Реферат: Биотехнология

Министерство образования Российской Федерации

Сибирский Государственный Технологический Университет

Кафедра Физиологии

РЕФЕРАТ

На тему: Биотехнология.

Выполнил: Студент гр.32-6

Мулява Владимир Валерьевич      

Проверила: Сунцова Людмила Николаевна

Красноярск 2001г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ… 3

БИОТЕХНОЛОГИЯ  НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГОХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ   5

1. Биотехнология и сельское хозяйство. 5

Биотехнология и растениеводство. 5

Биотехнология и животноводство. 10

2. Технологическаябиоэнергетика. 11

Получение этанола как топлива. 11

Получение метана и другихуглеводородов. 12

Получение водорода как топливабудущего. 13

Пути повышения эффективностифотосинтетических систем. 14

Биотопливные элементы. 14

3. Биотехнология и медицина. 15

Антибиотики. 15

Гормоны. 17

Интерфероны, интерлейкины, факторыкрови. 18

Моноклокальные антитела и ДНК-илиРНК-пробы. 19

Рекомбинантные вакцины ивакцины-антигены. 20

Ферменты медицинского назначения. 21

4. Биотехнология и пищеваяпромышленность. 21

5. Биогеотехнология. 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ… 25

Список используемой литературы. 27

ВВЕДЕНИЕ

С древних времен известны отдельные биотехнологическиепроцессы, используемые в различных сферах практической дея­тельности человека.К ним относятся хлебопечение, виноделие, приготовление кисло-молочных продуктови 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 пополниласьмикробиологическим производством ацетона и бутанола, антибиотиков, органическихкислот, витаминов, кормового белка.

Немаловажный вклад в биотехнологические разработки внеслисоветские исследователи: в СССР в 30-е годы были построены первые заводы пополучению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственныхотходах и сульфитных щелоках, под руководством В. Н. Шапошникова успешновнедрена технология микробиологического производства ацетона и бутанола.Большую роль в создание основ отече­ственной биотехнологии внесло учениеШапошникова о двухфаз­ном характере брожения. В 1926 г. в СССР были исследованыбиоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами. Впоследующие годы биотехнологические разработки широко использовались в нашейстране для расши­рения «ассортимента» антибиотиков для медицины и животно­водства,ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов.

С момента создания в 1963 г. Всесоюзного научно-исследо­вательскогоинститута биосинтеза белковых веществ в на­шей стране налаживаетсякрупнотоннажное производство бога­той белками биомассы микроорганизмов каккорма. В 1966 г. микробиологическая промышленность была выделена в отдель­нуюотрасль (Главное управление микробиологической промыш­ленности при СоветеМинистров СССР — Главмикробиопром). Имеются ценные разработки по получениюновых источников энергии биотехнологическим путем (технологическая биоэнерге­тика),отметим большое значение биогаза — заменителя топлива, получаемого из недрземли.

Значительные успехи, достигнутые во второй половине XX в. в фундаментальных исследованиях в области биохимии, био­органическойхимии и молекулярной биологии, создали предпо­сылки для управленияэлементарными механизмами жизнедея­тельности клетки, что явилось мощнымимпульсом для развития биотехнологии. Выяснение роли нуклеиновых кислот впередаче наследственной информации, расшифровка генетического кода, раскрытиемеханизма индукции и репрессии генов, совершен­ствование технологиикультивирования микроорганизмов, клеток и тканей растений и животных позволилиразработать методы

генетической и клеточной инженерии, с помощью которых можноискусственно создавать новые формы высокопродуктивных орга­низмов. Генетическаяи клеточная инженерия рассматривается как принципиально новое направлениебиологической 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 исследова­теливключились 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 поселекции культур для непрерывного культивирования в про­мышленных целях.

Развитие методов для изучения структуры белков, выяснениемеханизмов функционирования и регуляции активности фермен­тов открыли путь кнаправленной модификации белков и привели к рождению инженерной энзимологии.Иммобилизованные фер­менты, обладающие высокой стабильностью, становятся мощныминструментом для осуществления каталитических реакций в раз­личных отрасляхпромышленности.

Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уро­вень,качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлятьклеточными процессами. В современном звучании биотехнология — это промышленноеиспользование биологических процессов и агентов на основе получения высоко­эффективныхформ микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданнымисвойствами.

Биотехнология — междисциплинарная областьнаучно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических итехнических наук.

Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовкуобъекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использованиепродуктов. Многоэтапность процесса обусловли­вает необходимость привлечения кего осуществлению самых различных специалистов: генетиков и молекулярныхбиологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и кле­точныхфизиологов, инженеров-технологов, конструкторов био­технологическогооборудования и др.

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

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

— микробиологических средств защиты растений от болезней ивредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений; новыхвысокопродуктивных и устойчивых к неблаго­приятным факторам внешней средысортов и гибридов сельско­хозяйственных растений, полученных методамигенетической и клеточной инженерии;

— ценных кормовых добавок и биологически активных ве­ществ(кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов идр.) для повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженериидля эффективной профилактики, диагностики и терапии основных болезней сель­скохозяйственныхживотных;

— новых технологий получения хозяйственно ценных продук­товдля использования в пищевой, химической, микробиологи­ческой и других отрасляхпромышленности;

— технологий глубокой и эффективной переработки сельско­хозяйственных,промышленных и бытовых отходов, использова­ния сточных вод и газовоздушныхвыбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

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

На пути решения поставленных задач биотехнологию подсте­регаютнемалые трудности, связанные с исключительной слож­ностью организации живого.Любой биообъект — это целостная система, в которой нельзя изменить ни один изэлементов, не меняя остальных, нельзя произвольно перекомбинировать их,придавая организму то или иное желаемое свойство, например бактерии —способность к сверхсинтезу требуемой аминокислоты, сельскохозяйственномурастению — устойчивость к фитопатоген-ным грибкам. Любое воздействие на объектвызывает не только желаемые, но и побочные эффекты; перестройка генома сказы­ваетсясразу на многих признаках организма. У человека суще­ствуют гены, отвечающие зазлокачественное перерождение клеток. Высказывалось немало идей о необходимостипревентив­ных генетических операций, пока не было установлено, что эти генынеобходимы и для нормального роста. Помимо этого, экосистема также представляетсобой целостную систему и изме­нения каждого из ее компонентов сказываются наостальных компонентах. Не исключено, что плазмида, с помощью которойтрансплантирован желаемый ген культурному растению, будет далее передаватьсясорнякам. Не будет ли в результате генных манипуляций превращаться в сорняксамо культурное растение?

Успехи, достигнутые в области генетической и клеточнойинженерии на простейших биологических системах, прокариотных организмах,вселяют уверенность в преодолимость рассмот­ренных трудностей. Что касаетсяболее сложных систем, а имен­но эукариотных организмов, то здесь делаются лишьпервые шаги, идет накопление фундаментальных знаний.

БИОТЕХНОЛОГИЯ  НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА,ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ

Биотехнологические разработки могут внести немаловажныйвклад в решение комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения инауки.

Для удовлетворения пищевых потребностей необходимо уве­личитьэффективность растениеводства и животноводства. Имен­но на это, в первуюочередь, нацелены усилия биотехнологов. Кроме того, биотехнология предлагаеткак 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 побудиличеловечество обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотехнологияможет дать ценные возобнов­ляемые энергетические источники: спирты, биогенныеуглеводо­роды, водород. Эти экологически чистые виды топлива можно получатьпутем биоконверсии отходов промышленного и сельско­хозяйственного производства.

В-третьих, уже в наши дни биотехнология оказывает реаль­нуюпомощь здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина,гормона роста, интерферонов, факторов свер­тывания крови и иммунной системы,тромболитических фермен­тов, изготовленных биотехнологическим путем. Помимополуче ния лечебных средств, биотехнология позволяет проводить ран­нююдиагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований наоснове применения препаратов антигенов, моноклональных антител, ДНК/РНК-проб. Спомощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционныхболезней.

В-четвертых, биотехнология может резко ограничить масшта­бызагрязнения нашей планеты промышленными, сельскохозяй­ственными и бытовымиотходами, токсичными компонентами ав­томобильных выхлопов и т. д. Современныеразработки нацелены

на создание безотходных технологий, на получение легко раз­рушаемыхполимеров (в частности, биогенного происхождения: поли-b-оксибутирата, полиамилозы) и поискновых активных микроорганизмов-разрушителей полимеров (полиэтилена, поли­пропилена,полихлорвинила). Усилия биотехнологов направлены также на борьбу с пестициднымизагрязнениями — следствием неумеренного и нерационального примененияядохимикатов.

Биотехнологические разработки играют важную роль в добы­че ипереработке полезных ископаемых, получении различных препаратов и созданииновой аппаратуры для аналитических целей.

1. Биотехнология и сельское хозяйствоБиотехнология и растениеводство

Культурные растения стра­дают от сорняков, грызунов,насекомых-вредителей, нематод, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов,неблагоприятных погодных и климатических условий. Перечисленные факто­ры нарядус почвенной эрозией и градом значительно снижают урожайностьсельскохозяйственных растений. Известно, какие разрушительные последствия вкартофелеводстве вызывает коло­радский жук, а также гриб Phytophtora — возбудитель ранней гнили (фитофтороза) картофеля.Кукуруза подвержена опустоши­тельным «набегам» южной листовой гнили, ущерб откоторой в США в 1970 г. был оценен в 1 млрд. долларов.

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

Биотехнологические пути защиты растений от рассмотренныхвредоносных агентов включают: 1) выведение сортов растений, устойчивых кнеблагоприятным факторам; 2) химические сред­ства борьбы (пестициды) ссорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды),нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, ви­русами;3) биологические средства борьбы с вредителями, ис­пользование их естественныхврагов и паразитов, а также ток­сических продуктов, образуемых живымиорганизмами.

Наряду с защитой растений ставится задача повышения про­дуктивностисельскохозяйственных культур, их пищевой (кормо­вой) ценности, задача созданиясортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченныхрайонах. Раз­работки нацелены на повышение энергетической эффективностиразличных процессов в растительных тканях, начиная от погло­щения кванта светаи кончая ассимиляцией СО2 и водно-солевым обменом.

Выведение новых сор­тов растений. Традицион­ныеподходы к выведению новых сортов растений — это селекция на основегибридизации, спонтан­ных и индуцированных мутаций. Методы селекции не стольотда­ленного будущего включают гене­тическую и клеточную инженерию.

Генетическую инженерию пред­лагают использовать для выведе­нияазотфиксирующих растений. В природных услови­ях азотфиксирующие клубенько­выебактерии, представители рода Rhizobium, вступаютв симбиоз с бобовыми. Комплекс генов азотфиксации (nif)из этих или иных бактерий предлагают вклю­чить в геном злаковых культур.Трудности связаны с поиском подходящего вектора, поскольку широко используемыедля подоб­ных целей Agrobacterium сплазмидами Ti и Ri не заселяютзлаки. Планируют модификацию генома Agrobacterium, чтобыбакте­рия могла вступать в симбиоз со злаками и передавать им гене­тическуюинформацию. Другим решением проблемы могла бы быть трансформация растительныхпротопластов посредством ДНК. К компетенции клеточной инженерии относятсоздание но­вых азотфиксирующих симбиотических ассоциаций «растение —микроорганизм».

В настоящее время выделены и клонированы гены sym, от­вечающие за установление симбиотических отношениймежду клубеньковыми азотфиксаторами и растением-хозяином. Путем переноса этихгенов в свободноживущие азотфиксирующие бак­терии (Klebsiella,Azotobacter) представляется возможным за­ставитьих вступить в симбиоз с ценными сельскохозяйственными культурами. Методамигенетической инженерии предполагают также повысить уровень обогащения почвыазотом, амплифици-руя гены азотфиксации у Klebsiella и Azotobacter.

Разрабатываются подходы к межвидовому переносу генов asm, обусловливающих устойчивость растений к нехваткевлаги, жаре, холоду, засоленности почвы. Перспективы повышения эф­фективностибиоконверсии энергии света связаны с модифика­цией генов, отвечающих засветовые и темновые стадии этого процесса, в первую очередь генов cfx, регулирующих фиксацию СО2 растением. Вэтой связи представляют большой интерес

разработки по межвидовому переносу генов, кодирующих хлоро­филла/b-связывающий белок и малую субъединицурибулозо-бис-фосфаткарбоксилазы — ключевого фермента в фотосинтети­ческойфиксации СО2.

Гены устойчивости к некоторым гербицидам, выделенные избактерий и дрожжей, были успешно перенесены в растения таба­ка. Разведениеустойчивых к гербицидам растений открывает возможность их применения дляуничтоже­ния сорняков непосредственно на угодьях, занятых сельскохозяй­ственнымикультурами. Проблема состоит, однако, в том, что массивные дозы гербицидовмогут оказаться вредными для при­родных экосистем.

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

Важное место в выведении новых сортов растений занимаетметод культивирования растительных клеток in vitro. Регенери­руемая изтаких клеток «молодая поросль» состоит из идентич­ных по генофонду экземпляров,сохраняющих ценные качества избранного клеточного клона. В Австралии изкультивируемых in vitro клеточных клонов выращиваюткрасные камедные де­ревья (австралийские эвкалипты), отличающиеся способностьюрасти на засоленных почвах. Предполагается, что корни этих растений будутвыкачивать воду из таких почв и тем самым по­нижать уровень грунтовых вод. Этоприведет к снижению засо­ленности поверхностных слоев почвы в результатепереноса мине­ральных солей в более глубокие слои с потоками дождевой воды. ВМалайзии из клеточного клона получена масличная пальма с повышеннойустойчивостью к фитопатогенам и увеличенной способностью к образованию масла(прирост на 20—30%). Клонирование клеток с последующим их скринингом ирегенерацией растений из отобранных клонов рассматривают как важный методсохранения и улучшения древесных пород умеренных широт, в частности хвойныхдеревьев. Растения-регенеранты, выращенные из клеток или тканей меристемы,используют ныне для разведения спаржи, земляники, брюссельской и цветнойкапусты, гвоздик, папорот­ников, персиков, ананасов, бананов.

С клонированием клеток связывают надежды на устранениевирусных заболеваний растений. Разработаны методы, позволя­ющие получатьрегенеранты из тканей верхушечных почек расте­ний. В дальнейшем средирегенерированных растений проводят отбор особей, выращенных из незараженныхклеток, и выбраковку больных растений. Раннее выявление вирусного заболевания,необходимое для подобной выбраковки, может быть осуществ­лено методамииммунодиагностики, с использованием моноклональных антител или методомДНК/РНК-проб. Предпосылкой для этого является получение очищенных препаратовсоответ­ствующих вирусов или их структурных компонентов.

Клонирование клеток — перспективный метод получения нетолько новых сортов, но и промышленно важных продуктов. При правильном подбореусловий культивирования, в частности при оптимальном соотношении фитогормонов,изолированные клетки более продуктивны, чем целые растения. Иммобилизациярастительных клеток или протопластов нередко ведет к повыше­нию ихсинтетической активности. Табл. 6 включает биотехно­логические процессы сиспользованием культур растительных клеток, наиболее перспективные для промышленноговнед­рения.

Коммерческое значение в основном имеет промышленное про­изводствошиконина. Применение растительных клеток, которые являются высокоэффективнымипродуцентами алкалоидов, терпе­нов, различных пигментов и масел, пищевыхароматических до­бавок (земляничной, виноградной, ванильной, томатной, сельде­рейной,спаржевой) наталкивается на определенные трудности, связанные с дороговизнойиспользуемых технологий, низким выходом целевых продуктов, длительностьюпроизводственного процесса.

Таким образом,  биотехнология открывает широкие перспективыв области выведения новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным внешнимвоздействиям, 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, нонедостаточно избирательным действием. Так, гербициды, смываясь дождевымипотоками или почвенными во­дами на посевные площади, наносят ущербсельскохозяйствен­ным культурам. Помимо этого, некоторые пестициды длительносохраняются в почве, что тоже приводит к потерям урожая. Воз­можны разныеподходы к решению проблемы: 1) усовершенство­вание технологии примененияпестицидов, 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 сповышенной эффективностью биодеградации ядохимикатов, в частности штамм Pseudomonas ceparia,разру­шающий 2, 4, 5-трихлорфеноксиацетат. Устойчивость того или иногопестицида в почве меняется при добавлении его в сочета­нии с другим пестицидом.Так, устойчивость гербицида хлорпро-фама увеличивается при его внесениисовместно с инсектицидами из группы метилкарбаматов. Оказалось, чтометилкарбаматы ингибируют микробные ферменты, катализирующие гидролизхлорпрофама.

Микробная трансформация пестицидов имеет и оборотнуюсторону. Во-первых, быстрая деградация пестицидов сводит на нет их полезныйэффект. Во-вторых, в результате микробного превращения могут образоватьсяпродукты, сильно ядовитые для растений. При использовании гербицида тиобенкарбав Япо­нии наблюдали подавление роста и развития риса. Установлено, чтоподавляет не сам гербицид, а его дехлорированное производ­ное S-бензил-N,N-диэтилтиокарбамат. Чтобыпредотвратить об­разование такого производного, тиобенкарб применяют в ком­бинациис метоксифеном, ингибитором дехлорирующего фермен­та микроорганизмов.

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

К традиционным биологическим средствам, направленным противнасекомых, принадлежат хищные насекомые. В последние годы арсенал «оружия»инсектицидного действия пополнен гриба­ми, бактериями, вирусами, патогеннымидля насекомых (энтомо-патогенными). Многие виды насекомых-вредителей (тля, коло­радскийжук, яблоневая плодожорка, озимая совка и др.) восприимчивы к заболеванию,вызываемому грибом Beauveria bussiana. Препарат боверин из лиофильно высушенныхконидий гри­ба сохраняет энтомопатогенность в течение года после обработкипочвы или растений. Препарат пецилолин из гриба Poecilomyces fumoso-roseus применяют для борьбы свредителями кустарни­ков, например смородины.

Важным источником бактериальных энтомопатогенных препа­ратовслужит Bacillus thuringiensis. Эти препараты обладают высокойустойчивостью и патогенны для нескольких сотен видов насекомых-вредителей, втом 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 специфичностьюдействия, длительным (до 10—15 лет) сохранением активности, устойчивостью кколебаниям температуры и влажности. Из многих сотен известных энтомопатогенныхвирусов наибольшее примене­ние находят вирусы ядерного полиэдроза, обладающиевысокой эффективностью действия на насекомых-вредителей. Насекомых выращивают вискусственных условиях, заражают вирусом, из гомогенатов погибших насекомыхготовят препараты. При­меняют отечественные препараты вирин-ЭКС (противкапустной совки), вирин-ЭНШ (против непарного шелкопряда). В послед­ние годыдля 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 вирусцитоплазматического 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 стимулирующиеактивность естественных врагов насекомых вредителей:   хищников,   паразитов   .

Разнообразны средства защиты растений от фитопатогенныхмикроорганизмов.

1. Антибиотики. Примерами могут служить триходермин итрихотецин, продуцируемые грибами Trichoderma sp. и Trichotecium roseum.Эти антибиотики используются для борьбы с корневыми гнилями овощных,зерновых и технических культур.

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

лями пестицидов. Фитоалексин перца успешно применяли прифитофторозе. Могут быть использованы также вещества, сти­мулирующие синтезфитоалексинов в растительных тканях.

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

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

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

Биологические средства — важная составная часть комплекс­нойпрограммы защиты растений. Эта программа предусматри­вает проведение защитныхмероприятий агротехнического, биоло­гического и химического плана наряду сиспользованием устой­чивых сортов растений. Задачей комплексной программы явля­етсяподдержание численности вредителей растений на экологи­чески сбалансированномуровне, не наносящем ощутимого вреда культурным растениям.

Биологические удобрения. Биологические (бакте­риальные)удобрения применяют для обогащения почвы связан­ным азотом. Большоераспространение получили препараты нитрагин и азотобактерин — клеткиклубеньковых бактерий и азотобактера, к которым добавляют стабилизаторы(мелассу, тиомочевину) и наполнитель (бентонит, почву). Азотобактерин обогащаетпочву не только азотом, но и витаминами и фитогормонами, гиббереллинами игетероауксинами. Препарат фосфо-бактерин из Bacillus megaterium превращаетсложные органиче­ские соединения фосфора в простые, легко усвояемые расте­ниями.Фосфобактерин также обогащает почву витаминами и улучшает азотное питаниерастений.

Растения синтезируют ряд соединений, регулирующих их рост иразвитие (фитогормоны, биорегуляторы). К их числу принадле­жат ауксины,гиббереллины, цитокинины. Созревание плодов стимулирует этилен. Этибиорегуляторы находят применение в сельском хозяйстве. К числу новых,обнаруженных в послед­ние годы биорегуляторов относят пептиды, имеются перспек­тивыих применения в сельском хозяйстве.

Биотехнология и животноводство.

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

Для повышения продуктивности животных нужен полноцен­ныйкорм. Микробиологическая промышленность выпускает кор­мовой белок на базеразличных микроорганизмов — бактерий,

грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одно­клеточныхорганизмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственнымиживотными. Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет получить 0,4- 0,6 т свинины, до1,5 т мяса птиц, 25—30 тыс. яиц и сэкономить 5—7 т зерна (Р. С. Рычков, 1982).Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80% площадейсельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту иптице.

Одноклеточные организмы характеризуются высоким содержа­ниембелка — от 40 до 80% и более. Белок одноклеточных богат лизином, незаменимойаминокислотой, определяющей его кормовую ценность. Добавка биомассыодноклеточных к недо­статочным по лизину растительным кормам позволяетприблизить их аминокислотный состав к оптимальному. Недостатком био­массыодноклеточных является нехватка серусодержащих аминокислот, в первую очередьметионина. 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 повышенадобавкой син­тетического метионина.

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

В нашей стране производится биомасса одноклеточных, вособенности на базе углеводородного сырья. Достигнутые успехи не должнызаслонять проблемы, возникающей при использо­вании углеводородов как субстратовдля крупномасштабного производства белка, — ограниченность их ресурсов.Важнейшими альтернативными суб­стратами служит метанол, этанол, углеводырастительного про­исхождения, в перспективе водород.

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

Большое значение для животноводства имеет обогащениерастительных кормов микробным белком. Для этого широко применяют твердофазныепроцессы.

Перспективными источниками белка представляются фото-трофныемикроорганизмы, в особенности цианобактерии рода Spirulina и зеленые одноклеточные водоросли из родов Chlorella и Scenedesmus.Наряду с обычными аппаратами для их выращи­вания используют искусственныеводоемы. Добавление к расти­тельным кормам биомассы Scenedesmus позволяет резко повысить эффективность усвоения белковживотными.

Таким образом, существуют разнообразные источники сырья дляполучения биомассы одноклеточных. Некоторые субстраты (этанол) дают стольвысококачественный белок, что он мо­жет быть рекомендован в пищу. Цианобакте­риирода Spirulina издавнаиспользуют в пищу ацтеки в Центральной Америке и племена, обитающие на озереЧад в Африке.

2. Технологическая биоэнергетика

Технологическая биоэнергетика — одно из направлений био­технологии,связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Этоможет быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, накопленной в результатефотосинте­за в дешевое и высококалорийное топливо — метан и другиеуглеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации самого процесса фотосинтеза, врезультате которой энергия света с максимальной эффективностью используется наобразование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО2и син­теза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находитсяидея непосредственного преобразования энергии Солн­ца в электрическую(биофотоэлектрические преобразователи энергии).

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

Получение этанола как топлива.

Этанол — экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО2и Н2О. Он исполь­зуется в двигателях внутреннего сгорания в чистомвиде 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 СШАпредполагают заменить на эта­нол 10% потребляемого бензина. Широкое внедрениеэтанола планируется в странах Западной Европы.

На значительных посевных площадях намечают выращиватьсельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотех­нологическойпереработки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема,которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: продо­вольствиеили энергия. Производство этанола из растительного сырья не являетсябезотходным: на каждый литр спирта при-

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

Классическим биообъектом, используемым при получении спирта,являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи име­ют ряд недостатков.

1. Конкуренция брожения и дыхания. Субстрат (например,глюкоза) лишь частично сбраживается до этанола. Оставшаяся часть безвозвратнотеряется, превращаясь в результате дыхания в СО2 и Н2О.Процесс необходимо вести в анаэробных условиях или применять мутанты дрожжей,утратившие митохондрии и не способные к дыханию.

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

3. Отсутствие ферментов, катализирующих расщеплениекрахмала, целлюлозы, ксилана. Необходим предварительный гидролиз субстрата илизасев биореактора смешанной культурой, содержащей, помимо S.cerevisiae, микроорганизмы с соответ­ствующейгидролитической активностью.

Бактерия Zymomonas molilis, применявшаясяцентрально­американскими индейцами для сбраживания сока агавы, более эффективносбраживает сахара и более устойчива к этанолу. Дальнейшее повышениеустойчивости Z. mobilis к этанолу до­стигается добавлением в среду инкубации Mg2+ и ряда нуклео-тидных компонентов.

Термофильные бактерии, продуценты этанола характеризу­ютсявысокой скоростью роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами,необычной для остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и более).Термофилы спо­собны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так, Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellum— целлюлозу, Cl. thermohydrosulfuricum утили­зирует продукты деградации целлюлозы с оченьвысоким выхо­дом спирта. Перспективно применение экстремально термофиль­ногопродуцента спирта Thermoanaerobacter ethanolicus. Пла­нируютиспользование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и галофильных продуцентовспирта.

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

Получение метана и других углеводородов.

Получение мета­на — важный путь утилизациисельскохозяйственных отходов. Он получается в виде биогаза — смеси метана и СО2.Присут­ствие СО2 ограничивает теплотворную способность биогаза кактоплива, которая в зависимости от соотношения СН4/СО2составляет 20,9—33,4 кДж/м3. Содержание метана в биогазе варьируетот 50 до 85%.

Непосредственно к образованию метана способна небольшаягруппа микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жиз­недеятельностьметанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях.Субстратами для образования ме­тана могут служить муравьиная и уксуснаякислоты, метанол, газовые смеси (Н2 + СО, Н2 + СО2).Поскольку биогаз практиче­ски получают из сложных органических веществ(целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то дляметан-образования применяют многокомпонентные микробные ассо­циации.

Наряду с метанобразующими бактериями в состав такихассоциаций входят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол,муравьиную и уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служитьметаногенная ассоциация «Methanobacillus Kuzneceovii», образующаяметан при разложе­нии биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).

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

Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют дру­гиеценные продукты, например витамин В12 После переработкиорганического субстрата в биогаз остается материал, представ­ляющий собойценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение.

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

Кроме метаногенных анаэробов существует другая группаорганизмов — продуцентов углеводородов как заменителей топ­лива. Этомикроводоросли — Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo-ropsis и др. Углеводородынакапливаются в значительных коли­чествах — до 80% сухой массы клеток. В СШАдействует ферма для выращивания водорослей с суммарной площадью водоемов 52тыс. гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углеводородов в сутки.Для улучшения топливных характеристик полученные из водорослей углеводородыподвергают гидрированию (Г Н Чер­нов, 1982).

Получение водорода как топлива будущего.

Получение водо­рода как топлива пока остается на уровнепоисковых разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2О,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 инекоторые простейшие (Е. Н. Кондратьева, И. Н. Го-готов, 1981). Процесспротекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.

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

2Н+ + 2е- = Н2

Одна из технологических возможностей основана на включенииизолированной гидрогеназы в состав искусственных Н2-генерирую-щихсистем. Сложной проблемой является нестабильность изоли­рованного фермента ибыстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) икислородом. Повышение ста­бильности гидрогеназы может быть достигнуто ееиммобилиза­цией (Чан Динь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. al., 1986). Иммобили­зация предотвращает ингибированиегидрогеназы кислородом.

Предложено много вариантов модельных систем, катализирую­щихобразование водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаютсямеханизмом улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированныйиз них хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторыесистемы наряду с водо­родом образуют кислород: в этом случае речь идет обиофотолизе воды.

Примером может служить система хлоропласт — ферредоксин —гидрогеназа. Ферредоксин служит промежуточным перенос­чиком электронов отфотосинтетической цепи хлоропластов к до­бавленной гидрогеназе. Серьезнойпроблемой является поддер­жание низкого парциального давления этих газов, с темчтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина нафлавопротеид или метилвиологен система образует только Н2.Флавопротеид и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу отингибирования 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, скоторым прочно связан поли­мерный виологен и металлопорфирин, аналогхлорофилла.

Водород получают также с применением целых клеток микро­организмов,стабильность которых возрастает при их иммобили­зации. Высокоэффективнымипродуцентами Н2 являются пурпур­ные фототрофные бактерии, например Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до180 мкмоль Н2 за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла (М. Tadashi, A. Akira,1983). Важное направление работ — поиск продуцен­тов Н2 с устойчивойк О2 гидрогеназой.

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:

N2 + 8H++ 8е- + nАТФ -> 2NH3+ Н2 + nАДФ + nфосфорнаякислота

В отсутствие основного субстрата (N2)нитрогеназа катали­зирует энергозависимое

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

В Японии получен штамм Anabaena sp., который осуще­ствляетбиофотолиз воды в режиме, не чувствительном к Н2, О2 и N2. Повышению эффективности биофотолиза водыспособствует чередование периодов функционирования биообъекта как про­дуцента Н2и О2 с периодами «отдыха», когда клетки фотоассими-лируют СО2(вводимый на этот период в среду культивирования). Возможно комбинированиепроцессов получения Н2 и других ценных продуктов. В частности,представители рода Clostridium даюторганические растворители и в то же время обладают активной гидрогеназой. Еслив реакторе с культурой Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не создаватьоттока для выделяющегося Н2, то наблюдается ингибированиеобразования Н2 и эффективный синтез бутанола, ацетона и этанола.Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с довольно активнымобразованием Н2 культура синтезирует лишь этанол. Этот примериллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического процессаусловиями культивирования био­объекта.

Таким образом, предложены разнообразные проекты систем дляполучения водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательствечеловека в процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно болееполного превращения в энергию химической связи в молекуле Н2.

Пути повышения эффективности фотосинтетическихсистем.

Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е.коэффициент превращения световой энергии в химическую энергию органическихвеществ, близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктив­ные культурныерастения запасают не более 1,5—2% энергии падающего света. Актуальная проблематехнологической биоэнер­гетики — повышение эффективности фотосинтеза укультурных растений.

Разрабатывают следующие основные подходы к решению этойпроблемы: 1) повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% засчет увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство всистемы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование фитогормонов,трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости роста растений засчет оптимизации водного и минерального питания, что приведет к повышению ихфотосинтетической активности; 4) увеличение числа хлоропластов в клетке наединицу площади листа; 5) установление оптимального соотношения междуфункционирующими реакционными центрами хлорофилла и промежуточнымипереносчиками электронов, на­пример, цитохромами; 6) увеличение скоростипереноса электро­нов между фотосистемами I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов исинтезом АТФ.

Радикальным способом максимизации эффективности фотосин­тезабыло бы создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блокифотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобныхпреобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькимидесятилетиями.

Биотопливные элементы.

На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвныеэлементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерамимогут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьинуюкислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовуюкислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также катали -тическуюактивность целых клеток, например Е. coli,Вас. subtilis, Ps.aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.

Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). По­средникоммежду субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два путидальнейшей передачи электронов на

элек­трод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственныйтранспорт электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985).Конструкция биотопливного элемента позволяет генерировать не толькоэлектрический ток, но и осуществлять важные химические превращения. Например,топливный элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в смесь фрук­тозы иглюконовой кислоты.

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

ской промышленности, медицине, при контроле за биотехнологи­ческимипроцессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы сбиокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода.Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получаютчувствитель­ный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина.Иммобилизация клеток Е. coliна кислородном электроде дает биосенсор для измерения кон­центрацииглутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro-somonas sp.и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH4+.На биосенсоре протекают следующие превращения: NH4+Nitrosomonas NO2NitrobacterNO3 Раз­работаныбиосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, чтоособенно важно при диагностике диабета.

3. Биотехнология и медицина

Нет такого экспериментального подхода или исследователь­скогонаправления в биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вотпочему столь многообразны связи между биотехнологией и самой гуманной из всехнаук. Здесь мы остановимся лишь на основных моментах.

Антибиотики.

Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности,обладающие высокой физиологической актив­ностью по отношению к определеннымгруппам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательнозадерживающих их рост или полностью подавляющих развитие (Н. С. Егоров, 1979).Далеко не все из этих соединений, число которых прибли­жается к 5000, допущеныдля применения в медицине. К важней­шим антибиотикам терапевтическогоназначения принадлежат следующие их классы (табл. 2).

Приведенные классы антибиотиков не исчерпывают их много­образия,список их пополняется с каждым годом. Причины неос­лабевающего внимания кпоиску новых антибиотиков, как видно из табл. 10, связаны с токсичностьюсуществующих антибиоти­ков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастаниемустойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым пре­паратам и, помимоэтого, с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, противкоторых недостаточно эффектив­ны известные ныне антибиотики. Основные путипоиска вклю­чают:

1.   Испытаниеновых 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 макролидытоксичны для человека. Например, гептаен амфо-терицин В, используемый пожизненным показаниям при тяже­лых микозах, вызывает необратимые пораженияпочек. Получены метиловые эфиры амфотерицина, менее токсичные и сохра­няющиепротивогрибковую активность. При модификации пенициллинов и цефалоспоринов ис­пользуютиммобилизованные ферменты.

Таблица    2.   Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения  (по И  Г.. Егорову,  1979; Д.Ланчини, Ф   Паренти,  1985)

Класс Типичные антибиотики Продуценты На  кого действует Механизм  действии Трудности терапевтического применения b-Лактамные Пенициллины, це-фалоспорины

Грибы   родов   Реnicillium,   Cephalosporum

Грамположитель-ные    и    грамотрицательные  бактерии Нарушение синте­за клеточной стенки Аллергические   реакции Аминогликозидные Стрептомицин, гентамицин,     канамицин, тобрамицин, амикацин

Актиномицеты ро­да       Streptomyces, бактерии родов Micromonospora. Bacil­lus

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 StreptomycesТо 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 блокировансинтез отдельных фрагментов молекулы антибиотика. В среду культивированиявносят аналоги этих фрагментов. Мик­роорганизм использует эти аналоги длябиосинтеза, в результате чего получают модифицированный антибиотик.

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

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

Важной задачей является повышение эффективности биосин­тезаизвестных антибиотиков. Значительных результатов удалось добиться задесятилетия селекции штаммов-продуцентов с приме­нением индуцированногомутагенеза и ступенчатого отбора. На­пример, продуктивность штаммов Penicillium по синтезу пеницил­линаувеличена в 300—350 раз. Определенные перспективы от­крываются в связи свозможностью клонирования генов «узких мест» биосинтеза антибиотика или вслучае, если все био­синтетические ферменты кодируются единым опероном.

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

Вместо антибиотика в организм человека может вводиться егопродуцент, антагонист возбудителя заболевания. Этот подход берет начало с работИ. И.Мечникова о подавлении гнилостной микрофлоры в толстом кишечнике человекапосредством молоч­нокислых бактерий. Важную роль в возникновении кариеса зу­бов,по-видимому, играет обитающая во рту бактерия Streptococ­cus mutans,которая выделяет кислоты, разрушающие зубную эмаль и дентин. Получен мутантStrept. mutans, которыйпри введении в ротовую полость почти не образует коррозивных кислот, вытесняетдикий патогенный штамм и выделяет леталь­ный для него белковый продукт.

Гормоны.

Биотехнология предоставляет медицине новые пути полученияценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли в последниегоды в направлении синтеза пеп-тидных гормонов.

Раньше гормоны получали из органов и тканей животных ичеловека (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, каждыйгипофиз содержит его не более 4 мг. В то же время для лечения одного ребенка,страдающего карликовостью, требуется около 7 мг соматотропина в неделю; курслечения должен продолжать­ся несколько лет. С применением генноинже-нерногоштамма Е. coli внастоящее время получают до 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования.Открываются пер­спективы борьбы не только с карликовостью, но и снизкорос-лостью — более слабой степенью дефицита соматотропина. Сома­тотропинспособствует заживлению ран и ожогов, наряду с каль-цитонином (гормономщитовидной железы) регулирует обмен Са2+ в костной ткани.

Инсулин, пептидный гормон островков Лангерганса подже­лудочнойжелезы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. Этаболезнь вызвана дефицитом инсулина и проявляется повышением уровня глюкозы вкрови. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка исвиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина 1—3 аминокислотнымизаменами, так что возникала угроза аллерги­ческих реакций, особенно у детей.Широкомасштабное терапев­тическое применение инсулина сдерживалось его высокойстои­мостью и ограниченностью ресурсов. Путем химической модифи­кации инсулиниз животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это означалодополнительное удорожание продукта.

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

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

Компания IntegratedGenetics приступила к выпускуфолли-кулостимулирующего и лютенизирующего гормонов. Эти пептиды составлены издвух субъединиц. На повестке дня вопрос о про­мышленном синтезе олигопептидныхгормонов нервной систе­мы — энкефалинов, построенных из 5 аминокислотныхостатков, и эндорфинов, аналогов морфина. При рациональном примене­нии этипептиды снимают болевые ощущения, создают хорошее

настроение, повышают работоспособность, концентрируют внима­ние,улучшают память, приводят в порядок режим сна и бодр­ствования. Примеромуспешного применения методов генетиче­ской инженерии может служить синтезр-эндорфина по техноло­гии гибридных белков, описанной выше для другогопептидного гормона, соматостатина.

Значителен вклад биотехнологии и в промышленное произ­водствонепептидных гормонов, в первую очередь стероидов. Ме­тоды микробиологическойтрансформации позволили резко со­кратить число этапов химического синтезакортизона, гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артри­та.При производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованныемикробные клетки, например Arthrobacter globiformis, для синтезапреднизолона из гидрокортизона. Име­ются разработки по получению гормонащитовидной железы ти­роксина из микроводорослей.

Интерфероны, интерлейкины, факторы крови.

Интерфероны выделяются клетками человека и животных вответ на инфици-рование вирусами. Они обладают антивирусной активностью.Механизм действия интерферонов до конца не выяснен. Предполагается, вчастности, что Интерфероны препятствуют проникновению вирусных частиц в клетку.Интерфероны стиму­лируют деятельность иммунной системы и препятствуют размно­жениюклеток раковых опухолей. Все аспекты действия интер­феронов важны с точкизрения их терапевтического применения.

Различают a-,b-, g- и e-интерфероны,образуемые соответст­венно лейкоцитами, фибробластами соединительной ткани,Т-лимфоцитами и эпителиальными клетками. Наибольшее значение имеют первые тригруппы. Интерфероны состоят из146—166 аминокислотных остатков, b — и g-интерфероны связаны с остат­камиСахаров (гликозилированы). До введения методов генети­ческой инженерииинтерфероны получали из донорской крови — до 1 мкг неочищенного интерферона из1 л крови, т. е. примерно одну дозу для инъекции.

В настоящее время a-,b — и g-интерфероны успешно получают с применением генноинженерныхштаммов Е. coli, дрожжей, куль­тивируемыхклеток насекомых (Drosophila) и млекопитающих.Генно-инженерные интерфероны могут быть очищены с использо­ваниеммоноклональных антител. В случае у- и р-интерферонов предпочтительноприменение эукариотических продуцентов, так как прокариоты не гликозилируютбелки. Некоторые фирмы, на­пример Bioferon (ФРГ), используют не генноинженерные мутан­ты, акультивируемые in vitro фибропласты человека.

Интерфероны используются для лечения болезней, вызывае­мыхвирусами герпеса, бешенства, гепатитов, цитомегаловиру-сом, вирусом, вызывающимопасное поражение сердца, а также для профилактики вирусных инфекций. Вдыханиеаэрозоля ин­терферонов позволяет предупредить развитие острых респиратор­ныхзаболеваний. Несколько курьезной проблемой является то что интерфероны, вчастности a-интерфероны,сами могут вызывать у пациентов простудные симптомы (насморк, повышениетемпературы и т.д.). Проблема побочного действия стоит особенно остро придлительном терапевтическом применении интерферонов, необходимом для лечениязлокаче­ственных опухолей.

Интерфероны оказывают лечебное воздействие на организмбольных раком груди, кожи, гортани, легких, мозга, рассеянной миеломе и саркомеКапоци — два последних заболевания харак­терны для лиц, страдающихприобретенными иммунодефицитами (см. ниже). Интерфероны полезны также прилечении рассеян­ного склероза.

Методы генетической инженерии позволяют получать модифи­цированныеИнтерфероны. Антивирусная активность интерферо­нов варьирует при аминокислотныхзаменах (J. Werenne, 1983).Американская компания Cetus Corporation производит b-интер-ферон, в аминокислотной последовательности которогоцистеин в положении 17 замещен на серии. Это приводит к повышениютерапевтической активности препарата, так как предотвращает наблюдаемое in vitro формирование неактивного димера b-интер-ферона за счет дисульфидныхсвязей между остатками цистеина в положении 17. Определенные надежды возлагаютна модифи­кацию интерферонов путем получения гибридных молекул (Е. Д. Свердлов,1984).

Интерлейкины—сравнительно короткие (около 150 амино­кислотныхостатков) полипептиды, участвующие в организации иммунного ответа.Интерлейкин-1, образующийся опре­деленной группой лейкоцитов крови —макрофагами, в ответ на введение антигена стимулирует размножение(пролиферацию) Т-хелперов (субпопуляции Т-лимфоцитов), продуцирующих, в своюочередь, интерлейкин-2. Последний вызывает пролифера­цию различных субпопуляцийТ-лимфоцитов — Т-киллеров, Т-хелперов, Т-супрессоров, а также В-лимфоцитов,продуцентов антител. Под влиянием интерлейкина-2 из Т-лимфоцитов высво­бождаютсярегуляторные белки — лимфокины, активирующие звенья иммунной системы;синтезируются также Интерфероны.

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

Получаемые биотехнологическим путемфакторы свертывания крови, особенно фактор VIII (спомощью культивируемых кле­ток млекопитающих) и фактор IX(с помощью генноинженер-ного штамма Е. coli),необходимы для терапии форм гемофи­лии наследственной болезни, при которойкровь теряет способность свертываться. К числу ценныхс клинической точки зрения факторов, полученных в биореакторах с культурамиживотных клеток, следует отнести фактор роста В-лимфоцитов, фактор активациимакрофагов, Т-заместительный фактор, активатор тканевого плазминогена.

Моноклокальные антитела и ДНК-или РНК-пробы.

Моноклональные антитела — продукты В-гибридомных клеток  —используют для диагностики различных заболеваний. Об­ладая высокойспецифичностью действия, они обеспечивают иден­тификацию не только видавозбудителя, но и его серотипа. С по­мощью моноклональных антител можнотестировать различные гормоны, метаболиты, белковые факторы. Наиболее быстрыйме­тод индикации основан на применении антител, иммобилизован­ных на мембранныхэлектродах — аналогах ферментных биосен­соров. Они позволяют диагностироватьбеременность, 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 определенияего форм.

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

Моноклональные антитела имеют не только диагностическое, нои лечебное значение. При аутоиммунных заболеваниях, когда иммунные клетки«ополчаются» против собственных органов и тканей, моноклональные антителасоответствующей специфич­ности могут связывать антитела, наносящие вредорганизму больного. Для лечения рака предлагают использовать монокло­нальныеантитела, конъюгированные с токсичными для раковых клеток соединениями.Моноклональные антитела доставляют яд точно по адресу, избегая пораженияздоровых клеток. Поэтому к моноклональным антителам можно присоединять оченьсильные токсины, например рицин — яд из клещевины, одной молекулы которогодостаточно для поражения одной клетки. В современ­ной фармацевтическойпромышленности моноклональные анти­тела используют для очистки лекарственныхпрепаратов.

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

Моноклональные антитела и ДНК/РНК-пробы используют длядиагностики болезней животных и растений. В частности, с помощью этих пробпроводят индикацию зараженности кар­тофеля вирусом. Диагностические средства изарсенала биотех­нологов предлагают применять для быстрого определения пола уцыплят.

Рекомбинантные вакцины и вакцины-антигены.

Вакцина­ция — один из основных способов борьбы синфекционными забо­леваниями. Путем поголовной вакцинации ликвидирована нату­ральнаяоспа, резко ограничено распространение бешенства, по­лиомиелита, желтойлихорадки. На повестке дня — изготовление вакцин против гриппа, гепатитов,герпесов, свинки, кори, острых респираторных заболеваний. Большое экономическоезначение имеет разработка вакцин против болезней сельскохозяйственных животных— ящура, африканской болезни лошадей, овечьей бо-

лезни «синего языка», трипаносомозов и др. Традиционные вакцин­ныепрепараты изготовляют на основе ослабленных, инактивиро-ванных илидезинтегрированных возбудителей болезней.

Современные биотехнологические разработки предусматрива­ютсоздание рекомбинантных вакцин и вакцин-антигенов. Вак­цины обоих типов основанына генноинженерном подходе.

Для получения рекомбинантных вакцин обычно используютхорошо известный вирус коровьей оспы (осповакцины). В его ДНК встраиваютчужеродные гены, кодирующие иммуногенные белки различных возбудителей(гемагглютинин вируса гриппа, гликопротеин D вирусагерпеса, поверхностный антиген вируса гепатита В, антиген малярийногоплазмодия). Получаются вак­цины против соответствующих инфекций, хорошозарекомендо­вавшие себя в опытах на животных. К их достоинствам относитсявозможность создания поливалент­ных вакцинных препаратов на основе объединенияучастков ДНК различных патогенов «под эгидой» ДНК вируса осповакцины.Открывается возможность одномоментной комплексной иммуни­зации, скажем,крупного рогатого скота против всех опасных инфекций данной местности.

Вакцины-антигены получают, клонируя гены возбудителябо­лезни в Е. colt, дрожжах, клеткахнасекомых и млекопитающих. Клонирован ген поверхностного антигена HBS-вируса гепатита В (сывороточного гепатита), ген белкаоболочки УРЬвируса ящура. Вирус ящура существует в виде многих серотипов,методом белковой инженерии удалось скомбини­ровать иммуногенные компонентыразличных серотипов в рамках одной вакцины-антигена.

Вакцины-антигены высокостабильны при хранении и перевоз­ке,сравнительно просты в изготовлении (в том числе и при крупномасштабномпроизводстве), содержат минимальное коли­чество белка и поэтому малоопасны какаллергены. Они гаран­тированы от остаточной инфекционности — способности вызы­ватьинфекционную болезнь вместо того, чтобы предохранять от нее. Проблемой являетсянизкая иммуногенность вакцин-антигенов. Одной из причин может быть то, чтовакцина не включает всех компонентов возбудителя, необходимых для созда­нияиммунитета к нему. Так, вирус, покидая клетку, часто «одевается» ее мембраной.Компоненты этой мембраны, отсут­ствующие в генноинженерном белке, могутобладать иммуноген-ными свойствами. К повышению иммуногенности вакцин-анти­геновведет добавление адьювантов, иммобилизация вакцин на носителях или их включениев липосомы.

Ферменты медицинского назначения.

Многообразно примене­ние ферментных препаратов в медицине.Их используют для растворения тромбов, лечения наследственных заболеваний(вместо отсутствующих эндогенных ферментов), удаления не-

жизнеспособных, денатурированных структур, клеточных итканевых    фрагментов,    освобождения    организма    от    токсическихвеществ    (Н.   Ф.    Казанская   и   др.,    1984).    Яркий  пример-спасение   жизни   больных    с   тромбозом    конечностей,   легких,коронарных    сосудов    сердца    при    помощи    громболитически.хферментов   (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 современноймедицине протеазы применяются для очистки очагов гнойно-некротических процессовот   патологических   продуктов,   а   также   для   лечения   ожогов Лечениерака связано с использованием  L-аспарагиназы,  которая лишает раковые клетки ресурсов необходимого для их раз вития   аспарагина,    поступающего    с    током    крови.    Здоровые клетки   в  отличие   от   раковых   (некоторых   типов)   способны   к самостоятельномусинтезу аспарагина.

Известно около 200 наследственных заболеваний, обусловленных дефицитом какого-либо фермента или иного белкового фактора. В настоящеевремя 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  актиномицетов   (лейпептин, антипаин, химостатин и др.)   и генноинже нерных штаммов Е.coil  (эглин)   и дрожжей  a-1 антитрипсин) оказываются  полезными   при   септических   процессах,   инфаркте миокарда, эмфиземелегких, панкреатите. Уменьшение концентрации глюкозы в крови больных диабетом может быть достигнуто при  исполь зовании ингибиторов кишечных инвертаз иамилаз, отвечающих за превращение крахмала и сахарозы в глюкозу.  Особойзадачей является  поиск  ингибиторов ферментов, с   помощью   которых  патогенные   микроорганизмы   разрушают антибиотики, вводимые в организмбольного.

Таковы основные направления биотехнологических разрабо­ток вобласти медицины. Без преувеличения можно сказать что центральное приложениеновейших биотехнологических под­ходов — медицина. Одной из проблем, связанных сбелками 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 основечеловеческих гиб­ридом. Эта проблема не нова для медицины и не являетсянепреодолимой.

4. Биотехнология и пищевая промышленность

Микроорганизмы, культуры растительных клеток могут датьпищевые добавки, выгодно отличающиеся своей «натураль­ностью» от синтетическихпродуктов, преобладающих в насто­ящее время. В будущем кулинар сможет добавитьв изделие аромат земляники или винограда, масло чеснока или мяты — продукты,образуемые в биореакторах с растительными клет­ками.

Все большее значение приобретают низкокалорийные, не опасныедля больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза — продуктпревращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкоизомеразы. В некоторыхпродуктах применяют глицин, дающий в комбинации с аспарагиновой кислотойразличные оттенки сладкого и кислого. Планируют пищевое применение оченьсладкого дипептида аснартама и особенно 100—200-звенных пептидов тауматина имонеллина, которые слаще сахарозы в 10 тыс. раз. В виде мультимера аспартамполучен с помощью генноинженерных мутантов Е. coli,недавно клонирован также ген тауматина.

Немаловажную роль играют ныне в пищевой промышленностиферменты. С их помощью осветляю! фруктовые соки, производят безлактозное(диетическое) молоко, размягчают мясо. Большие возможности в плане повышенияпитательной ценности представ­ляет добавление в продукты питания витаминов иаминокислот. Ряд аминокислот производят с применением микробов-сверх­продуцентов,полученных с применением методов генетической инженерии. Так, генноинженерныйштамм E. coli синтезирует до 30 г/л L-треониназа 40 ч культивирования. Важный аспект биотехнологии — улучшение штаммовпромышленных микроорганизмов. Основные приложения био­технологии к пищевойпромышленности суммированы в табл. 3.

Биомасса одноклеточных в перспективе может употребляться какпищевая добавка. Основные принципы получения белка в пищу те же, что и дляпроизводства кормового белка, однако крут допустимых субстратов болееограничен, в требования к компонентному составу биомассы более жесткие.В пищевой биомассе должно содержаться не менее 80% белка сбаланси­рованногоаминокислотного состава, не более 2% нуклеиновых кислот и 1% липидов (М. Г.Безруков, 1985). Необходимы детальные токсикологические и медико-биологическиеисследова­ния с последующим клиническим испытанием пищевых препара­тов биомассы(В. Г. Высоцкий, 1985)

Психологический барьер, на который наталкивается производство «микробной пиши» в странах Европы и Японии, связан не только с прямымриском подвергнуться интоксикации, но и с сомнительными вкусовыми достоинствамиэтой «пищи будущего». Эксперт по проблемам питания, попробовав обра­зецбактериальной биомассы, заметил: «Она имеет все те свойства, которыми должнаобладать новая человеческая пища: не имеет ни запаха, ни цвета, ни структуры,ни вкуса».

Остается выразить надежду на то, что в эпоху, когда белокодноклеточных войдет в употребление, биотехнология смо­жет в полной мереиспользовать созданный ею же потенциал расти­тельных и микробных клеток какпродуцентов вкусовых, арома­тизирующих и структурирующих пищу добавок.Перспективным представляется культивирование грибов (Fusarium), цианобак-терий (Spirulina),зеленых водорослей (Chlorella, Scenedesmus), имеющих консистенцию и другиеорганолептические свойства, более привычные для человека. Волокнистую массу Fusarium на базе картофельногоили пшеничного крахмала как источник пищи для человека производит ныне компанияRank Hovis Me. Dougall.

Таблица 3. Перспективыиспользования биотехнологических продуктов в пищевой промышленности (по П.П. Клесову, 1984; М. Haas, 1984; J. Kas, 1984;О. Volfova, 1984; О. Sahai, M. Knuth, 1985)

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,   В1,   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 5. Биогеотехнология

Приложения биотехнологии к добыче, обогащению иперераработке руд, отделению и концентрированию металлов из сточ­ных вод каквторичного сырья, экстракции остаточных порций нефти из иссякающихместорождений относятся к области биогео-технологии. Большую роль в этихпроцессах играют микроорга­низмы, способные жить в недрах Земли и осуществлятьтам химические превращения.

Способностью переводить металлы в растворимые соединения(выщелачивание металлов из руд) обладают различные бакте­рии. Например, Thiobacillus ferrooxydans выщелачивает железо, медь, цинк, уран и другие металлы,окисляя их серной кисло­той, которая образуется этой бактерией из сульфида (Г.И. Ка-равайко, 1984). Chromobacterium violaceum растворяетзолото по схеме Au-vAu(CN)2 (A. D.Smith, R. J.Hunt, 1985). Техно­логии подобных процессов подкупаютсвоей простотой: для из­влечения остатков меди, урана, никеля из «пустых пород»горно­рудного производства их обливают водой и собирают вытекающие продуктыжизнедеятельности микроорганизмов — растворимые соединения (CuSO4,UO|+ и т. д.). Метод бактериальноговыщелачивания позволяет рассматривать разработку бедных месторождений какэкономически выгодное предприятие. В США бедные никелевые руды, содержащиевсего около 1 кг Ni на 1 т породы, предполагают «выдатьна гора» с применением бактери­ального выщелачивания.

Если речь идет об извлечении металлов из сточных вод, тобольшое значение придается таким микроорганизмам, как Citrobacter sp. (L.Е. Macaskie, А. С. R. Dean, 1985), Zoogloea ramigera, клетки ивнеклеточные полисахариды которой извле­кают U, Си, Cd (Г. И. Каравайко, 1984). Велика хелирующая способностьгрибной биомассы, что, учитывая сравнительную дешевизну ее наработки в большихколичествах, открывает

перспективы не только для концентрирования металлов (РЬ, Hg, Zn, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, Ag, Au, Pt, Pd) из растворов, где ониприсутствуют в следовых количествах (Г'. И. Каравайко, 1984), но и для освобождениярастворов от радиоактивных примесей (дезактивации).

Ксантан, внеклеточный полисахарид бактерии Xanthomonas campestris,может применяться для извлечения нефти из иссяка­ющих месторождений.Остаточные порции нефти обычно адсор­бируются на различных породах,содержащихся в нефтеносных пластах, и не вымываются из них водой. Растворксантана в воде обладает, однако, высокой вязкостью и при закачке в пласты подповышенным давлением высвобождает капли нефти из всех трещин и углубленийнефтеносных пород (S. Prentis,

1984). Бактерии-деэмульгаторы, например Nocardia sp, Rhodoco-сеикrhodochrous, разделяют водную и нефтянуюфазы, что может быть использовано как для конценгрирования нефти, так и дляочистки сточных вод от нефтяных примесей, создающих угрозу для окружающейсреды.

Пересечение различных сфер приложения биотехнологии (в нашемпримере — биогеотехнологической и природоохранной) составляет характернуюособенность 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 нефтяногозагрязнения окружающей среды, в частности устранения нефтяных пленок наповерхности вод морей и океанов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Всегда ли на благо? Думается, что уже из основного текстаясно: что накопленный разносторонний потенциал современной биотехнологии — этообоюдоострый меч, который, подобно другим новым отраслям научно-техническогопрогресса, сформировавшимся в XX в. (ядернаяэнергетика, компьютерная электроника, космонавтика), может принести не толькопользу, но и вред при бесконтрольном, неосторожном и тем более зло­намеренномприменении. Так, в распространении методов генети­ческой инженерии виделиугрозу заражения людей невидан­ными болезнетворными «генетическими монстрами»,создания новых разновидностей злостных сорняков и даже выведения «стандартныхлюдей» по заранее заданным программам. Потен­циальную угрозу, заключающуюся вразвитии биотехнологии, нельзя ни преувеличивать, ни преуменьшать, она взначительной мере определяется не чисто научно-техническими, а этическими исоциально-политическими факторами. Как отмечено в материа­лах XXVIIсъезда КПСС, в разных общественно-политических системах научно-техническаяреволюция оборачивается разными ее гранями и последствиями.

Биотехнология представляется «страной контрастов», сочета­ниясамых передовых достижений научно-технического прогресса с определеннымвозвратом к прошлому, выражающимся в ис­пользовании живой природы как источникаполезных для человека продуктов вместо химической индустрии.

Значительные контрасты характерны для биотехнологии и вотношении необходимых для ее развития финансовых средств, сырьевых материалов икадров. Есть биотехнологические раз­работки, требующие весьма внушительныхкапиталовложений, концентрации усилий крупных коллективов научных работников,инженерно-технических и управленческих кадров, дорогосто­ящего сырья иоборудования (многие генноинженерные разра­ботки, биотехнологические процессы сприменением автоматизи­рованных систем управления). Это так называемая «большая

биотехнология». Ей противостоит «малая биотехнология» (полу­чениебиогаза, выращивание микроводорослей в прудах), об­ходящаяся во многом даровымиисточниками энергии и сырья, низкими капиталовложениями, небольшими затратамитруда.

Все направления современной биотехнологии должны служитьвсему человечеству, а не только тем, кто способен финансировать развитие тойили 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 отмалярии погибает более миллиона детей в год. Но могут ли развивающиеся страныАфрики финансировать массовое произ­водство генно-инженерных вакцин?Настоятельной необходи­мостью является международная координация усилийбиотехно­логов, всех заинтересованных стран. В рамках государств — участниковСЭВ такая координация предусмотрена в Комплекс­ной программенаучно-технического прогресса, рассчитанной на период до 2000 г.

Биотехнология — междисциплинарная область научно-техни­ческогопрогресса. Она весьма гетерогенна по своему теорети­ческому базису, потому чтопризвана исследовать не какой-либо класс объектов, а решать определенный кругкомплексных проблем. Одной из них является, например, поиск дешевого заменителятростникового (свекловичного) сахара, и армия биотехнологов берется за дело,сочетая в своей деятельности элементы различных наук: методы микробиологии,необходимые для выращивания микроорганизма, биохимии — для выделенияглюкоизомеразы (дающей глюкозо-фруктозный сироп при ис­пользовании глюкозы каксубстрата), органического синтеза— для получения полимерного носителя, а прирегулировке пара­метров системы с иммобилизованным ферментом необходимыфизико-химические расчеты. Можно добавить еще, что для повышения эффективностибиосинтеза глюкоизомеразы могут быть исполь­зованы методы генетической иклеточной инженерии.

Круг вопросов, к решению которых привлекают биотехноло­гическиеразработки, весьма широк. Однако большинство из них прямо или косвенно связанос глобальными проблемами, стоящими перед современной цивилизацией: загрязнениеокру­жающей среды, угроза экологического кризиса; истощение запа­сов полезныхископаемых, в первую очередь источников энергии, угроза мировогоэнергетического кризиса; нехватка продоволь­ствия, особенно ощутимая вразвивающихся странах.

Слова «биология» и «биотехнология» различаются лишь тем, чтов слове «биотехнология» есть вставка «техно». И биология, и биотехнология имеютдело с живыми объектами, но как раз­личны их подходы к живому! Биотехнологизучает живое не из чисто познавательного интереса, он пытается «заставить»рабо­тать живые объекты, производить нужные человеку продукты. «Зачем брать насебя 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. Всовременной биотехнологии живое рассматривается как средство производства вряду всех прочих средств; например, при биологической трансформации органиче­скихсоединений микроорганизмам отводят роль химических реагентов. Не случайна истандартная для инженерной энзи-мологии метафора, уподобляющая иммобилизованныебиообъ­екты «закованным в цепи рабам». Биообъект, таким образом, понижают вранге, переводя из категории самостоятельной целостной живой системы вкатегорию реагентов, датчиков, реле, компьютерных деталей, прочих орудий модернизированногопроизводства.

Эта тенденция современной биотехнологии имеет не толькофилософское, 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 условияхбиотехнологического про­цесса. Не оправдал себя, в частности, лобовой методоптими­зации подобного процесса, оптимизация «грубой силой», про­водимый бездетальных знаний физиологии используемого организма. Недостаточно надежен вбиотехнологии и метод кибернетического моделирования, упрощающий биологическийобъект до «черного ящика».

Существует и другая тенденция в биотехнологии. Ее при­верженцыотносятся с «пониманием» к тонкости и слаженности систем регуляции процессовжизнедеятельности в клетке био­объекта. В полушутливой форме эти мысли выраженыжурна­листом и популяризатором биотехнологии Фишлоком в предисло­вии к книге«Биотехнологический бизнес» (1982): «Микробы намного умнее и способнеемикробиологов, генетиков и инже­неров». Речь нередко идет о повышении рангабиообъекта в биотехнологии.

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

Биотехнология — типичное порождение нашего бурного, ди­намичногоXXI в. Она открывает новые горизонты перед челове­ческимразумом. Проблемы биотехнологии чрезвычайно много­образны, начиная от чистотехнических (например, снижение каталитической активности ферментов при ихиммобилизации) и кончая тонкими интеллектуальными проблемами, связанными собеднением фундаментальной науки в связи с доминирова­нием чистопроблемно-прикладных разработок.

В условиях социализма открываются широкие перспективы ивозможности для использования новых научных исследований и разработок на благочеловека и общества.

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