящаяся во многом даровыми источниками энергии и сырья, низкими капиталовложениями, небольшими затратами труда.

Все направления современной биотехнологии должны служить всему человечеству, а не только тем, кто способен финансировать развитие той или иной отрасли. В частности, развивающиеся страны должны получить доступ к «большой биотехнологии», которая им пока во многом «не по карману». Генно-инженерная вакцина против малярии необходима для стран Африки, где от малярии погибает более миллиона детей в год. Но могут ли развивающиеся страны Африки финансировать массовое произ­водство генно-инженерных вакцин? Настоятельной необходи­мостью является международная координация усилий биотехно­логов, всех заинтересованных стран. В рамках государств — участников СЭВ такая координация предусмотрена в Комплекс­ной программе научно-технического прогресса, рассчитанной на период до 2000 г.

Биотехнология — междисциплинарная область научно-техни­ческого прогресса. Она весьма гетерогенна по своему теорети­ческому базису, потому что призвана исследовать не какой-либо класс объектов, а решать определенный круг комплексных проблем. Одной из них является, например, поиск дешевого заменителя тростникового (свекловичного) сахара, и армия биотехнологов берется за дело, сочетая в своей деятельности элементы различных наук: методы микробиологии, необходимые для выращивания микроорганизма, биохимии — для выделения глюкоизомеразы (дающей глюкозо-фруктозный сироп при ис­пользовании глюкозы как субстрата), органического синтеза— для получения полимерного носителя, а при регулировке пара­метров системы с иммобилизованным ферментом необходимы физико-химические расчеты. Можно добавить еще, что для повышения эффективности биосинтеза глюкоизомеразы могут быть исполь­зованы методы генетической и клеточной инженерии.

Круг вопросов, к решению которых привлекают биотехноло­гические разработки, весьма широк. Однако большинство из них прямо или косвенно связано с глобальными проблемами, стоящими перед современной цивилизацией: загрязнение окру­жающей среды, угроза экологического кризиса; истощение запа­сов полезных ископаемых, в первую очередь источников энергии, угроза мирового энергетического кризиса; нехватка продоволь­ствия, особенно ощутимая в развивающихся странах.

Слова «биология» и «биотехнология» различаются лишь тем, что в слове «биотехнология» есть вставка «техно». И биология, и биотехнология имеют дело с живыми объектами, но как раз­личны их подходы к живому! Биотехнолог изучает живое не из чисто познавательного интереса, он пытается «заставить» рабо­тать живые объекты, производить нужные человеку продукты. «Зачем брать на себя труд изготовления химических соедине-

ний, если микроб может сделать это за нас?», — говорил Дж. Б. С. Холдейн еще в 1929 г., предвосхищая грядущий расцвет биотехнологии. В современной биотехнологии живое рассматривается как средство производства в ряду всех прочих средств; например, при биологической трансформации органиче­ских соединений микроорганизмам отводят роль химических реагентов. Не случайна и стандартная для инженерной энзи-мологии метафора, уподобляющая иммобилизованные биообъ­екты «закованным в цепи рабам». Биообъект, таким образом, понижают в ранге, переводя из категории самостоятельной целостной живой системы в категорию реагентов, датчиков, реле, компьютерных деталей, прочих орудий модернизированного производства.

Эта тенденция современной биотехнологии имеет не только философское, но и практическое значение. Она порождает черес­чур грубый, примитивный, чисто эмпирический подход к такому сложному объекту, как живое, что ведет к его низкоэффектив­ному функционированию в условиях биотехнологического про­цесса. Не оправдал себя, в частности, лобовой метод оптими­зации подобного процесса, оптимизация «грубой силой», про­водимый без детальных знаний физиологии используемого организма. Недостаточно надежен в биотехнологии и метод кибернетического моделирования, упрощающий биологический объект до «черного ящика».

Существует и другая тенденция в биотехнологии. Ее при­верженцы относятся с «пониманием» к тонкости и слаженности систем регуляции процессов жизнедеятельности в клетке био­объекта. В полушутливой форме эти мысли выражены журна­листом и популяризатором биотехнологии Фишлоком в предисло­вии к книге «Биотехнологический бизнес» (1982): «Микробы намного умнее и способнее микробиологов, генетиков и инже­неров». Речь нередко идет о повышении ранга биообъекта в биотехнологии.

Описанные особенности подхода биотехнологии к объекту выделяют ее среди традиционных естественно-научных дис­циплин.

Биотехнология — типичное порождение нашего бурного, ди­намичного XXI в. Она открывает новые горизонты перед челове­ческим разумом. Проблемы биотехнологии чрезвычайно много­образны, начиная от чисто технических (например, снижение каталитической активности ферментов при их иммобилизации) и кончая тонкими интеллектуальными проблемами, связанными с обеднением фундаментальной науки в связи с доминирова­нием чисто проблемно-прикладных разработок.

В условиях социализма открываются широкие перспективы и возможности для использования новых научных исследований и разработок на благо человека и общества.

1. »Биотехнология: свершения и надежды» – Сассон А., Москва, «Мир» 1987г.
2. »Биотехнология проблемы и перспективы» – Егоров Н.С., Москва, «Высшая школа» 1987г.
3. »Биотехнология: что это такое?» Вакула В.Л., Москва, «Молодая гвардия» 1989г.