Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех
Подождите немного. Документ загружается.
283
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина
Превращение информации в активный белок происходит на
ррииббооссооммее
. Мы уже встречались с этим механизмом в первой главе.
Для нормального развития и функционирования клетки ей
необходимо поддерживать постоянный обмен веществ с внеш
ней средой, получая из среды различные субстраты и выводя в
нее некоторые продукты жизнедеятельности.
В качестве субстратов используются, в основном, различ
ные углеродсодержащие соединения
17
– глюкоза, крахмал, спир
ты и органические кислоты, углекислота, метан, парафины и т.
д., широко распространенные в природе.
А вот в качестве продуктов, как оказалось, микроорганиз
мы способны синтезировать многие чрезвычайно полезные ве
щества – различные белки, ферменты, аминокислоты, витами
ны, гормоны, антибиотики и прочие биологически активные
соединения. Другими словами, бактерии являются настоящи
ми молекулярными фабриками по производству необходимых
человеку веществ.
Эти свойства микробов легли в основу множества биотех
нологических производств, начало которым положило широ
комасштабное производство антибиотика пенициллина в 40х
годах ХХ столетия.
Общая схема биотехнологического производства
Центральное звено любого биотехнологического процесса
–
шшттаамммм
, то есть совокупность микроорганизмов одного вида,
обладающих специфическими физиологобиохимическими
признаками.
Биотехнологическое производство может быть направлено
либо на получение максимально возможного количества био
массы (например, производство хлебопекарных дрожжей), ли
бо на достижение максимума выхода продуктов жизнедеятель
ности клеток. В естественных условиях обмен веществ в клет
ках осуществляется по принципам строжайшей экономии, что
17.
УУггллееввооддыы
– обширная группа органических соединений, входящих в состав всех живых
организмов. Представители этого класса веществ по составу отвечают общей формуле CmH
2
nOn, то
есть углерод + вода (отсюда название). Примерами углеводов являются глюкоза: C
6
H
12
O
6
, сахароза
C
12
H
22
O
11
, крахмал C
6
H
10
O
5
и др.
УУггллееввооддооррооддыы
– органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и
водорода. Углеводороды являются основным компонентом большинства нефтей и природных
газов. Общая формула для предельных углеводородов: CnH
2
n+2 Например, метан СH
4
, этан С
2
H
6
,
пропан С
3
H
8
, бутан С
4
H
10
и т. п.
обеспечивается сложной системой его регуляции. Поэтому за
дача промышленных микробиологов состоит в создании мута
нтных форм микроорганизмов – сверхпродуцентов соответ
ствующих веществ.
Для выделения из природных популяций сверхпродуктив
ных штаммов используются разнообразные методы.
Селекция – это искусственный отбор организмов с лучши
ми в своем поколении показателями. Главный недостаток этого
метода – его чрезвычайная длительность.
Более эффективен индуцированный мутагенез, основанный
на мутагенном воздействии рентгеновского и УФизлучения
или некоторых химических соединений. Мутагены вызывают
изменения ДНК, приводящие к сдвигу метаболических реак
ций, в результате чего часть обычных клеток превращаются в
сверхпродуцентов.
Как правило, методы мутагенеза и селекции используются
в совокупности. Например, так были получены высокопродук
тивные штаммы бактерий Bacillus subtilis, способные выделять
до 75 кг витамина В2 из тонны питательной смеси.
Достижения в области генетики и молекулярной биологии
позволили биотехнологам начиная с 70х гг. прошлого века, пе
рейти от слепого отбора штаммов мутантов к сознательному
конструированию геномов, используя для этой цели технологию
рекомбинантной ДНК – основу современной генной инженерии.
Подробнее об этих механизмах будет рассказано чуть позже, а
пока ознакомимся с общей схемой микробиологического про
изводства и вкратце «пройдемся» по достигнутым результатам.
