Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

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

Витамины – 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 20 х 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

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Получение антибиотиков

Антибиотики – это вещества биологического происхожде ния, способные убивать микроорганизмы или угнетать их рост.

Вприроде 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 40 х годах ХХ века сыграло решаю щую роль в становлении промышленной биотехнологии.

Количество открываемых антибиотиков постоянно растет.

В1940 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

Ферменты (от лат. fermentum – закваска), или энзимы (от греч. еn – внутри + zyme – закваска) – белки катализаторы, 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

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 лозно бумажной, 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

Вакцины – 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 антител18 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 Антитела – 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.

290

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Иммунные сыворотки 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 10 12 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.

Диагностические сыворотки (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 клетки гибридомы, 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.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

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 рекомбинантной. 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