Трансгенные микроорганизмы и клеточные культуры

26 Декабря в 10:50 3748 0


Микроорганизмы с древних времен участвовали в биотехнологических процессах в различных сферах практической деятельности человека, таких как хлебопечение, виноделие, приготовление кисломолочных продуктов и т.д. Эта разнородная группа микроскопических организмов, искусственно объединенная на основании размера, стала базой многочисленных хозяйственных биотехнологических производств, сложившихся в промышленную микробиологию.

Быстрый рост и огромное генетическое разнообразие микроорганизмов позволяют за короткий промежуток времени осуществить синтез больших количеств целевого продукта в строго контролируемых условиях.

Возникновение генной инженерии в середине 1970-х гг. (перенос чужеродных генов, придающих новые полезные свойства организму хозяина) придало огромный импульс развитию биотехнологических производств. Возможность конструировать организмы с заданными свойствами видоизменила структуру и содержание промышленной микробиологии.

Во-первых, существенно повысилась продуктивность промышленных микроорганизмов - продуцентов классических продуктов посредством усовершенствования имеющегося метаболического пути (введения дополнительных генов, увеличения их количества или активности). Во-вторых, внедряя в микробную клетку чужеродные гены, удалось получить микроорганизмы, синтезирующие несвойственные им вещества, например, белки крови человека (интерфероны, интерлейкины, инсулин и др.), что значительно увеличило разнообразие биотехнологической продукции.

Таким образом, стало возможным преобразование клеток бактерий, дрожжей и млекопитающих в «фабрики» для масштабного производства антибиотиков, белков, жиров, аминокислот, а также для получения безопасных и дешевых вакцин. Практически любое современное биотехнологическое производство основано на использовании трансгенных организмов.

Рекомбинантные микроорганизмы для получения коммерческих продуктов

Именно бактерии стали первыми ГМО благодаря простоте организации их генома и манипуляций с клетками. Первый патент на генетически модифицированный штамм микроорганизмов, который был способен разлагать нефть, был выдан в США в 1980 г. всего через 8 лет после работы Берга по конструированию рекомбинантной ДНК. Еще через два года был разрешен для клинического использования синтезированный в бактерии E. coli первый лекарственный препарат - рекомбинантный человеческий инсулин.

Сейчас промышленная микробиология с использованием ГМ микроорганизмов развивается в основном по следующим направлениям:
1) производство продуктов биосинтеза трансгенных микроорганизмов, например, антибиотиков, гормонов, ферментов и витаминов;

2) использование биомассы микроорганизмов - производство медицинских вакцин, различных дрожжей, белково-витаминных концентратов и заквасок для получения кисломолочных продуктов и силосования кормов;

3) биотехнологии, основанные на уникальных способностях некоторых бактерий производить органические кислоты, этанол, углеводы и метан. Сюда же можно отнести и переработку некоторых отходов с возможностью получения полезных соединений, в первую очередь горючих газов (биотипливо).

Использование трансгенных микроорганизмов в медицине. В настоящее время биотехнология на основе использования трансгенных микроорганизмов предлагает новые подходы к разработке и производству фармацевтических препаратов, а также позволяет выпускать в достаточных количествах широкий спектр лекарственных средств, которые раньше были малодоступны. Среди примерно 40-50 новых видов лекарств, вакцин и препаратов для диагностики, появляющихся на рынке ежегодно, 10-15 получены с помощью генно-инженерных методов, причем многие из них предназначены для лечения болезней, которые ранее считались неизлечимыми.

К самому большому классу лекарств, получаемых путем микробного синтеза, относятся антибиотики. По разнообразию и показаниям к применению они занимают первое место среди продукции мировой фармацевтической промышленности.

Сегодня известно более 6 000 видов антибиотиков, более 100 из которых находят применение в медицинской практике, в том числе при лечении таких тяжелых заболеваний, как туберкулез, менингит, плеврит, пневмония. Отдельные антибиотики, такие как блеомицин, применяют при лечении онкозаболеваний. Объем мирового рынка антибиотиков увеличивается в последнее время на 10-20 %/год и составляет более 23 млрд дол.

