Биотехнология. Генная инженерия

Как вы считаете, возможно ли использовать микроорганизмы в производстве?

Синтез идей и методов молекулярной биологии и молекулярной генетики привел к возникновению нового направления в современной биологии– биотехнологии. Биотехнология – прикладная наука, использующая живые организмы (или их составные части) и биологические процессы в промышленном производстве на основе достижений молекулярной биологии.

Успехи биотехнологии открывают неограниченные возможности в микробиологии, здравоохранении, сельском хозяйстве, промышленности, охране природы. Использование микроорганизмов человеком (хлебопечение, сыроварение, виноделие, пивоварение) известно с древнейших времен, хотя само понятие «биотехнология» широко распространилось сравнительно недавно, с 70-х годов прошлого века.
Биотехнология основывается на микробиологическом синтезе; клеточной, хромосомной и генной инженерии.

Микробиологический синтез. В микробиологической промышленности производственные процессы базируются на микробиологическом синтезе, т. е. синтезе ценных для человека продуктов благодаря использованию микроорганизмов. В результате микробиологического синтеза получают белково-витаминные добавки, аминокислоты, ферментные препараты, антибиотики, бактериальные удобрения и др.

На предприятиях микробиологической промышленности микроорганизмы содержатся в специальных резервуарах – биореакторах, где поддерживаются оптимальные для их жизнедеятельности условия. Для каждого вида микроорганизмов подбирают специальную смесь простых и дешевых питательных веществ. Обычно им «скармливают» любые сахаросодержащие отходы сельскохозяйственной продукции или сточные воды целлюлозно-бумажных комбинатов (в этом случае одновременно утилизируются промышленные отходы). Так, плесневые грибы хорошо растут и быстро размножаются на кукурузном экстракте, содержащем сахара, крахмал и различные минеральные вещества, которые образуются в большом количестве при производстве крахмала.

В настоящее время микроорганизмы широко используются не только для получения кормовых, пищевых добавок (белки, витамины, незаменимые аминокислоты и др.) или лекарственных препаратов, но и для очистки сточных и загрязненных вод. Существуют микроорганизмы, которые не только разлагают органические вещества до минеральных, но и расщепляют или накапливают в себе высокотоксичные вещества, например соединения тяжелых металлов.

Клеточная инженерия. Клеточная инженерия базируется на конструировании новых клеток путем их гибридизации, реконструкции, культивирования.

Культивирование отдельных клеток или тканей (в основном растительных) осуществляется на искусственных питательных средах. Питательная среда, в которой выращивают культуру тканей, содержит аминокислоты, глюкозу, минеральные соли, гормоны и другие вещества. Отдельные клетки растений (например, клетки образовательной ткани) помещают в питательную среду. где они не только растут и размножаются, но могут образовать целое растение.

Клеточные культуры используются для быстрого и дешевого получения некоторых ценных веществ. Например, культура клеток женьшеня продуцирует биологически активные вещества так же, как и целое растение.

Клонированием, т. е. выращиванием генетически однородного потомства (клона), получают незараженный посадочный материал, например клубни картофеля или молодые растения земляники. При обычно применяемом вегетативном размножении у этих растений из поколения в поколение накапливаются различные болезни, что значительно снижает урожайность.

Использование метода гибридизации по отношению к клеточным культурам дает возможность получать отдаленные гибриды, когда гибридизация половым путем невозможна. С этой целью разработаны приемы объединения хромосомных наборов соматических клеток, взятых от разных организмов. Из гибридных клеток затем выращивают целостный организм. Таким путем уже получены гибриды яблони и вишни, картофеля и томата.

Изучение гибридных клеток позволяет решать многие теоретические вопросы биологии и медицины, в частности взаимовлияния ядра и цитоплазмы, регуляции клеточного размножения и т. д.

Клеточная реконструкция связана с созданием жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток: ядра, цитоплазмы, хромосом и др.

Клонирование эмбрионов животных было впервые открыто в опытах на земноводных в начале 50-х годов XX в. И только в 90-х годах была решена проблема клонирования эмбриональных клеток млекопитающих.

В 1996 г. в Шотландии впервые было получено животное (овца Долли) в результате использования донорского ядра клетки молочной железы от взрослой овцы. Ядро клетки молочной железы поместили в яйцеклетку другой овцы, предварительно освободив ее от собственного ядра. В матке третьей овцы (так называемой суррогатной матери) гибридная яйцеклетка сформировалась в целостный организм (рис. 76).

Овца Долли - первое клонированное млекопитающее животное
Рис. 76. Овца Долли - первое клонированное млекопитающее животное

В настоящее время методы клеточной инженерии широко применяются в научных экспериментах на млекопитающих.

Хромосомная инженерия. Хромосомная инженерия – это новое направление, в котором используется совокупность методов, позволяющих получать новые организмы благодаря внесению одной или нескольких хромосом одного организма в яйцеклетку другого неродственного организма или вследствие удаления из нее одной или нескольких хромосом. Таким методом получают организмы с новыми свойствами. Так, в частности, была получена гибридная форма, клетки которой содержат 12 хромосом пшеницы и 2 хромосомы ржи.

Генная инженерия. Генная инженерия представляет собой раздел молекулярной генетики. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря фундаментальным открытиям молекулярной биологии (расшифровка генетического кода, выявление его свойств).

В генной инженерии применяются методы, позволяющие посредством действий in vitro (вне организма) переносить генетическую информацию из одного организма в другой, создавая таким образом новые комбинации генетического материала.

В настоящее время ученые могут вне организма разрезать молекулы ДНК в нужном им месте, изолировать отдельные ее фрагменты. Методами генной инженерии можно также синтезировать фрагменты ДНК из ее нуклеотидов и сшивать их в нужной последовательности. В результате подобных операций возникают рекомбинантные (гибридные) ДНК, которых до этого не существовало в природе.

Рождением генной инженерии считают 1972 год, когда американский биохимик П. Берг и его коллеги впервые in vitro получили рекомбинантную ДНК, состоящую из фрагмента ДНК бактериофага (вируса бактерии кишечной палочки), группы генов самой кишечной палочки и полной ДНК вируса, вызывающего развитие опухолей у обезьян. За эту работу П. Бергу в 1980 г. была присуждена Нобелевская премия.

Одно из важных направлений генной инженерии – производство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека. В 1989-1990 гг. появилось новое лекарство – человеческий интерферон-α. (В России он выпускается под названием реаферон.) Полученный методом генной инженерии белок интерферон абсолютно идентичен интерферону, синтезируемому в организме человека.

В 80-е годы XX в. в научных лабораториях разных стран мира, в том числе и нашей страны, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферона, и введены в бактерии (рис. 77). Такие бактерии быстро растут, используя дешевую питательную среду, и синтезируют большие количества интерферона. Из 1 л бактериальной культуры можно выделить столько человеческого интерферона, сколько из 5 – 10 тыс. л донорской крови. Интерферон обладает антивирусным действием, влияет на лечение рассеянного склероза и некоторых видов рака. Помимо этого, интерферон (реаферон) эффективен против вирусных гепатитов, герпеса, простудных заболеваний.

Схема встраивания гена человека, определяющего синтез интерферона, в ДНК бактерии
Рис. 77. Схема встраивания гена человека, определяющего синтез интерферона, в ДНК бактерии

Другие препараты белков, созданных методами генной инженерии,– инсулин и гормон роста. Гормон инсулин необходим людям, страдающим сахарным диабетом. С 1926 г. для лечения сахарного диабета применялся инсулин, получаемый из поджелудочных желез свиней. Свиной инсулин отличается от человеческого всего одной аминокислотой. Однако это незначительное отклонение приводит к тому. что у некоторых больных диабетом возникают аллергия и непереносимость названного препарата. Таким людям нужен только человеческий инсулин. С 1980 г. эта проблема была решена методами генной инженерии. В настоящее время человеческий инсулин получают в промышленных объемах.

На сегодняшний день получено разрешение на применение более 30 препаратов, созданных методами генной инженерии, и еще более 200 находятся на разных стадиях клинических исследований.

Методами генной инженерии значительные успехи достигнуты в деле создания генетически модифицированных трансгенных (от лат. trans – через, сквозь) организмов. Задачи, которые решают ученые с помощью трансгеноза, – изменение наследственных свойств организма в нужном для человека направлении. Действия данных инженеров сводятся к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введению его в организм, а также созданию условий для функционирования и его стабильного наследования. В качестве примера подобных достижений можно назвать перенос генов от клубеньковых бактерий (поглощающих газообразный азот воздуха и обогащающих азотистыми соединениями почву) к почвенным микроорганизмам, живущим в корнях злаковых растений. Широкомасштабное решение данной задачи позволит отказаться от внесения в почву огромных количеств азотных удобрений при возделывании пшеницы, риса и других ценных сельскохозяйственных культур.

