Развитие микробиологической промышленности, выпускающей ценные продукты биосинтеза, позволило накопить очень важный опыт конструирования, производства и эксплуатации принципиально нового промышленного оборудования. Современное микробиологическое производство — производство очень высокой культуры. Технология его очень сложна и специфична, обслуживание аппаратуры требует овладения специальными навыками, ведь всё производство работает только в условиях строжайшей стерильности: стоит попасть в ферментатор лишь одной клетке микроорганизма другого вида, как всё производство может остановиться — «чужак» размножится и начнёт синтезировать совсем не то, что нужно человеку.
В настоящее время с помощью микробиологического синтеза производят антибиотики, ферменты, аминокислоты, полупродукты для дальнейшего синтеза разнообразных веществ, феромоны (вещества, с помощью которых можно управлять поведением насекомых), органические кислоты, кормовые белки и другие. Технология производства этих веществ хорошо отработана, получение их микробиологическим путём экономически выгодно.
В то же время идут поиски видов микроорганизмов, которые обладают способностью синтезировать в наибольших количествах другие необходимые вещества. В частности, учёные работают над тем, чтобы сделать выгодным производство с помощью микроорганизмов обычных химических продуктов: ацетона, различных спиртов, простых органических кислот, окиси пропилена и т. п. На микробиологической основе пытаются производить горючее: метан и спирт. Уже сейчас спирт, полученный микробиологическим путём, конкурирует с бензином по своим «рабочим» качествам, а также по показателям, очень важным с точки зрения охраны природы: продукты сгорания спирта не загрязняют окружающую среду.
Эти работы учёных важны ещё и по другой причине. Сейчас химическая промышленность для производства горючего, ацетона и других подобных веществ использует как исходное сырьё нефть, газ и уголь. Но их запасы не безграничны. А в микробиологической промышленности для производства химических продуктов могут использоваться (и уже частично используются) неограниченные, постоянно возобновляющиеся массы органического сырья, отходов, образующихся в сельском хозяйстве, лесной и деревообрабатывающей промышленности, очистных сооружениях городов и т. п. Разработка и внедрение эффективных технологий такого производства — задача, имеющая большое значение для экономики народного хозяйства.
Важным направлением биотехнологии является производство и использование так называемых иммобилизованных ферментов.
В современной биотехнологии одно из видных мест принадлежит ферментам. Ферменты - вещества белковой природы и поэтому неустойчивы при хранении, а также чувствительны к тепловым воздействиям. Кроме того, ферменты не могут быть использованы многократно из-за трудностей в отделении их от реагентов и продуктов реакции. Решить эти проблемы помогает создание иммобилизованных ферментов. Начало этому методу было положено в 1916 году, когда Дж.Нельсон и Е.Гриффин адсорбировали на угле инвертазу и показали, что она сохраняет в таком виде каталитическую активность. Сам термин "иммобилизованные ферменты узаконен в 1971 году, и означает любое ограничение свободы передвижения белковых молекул в пространстве.
Сущность иммобилизации ферментов — прикрепление их в активной форме к нерастворимой основе или заключение в полупроницаемую мембранную систему. Прикрепление фермента к носителю осуществляется адсорбционно, химической связью или путем механического включения фермента в органический или неорганический гель (в капсулу и т. п.). При этом допускается прикрепление фермента только за счет функциональных групп, не входящих в активный центр фермента и не участвующих в образовании фермент-субстратного комплекса. Носитель фермента или матрица может иметь вид зернистого материала, волокнистой структуры, пластинчатой поверхности, пленок или тканей, полых волокон, трубочек, капсул и т. д. Имеет значение размер частиц носителя. Важно иметь большую поверхность, поэтому рекомендуются небольшие частицы диаметром 0,1—0,2 мм. Носитель фермента может быть как природное вещество, так и синтетический полимер.
Преимущества иммобилизованных ферментов перед нативными предшественниками:
1. Гетерогенный катализатор легко отделим от реакционной среды, что дает возможность остановить реакцию в любой момент, использовать фермент повторно, а также получать чистый от фермента продукт.
2. Ферментативный процесс с использованием иммобилизованных ферментов можно проводить непрерывно, регулируя скорость катализируемой реакции и выход продукта.
3. Модификация фермента целенаправленно изменяет его свойства, такие как специфичность (особенно в отношении макромолекулярного субстрата), зависимость каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров среды, стабильность к денатурирующим воздействиям.
4. Можно регулировать каталитическую активность иммобилизованных ферментов путем изменения свойств носителя действием физических факторов, таких как свет и звук. Иммобилизовать ферменты можно как путем связывания на нерастворимых носителях, так и путем внутримолекулярной или межмолекулярной сшивки белковых молекул низкомолекулярными бифункциональными соединениями, а также путем присоединения к растворимому полимеру.
Использование ферментов — биологических катализаторов — очень заманчивая вещь. Ведь они по многим своим свойствам, прежде всего активности и избирательности действия (специфичности), намного превосходят катализаторы химические. Ферменты обеспечивают осуществление химических реакций без высоких температур и давлений, а ускоряют их в миллионы и миллиарды раз. При этом каждый фермент катализирует только одну определённую реакцию.
В пищевой и кондитерской промышленности ферменты применяются уже давно: многие из первых патентов ещё начала века касались производства ферментов именно для этих целей. Однако требования к этим препаратам тогда были не очень высокие — по существу, в производстве использовались не чистые ферменты, а различные вытяжки или полуразрушенные и высушенные клетки дрожжей или низших грибов. Ферменты (вернее, содержащие их препараты) использовали и в текстильной промышленности для отбеливания и обработки пряжи и хлопковых нитей (см. рис.1).
Биологические катализаторы можно использовать также не извлекая их из живых организмов, прямо в бактериальных клетках, например. Этот способ, собственно, есть основа всякого микробиологического производства, и применяется он издавна.
Гораздо заманчивее использовать чистые препараты ферментов и избавиться, таким образом, от побочных, сопутствующих жизнедеятельности микроорганизмов реакций. Создание производства, в котором используется биологический катализатор в чистом виде как реактив, сулит очень большие выгоды — повышается технологичность, возрастают во много тысяч раз производительность и чистота процессов. Но здесь возникает принципиальное затруднение: многие ферменты после их извлечения из клетки очень быстро инактивируются, разрушаются. Ни о каком многократном их использовании не может быть и речи.
Учёные нашли решение проблемы. Для того чтобы стабилизировать, или, как говорят, иммобилизовать, ферменты, сделать их устойчивыми, пригодными для многократного, длительного промышленного использования, ферменты присоединяют с помощью прочных химических связей к нерастворимым или растворимым носителям — ионообменным полимерам, полиорганосилоксанам, пористому стеклу, полисахаридам и т. п. В результате ферменты становятся устойчивыми и могут быть использованы многократно. (Эта идея была затем перенесена в микробиологию — возникла мысль иммобилизовать живые клетки. Иногда очень нужно, чтобы они в процессе микробиологического синтеза не загрязняли среду, не смешивались с синтезируемыми ими продуктами и вообще были бы больше похожи на химические реактивы. И такие иммобилизованные клетки были созданы; они успешно применяются, например, при синтезе стероидных гормонов — ценных лекарственных препаратов).
Разработка способа повышения устойчивости ферментов значительно расширяет возможности их использования. С помощью ферментов можно, например, получать сахар из растительных отходов, и этот процесс будет экономически рентабельным. Уже создана опытная установка для непрерывного производства сахара из клетчатки.
Иммобилизованные ферменты находят применение и в медицине. Так, в нашей стране для лечения сердечно-сосудистых заболеваний разработан препарат иммобилизованной стрептокиназы (препарат получил название «стрептодеказа»). Этот препарат можно вводить в сосуды для растворения образовавшихся в них тромбов. Растворимая в воде полисахаридная матрица (к классу полисахаридов относятся, как известно, крахмал и целлюлоза, близким к ним по строению был и подобранный полимерный носитель), к которой химически «привязана» стрептокиназа, значительно повышает устойчивость фермента, снижает его токсичность и аллергическое действие и не влияет на активность, способность фермента растворять тромбы.
