Биотехнология

БИОТЕХНОЛОГИЯ

Авторы: В.Г. Дебабов

БИОТЕХНОЛОГИЯ (от био…, греч. τ έ χνη - искусство, мастерство и...логия), использование живых организмов, клеток и отд. биополимеров в практич. деятельности человека, основанное на достижениях совр. биологич. науки - молекулярной и клеточной биологии, генетич. инженерии, геномике, постгеномных технологиях, биоинформатике.

Историческая справка

Использование живых организмов в хозяйств. деятельности человека насчитывает тысячелетия. Уже 6-8 тыс. лет назад человек умел применять микроорганизмы, осуществляющие процесс спиртового брожения, для изготовления хлеба, вина и пива. Вплоть до 20 в. Б. носила стихийный характер, а её интенсивное развитие началось с сер. 20 в. (было освоено пром. произ-во аминокислот, витаминов, ферментов и т. д.). Термин «Б.» возник в кон. 19 в. и относился к применению микроорганизмов или производимых ими веществ для получения или преобразования разл. продуктов. Своё нынешнее значение он приобрёл в кон. 1970-х гг. в связи с развитием генетич. инженерии, позволившей целенаправленно изменять наследств. свойства живых существ путём переноса генов из одних организмов в другие. Сначала объектами генетич. инженерии служили микроорганизмы и культуры клеток животных и растений. В кон. 1970-х - нач. 1980-х гг. в США, а затем и в др. странах было быстро налажено микробиологич. произ-во таких важных для медицины белков человека, как инсулин, гормон роста, интерферон. Принятие в 1980 Верховным судом США постановления, согласно которому созданные человеком микроорганизмы могут быть предметом патентования, способствовало правовому оформлению интеллектуальной собственности и привлечению в Б. крупных капиталовложений. Ввиду потенциальной опасности деятельность, связанная с использованием методов генетич. инженерии, во мн. странах регулируется спец. законами (в РФ с 1996). Существуют разнообразные подходы к классификации Б. С естественно-научной и технологич. точек зрения (по используемым живым объектам) её делят на Б. микроорганизмов (и сходную технологию культивирования клеток высших организмов), Б. растений, Б. животных. Исходя из экономич. позиций (по конечным сферам применения производимых продуктов) принято говорить о мед. Б., с.-х. Б., Б. охраны окружающей среды, Б. в химич. пром-сти.