Вторым классом лекарственных препаратов, производимых биотехнологическим путем в микроорганизмах, являются гормоны. В медицинских целях применяются два основных типа гормонов, различающихся по молекулярному строению: стероидные и пептидные. Среди стероидных гормонов можно выделить кортизон и преднизолон, которые широко используют при лечении различных аллергических заболеваний, в том числе такого тяжелого, как бронхиальная астма, а также ревматоидного артрита и других недугов.

Другой обширной группой стероидов являются половые гормоны, такие как эстроген, широко применяемые для оральной контрацепции и лечения ряда заболеваний. Пептидные гормоны сейчас практически целиком производятся путем синтеза с помощью генетически модифицированных микроорганизмов. Сюда можно отнести уже упоминавшийся инсулин, а также такие антивирусные, антиопухолевые и иммуномодулирующие агенты, как интерфероны и интерлейкины.

Особое место среди лекарственных средств занимают ферменты, которые в широком диапазоне могут синтезировать ГМ-микроорганизмы. Ферменты используются - для лечения самых различных патологий: протеазы и липазы - для коррекции пищеварения; протеазы - для удаления некротических тканей, протеиназы с фибринолитическим действием - для растворения тромбов, а антикоагулянты, например плазмин, эффективны при лечении инфаркта миокарда и многие другие.

Важный вклад микробной трансгенной биотехнологии в медицину состоит в получении профилактических препаратов, в первую очередь это производство вакцин против различных инфекций. Необходимый антиген можно получить с помощью непатогенного (аттенуированного) микроорганизма, инактивированного генно-инженерными методами, либо экспрессией рекомбинантного антигена и таким образом избежать опасностей, связанных с применением инактивированных вакцин.

К числу важных практических достижений генной инженерии необходимо отнести и получение диагностических препаратов.

Использование биомассы ГМ-микроорганизмов. Согласно прогнозам, к 2050 г. население Земли возрастет до 10 млрд чел. и для обеспечения его потребности в продукции сельского хозяйства нужно будет увеличить объем производства на 75 %. При этом человеку недостает в первую очередь белка животного происхождения, который по аминокислотному составу более богат, чем растительный белок. Промышленная микробиология поставляет животноводству, по крайней мере, три вида важных веществ: кормовой белок и белково-витаминные концентраты (БВК), незаменимые аминокислоты и кормовые антибиотики.



Добавление 1 т БВК в корма обеспечивает экономию 7 т фуражного зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины или 5 т мяса птицы. Включение 1 т ГМ кормовых дрожжей в рацион телят и поросят позволяет экономить 6 т цельного молока. Эти ценные продукты получаются путем переработки ГМ-микроорганизмами подсолнечной лузги, кукурузных кочерыжек, соломы и других отходов сельского хозяйства, которые содержат клетчатку.

Второй вид сельскохозяйственной биотехнологической продукции -незаменимые аминокислоты, производство которых для медицины и пищевой промышленности интенсивно развивается во всем мире. Среди них такие, как лизин и метионин, которые обязательно должны содержаться в готовом виде в пище человека и кормах животных. Метионин производят с помощью химической технологии, а лизин - в основном биотехнологически за счет ГМ-микроорганизмов. Добавление лизина в корм скоту резко увеличивает объем мясной продукции: на 1 т лизина высвобождается 40-50 т фуражного зерна и получается дополнительно более 10 т мяса.

Помимо этого, в последнее время в животноводстве и растениеводстве используется около 100 биопрепаратов, таких как стимуляторы роста животных и растений, энтомопатогены и ГМ бактериальные удобрения. Применение таких средств позволяет отказаться от использования или снизить в разы количество применяемых химических средств защиты и минеральных удобрений, что приводит к повышению качества продукции и созданию экологически чистых технологий.

