§ 52. Основные направления биотехнологии

Биотехнология, ее объекты и основные направления. Биотехнология —

область науки и практической деятельности, связанная с производством различных продуктов при помощи живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

Термин «биотехнология» получил широкое распространение сравнительно недавно, хотя многие технологии производства, основанные на биологических процессах (хлебопечение, виноделие, получение кисломолочных продуктов, обработка кожи и др.), существуют с давних времен.

Теоретическую основу для развития биотехнологии в XX в. обеспечили генетика, микробиология и биохимия. Практической базой стала микробиологическая промышленность, бурное развитие которой связано с открытием и началом производства антибиотиков. Методы и достижения биотехнологии используются в пищевой, химической, фармацевтической промышленности, медицине, энергетике, селекции, сельском хозяйстве, в области охраны окружающей среды и т. д.

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, протисты, грибы, растения, животные, а также изолированные клетки и органоиды.

Основные направления биотехнологии:

•  производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений и лекарственных препаратов (ферментов, витаминов, гормонов, антибиотиков, иммуноглобулинов и др.);

•  производство пищевых продуктов и кормов для животных;

•  создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений и пород животных;

•  разработка и использование биологических методов защиты растений от вредителей и болезней;

•  создание и использование биотехнологических методов защиты окружающей среды и т. д.

Основой современной биотехнологии является генетическая и клеточная инженерия в сочетании с широким набором методов биохимии.

Клеточная инженерия — это культивирование в специальных условиях клеток растений, животных и микроорганизмов, включая различные манипуляции с ними (слияние клеток, удаление или пересадка органоидов и т. д.).

Наиболее успешно развивается клеточная инженерия растений. Используя методы генетики, ученые создают линии клеток, продуцирующих ценные вещества. Такие клетки способны расти на простых питательных средах, синтезируя при этом большое количество необходимого продукта. Их культивирование уже используется в промышленных масштабах для получения ряда биологически активных веществ. Например, налажено производство биомассы женьшеня для нужд медицинской и парфюмерной промышленности.

Другое важное направление клеточной инженерии — размножение растений на основе культуры тканей (рис. 121). Это стало возможным благодаря способности растительных клеток формировать целое растение из единичных клеток в результате регенерации. Культуру растительных тканей выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений — масличной пальмы, персика и др. Так, при обычном разведении куст малины может дать не более 50 дочерних растений в год, в то время как с помощью культуры тканей их можно получить более 50 ООО.

Методы клеточной инженерии позволяют значительно ускорить селекционный процесс при выведении новых сортов злаков и других важных сельскохозяйственных культур. Срок их получения сокращается до 3—4 лет вместо 10—12, необходимых при использовании обычных методов селекции.

Перспективным способом выведения новых сортов сельско -хозяйственных культур является применение такого метода клеточной инженерии, как соматическая гибридизация.

Соматическая гибридизация — это слияние разных типов соматических клеток одного организма или клеток организмов, принадлежащих к разным видам (рис. 122). С помощью этого метода, например, были созданы гибриды, которые невозможно получить путем скрещивания особей — гибриды табака и картофеля, моркови и петрушки, томата, и картофеля и т. п. Соматическая гибридизация между культурными и дикими формами картофеля позволила получить сорта, устойчивые к некоторым заболеваниям и вредителям.

Важное направление клеточной инженерии связано с ранними стадиями эмбрионального развития. Оплодотворение яйцеклеток в лабораторных уело-

виях вне организма матери (так называемое ЭКО — экстракорпоральное оплодотворение) позволяет преодолевать некоторые формы бесплодия у человека.

У сельскохозяйственных животных с помощью инъекции гормонов удается получить от одной высокопродуктивной самки десятки яйцеклеток, искусственно оплодотворить их спермой породистого самца и имплантировать в матки других самок. Так можно получить от одного ценного экземпляра во много раз больше потомства, чем это было бы возможно с помощью искусственного осеменения.

Генетическая (генная) инженерия — раздел молекулярной биологии, связанный с выделением генов из клеток живых организмов, осуществлением с ними различных манипуляций (в том числе — созданием гибридных молекул ДНК) и внедрением их в другие организмы. Главными инструментами генетической инженерии являются ферменты и векторы. С помощью набора специальных ферментов можно разрезать в определенных участках молекулы ДНК и РНК, выделять из них нужные фрагменты, копировать и сшивать эти фрагменты друг с другом.

Для доставки чужеродных генов в клетки различных организмов применяются векторы — специальные молекулы ДНК, которые способны самостоятельно реплицироваться в клетках и обеспечивать размножение (клонирование) и работу (экспрессию) искусственно встроенных в них генов.

Для осуществления переноса генов одного вида организмов в другой, часто очень далекий по происхояадению, необходимо выполнить несколько операций (рис. 123).

1.  Выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток-доноров. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов.

2.  Создание векторной конструкции (введение выделенного из донора фрагмента ДНК в плаз-мидный вектор с помощью специальных ферментов). В генной инженерии широко используются векторы, созданные на основе плазмид — внехромосомных кольцевых молекул ДНК, характерных для прокариот.

3.  Введение полученной векторной конструкции в клетку нового хозяина (бактерию).

4.  Клонирование фрагмента ДНК (увеличение копий вектора, содержащего введенную ДНК), в ходе многочисленных делений бактериальной клетки.

Живые организмы, геном которых был изменен путем генно-инженерных операций и содержит хотя бы один активно функционирующий ген другого организма, называют трансгенными (генетически модифицированными). Благодаря переносу генов у трансгенных организмов возникают новые качества. Например, соматотропин (гормон роста) с 1980 г. получают с помощью трансгенных штаммов бактерии кишечной палочки. Это единственное средство лечения карликовости у детей. До развития генной инженерии соматотропин выделяли из гипофизов умерших людей. Сегодня 1 л суспензии трансгенных бактерий за несколько часов производит такое количество гормона роста, которое содержится в десятках гипофизов человека. Генно-инженерный соматотропин дешевле, доступнее в больших количествах и безопасен в плане заражения вирусами.

В 1979 г. в мире насчитывалось более 60 млн больных сахарным диабетом. Из них только 4 млн получали инсулин, который выделялся из поджелудочных желез коров и свиней. С 1982 г. предприятия многих стран начали производить генно-инженерный инсулин. Ген человеческого инсулина был введен в бактериальные клетки — начался синтез гормона, который бактерии никогда не вырабатывали ранее.

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить в промышленных масштабах синтез многих биологически активных веществ — различных гормонов, витаминов, интерферона и т. д.

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, козы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, других млекопитающих, человека. Есть трансгенные растения, на базе которых созданы сорта или формы сельскохозяйственных культур, которые практически невозможно получить традиционными методами селекции.

Получение трансгенных животных. Одним из основных методов получения трансгенных животных является м икр о инъекция ДНК в оплодотворенные яйцеклетки (рис. 124). Все начинается с введения фрагмента ДНК, содержащего несколько копий нужного гена, в ядро сперматозоида, оплодотворившего яйцеклетку. После того как произойдет слияние ядер, модифицированные зиготы переносят в матку самки-реципиента. Через некоторое время она производит на свет трансгенных детенышей.

Этот метод с 1982 г. и до настоящего времени остается наиболее популярным у исследователей, занятых получением трансгенных животных, несмотря на то, что он требует высокой квалификации и дорогостоящего оборудования.

В последние годы для создания трансгенных животных используют также э м -бриональные стволовые клетки, получаемые из зародышей на ранних этапах развития. Эти клетки могут дифференцироваться в любые другие типы клеток многоклеточного организма. Эмбриональные стволовые клетки можно культивировать вне организма в течение длительного времени и вводить в них определенные гены с помощью векторов. После этого клетки со встроенными чужеродными генами внедряют в другие эмбрионы для получения трансгенных животных.