Промышленная биотехнология

Наиболее развитым направлением Б. является микробиологич. пром-сть, берущая начало в традиц. отраслях (виноделии, пивоварении, хлебопечении, получении кисломолочных продуктов, сыра). Как самостоят. отрасль она сформировалась во 2-й пол. 1940-х гг., когда началось массовое произ-во антибиотиков. Совр. микробиологич. пром-сть использует процессы микробной ферментации в аппаратах объёмом от единиц до сотен кубич. метров. Мн. приёмы управления процессами, методы очистки продуктов заимствованы микробиологич. пром-стью у химич. технологии. В то же время в ней широко применяются полученные методами генетич. инженерии высокопродуктивные штаммы микроорганизмов. В большинстве новых процессов, разработанных в течение 1990-х гг. и в нач. 21 в., используется огранич. набор наиболее хорошо генетически изученных микроорганизмов - гл. обр. кишечная палочка (Escherichiа coli) и пекарские дрожжи (Saсcharomyces cerevisiae). Микробиологич. пром-сть производит антибиотики, ферменты (амилазы, глюкоамилазы, протеазы, липазы, фитазу и др.), аминокислоты, витамины (В 2, В 12, С), каротиноиды, полисахариды, органич. кислоты, топливный спирт. Наиболее крупнотоннажными произ-вами этой индустрии в 2003 были топливный спирт (ок. 15 млн. т/год), глутамат натрия (1,2 млн. т/год), L-лизин (400 тыс. т/год), лимонная кислота (ок. 600 тыс. т/год), молочная кислота (200 тыс. т/год). Микробиологич. индустрия растёт на 10-15% в год, значительно опережая рост общего пром. произ-ва в мире (1,5-2%). Прогнозируется бурное развитие произ-ва топливного спирта, биодеградируемых пластиков (полигидроксиалканоаты, полилактаты), мономеров для получения пластиков (1,3-пропандиол, 3-гидроксипропионовая кислота), особенно в связи с перспективой экономически оправданного осахаривания (гидролиза) растит. сырья (с.-х. отходов, древесины). По прогнозам, к 2020-25 до 25% всех химич. веществ в США будет производиться из возобновляемого сырья. Крупномасштабное произ-во топливного спирта и химич. продуктов из осахаренной растит. биомассы может частично смягчить кризис, связанный с исчерпанием запасов дешёвой нефти, и позволить снизить выброс в атмосферу СО 2, образующегося при сжигании ископаемого топлива. Продукты микробиологич. пром-сти широко используются в разл. отраслях произ-ва: антибиотики - в медицине; аминокислоты - в произ-ве кормов, подсластителей (дипептид аспартам в 200-300 раз слаще сахара), в смесях для диетического, лечебного и парентерального питания; ферменты - во многих отраслях. Так, крупным произ-вом является получение фруктозных сиропов из кукурузного крахмала, осуществляемое с помощью ферментов α -амилазы, глюкоамилазы и фруктозоизомеразы. Объём мирового произ-ва фруктозных сиропов составляет ок. 10 млн. т в год, а в США на долю фруктозы приходится 70% в произ-ве всех сладких продуктов. Ферменты широко используются в пищевой, бумажной, текстильной, кожевенной пром-сти, при произ-ве стиральных порошков. Значит. количество пром. ферментов представляют собой искусственно изменённые белки. Ферментативный катализ используется в химич. произ-вах, напр. для получения акриламида из акрилонитрила, 6-аминопенициллиновой кислоты из пенициллина, 7- аминоцефалоспориновой кислоты из цефалоспорина, аспарагиновой кислоты, десятков оптически активных веществ для фармацевтич. химии, в трансформации стероидов. Мн. микроорганизмы благодаря способности разлагать органич. соединения (в т. ч. нефть, гербициды, ароматич. соединения) применяются для очистки окружающей среды (см. Биоремедиация). Их вносят в загрязнённые почву и водоёмы или используют в стационарных очистных сооружениях, таких, как аэротенки или метантенки. Широко используются биофильтры, применяемые для очистки сточных вод (см. ст. Биофильтр) и воздуха. В последнем случае воздух пропускают через аппарат с иммобилизованными на пористых носителях клетками микроорганизмов. Биофильтры очищают десятки и сотни тысяч кубич. метров воздуха в час и работают непрерывно в течение мн. месяцев. Анаэробное разложение бытовых, с.-х. и пром. отходов в присутствии метанообразующих бактерий вносит вклад как в охрану окружающей среды, так и в энергетику, основанную на возобновляемом сырье. Образующийся при этом биогаз может использоваться как топливо для бытовых и пром. целей. Твёрдые остатки из метантенков могут найти применение как удобрения. Микроорганизмы оказались необходимыми и при добыче и переработке полезных ископаемых (см. Биогеотехнология, Биотехнология металлов). С кон. 1970-х гг. активно развивается произ-во белков с помощью микроорганизмов и культур клеток животных. К 2000 на мировом рынке присутствовало 77 лекарств, представляющих собой полученные методами генетич. инженерии рекомбинантные белки, и 380 препаратов находилось на стадии клинич. испытаний. Продажа таких препаратов составляет ок. 10% мирового рынка лекарств и имеет тенденцию к увеличению. К числу предназначенных для людей (гуманизированных) препаратов относятся рекомбинантные моноклональные антитела (см. ниже) и вакцины. С их помощью лечат диабет (инсулин), рассеянный склероз (β -интерферон), ревматоидный артрит (моноклональные антитела против фактора некроза опухоли), анемии (эритропоэтин), вирусные инфекции (α -интерферон, вакцина против гепатита В), разрушают тромбы при инфарктах (урокиназа, тканевой активатор плазминогена). Ряд препаратов включён в курс терапии онкологич. заболеваний. В клетках микроорганизмов не все животные белки образуют правильную пространственную структуру и подвергаются необходимым модификациям. Поэтому в ряде случаев для произ-ва биологически активных белков используют культуру клеток высших животных, где эти трудности преодолеваются, напр. при получении эритропоэтина. Пром. культивирование клеток осуществляют в аппаратах большого объёма, в т. н. глубинной культуре, что требует значит. затрат и особых мер по поддержанию стерильности среды во время процесса, иногда длящегося десятки суток. Генетич. инженерия растений направлена прежде всего на улучшение их технологич. свойств. Кроме того, растения используются в качестве фабрик по произ- ву генно-инженерных белков (лекарств, вакцин) или химич. веществ и конструкционных материалов.

Сельскохозяйственная биотехнология

Хотя работы по созданию растений, устойчивых к гербицидам и вредным насекомым, велись с нач. 1980-х гг., внедрение их на полях США, а затем др. стран началось в 1996. Генетически модифицированные (трансгенные) растения оправдали связанные с ними ожидания: повысилась урожайность, на 40-70% снизилось применение гербицидов. С 1996 по 2002 площади, занятые под такими растениями, увеличились с 1,7 до 58,7 млн. га, и их прирост составляет 12-15% в год. Осн. страны, культивирующие генетически модифицированные растения (хлопок, табак, кукурузу, сою, рапс, картофель), - США, Аргентина, Китай, Индия, а с 2004 - страны Европ. экономич. союза (ЕЭС), Бразилия, Мексика. Созданы генно-инженерные растения следующего поколения, которые наряду с устойчивостью к повреждению насекомыми, вирусным и грибковым заболеваниям содержат белки с улучшенным аминокислотным составом, повышенное содержание витаминов, жиров оптимальной структуры и т. д. Примером может служить сорт риса с высоким содержанием β -каротина («золотой рис»), призванный ликвидировать дефицит витамина А у сотен миллионов жителей Юго-Вост. Азии. Получен сорт кофе «арабика», который не содержит кофеина, что позволит снизить затраты на произ-во декофеинизированного продукта. Созданы быстрорастущие виды деревьев с высоким содержанием целлюлозы в древесине, что важно для целлюлозно-бумажной пром-сти. Растения могут использоваться для получения белков человека, рекомбинантных вакцин, моноклональных антител. Их преимущество заключается в отсутствии возможного загрязнения конечных продуктов вирусами животных и в более дешёвом произ-ве, даже по сравнению с микробиологич. синтезом. В стадии испытаний находятся вакцины, которые будут вводиться в организм в процессе приёма соответствующих овощей или фруктов. Учитывая экономич. преимущества, предпринимаются попытки использовать растения для произ-ва биодеградируемых пластиков (полигидроксиалканоатов) или суперпрочных и эластичных волокон (белки паутины). Общественность неоднозначно воспринимает введение в с.-х. оборот генетически модифициров. растений, особенно использование их для произ-ва продуктов питания, несмотря на многолетние испытания и значит. опыт пром. произ-ва, не выявившие у них никаких вредных свойств. Во мн. странах принимаются законы и правила, ограничивающие их распространение (во мн. государствах ЕЭС, Канаде такие продукты отмечают спец. маркировкой). Известно немного примеров применения генетич. инженерии для улучшения пород животных и продуктов животноводства. Один из них - улучшение качества молока (обеспечивающее повышение термостабильности и качества сыра) путём введения коровам дополнительного гена, кодирующего казеин ϰ. Другой - выведение породы коров, устойчивой к губчатому энцефалиту (коровьему бешенству). Болезнь развивается из-за того, что определённый белок принимает конформацию, отличную от той, какой он обладает в здоровом организме (см. Прионы). Получена мутация в гене, кодирующем этот белок, которая сделала невозможным изменение его структуры. В ветеринарии и животноводстве используются также рекомбинантные белки: гормон роста свиней помогает получить нежирное мясо, гормон роста крупного рогатого скота - повысить удои молока. Ведутся работы по использованию гормона роста рыб в процессе разведения лососёвых и др. пород.

Медицинская биотехнология

Для получения нужных белков в медицине также используются животные. При этом чаще всего целевой (обеспечивающий проявление необходимого признака) ген соединяют с регуляторными системами генов, кодирующих белки молока (казеины, альбумин). В этом случае экспрессия чужеродных генов осуществляется только в период лактации и только в молочной железе. В качестве таких биофабрик используют овец и коз, реже коров. Т. о. получены гормон роста, фактор свёртывания крови IХ, химозин (фермент, используемый в сыроварении). В качестве перспективных методов рассматривается секреция гетерологичных (чужеродных) белков в мочу, слюну, семенную жидкость свиней. Идеальным депо для чужеродных белков мог бы стать белок куриного яйца, но использование кур сдерживается отсутствием разработанных методов переноса генов у птиц. К числу важных достижений Б. следует отнести создание гибридом - клеточных гибридов, получаемых при слиянии клеток: нормальной, образующей антитела, и опухолевой, способной к неогранич. делению. Это позволило получать в больших количествах антитела с необходимой специфичностью (моноклональные антитела). По технологич. причинам гибридомы практически невозможно получить из клеток человека, и моноклональные антитела нельзя использовать непосредственно для лечения людей. Методами генетич. инженерии удалось создать минимоноклональные антитела, представляющие собой фрагменты лёгкой и тяжёлой цепей иммуноглобулина, которые ответственны за распознавание антигена. Минимоноклональные антитела синтезируются клетками микроорганизмов, и их можно вводить в организм человека. На их основе разрабатываются десятки лекарственных средств; появились в продаже первые такие препараты. Ряд совр. медицинских Б. связан с мед. диагностикой, основанной на использовании моноклональных антител в иммуноферментном анализе, а также с разл. методами ДНК-диагностики, основанными на гибридизации. В основе последней технологии лежит определение нуклеотидных последовательностей в геномах патогенных бактерий и вирусов, развитие работ по полиморфизму (наследственному разнообразию) генов человека. Совр. модификации заключаются в использовании ДНК-чипов - устройств, представляющих собой пластину площадью ок. 1 см 2, на которой в строгом порядке размещены ячейки, каждая из которых содержит одноцепочечные полинуклеотиды определённой последовательности. Число таких ячеек, а следовательно, и количество разл. нуклеотидных последовательностей, может превышать 1 млн. на 1 см 2, их длина варьируется от 9-10 до 1000 нуклеотидов. С помощью этой технологии возможно изучить геном как единое целое, количественно определить уровень экспрессии всех генов любого генома, осуществить быструю и автоматизир. диагностику не только инфекционных болезней, но и системных заболеваний человека и с.-х. животных. Одним из видов Б. является ДНК-вакцинация, когда в организм вводят не убитый вирус и даже не чистые вирусные белки, а определённый ген (кодирующий эти белки фрагмент вирусной ДНК), экспрессирующий этот белок после трансформации в клетки организма-хозяина. Обычно он не встраивается в геном хозяина, но длительно (в течение недель) экспрессирует чужеродный белок, что может модулировать иммунный ответ организма. По технологии ДНК-вакцинация сходна с генотерапией, заключающейся в попытках заменить дефектный ген (гены) организма на здоровые. В качестве векторов для доставки здоровых генов в организм используют разл. вирусы, чаще всего аденовирусы. К числу удачных примеров такой терапии можно отнести лечение тяжёлой комбиниров. иммуннодефицитности, некоторых форм гемофилии и рака. Однако безопасность использования вирусов в качестве векторов не до конца выяснена, и генотерапия обычно применяется только исходя из жизненных показаний. Надежды мед. Б. связаны с открытием т. н. РНК-интерференции. Она основана на подавлении генетич. материала, который требуется вирусу для размножения. На этой методологич. базе с 2002 разрабатывается ряд лекарств. Б. рассматривается правительствами мн. стран (как развитых, так и развивающихся) как важнейшее направление научно-технич. прогресса, призванного внести решающий вклад в здравоохранение, обеспечение населения продовольствием, охрану окружающей среды, снизить негативные последствия исчерпания ресурсов нефти и газа. См. также Трансгенные организмы.

Литература Лит.: Manual of industrial microbiology and biotechnology. 2nd ed. Wash., 1999; Патрушев Л.И. Экспрессия генов. М., 2000; Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М., 2002; Егорова Т. А., Клунова С. М., Живухин Е.А. Основы биотехнологии. М., 2003; Сельскохозяйственная биотехнология. М., 2003.