Общая схема микробиологического производства состоит
из следующих основных этапов:
11.. ППооддггооттооввккаа ппииттааттееллььнноойй ссррееддыы
Питательная среда служит источником органического угле
рода – основного строительного элемента жизни. Микроорга
низмы поглощают широкий спектр органических соединений
– от метана (СH
4
), метанола (СH
3
OH) и углекислоты (СO
2
) до
284
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Биотехнологи добиваются сверхсинтеза необходимого
продукта метаболизма, что достигается как путем изменения
генетической программы организма, так и посредством
нарушения его регуляторных систем.
285
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина
природных биополимеров. Кроме углерода клетки нуждаются в
азоте, фосфоре и других элементах (K, Mg, Zn, Fe, Cu, Mo, Mn
и др.) Важный элемент подготовки питательных сред – стери*
лизация с целью уничтожения всех посторонних микроорганиз
мов. Ее проводят термическим, радиационным, фильтрацион
ным или химическим методами.
22.. ППооллууччееннииее ччииссттыыхх шшттааммммоовв ддлляя ввннеессеенниияя вв ффееррммееннттеерр
Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо по
лучить чистую высокопродуктивную культуру. Чистую культуру
микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в усло
виях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность
(обычно это достигается хранением при низкой температуре).
Необходимо все время поддерживать чистоту культуры, не
допуская ее заражения посторонними микроорганизмами.
33.. ФФееррммееннттаацциияя –– ооссннооввнноойй ээттаапп ббииооттееххнно
оллооггииччеессккооггоо
ппррооццеессссаа
Ферментация – это вся совокупность операций от внесе
ния микробов в подготовленную и нагретую до необходимой
температуры среду до завершения биосинтеза целевого продук
та или роста клеток. Весь процесс протекает в специальной ус
тановке – ферментере.
Рис 186. Схема ферментера
Обычный ферментер представляет собой закрытый ци
линдр, в котором механически перемешиваются среда вместе с
микроорганизмами.
Через него прокачивают воздух, иногда насыщенный кис
лородом. Температура регулируется с помощью воды или пара,
пропускаемых по трубкам теплообменника. Конструкция фер
ментера должна позволять регулировать условия роста: посто
янную температуру, pH (кислотность или щелочность) и конце
нтрацию растворенного в среде кислорода.
По окончании ферментации образуется смесь рабочих мик
роорганизмов, раствора непотребленных питательных компо
нентов и продуктов биосинтеза. Ее называют культуральной
жидкостью или бульоном.
44.. ВВыыддееллееннииее ии ооччииссттккаа ккооннееччннооггоо ппррооддууккттаа
По завершении ферментации продукт, который желали по
лучить, очищают от других составляющих бульона. Для этого
используют различные технологические приемы: фильтрацию,
сепарирование (осаждение частиц взвеси под действием цент
робежной силы), химическое осаждение и др.
55.. ППооллууччееннииее ттооввааррнныыхх ффооррмм ппррооддууккттаа
Последней стадией биотехнологического цикла является
получение товарных форм продукта. Они представляют собой
либо смесь, либо очищенный продукт (особенно если он пред
назначен для использования в медицинских целях).
Примеры биотехнологических производств
Получение аминокислот
Среди веществ, получаемых методами биотехнологии, ами
нокислоты занимают первое место по объему производства –
более полумиллиона тонн в год, однако и это – лишь неболь
шая доля от потребности в них.
ААммииннооккииссллооттыы
– это структурные единицы, из которых ри
босомы строят все необходимые белки организма. Природные
аминокислоты вовлечены в биосинтез ферментов, гормонов, ви
таминов, антибиотиков, токсинов и других азотсодержащих сое
динений. Белки, в свою очередь, способны синтезировать раз
личные аминокислоты из органического сырья. Но все же поло
вина из необходимых аминокислот не синтезируются в организ
286
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
287
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина
ме человека и животных. Они называются незаменимыми амино*
кислотами. Недостаток этих аминокислот в питании приводит к
нарушению обмена веществ, замедлению роста и развития.
