Инсулин вырабатываемый кишечной палочкой

Инсулин вырабатывают. бактерии

Эксперименты, развернутые во всем мире по генетической инженерии, обнаружили широкие возможности получения комбинированных молекул и их внедрения в клетки. Оказалось, что после того, как чужеродный материал попадет в клетку, он в ее составе многократно умножается в процессе клеточных делений. Такое умножение чужеродного материала получило название клонирования.

Многочисленные опыты доказали, что с помощью генной инженерии можно создавать бактерии, обладающие способностью сверхсинтеза таких нужных веществ, как белки, аминокислоты, ферменты, витамины, гормоны, антибиотики и многое другое. В этих условиях при клонировании генов, продукт которых нужен для здоровья человека, бактерии становятся фабриками веществ, необходимых для лечения разных болезней. Ведь бактерии размножаются с неограниченной интенсивностью. Исходная бактерия на дешевой питательной среде за одну ночь дает несколько миллиардов клеток. И если в ней есть комбинированные молекулы, они при размножении бактерии воспроизводятся - клонируются с той же интенсивностью. Успешные работы по клонированию разных генов таких, например, ферментов, как ДНК лигазы, ДНК полимеразы, рестритказ и других, позволили создать бактерии - сверхпродуценты этих ферментов.

Представляют интерес исследования способов получения новых лекарственных средств, и в первую очередь антибиотиков. Наиболее значительными в этом направлении, конечно же, следует признать работы по созданию противораковых антибиотиков. Уже сегодня приблизительно из семидесяти известных противораковых антибиотиков 67 продуцируются микроорганизмами, принадлежащими к группе актиномицетов. Промышленное размножение этих микроорганизмов пока еще мало рентабельно. Растут они очень медленно, что создает серьезные технологические трудности в налаживании массового выпуска противораковых антибиотиков. Естественно, из-за этого и стоят они дорого.

Методами генной инженерии можно перенести необходимую генетическую информацию от актиномицетов в скоро растущие бактерии и таким путем создать быстро размножающиеся и менее требовательные к культуральным условиям продуценты противораковых антибиотиков. Подобные работы уже начаты.

Но актиномицеты представляют интерес не только при производстве уникальных антибиотиков. Очень важную роль они играют и в почвообразовании. Если вы когда-нибудь весной были в иоле, то, конечно, чувствовали запах свежевспаханной земли. Запах этот как раз и обусловлен присутствием в ней актиномицетов. Создание их новых форм может стать ключом к восстановлению бросовых земель, которые остаются после разработки полезных ископаемых. И лежат эти безжизненные, ни к чему не пригодные земли годами, десятилетиями. Даже трава на них расти не может. Искусственно же созданные микроорганизмы сумеют превратить такие земли в плодородную почву.

Немалую роль в охране окружающей среды могут сыграть, а нередко уже и играют переделанные учеными-генетиками микроорганизмы, участвующие в очистке сточных вод, отходов и отбросов промышленных предприятий.

В некоторых случаях генетическая инженерия прямо отвечает на вопросы, поставленные жизнью. Известно, что одной из причин загрязнения океанов становятся потери нефти. Ведь аварии с танкерами и платформами для подводной добычи нефти происходят очень часто. То танкер столкнется с другим кораблем, то на риф наскочит, а то и просто переломится пополам, попав в шторм. И вытекают из него тысячи тонн нефти. А потом плывут по поверхности морей и океанов гигантские нефтяные пятна, губя все живое, загрязняя пляжи и побережья и принося миллионные убытки.

Фирма "Дженерал Электрик" обратилась к ученым с просьбой найти способ биологической очистки вод океана от пленки нефти в местах загрязнения. Проблема была решена путем использования четырех штаммов бактерий, каждый из которых поглощает только один определенный вид углеводородов. Эта способность во всех случаях связана с действием генов специфичных плазмид. При введении четырех разных плазмид в одну клетку возникла форма "сверхбактерии", которая очищает воду от нефти. После работы таких сверхбактерий остается лишь вода, двуокись углерода и сами бактерии.

