Биотехнология. Вклад в решение глобальных проблем человечества

Биотехнологии Удивительным и открытиями в науке и грандиозным научн о-техническим прогрессом ознаменовался XX век , однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны : исчерпание ископаемых ресурсов загрязнение окружающей сре ды , исчезновение многих видов растений и ж ивотных , глобальное изменени е климата , появление озоновых дыр над полюсами Земли и т.д . Ясно , что такой путь ведёт в тупик . Нужно принципиальное изменение вектор а развития . Биотехнология может внести решающ ий вклад в решение глобальных проблем чел овечества. Биотехнология - это использ ование живых организмов (или их состав ных частей ) в практических целях. Когда говорят о современной биотехноло гии , то подобное определение дополняют словам и : на базе достижений молеку лярной биологии. Если не сдел ать подобного добавления , то под определение "биотехнология " попадут и традиционное с /х , животноводство и многие отрасли пищев ой промышленности , использующие микроорганизмы . Да лее мы остановимся на одном из видов биотехнологии , а именно на генной инженерии , которая открывает совершенно новые пути в медицине химии , в производстве Энергии , новых материалов , в охране окружающ ей среды . Генная инженерия - это технология манипуляций с веществом наслед ственности - ДНК. Сегодня учёные могут в пробирке разре зать молекулу ДНК в желательном месте , изо лировать и очищать отдельные её фрагмен ты , синтезировать их из двух дезоксирибонукле отидов , могут сшивать такие фрагменты . Результ атом таких манипуляций являются "гибридные ", ил и рекомбинантные молекулы ДНК , которых до этого не было в природе. Годом рождения генн ой инженерии с читается 1972 год , когда в лаборатории Пола Б ерга в США была получена в пробирке п ервая рекомбинантная реплицироваться , т.е . размножа ться , в бактерии кишечной палочки E.с oli. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря фундамен т альным открытиям в молекулярной биологии. В 60-е годы ученые расшифровали генетический код , т.е . установили , что каждая аминокислота в бе лке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК . Особенно важно , что генетический код универсален для всего живого мира. Эт о означает , что ве сь мир "разговаривает " на одном языке . Если передать в какую - либо клетку "чужеродную " ДНК , то информация , в ней закодированная , будет правильно воспринята клеткой реципиен том. Далее было установлено , что существуют специальные последова тельност и ДНК, определяющие начало и окончание транскрипции , трансляции , репликации . Практически все эти системы , в первом п риближении , безразличны к последовательностям ДНК , расположенным между данными сигналами . Надо сказать , что сами сигналы различают ся в разных организмах . Из всего сказанного следует , что если взять некий структурный ген (например человека ) и in vitro снабдить его сигналами , характерными для гена бактериальн ой клетки , то такая структура , помещённая в бактериальную клетку , будет спосо б на к синтезу человеческого белка. Принципиальная особенность генной - способность создавать структуры ДНК , которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия прео долела барьер , существующий в живом мире , где генетический обмен осуществляется тольк о в пределах одного вида или близкородств енных видов организмов . Она позволяет перенос ить гены из одного живого организма в любой другой . Эта новая техника открыла безграничные перспективы создания микроорганизмов , растений и животных с новыми поле з ными свойствами. Конечно , нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность . Вот почему во всех развитых странах мира прав ила работы , законы , регулирующие генно-инженерную деятельность . Закон о "генно-инженерной деятел ьности " принят и п арламентом РФ в июле 1996 г. Невозможно рассказать о всех аспектах применения техники генной инженерии в биот ехнологии или научных исследованиях . Приведём лишь несколько примеров , иллюстрирующих возможнос ти этого метода. Одно из наиболее важных направлений генной инженерии - произво дство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека . Следует напомнить , что в большинстве случаев белки человека (как и других животных ) видоспецифичны , т.е . для л ечения человека можно испо льзовать только белки человека . Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в н ужных количествах. В связи со сказанным интересна истори я получения интерферонов . В 1957 г . английские ученые Иссаакс и Линдельман обнаружили , что мыши , б олевшие гриппом , не подвержены инфекции другими , более опасными вирусами . Исследование наблюдаемого явления привело к выводу , клетки животных и человека в от вет на вирусную инфекцию выделяют какое-то вещество , которое делает окружающие здоровые клетки уст о йчивыми к вирусной инфекции . Это вещество (или вещества ) получило название интерферона. В течение последующих 20 лет велись инт енсивные исследования . Было установлено , что и нтерфероны - группы белков , относящиеся к 3 клас сам - alpha, betta и gamma. Лейкоци ты крови выделяют интерферон ти па alpha , фиброблас ты типа betta и T- лейкоциты т ипа gamma. Интерфер оны выделили , очистили и показали их эффек т как противовирусных лекарств . Кроме того , эти белки оказались эффективными при лечен ии рассеянного склероза и не которых в идов рака . Единственным препятствием к исполь зованию интерферонов была их малая доступност ь . Они синтезировались в очень малых колич ествах : источником их получения была или д онорская кровь , или культура клеток человека . К сожалению , эти источники не позволяли получать интерфероны в количестве , нужных медицине. В 1980 - 1985 гг . в нескольких лабораториях мира , в том числе и в СССР , были вы делены гены человека , определяющие синтез инт ерферонов , и введены в бактерии . Такие бак терии стали способны син тезировать челове ческий интерферон . Очень важно , что они бы стро растут , используют дешёвую питательную с реду и синтезируют большое количество белка . Из 1 л бактериальной культуры можно выдел ить столько человеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс . л . донорской крови . По лученный белок абсолютно идентичен интерферону , синтезируемому в организме человека . Конечно , пришлось решать сложную задачу очистки инт ерферона , полученного способом генной инженерии , до гомогенного состояния. Ещё 4 - 6 лет заняли до клинические и клинические испытания . Наконец в 1989 -1990 гг . по явилось новое лекарство - человеческий интерферон alpha; в России он выпускается под названием "реаферон ". За эту работу группа ученых удостоена Ленинской премии. Сегодня это почти единствен ный пр епарат , который эффективен против вирусных ге патитов как в острой , так и в хроничес ких формах , против герпеса , простудных заболев аний . Интерферон применяется и в терапии н екоторых видов рака . За рубежом с 1994 г . выпускаются препараты betta и gamma - интерферонов человека. Из других препаратов рекомбинантных белко в человека , получивших широкое медицинское пр именение , следует назвать инсулин , гормон рост а , эритропоэтин . Свиной инсулин отличается от человеческого всего одной аминокислотой . При меняется с 1926 г . для лечения людей при инсулинзависимом сахарном диабете . Для гормо на роста и эритропоэтина отмечается , как и для интерферонов , видоспецифичность белков . Г енная инженерия открыла новую возможность исп ользования этих белков в медицине . Гормон роста применяется не только для бо рьбы с карликовостью , но и широко использу ется как стимулятор для заживления ран , ср ащивания костей . Гормоны роста животных начал и использовать в с /х (увеличение на 15% у доя коров , ускорение роста рыб ). Эритропоэтин - стимулято р кроветворения и используе тся при лечении различного рода анемий. В настоящее время в мире получили разрешение на применение более 30 препаратов , созданных методами генной инженерии , и бол ее 200 находятся на разных стадиях клинических исследований . Сейч ас более 20% фармацевтиче ского рынка лекарств составляют лекарства нов ой биотехнологии. Использование рекомбинантных белков человека - принципиально новая терапия. В не вводится ничего чуж ого . Действительно , если в нём не хватает инсулина или гормона рост а , их до бавляют (заместительная терапия ). С вирусами ор ганизм сам борется с помощью интерферонов - человек просто помогает ему. Значительные успехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и ткан ей раст ений в пробирке и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток. В генной инженерии растений есть свои проблемы . Одна из них состоит в том , что многие полезные свойства растений коди руются не одним , а многими генами . Это делает трудным или невозможным прямое г енно-инженерное совершенствование свойств . Другое препятствие , которое постепенно преодолевается , - т рудности культивирования и регенерации клеток в целое растение среди некоторых видов , например злаков . Лучшие результаты получены в том случае , когда перенос од ного гена может привести к появлению у растения полезного свойства. Несмотря на ограничения , получены впеча тляющие результаты : созданы сорта хлопчатника , томатов , табака , риса , устойчивых к насекомым-в редителям , вирусам , гри бковым заболеваниям . Пионер в области применения генно-инженерных растений в с /х - США . Здесь в 1996 году до 20% посевов хлопчатника произведено семенами , модифицированными методом генной инженерии. Создание генно-инженерных (их сейчас называют трансгенны ми ) животных имеет те же принципиальные трудности , что и создан ие трансгенных растений , а именно : множественн ость генов , определяющих хозяйственно ценные признаки . Тем не менее , есть быстро развив ающаяся область , связанная с созданием трансг енных животных - продуцентов биологически ак тивных белков. В высших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенных тканях . Хотя все гены содержатся в кажд ой клетке , в специализированных клетках работ ают только некоторые из них , этим и оп ределяе тся тканевая специфичность . Примером может служить производство белков молока (к озеин , лактальбумин ) в молочных железах . Есть возможность подставить нужный нам ген под регуляторные последовательности , например казеин а , и получить чужеродный белок в состав е молока . Важно при этом , что животное чувствует себя нормально , так как чужой ген работает только в процессе лактации. В мире уже существуют сотни трансгенн ых овец и коз , продуцирующих в молоке от десятков миллиграмм до нескольких грамм биологически активн ых белков человека в 1л молока . Такой метод производства экон омически выгоден и экологически чище , хотя и требует от ученых больших усилий и времени при создании трансгенных животных по сравнению с созданием генно-инженерных мик роорганизмов. С молоком тран сгенных животных мо жно получать не только лекарства . Известно , что для производства сыра высокого качеств а необходим фермент , створаживающий молоко , - реннин . Этот ф ермент добывают из желудков молочных телят . Он дорог и не всегда доступен . Наконец , генные инженеры сконструировали дрожжи , которые стали производить этот ценный бело к при микробиологическом синтезе. Следующий этап генной инженерии - создание трансгенных овец , которые синтезируют химо зин в молоке . Небольшое стадо наших овец в России находится н а Ленинских Горках под Москвой . Эти овцы синтезируют до 300 мг /л фермента в молоке . Для процесса сыроварения белок можно не выделять , а использовать просто в составе молока. Возможна экспансия биотехнологии в области , которые сегодня целиком принад лежат хи мии . Это - биокат ализ (вместо химического катализ а ) и новые материалы . Один из процессов биокатализа , успешно реализованного в промышлен ности , - получение акриламида из акрилонитрила . CH2=CH – CN -> CH2=CH-C=0 | NH 2 Акриламид служит исходным мономером для получения полимеров и сополимеров , широко используемых при оч истке воды и стоков , в горном деле , при осветлении соков и вин , приготовлени и красок и т.п. До недавнего времени процесс гидролиза нитрила вели п ри 105 С в присутствии серной кислоты . После окончания процесса серную кислоту нейтрализо вали аммиаком . Большое количество сернокислого аммония , в конечном счёте оказывался в реках . Был и велики затраты энергии , бы стро изнашивалось оборудование , и качество ак риламида оставляло желать лучшего. В 1987 году ученые из института генетики и селекции промышленных микроорганизмов совместно со св оими коллегами из Саратовского филиала инстит ута при ступили к поиску в природе микроорганизмов , которые могли бы превращать акрилонитрил в акриламид , Такие микроорганизмы были найдены . После ряда манипуляций полу чены микроорганизмы , синтезирующие в 10 тыс . раз больше фермента – нитрилгидратазы , ответств енн о го за трансформацию акрилонитрила . Достижения учёных реализованы на практике . На одном из заводов , выпускающий антибио тики , налажен выпуск биокатализатора , т.е . нужны х микроорганизмов , а ещё на 3 заводах осуще ствлён процесс биокаталитического получения акр иламида . Процесс осуществляется при комна тном давлении и температуре , следовательно , ма ло энергоёмок . Процесс практически не имеет отходов , экологически чист . Получаемый новым методом акриламид имеет высокую чистоту , чт о важно , так как большая его часть д а лее полимеризуется в полиакриламид , а качество полимера сильно зависит от чистоты мономера. Другой пример относится не к биокатал изу , а к биоматериалам . Учёные давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала , из которого пауки плету т сети. Паутинка примерно в 100 раз тоньше челов еческого волоса , этот материал мягче хлопка , прочнее стали , обладает уникальной эластичност ью , практически не меняет свойств при изме нении температуры , материал идеально подходит для многих практических целей : парашютного корда , бронежилетов и т.д . Вопрос , где взять большое количество паутины по исходной цене ? На помощь пришла генная инженерия . Учё ные выделили гены , ответственные за синтез белков паутины , и перенесли их в микроо рганизмы . В 1995 г . появилось с ообщение ам ериканских исследователей , что в микроорганизмах действительно синтезируется нужный белок . Та ким образом открывается путь к промышленному микробиологическому синтезу нового материала. Обычно для роста микроорганизмов испол ьзуются дешёвые крахма л , патока и друг ие с /х продукты , т.е . возобновляемое сырьё. Нужно отметить . Что бактерии синтезируют не нити , а аморфный белок так же , как и пауки . Нить образуется , когда паук выдавливает белок из сопла своих желёз . Технически возможно имитировать этот про цесс , продавливая аморфный белок через очень тонкие отверстия . Первые нити из микробио логического белка уже получены . Есть реальная возможность улучшить великолепные качества п аутины , внеся некоторые изменения в аминокисл отную последовательность белка. При ведённые примеры далеко не охв атывают всех практических аспектов применения генной инженерии . Мы не касались вопросов энергетики , охраны среды , добычи полезных ис копаемых , микробиологической промышленности , а так же очень важного вопроса – роли генной инже н ерии в развитии самой мол екулярной биологии. Новая «Зелёная революция» , которая уже началась , даст растения , которые не будут нуждаться в пестицидах , а в будущем - и в азотных удобрениях . Прекращение использова ния Химических пестицидов резко улучшит состо я ние окружающей среды , сократит расходы нефти и газа на их производство (на 3%). Появятся новые материалы новые лекарства , вы сокопроизводительные животные , новые пищевые прод укты. По заключению экспертов конгресса США , «биотехнология в наибольшей степени из менит образ жизни людей в XXI веке».