Использование ферментов и добавок в пищевой и кормовой промышленности, произведенных с помощью ГМ-микроорганизмов, означает, что ГМ-микроорганизмы инактивированы, разрушены или удалены из конечного продукта. Генетически модифицированные дрожжи, грибки и бактерии используют для этих целей уже более десятилетия.

В качестве примеров можно привести используемую в хлебопечении альфа-амилазу, применяемую при производстве фруктозы глюкозоамилазу и необходимый для ферментации сыра фермент химозин. Большинство используемых в пищевой промышленности трансгенных микроорганизмов являются производными микроорганизмов, применяемых в традиционной пищевой биотехнологии.

В ряде стран трансгенные микроорганизмы разрешены также для производства микронутриентов, таких как витамины и аминокислоты, используемых в качестве продуктов питания или добавок к рациону. Примером является производство каротиноидов (используемых в качестве пищевых добавок, красителей и добавок к рациону) в ГМ бактериальных системах. В будущем в ГМ-микроорганизмы можно будет интегрировать целые метаболические пути, что позволит синтезировать совершенно новые соединения.

Для нужд животноводства с помощью генной инженерии разработаны такие ветеринарные продукты, как бычий соматотропин, применяемый для повышения эффективности производства молока. В некоторых странах бычий соматотропин впервые появился на рынке более 10 лет назад.

Микроорганизмы в качестве продуктов питания. В настоящее время на рынке нет коммерческих продуктов, содержащих живые генетически модифицированные микроорганизмы. В 1993 г. в Великобритании ГМ-дрожжи получили официальное одобрение для использования в пивоваренной промышленности, однако попытки коммерциализовать продукт не предпринимались.

К другим микроорганизмам, использующимся для производства продуктов питания (находящимся на стадии исследований и разработки), относятся сбраживающие культуры для хлебопечения и пивоварения и молочнокислые бактерии, применяемые при производстве сыра. Целью исследований и разработки также является минимизация инфицирования патогенными микроорганизмами и повышение питательной ценности и вкусовых качеств конечного продукта.

Предпринимаются также попытки генетически модифицировать микроорганизмы пищеварительного тракта крупного рогатого скота с целью защиты животных от отравляющих компонентов корма. Современные методы биотехнологии используют также для создания пробиотиков - микроорганизмов, употребление определенного количества которых с пищей оказывает положительное влияние на здоровье.

Биоремедиация. Известно, что основной вред окружающей среде наносят стоки химических предприятий, содержащие различные синтетические органические соединения, разложение которых в природе происходит крайне медленно.

Многие из таких отходов являются ксенобиотиками - токсичными веществами, не включающимися в метаболизм живых организмов. Микробиологи изучают пути катоболизма ксенобиотиков, возможности их разложения и детоксикации.

Среди огромного разнообразия бактерий можно найти отдельные организмы, использующие самые уникальные варианты путей метаболизма, включающие необычные химические соединения. Опираясь на глубокие знания физиологии бактерий, ученые создают ГМ-микроорганизмы с такой комбинацией метаболических путей, что становится возможна переработка или разложение самых необычных, в том числе токсичных, соединений.

На основе этих исследований создают биотехнологические способы очистки воды от неприродных соединений, а также методы, позволяющие контролировать загрязнения окружающей среды. В настоящее время ежегодный объем продаж таких препаратов для контроля и мониторинга загрязнений составляет около 10 млн дол., а в ближайшей перспективе эта цифра может достичь 200 млн дол.

Еще одна беда, стоящая перед человечеством, - загрязнение земель и водоемов нефтью и нефтепродуктами. Подобные загрязнения занимают огромные площади вокруг мест добычи нефти, нефтеперерабатывающих предприятий и портов.

Нередко причинами экологических бедствий становятся аварии на судах, особенно танкерах, когда нефтью загрязняются акватории и берега рек и морей. Методы генной инженерии активно используются для разработки штаммов-деструкторов, способных быстро разлагать массивные скопления нефтепродуктов.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы