Направления биотехнологии

Понятие биотехнологии

Биотехнологией (от греч. bios – жизнь, techne – искусство, мастерство и logos – знание) обычно называют производственное использование живых организмов (микроорганизмов, растений, животных, их отдельных клеток и частей клеток) и процессов их жизнедеятельности для получения нужных человеку продуктов. В то же время биотехнология – это пограничная между биологией и техникой научная область и сфера практики, изучающая пути и методы изменения среды, которая окружает человека, в соответствии с его потребностями.

В своем активе современная биотехнология использует достижения различных областей биологической науки и смежных с ней наук: биохимии, органической химии, молекулярной биологии, биофизики, вирусологии, микробиологии, цитологии, протозоологии, генетики, иммунологии, экологии, паразитологии, фармакологии, медицины, селекции, растениеводства, животноводства.

Впервые термин «биотехнология» применил в 1917 году венгерский инженер Карл Эреки, но его массовое внедрение в науку и практику произошло лишь в середине XX века. Само использование микроорганизмов (например, дрожжей, бактерий и др.) и присущих им уникальных свойств осуществлялось людьми с незапамятных времен. Человечество еще в древности освоило хлебопечение, виноделие, сыроварение, квашение молочной и растительной продукции, пивоварение, соление продуктов, изготовление уксуса и пр. Например, при раскопках древних поселений на территории Вавилона (более 6000 лет назад) найдены дощечки с описанием приготовления пива; раскопки в Шумере показали, что 5000 лет назад людям были известны уже несколько различных сортов пива. Микроорганизмы в древности использовались не только для производства пищи, но и при обработке кож и растительных волокон.

Тем не менее биотехнология долгое время имела непосредственное отношение главным образом к производству продуктов питания. Но уже к середине XX века у нее появились новые народнохозяйственные направления: использование биологических методов для борьбы с загрязнением окружающей среды, для защиты растений от вредителей и болезней; производство ценных биологически активных веществ в народном хозяйстве.

Биотехнология на защите окружающей среды

Микробиологические комплексы (бактерий, грибов, водорослей и простейших) используются для биологической очистки сточных вод в больших городах. Бактерии осуществляют разложение растворенных веществ в сточных водах, а простейшие удаляют тонкие взвеси и поедают бактерий, в том числе и патогенных. Особенно успешно этот метод применяется для очистки водоемов, в избытке содержащих биогенные элементы. Для разложения и детоксикации негниющих синтетических веществ в промышленных стоках используют специальные штаммы микроорганизмов, полученные путем искусственного мутагенеза.

Для защиты растений от вредителей и болезней применяются методы биологической борьбы, например искусственное разведение жуков божьей коровки для защиты виноградников от тли, разведение жуков-наездников, теленомусов для борьбы со злостными вредителями хвойных лесов – сибирским и кольчатым коконопрядами.

Переломным моментом в развитии биотехнологии стали 50-е годы XX века, особенно когда впервые промышленным путем был получен первый антибиотик – пенициллин. С этого времени биотехнология стала активно развиваться в направлении фармацевтики и здравоохранения.

Создание биологически активных веществ

Особенно широкое внедрение в промышленность получило производство ценных биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, гормональных препаратов) для хозяйства и здравоохранения. На основе микробиологического синтеза были созданы промышленные методы производства белков, аминокислот в качестве кормовых добавок.

Например, инсулин – белковый гормон, вырабатываемый поджелудочной железой, регулирует снижение сахара в крови. Недостаток инсулина приводит к сахарному диабету. Препараты для лечения людей получают из поджелудочной железы убойного скота. Это очень дорогой и малопродуктивный способ создания лекарственного препарата. Биотехнологический способ получения лекарственного средства с применением метода генной инженерии оказался не только высокопродуктивным, но и более дешевым, доступным для массового лечения. Главное то, что инсулин получен с использованием человеческого гена, внесенного в клетку бактерии-производителя.

Генетическая инженерия

В структуре общих биотехнологических исследований в последние годы особенно активно развивается генетическая инженерия. Это особый раздел молекулярной генетики и биотехнологии, направленный на создание in vitro («в пробирке») новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена. Генетическую инженерию часто подразделяют на генную и клеточную (геномную) инженерию.

Принципиальное отличие генетической инженерии от использовавшихся ранее традиционных методов изменения генотипа состоит в том, что она дает возможность конструировать in vitro функционально активные генетические структуры в форме рекомбинантной ДНК (рекДНК). В результате удается осуществить такие изменения генома клетки, которые не могли бы возникнуть естественным путем.