Создание иммобилизованных ферментов, так называемая инженерная энзимология, — одно из новых направлений биотехнологий. Достигнуты лишь первые успехи. Но они существенно преобразили прикладную микробиологию, техническую биохимию и ферментную промышленность. Во-первых, в микробиологической промышленности сейчас актуальными стали разработки производства ферментов самой различной природы и свойства. Во-вторых, возникли новые области производства, связанные с получением именно иммобилизованных ферментов. В-третьих, создание новых ферментных препаратов открыло возможность организации ряда новых производств для получения нужных веществ с помощью биологические катализаторов.
Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры[1] В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся адресная доставка лекарств к больным клеткам[2], лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.
Генная инженерия
Несмотря на то, что первые успешные опыты по трансформации клеток экзогенной ДНК были поставлены ещё в 1940-егода Эйвери, Маклеодом и Маккарти, первый коммерческий препарат человеческого рекомбинантного инсулина был получен только в 1970-е года. Введение чуждых для генома бактериальных клеток генов производят с использованием т. н.векторных ДНК, например плазмиды, присутствующие в бактериальных клетках, а также бактериофаги и другие мобильные генетические элементы могут быть использованы в качестве векторов для переноса экзогенной ДНК в клетку реципиента.
Получить новый ген можно:
1. Вырезанием его из геномной ДНК хозяина при помощи рестрицирующей эндонуклеазы, катализирующей разрыв фосфодиэфирных связей между определёнными азотистыми основаниями в ДНК на участках с определённой последовательностью нуклеотидов;
2. Химико-ферментативным синтезом;
3. Синтезом кДНК на основе выделенной из клетки матричной РНК при помощи ферментов ревертазы и ДНК-полимеразы, при этом изолируется ген, не содержащий незначащих последовательностей и способный экспрессироваться при условии подбора подходящей промоторной последовательности в прокариотических системах без последующих модификаций, что чаще всего необходимо при трансформации прокариотических систем эукариотическими генами, содержащими интроны иэкзоны.
После этого обрабатывают векторную молекулу ДНК рестриктазой с целью образования двуцепочечного разрыва и в образовавшуюся «брешь» производится «вклеивание» гена в вектор используя фермент ДНК-лигазу, а затем такими рекомбинантными молекулами трансформируют клетки реципиента, например клетки кишечной палочки. При трансформации с использованием в качестве вектора, например, плазмидной ДНК необходимо, чтобы клетки были компетентными для проникновения экзогенной ДНК в клетку, для чего например используют электропорацию клеток реципиента. После успешного проникновения в клетку экзогенная ДНК начинает реплицироваться и экспрессироваться в клетке.
Плазмиды
Наибольшие успехи были достигнуты в области изменения генетического аппарата бактерий. Вводить новые гены в геном бактерии научились с помощью небольших кольцеобразных молекул ДНК — плазмид, присутствующих в бактериальных клетках. В плазмиды «вклеивают» необходимые гены, а затем такие гибридные плазмиды добавляют к культуре бактерий, например кишечной палочки. Некоторые из этих бактерий поглощают такие плазмиды целиком. После этого плазмида начинает работать в клетке как ген, изготавливая в клетке кишечной палочки десятки своих копий, которые обеспечивают синтез новых белков.
Клеточная инженерия
Сейчас созданы и создаются ещё более остроумные методы введения генов в клетку прокариотов (организмов, не имеющих оформленного ядра и хромосомного аппарата). На очереди разработка методов введения новых генов в клетки эукариотов, прежде всего высших растений и животных организмов.
Но и то, что уже достигнуто, позволяет сделать очень многое в практике народного хозяйства. Возможности микробиологического производства значительно расширились. Благодаря генетической инженерии область микробиологического синтеза различных биологически активных соединений, полупродуктов для синтеза, кормовых белков и добавок и других веществ стала одной из наиболее окупаемых наук: вложение средств в перспективные биотехнологические исследования обещает получение высокого экономического эффекта.
Для селекционной работы, независимо от того, проводится она методами мутагенеза или «индустрии ДНК», учёные должны располагать многочисленными коллекциями микроорганизмов. Но сейчас даже выделение нового штамма природных микроорганизмов, ранее неизвестных науке, обходится на мировом «рынке бактериальных культур» приблизительно в 100 долларов. А для того, чтобы получить хороший промышленный штамм обычными селекционными методами, надо иногда затратить миллионы.
Сейчас уже существуют способы ускорить и удешивить эти процессы. Например, во Всесоюзном научно-исследовательском институте генетики и селекции микроорганизмов Главмикробиопрома был получен промышленный штамм-сверхпродуцент микроорганизма, синтезирующего треонин — незаменимую аминокислоту, которая в кормах сельскохозяйственных животных содержится в недостаточном количестве. Добавка треонина в корм повышает привесы животных на килограммы, что в масштабах страны оборачивается миллионами рублей прибыли, а самое главное — приростом мясной продукции животноводства.
Коллектив учёных института под руководством директора В. Г. Дебабова за основу для получения промышленного штамма взял обыкновенную кишечную палочку — повсеместно распространённый микроорганизм. Сначала были получены мутантные клетки, способные накапливать в среде избыток треонина. Затем в клетке были вызваны генетические изменения, которые привели к усилению биосинтеза аминокислот. Таким путём удалось получить штамм, который производил треонин, но в 10 раз меньше того количества, которое требовалось по соображениям рентабельности производства. Тогда в дело были выпущены методы генетической инженерии. С их помощью была увеличена «доза треонинового гена» в молекуле бактериальной ДНК. Причём количество генов, обусловливающих синтез треонина, было в молекуле ДНК клетки увеличено в несколько раз: одинаковые гены оказались как бы нанизанными один за другим в молекуле ДНК. Естественно, биосинтез треонина пропорционально увеличился и достиг уровня, достаточного для промышленного производства.
Правда, после этого штамм пришлось ещё улучшать, причём снова генетически. Сначала для того, чтобы культуру бактерий очистить от клеток, в которых плазмиды с «треониновым геном» исчезали в процессе размножения культуры. Для этого в клетки был «вшит» ген, содержащий закодированный сигнал к «самоубийству» клеток, в которых плазмид с «треониновым геном» после деления не оказывалось. Таким путём культура клеток самоочищалась от балластных микроорганизмов. Затем в клетки был введён ген, благодаря которому она могла развиваться на сахарозе (а не дорогих глюкозе и фруктозе, как раньше) и производить рекордные количества треонина.
По существу, полученный микроорганизм уже не был кишечной палочкой: манипуляции с его генетическим аппаратом привели к появлению принципиально нового организма, сконструированного вполне сознательно и целенаправленно. И эта сложнейшая многоступенчатая работа, имеющая огромное практическое значение, была проведена с помощью новых оригинальных методов генетической инженерии за очень короткий срок — всего за три года.
К 1981 г. в ряде институтов страны, и прежде всего в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР под руководством академика Ю. А. Овчиникова, были выполнены ещё более впечатляющие работы. Эти исследования приобрели сейчас форму чётких долгосрочных программ, по которым их развивают дальше ряд академических и отраслевых институтов. Эти исследования были направлены на то, чтобы осуществить поистине чудо — ввести в бактериальную клетку ген, выделенный из человеческого организма.
Работа велась сразу с несколькими генами: геном ответственным за синтез гормона инсулина, геном, обеспечивающим образование интерферона, благодаря интерферонам, клетки становятся невосприимчивыми по отношению к вирусу, и геном, контролирующим синтез гормона роста.