Можно привести немало примеров, когда гены высших организмов были введены в плазмиды бактерий. Такие комбинированные молекулы размножаются в клетках бактерий и в ряде случаев контролируют синтез тех же белков, что синтезируются в клетках высших организмов.

Большой интерес не только для науки, но и для практических целей имеет клонирование в бактериях химически созданных генов, кодирующих разные вещества. Как известно, потребовались сотни миллионов лет эволюции, прежде чем возник молекулярный носитель наследственной информации, способный управлять жизнью клетки. В этом аспекте исключительный интерес для науки и практики имеют факты, когда искусственно созданная в пробирке химическая последовательность нуклеотидов, будучи введенной с помощью векторной молекулы в клетку, становится геном со всеми его свойствами и биологическими функциями. В этом случае перед нами высший уровень современного молекулярно-генетического экспериментирования, вооруженного биохимией и сложной техникой. В мировой литературе описаны 6 случаев, когда химически созданная последовательность, введенная в клетку, приобрела свойства биологически полноценного гена.

Стимулирование такого рода работ было связано с тем, что развитие методов генетической инженерии за последние пять лет обещало переход от теоретических предпосылок к использованию быстро растущих бактерий для синтеза биологически активных соединений, необходимых народному хозяйству и медицине.

Наибольший интерес с этой точки зрения представляют белки и пептиды с гормональной активностью. Белковые гормоны играют важнейшую роль в регуляции физиологических процессов как в нормальных условиях, так и при различных патологических нарушениях. Молекулы гормонов детально изучены, и в некоторых случаях ученым удалось осуществить их химический синтез. В настоящее время установлена структура ряда гормонов гипофиза; поджелудочной железы, щитовидной и паращитовидных желез и так далее.

Лечение различных эндокринных нарушений требует выпуска гормональных препаратов в промышленных масштабах. Однако химический синтез большинства из них не нашел промышленного применения из-за его трудоемкости и дороговизны. По мере увеличения молекулярного веса гормонов их химический синтез становится все менее доступным. Иной путь открывает генетическая инженерия, позволяющая практически в неограниченных масштабах сравнительно дешевым и быстрым методом получать нужный гормон. При этом химически синтезируют не белковый продукт, то есть сам гормон, а ген, кодирующий его синтез. После введения гена в бактериальные клетки такие бактерии начинают синтезировать то белковое, биологически активное соединение, которое кодируется введенным геном.

В конце 1977 года американскими исследователями на базе искусственного гена впервые был получен штамм бактерий, синтезирующих гормон мозга животных и человека - соматостатин, играющий важную роль в регуляции поступления гормона роста, инсулина, глюкагона. Все мы знаем, как много людей на Земле страдает от диабета. В результате нарушений в генетическом аппарате человека в его организме перестает вырабатываться инсулин, и количество сахара в крови недопустимо возрастает, что может привести к смертельному исходу, если не принять срочных мер. Победить диабет нельзя. Единственная возможность помочь больному - регулярно вводить в его организм инсулин, получаемый из поджелудочной железы быков и свиней. Он не полностью идентичен человеческому, и некоторые диабетики имеют аллергию к такому инсулину. Кроме того, препарат довольно дорог, и удовлетворить все потребности в нем не всегда удается. Есть ли выход? Конечно. Успешные шаги в этом направлении уже сделаны. Я имею в виду ген инсулина человека, как синтезированный на инсулиновой и-РНК, так и химически созданный, "встроенный" в бактериальную клетку. Уже есть бактерии - продуценты инсулина крысы.

Надо отметить, что все подобные эксперименты проводились и проводятся со строжайшими мерами предосторожности. И это вполне понятно, ведь введение в бактерию, способную жить в человеческом организме, наследственных характеристик из других организмов теоретически сопряжено с определенным риском. Представьте на секунду, что случится, если, скажем, новая гибридная бактерия случайно вырвется из-под контроля ученых, проникнет в человеческий организм и начнет производить там большое количество инсулина. Содержание сахара в крови тут же снизится до опасных пределов.

Во избежание неприятностей экспериментаторы использовали в своих опытах кишечную бактерию, модифицированную таким образом, что она смогла существовать только в искусственной среде, созданной в лаборатории.

