Другие области применения генной инженерии

25 Декабря в 11:23 1611 0


1. Новые методы диагностики и исследований

Методы генной инженерии открывают новые возможности и в медицинской диагностике. Например, ДНК или РНК вируса могут быть выделены в очень малых количествах для изучения их состава, последовательности нуклеотидов и механизма реакции. Полученные при этом данные позволяют различать многие типы вирусов, и подобный метод приобретет важную роль в эпидемиологии и в медицинской диагностике.

Эти и другие, более общие, методы связаны с синтезом нуклеиновых кислот, используются для изучения функций мозга на молекулярном уровне. Так всегда считалось, что полипептидные гормоны (инсулин) образуются только в эндокринных железах, откуда они транспортируются с потоком крови в органы. Благодаря таким исследованиям было обнаружено, что они синтезируются в головном мозге.

Впервые это было показано исследователем Вилла-Комароффом. Она получила ДНК-копию гена инсулина крысы, ввела их в клетки мозга и обнаружила, что инсулиновая ДНК-проба связывалась с двумя и-РНК в мозге, т. е. показала, что клетки мозга синтезируют инсулин. (Молекулы ДНК будут связывать и-РНК гормонов и чем ближе сходство между гормоном и синтезирующимся в мозге веществом, тем прочнее ДНК-копии будут связываться с и-РНК.) Следующая задача - уточнить подлинную функцию этих гормонов в мозге.

2. Генная инженерия и белковая инженерия ферментов

Технология рекомбинантных ДНК позволила проводить перемещение генов, ответственных за синтез полезного фермента, из одного организма в другой, т. е., когда фермент проявляет свойства, важные для промышленного использования, соответствующий ген можно клонировать в более подходящем микроорганизме-«хозяине» (рис. 3.4) и затем провести промышленную ферментацию. Таким методом становится возможным производить промышленные ферменты очень высокого качества и чистоты.

Метод клонирования ферментов
Рис. 3.4. Метод клонирования ферментов

Недавний пример этой технологии - получение моющего фермента липолазы, улучшающий удаление жирных пятен на тканях. Фермент был вначале обнаружен при росте плесени Humicola languinosa в количестве, не соответствующем для промышленного производства. Далее, фрагмент ДНК (ген), кодирующий фермент, был клонирован в продукты роста плесени Aspergillus oryzae и начал производиться на промышленном уровне. Фермент оказался эффективным при различных моющих условиях, а также очень устойчивым при разных температурах и pH.

Белковая инженерия или «молекулярная хирургия» использовалась для изменения свойств молекул ферментов. Белковая инженерия ферментов включает создание трехмерной графической модели очищенного фермента, полученного методом рентгено-структурного анализа. Можно считать, что изменения в структуре фермента, приводящие к большей стабильности при изменении, например, pH и температуры, сделаны с помощью замен участков гена, кодирующего фермент, на молекулярном уровне.

Имеются два главных подхода для изменения функции ферментов. Первый - мутагенез клонированного продукта: аминокислотные остатки в определенном положении в структуре фермента можно заменить другими подходящими закодированными аминокислотными остатками. Измененный ген далее трансформируется в подходящий организм «хозяина», и производится мутантный фермент.

Этот процесс известен как «мутагенез направленного участка». Второй используемый метод включает выделение природного фермента и модификацию его структуры химическими или ферментными методами, иногда этот метод называется химической мутацией. Недавний успешный пример белковой инженерии - модификация фермента фосфолипазы, который был изменен для того, чтобы он мог работать при более высоких концентрациях кислоты. Этот фермент широко используется как эмульгатор в пищевой промышленности.



Из вышесказанного следует, что генная и белковая инженерии будут иметь огромное влияние на производство ферментов в многих формах. Генная инженерия будет обеспечивать лучшие экономические показатели продуктивности ферментов, производство ферментов редких микроорганизмов и т. д.

3. Получение бактерий для деградации токсикантов и ксенобиотиков

С помощью генетического конструирования создан «супермикроб», способный утилизировать большинство основных углеводородов нефти. В природе имеются 4 штамма бактерий, имеющих несколько плазмид, каждая из которых кодирует фермент для расщепления одного класса углеводородов: 1) октана, гексана и декана (ОСТ); 2) ксилола и толуола (XYL); 3) камфоры (САМ) и 4) нафталина (NAH).

В результате последовательных скрещиваний был получен «суперштамм», несущий плазмиды XYL, NAH и гибридную плазмиду, содержащую части плаз-мид ОСТ и САМ. Такая мультиплазмидная бактерия растет, утилизируя неочищенную нефть (рис. 3.5).

Получение мультиплазмидной бактерии
Рис. 3.5. Получение мультиплазмидной бактерии

4. Биоматериалы

Протезы и искусственные устройства для замены поврежденных частей тела или компенсаций их дисфункций изготавливаются из полимеров (полиэфиров, силиконов, метилполиметакриламида, полиэтилена), сплавов металлов (нержавеющей стали, сплавов хрома, кобальта, молибдена , титана и титановых сплавов), керамики (глинозема, стеклокерамики), композитных материалов (углерод-углеродных, полимерно-графитных, стеклянных с наполнителями ) и т. п. Реакция тканей организма на контакт с этими материалами может вызвать (и часто вызывает) иммунную реакцию, вплоть до отторжения имплантанта, при этом возникает необходимость удаления протеза.

Чтобы избежать таких реакций или снизить их до безопасного уровня, разрабатываются материалы нового поколения - биоматериалы, или биосовместимые материалы. Рынок этих материалов неограничен, вернее, ограничен пока стоимостью и необходимым качеством.

В области сердечной и артериальной хирургии разработаны и совершенствуются биоматериалы, придающие поверхности полимера антикоагуляционные свойства. Для этого используют соединения, обладающие свойством препятствовать свертыванию крови. Из таких материалов могут быть изготовлены протезы сосудов чрезвычайно малого диаметра, не вызывающие свертываемости крови, используемые для предупреждения сердечных приступов .

Для протезирования костей и суставов используются металлы и сплавы, но они по своим свойствам сильно отличаются от костей и тоже довольно часто вызывают иммунную реакцию. Керамика, и особенно кальцинированный глинозем, обладают отличной биосовместимостью, однако они хрупкие. Для создания протезов высокого качества созданы материалы по оригинальной технологии: протезы из керамики при помощи методов клеточной инженерии заселяются клетками костной ткани, которая заполняет все поры протеза, при этом получается изделие, сочетающее высокую прочность и отличную биосовместимость.

Методы биотехнологии используются и для создания биосовместимых гибких и тонких контактных линз. Их изготавливают из макромолекулярных гелей, содержащих 80 % воды. Это обеспечивает хорошую диффузию O2 и CO2. В качестве сыворотки крови используются декстраны и желатин.

Разработаны также довольно прочные полимерные нити, легко подвергающиеся биодеградации. Из них изготовляют шовный материал для скрепления внутренних послеоперационных швов; после операции они через какое-то время рассасываются.

Существуют еще несколько больших прикладных областей биотехнологии, в частности, создание биотестов в аналитике, диагностике и для контроля окружающей среды.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы