Реферат: Биотехнология
Министерство образования Российской Федерации
Сибирский Государственный Технологический Университет
Кафедра Физиологии
РЕФЕРАТ
На тему: Биотехнология.
Выполнил: Студент гр.32-6
Мулява Владимир ВалерьевичПроверила: 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 НАУКИБиотехнологические 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 растениеводствоКультурные 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 применениеLithospermum erithrorhizon (воробейник)
Шиконин и его производные Красный пигмент, используемый в косметике как «биологическая губная помада», антибактериальный агент, используемый при лечении ран, ожогов, геморрояNicotiana 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 витаминуMorinda citrifolia
Антрахиноны Сырье для лакокрасочной промышленностиColeus blumei
Розмариновая кислота Жаропонижающее средство, проходящее клинические испытания Berberis stolonifera (барбарис) Ятрорризин Спазмолитическое лекарственное средствоБиодеградация 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 биоэнергетикаТехнологическая 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 медицинаНет 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-фалоспориныГрибы родов Реnicillium, Cephalosporum
Грамположитель-ные и грамотрицательные бактерии Нарушение синтеза клеточной стенки Аллергические реакции Аминогликозидные Стрептомицин, гентамицин, канамицин, тобрамицин, амикацинАктиномицеты рода Streptomyces, бактерии родов Micromonospora. Bacillus
В основном грамотрицательные бактерии Необратимое подавление синтеза белка Токсическое действие на слуховой нерв и почки Тетрациклины Одноименные антибиотикиАктиномицеты рода Streptomyces
Грамположительные и грамотрицательные бактерии, риккетсии, хламидии, простейшие Обратимое подавление синтеза белка Распространение устойчивых штаммов Макролиды Антибактериальные: эритромицин Противогрибковые и антипротозойные: полиеныАктиномицеты рода StreptomycesТо же
Грамположительные бактерии Грибы, некоторые простейшиеТо же
Нарушение плазматической мембраны
Токсичность Полипептидные и депсипептидные Полимиксины, грамицидины, бацитрацины Различные микро-организмы В основном грамотрицательные бактерии Механизм действия различен Высокая токсичность3. 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 промышленностьМикроорганизмы, 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 ВитаминыА, 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. БиогеотехнологияПриложения 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.
ЗАКЛЮЧЕНИЕНет 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.