ААммииннооккииссллооттаа ППооттррееббннооссттьь,, ммгг//ккгг ммаассссыы вв ссууттккии
ммллааддееннццыы ввззррооссллыыее
Валин 92 14
Гистидин 33 10
Изолейцин 83 12
Лейцин 135 16
Лизин 99 12
Метионин и цистеин 49 10
Фениланин и тирозин 141 16
Треонин 68 8
Трептофан 21 3
Табл 10. Потребность человека в незаменимых аминокислотах
Белки яиц и молока обладают высокой пищевой ценностью
– это и неудивительно, ведь растущим детенышам необходим
весь спектр аминокислот. Многие белки растительного проис
хождения имеют дефицит некоторых незаменимых аминокис
лот. Так, белки пшеницы и риса обеднены лизином и треони
ном, а белки кукурузы – лизином и триптофаном.
Внесение промышленных аминокислот в кормовые конце
нтраты позволяет балансировать корма сельскохозяйственных
животных по уровню белка. При добавлении 24 кг дефицит
ных аминокислот к 1 т. комбикорма общий расход кормов
уменьшается на 1520%, а выход мяса и молока увеличивается
на 20%. Это позволило перевести животноводство на промыш
ленную основу.
Помимо применения в качестве пищевых добавок, приправ
и усилителей вкуса аминокислоты используют как сырье в хи
мической, парфюмерной, фармацевтической промышленнос
ти и т. п. Промышленное производство аминокислот стало
возможным после открытия у некоторых микроорганизмов
способности вырабатывать их во внешнюю среду.
Так, штамм Corynebacterium glutamicum является продуцен
том глутамата. Его использовали при организации первого в
мире крупномасштабного биотехнологического производства
самой популярной пищевой добавки, глутаминовой кислоты, в
Японии в 1956 году.
Промышленными продуцентами лизина являются штаммы
бактерий вида Corinebacterium glutamicum. Лизин относится к
числу незаменимых аминокислот. В России недостаток этой
аминокислоты не может быть восполнен за счет богатой ею
сои, поэтому в нашей стране производство лизина было орга
низовано первым, в первую очередь – для удовлетворения пот
ребностей животноводства.
Перспективные штаммы продуцентов постоянно улучшают
селекцией мутантов с измененной генетической программой и
регуляторными свойствами.
Получение витаминов
ВВииттааммиинныы
– незаменимые соединения различной химичес
кой природы, выполняющие каталитические и регуляторные
функции. Недостаток того или иного витамина нарушает обмен
веществ и нормальные процессы жизнедеятельности организ
ма, приводя к развитию патологических состояний. В организ
ме человека и животных витамины не образуются. К их синте
зу способны только растения и ряд микроорганизмов. Способ
ность последних вырабатывать необходимые человеку витами
ны легли в основу их промышленного производства.
Получение органических кислот
Методы промышленной микробиологии широко применя
ются для производства некоторых органических кислот, необ
ходимых человеку. Вырабатываемая микробами уксусная кисло*
та используется в пищевой промышленности, производстве
каучука, пластмассы, волокон, инсектицидов. Лимонную кисло*
ту широко используют в пищевой, фармацевтической и косме
тической промышленности, а также для очистки металлов.
Производство лимонной кислоты принадлежит к числу старей
ших микробиологических процессов, оно было организовано в
1893 году. С 20х годов прошлого века налажено промышленное
производство D*глюконовой кислоты из глюкозы при участии
Aspergillus niger. Ее используют для извлечения металлов, борь
бы со ржавчиной, как моющее средство и в качестве медицинс
кого препарата. Также из глюкозы получают итаконовую кисло*
ту, использующуюся для производства пластмасс и красителей.
288
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Получение антибиотиков
ААннттииббииооттииккии
– это вещества биологического происхожде
ния, способные убивать микроорганизмы или угнетать их рост.
В природе при помощи антибиотиков микроорганизмы борют
ся друг с другом.
Антибиотики делят на бактерицидные, вызывающие гибель
микроорганизмов, и бактериостатические, нарушающие спо
собность микроорганизмов делиться.