В генной инженерии растений получены генетически модифицированные сорта хлопчатника, томатов, табака, риса. Эти сорта растений устойчивы к насекомым-вредителям, вирусам, грибковым заболеваниям. Созданы трансгенные бескосточковые формы черешни, вишни, цитрусовых и др.

Быстро развивается область генной инженерии, связанная с созданием трансгенных животных – продуцентов биологически активных белков. В мире существуют сотни трансгенных овец и коз, продуцирующих от десятков миллиграммов до нескольких граммов биологически активных белков на 1 л молока (рис. 78).

Трансгенные овцы
Рис. 78. Трансгенные овцы

С молоком животных можно получать не только лекарства, но и некоторые ферменты. Например, созданы трансгенные овцы, которые синтезируют фермент реннин, створаживающий молоко. Для сыроварения такой белок можно специально не выделять, а использовать его в составе молока.

Проблемы биотехнологии. Несмотря на значительные достижения в биотехнологии, в последнее время отмечают некоторые тревожные тенденции в отношении использования человеком генетически модифицированных продуктов.

Во-первых, вследствие внедрения чужеродного гена в наследственный аппарат животного или растения не исключено, что через поколения может произойти его повреждение, нарушение размножения, стерилизация. Во-вторых, через несколько лет среди паразитических микроорганизмов возможно возникновение мутантных форм, способных противостоять антибиотикам, которые сейчас вырабатывают трансгенные растения. При появлении же мутантной формы микроорганизмов вполне возможна вспышка заболеваний трансгенных сельскохозяйственных растений и полная потеря урожая. Возможно также образование невосприимчивых к пестицидам вредителей-насекомых. И, в-третьих, есть опасение, что так называемые «молчащие» участки ДНК человеческого генома способны к активизации вследствие употребления трансгенных продуктов питания, а это может спровоцировать у человека развитие наследственных заболеваний.

В настоящее время нет абсолютно надежных методов проверки генетически модифицированных продуктов на безвредность. Существует определенная степень риска того, что продукты питания, содержащие модифицированные компоненты, оказывают негативное влияние на здоровье человека. В связи с этим ученые многих стран выступают в поддержку требований о необходимости законодательно обязать производителей пищевых продуктов указывать на этикетках о наличии трансгенных компонентов, а их применение в детском питании строжайше запретить. В нашей стране в 2002 г. Министерство здравоохранения ввело обязательную маркировку продуктов, содержащих более 5% генетически модифицированных источников. Начиная с 2007 г. производители продуктов питания обязаны указывать, что в их продукции содержатся генномодифицированные компоненты, если их количество превышает 0,9 % от веса продукта. Это тот минимум, который можно определить с помощью специальных приборов.

Принципиальная особенность генной инженерии – создание структуры ДНК, которая никогда не возникает в живой природе. В связи с этим в генной инженерии особую важность приобретает прогнозирование возможных последствий (как положительных, так и отрицательных) создания новых трансгенных форм.

Последние годы в научной среде, в средствах массовой информации активно обсуждается проблема клонирования человека. К ее решению ученые должны подходить, взвесив все возможные последствия экспериментов, поскольку эта проблема имеет не только научные, но и морально-нравственные, религиозные аспекты.

И наконец, биотехнологические предприятия до сих пор не освоили технологию замкнутого цикла получения необходимых для человека продуктов. Отмечено, что жители близлежащих от этих предприятий районов чаще других страдают аллергическими, онкологическими заболеваниями, а у новорожденных детей значительно чаще проявляются тератогенные заболевания. По-видимому, данные заболевания возникают из-за аварийных выбросов в атмосферу веществ, содержащих фрагменты ДНК, РНК и др. Вследствие их высокого мутагенного эффекта может значительно ускориться эволюция болезнетворных бактерий и вирусов, что может привести к образованию новых форм, иногда остро патогенных.

Вопросы и задания

  1. Дайте определение понятия «биотехнология». Каковы ее основные направления?
  2. Почему в биотехнологии особенно широко используются микроорганизмы?
  3. Какое направление биотехнологии называют генной инженерией?
  4. Какие задачи стоят перед генной инженерией?
  5. Какие организмы называют трансгенными?