Создание рекомбинантной ДНК осуществляется путем введения участков ДНК одного организма в ДНК клетки другого организма. Например, многие гены высших организмов вводят в бактериальные клетки. Сначала ген, предназначенный к переносу, вводят в кольцевую молекулу ДНК бактерии и сращивают с ней. Затем такая гибридная ДНК (или рекомбинантная ДНК) помещается в бактериальную клетку, где она ведет себя как хромосома. Новый ген в гибридной ДНК перед делением клетки реплицируется вместе с бактериальной ДНК, а сама бактерия получает возможность вырабатывать белок, кодируемый ее новой ДНК.

Генная инженерия

Годом рождения генной инженерии считается 1972 год, когда американский биохимик П. Берг получил первую гибридную рекДНК, в которой были соединены фрагменты кольцевой молекулы ДНК вируса (фага лямбда) и кишечной палочки с кольцевой ДНК обезьяньего вируса 40. За это достижение в 1980 году ученый был удостоен Нобелевской премии.

Значительная часть работ по переносу участков ДНК, или генов, проводилась на бактериях. Их генетический материал заключен в одной-единственной «хромосоме» – кольцевой ДНК, или бактериальной ДНК (бакДНК). Однако в клетке, помимо ее главной «хромосомы», имеются еще и небольшие кольцевые сегменты ДНК, которые называют плазмидами. Плазмиды часто несут в себе гены, ответственные за устойчивость к антибиотикам. Плазмиды легко отделяются от главной бакДНК и могут быть изъяты из клетки бактерии. Извлеченные из клетки бактерии плазмиды можно включить в другую клетку, у которой в результате соответствующей химической обработки клеточная стенка становится проницаемой для чужих плазмид.

Получение и передача рекомбинантной ДНК в дочерние клетки
Получение и передача рекомбинантной ДНК в дочерние клетки: 1 – сегмент ДНК, предназначенный для переноса (донор); 2 – плазмида; 3 – раскрытая плазмида; 4 – плазмида с включенной в нее ДНК донора; 5 – бактерия с гибридной плазмидой (рекДНК); 6 – бактериальная ДНК; 7 – дочерние клетки с гибридной ДНК (рекДНК)

В качестве классического экспериментального объекта в микробиологических и молекулярно-генетических исследованиях используются клетки кишечной палочки, или колибактерии (Escherichia coli), – обычного нормального эндобионта кишечника млекопитающих, не приносящего вреда хозяину. Они и поставляют нужные плазмиды. Важно отметить, что плазмиды можно «разрезать» (с помощью фермента рестриктазы), «сшивать» (с помощью лигазы), соединять фрагменты в ином порядке, исправлять повреждения в ДНК и «сшивать» концы ее разорванных нитей.

С помощью плазмид осуществлено создание целого ряда лекарств. Плазмиды в этих процессах играют роль переносчиков чужеродной ДНК в клетку нового хозяина, являющегося продуцентом какого-либо нужного вещества. Из каждой клетки, содержащей чужеродную молекулу ДНК, в результате ее многократного деления надвое возникают клоны, то есть совокупности точных копий одной-единственной клетки или особей, произошедших от общего предка путем бесполого размножения. Введенные плазмиды воспроизводятся в каждой клетке клона. Этот процесс называют молекулярным клонированием.

Процесс получения большого числа молекул или клеток, идентичных родительской молекуле или клетке, называют клонированием. Это один из главных экспериментальных методов генетической инженерии.

В итоге интенсивного развития методов генной инженерии получены клоны многих генов рибосомальной и транспортной РНК, ответственных за синтез белков-гистонов, инсулина, интерферона человека, пептидных гормонов и др.

Схема получения трансгенных клеток кишечной палочки – продуцентов интерферона человека
Схема получения трансгенных клеток кишечной палочки – продуцентов интерферона человека

На основе генной инженерии возникла целая отрасль фармацевтической промышленности, названная индустрией ДИК, представляющая собой одну из современных областей биотехнологии.

Клеточная (геномная) инженерия

Это еще одно направление в биотехнологии – конструирование клеток нового типа на основе искусственно созданного гибридного генома или слияния протопластов в единую клетку от различных иных клеток или их частей. Используется гибридизация клеточного материала при слиянии соматических клеток растений и животных, растений и бактерий, животных и бактерий и т. д. На основе клеточной инженерии с помощью генетически измененных клеток создаются новые генетически модифицированные формы организмов (ГМО), например растений, обладающих полезными для человека признаками и устойчивостью к неблагоприятным условиям внешней среды. Клеточную инженерию нередко называют геномной.

Развитие генетической и клеточной инженерии позволило целенаправленно получать жизненно важные лечебные препараты, создавать пищевые добавки (например, трансгенные белки), выводить новые сорта культурных растений с использованием гибридных ДНК.