Первый антибиотик – пенициллин, образуемый плесневым
грибом Penicillium notatum, открыл английский бактериолог А.
Флеминг (1928). «Оружие микробов» развеяло представления о
неизлечимости многих бактериальных заболеваний (туберкулез,
сепсис, сифилис и др.) Организация крупномасштабного про
изводства антибиотиков в 40х годах ХХ века сыграло решаю
щую роль в становлении промышленной биотехнологии.
Количество открываемых антибиотиков постоянно растет.
В 1940 году было известно всего 6 антибиотиков, а в настоящее
время описано более 12 000 аналогичных соединений, из кото
рых в медицине применяют около 200 препаратов. 97% антиби
отиков токсичны и для человека, поэтому на практике не ис
пользуются.
Ежегодно в мире производится антибиотиков почти на 20
млрд. долларов. Антибиотики продуцируются плесневыми гри
бами, актиномицетами, эубактериями и другими микроорга
низмами. Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род
Streptomyces, один из видов которого, Streptomyces griseus, синте
зирует более 50 различных антибиотиков.
Получение ферментов
ФФееррммееннттыы
(от лат. fermentum – закваска), или
ээннззииммыы
(от
греч. еn – внутри + zyme – закваска) – белкикатализаторы,
присутствующие в каждой клетке. Ускоряя биохимические ре
акции, ферменты направляют и регулируют все процессы обме
на веществ. Ничтожное количество ферментов способно вызы
вать разложение больших масс других органических веществ, не
расходуясь при этом. Будучи самостоятельными химическими
веществами, ферменты сохраняют каталитическую активность
и вне клеток. В отличие от химических катализаторов, фермен
289
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина
290
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
ты нетоксичны, используют доступное сырье (в т. ч. отходы), в
связи с чем их применение в промышленности выгодно и с эко
логической, и с экономической точек зрения. Ферменты нахо
дят широкое применение в текстильной, кожевенной, целлю
лознобумажной, медицинской, химической и пищевой про
мышленности. В медицине распространена практика использо
вания ферментов в диагностических целях, например, для выяв
ления инфаркта миокарда или заболеваний печени.
Источником ферментов могут выступать все живые суще
ства. Для их получения пригодны некоторые растительные ор
ганизмы на определенной фазе их развития (проросшие зерна
злаков и бобовых), а также отдельные ткани и органы живот
ных (поджелудочная железа, слизистая оболочка желудочно
кишечного тракта, сычуг рогатого скота, семенники половозре
лых животных). Однако для массового производства ферментов
используют микроорганизмы.
Получение микробных иммуннобиологических препа
ратов – вакцин, иммунных сывороток и диагностикумов
ВВааккцциинныы
– основной способ профилактики инфекционных
заболеваний. Это препараты, изготовленные из ослабленного
или убитого инфекционного агента (бактерии, вируса и др.)
или его отдельных компонентов, несущих антигенные свойства
и способных вызывать иммунитет к данной инфекции.
Термин «вакцина» происходит от латинского слова vacca –
корова, поскольку вначале для предохранения человека от за
болевания оспой ему прививалось содержимое оспенных пу
зырьков больной коровы. Сегодня вакциной называют все, что
получают из патогенных микробов и что вызывает образование
специфических антител
18
при попадании в организм. Вакцины
получают как из самих микроорганизмов, так и из продуктов их
жизнедеятельности. Применение вакцин обеспечивает невосп
риимчивость организма к заражению реальными возбудителя
ми болезни и стимулирует его защитные силы.
18
ААннттииттееллаа
– белки, образующиеся в ответ на введение в организм бактерий, вирусов, белковых
токсинов и других инфекционных агентов. Связываясь активными участками с микробами,
антитела препятствуют их размножению или нейтрализуют выделяемые ими яды.
ИИммммуунннныыее ссыыввооррооттккии
содержат готовые антитела к опреде
ленным видам микробов. В отличие от вакцин, их используют
не только для профилактики, но и для лечения, поскольку вве
дение антител в зараженный организм способствует быстрому
обезвреживанию микробов и их токсинов.
Для получения необходимых для сыворотки антител нароч
но инфицируют лошадь. Когда через 1012 дней ее организм
вырабатывает достаточное количество антител, из крови жи
вотного получают сыворотку.
Сывороточные препараты, полученные из крови лошади,
содержат, помимо необходимых антител, чужеродные для чело
века белки. Поэтому при их введении у пациента могут возни
кать аллергические реакции. Чтобы снизить процент осложне
ний, сыворотку подвергают дополнительной обработке.
В настоящее время широкое применение получили гамма
глобулины, извлекаемые из иммунных сывороток, которые со
держат антитела в наибольшей концентрации.
ДДииааггннооссттииччеессккииее ссыыввооррооттккии
(диагностикумы) представляют
собой взвесь убитых бактерий определенного вида. Например,
брюшнотифозный диагностикум – это взвесь убитых бактерий
брюшного тифа. Диагностикумы предназначены для качествен
ного и количественного определения соответствующих имму
ноглобулинов в сыворотке крови с диагностической целью.
В настоящее время расширяются возможности получения
эффективных и безопасных иммунобиологических препаратов
с помощью генной инженерии. Она позволяет использовать в ка
честве источников необходимых веществ не организмы людей и
животных, а новые искусственно созданные системы – специ
ально культивированные клетки многоклеточных организмов.
Антитела синтезируются в лимфоцитах. Если «скрестить»
лимфоциты с быстро делящейся раковой клеткой, то образуются
клеткигибридомы, имеющие свойства обоих «родителей». Из
них можно получать целые популяции генетически одинаковых
клеток, которые быстро делятся (как раковые) и вырабатывают
определенный вид антител (как лимфоцит). Такой клон позволя
ет получать любые количества антител определенного вида.
291
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина
Основные механизмы генной инженерии
Технология рекомбинантной ДНК
Вот мы и добрались до генной инженерии, вызывающей у
непосвященных бурю всевозможных эмоций. Если кратко, то
суть генной инженерии сводится к следующему: биологи, зная,
какой ген за что отвечает, выделяют его из ДНК одного орга
низма и встраивают в ДНК другого. В результате можно заста
вить клетку синтезировать новые белки, что придает организму
новые свойства.
Мы знаем, что обмен генетической информацией происхо
дит и в природе, но только между особями одного вида. Коты
«ухаживают» за кошками, лисы за лисицами, кролики за кроль
чихами... Случаи же скрещивания особей разных видов (напри
мер, собаки и волка) хоть и случаются, но являются скорее иск
лючениями и возможны лишь для близкородственных животных.
Перенос генов от родителей к потомкам внутри одного ви
да называется вертикальным. Так как возникающие при этом
особи, как правило, очень похожи на родителей, в природе ге
нетический аппарат обладает высокой точностью и обеспечи
вает постоянство каждого вида.
Генная инженерия дает возможность преодолевать межви
довые барьеры и передавать признаки одних организмов дру
гим, осуществляя такие изменения генома, которые вряд ли
могли бы возникнуть естественным путем. Грубо говоря, ген
ные инженеры делают то, что всегда запрещала природа. Берут,
например, ген из рыбы и вставляют его в помидор. Но не для
того, чтобы помидор плавал, а чтобы его можно было хранить
при низкой температуре. Перенос генов между особями разных
видов называется горизонтальным (латеральным).
Молекула ДНК, собранная из кусочков ДНК различных
организмов, называется
ррееккооммббииннааннттнноойй
. Первая рекомбина
нтная ДНК, объединившая гены обезьяньего вируса SV40,
бактериофага лямбда и галактозного оперона E.coli, была соз
дана в 1972 году группой американских ученых под руковод
ством П. Берга.
Однако первые “генные операции” такого рода эффектив
но проводились уже более 4,5 миллиардов лет назад главным
“генным инженером” – Природой. Речь идет об уже знакомых
292
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