Понятно, что следующим шагом была пересадка в бактерию человеческого гена, управляющего производством инсулина, специфичного именно для человека.

Такая пересадка открывает значительные источники инсулина. Да и его стоимость должна быть ниже стоимости того препарата, которым медики располагают сегодня.

Успех эксперимента не только даст возможность в будущем производить большие количества дешевого инсулина, но и позволит лучше изучить диабет. Ведь исследовать функционирование и отклонения от нормы гена инсулина, введенного в бактерию, будет куда проще, чем в той сложной среде, которую представляет собой человеческая поджелудочная железа.

Заставить бактерии создавать инсулин было лишь одной из задач, решение которых еще недавно считалось делом отдаленного будущего. В настоящее время исследователь может уже говорить о строительстве завода, где бактерии станут вырабатывать инсулин, и не рискует при этом заслужить репутацию фантаста. Теперь уже всем ясна возможность производства гормонов бактериями и, быть может, когда-нибудь даже клетками самого больного. А еще совсем недавно многим это казалось нереальным. И сейчас дело не столько за учеными, сколько за микробиологической промышленностью. Ее обязанность - воплотить в жизнь идеи генетики и осуществить выпуск такого инсулина.

Направление генетической инженерии по синтезу пептидов очень и очень перспективно. И я думаю, что нельзя не согласиться с мнением академика Е. И. Чазова, что возможности, которые открываются при изучении в лаборатории этого нового класса веществ, грандиозны. Такие исследования ведутся во многих научных центрах нашей страны. Например, в соответствии с проектом Института биоорганической химии АН СССР и Института общей генетики АН СССР была осуществлена работа по химическому синтезу гена человека и его введению в клетку бактерий, где этот ген проявил полную биологическую активность.

В Институте биоорганической химии АН СССР под руководством академика М. Н. Колосова осуществлен химический синтез полимера, химически идентичного гену брадикинина. Брадикинин - тканевой гормоноид, регулирующий кровяное давление, стимулирующий деятельность гладкой мускулатуры. При введении в организм человека или животных брадикинин вызывает понижение кровяного давления, расширение артерий, увеличивает проницаемость капилляров. В более высоких дозах брадикинин способствует сокращению бронхов, кишечника.

С. И. Городецкий, А. Г. Слюсаренко и другие сотрудники Института общей генетики АН СССР создали новые плазмидные системы, ввели через них химически синтезированный полимер в клетку бактерий. Ранее было известно, что введения чужеродного гена в состав бактериальных плазмид совершенно недостаточно, чтобы обеспечить его действие. Заставить искусственный ген работать в клетке можно только подключив его к общей системе регуляции синтеза белка бактерий.

С этой целью провели довольно сложную и кропотливую работу по созданию плазмид, несущих нужный функциональный набор генов. Потом в эту плазмиду ввели полимер и при последующем клонировании получили бактерии, содержащие новую плазмиду с геном брадикинина.

Только на первый взгляд может показаться, что все это было просто. На самом же деле создание новой бактерии - это большой, напряженный труд, по достоинству оценить который могут скорее всего специалисты.

Однако нужно было еще выяснить, работает ли ген брадикинина в клетках бактерий, содержащих плазмиду. Для контроля использовали два метода: радиоиммунологическое определение и биологическое тестирование активности синтезируемого продукта. В американских работах не проверялась биологическая активность синтезируемых бактериями гормонов. Учитывая высокую чувствительность животных и их отдельных органов к брадикинину, наши ученые сочли необходимым установить не только химическую идентичность синтезируемого бактериями гормоноида природному, но и его биологическую активность.

В процессе исследований было выяснено, что как по антигенной структуре, так и по проявлению биологической активности в клетках бактерий синтезируется биологически полноценный гормоноид - брадикинин. При необходимости из штамма кишечной палочки можно получать брадикинин и в промышленных масштабах, ведь выход его в наших условиях составлял до 2 миллиграммов из 25 граммов сырой биомассы клеток. Это значительно проще и дешевле, чем синтезировать необходимый препарат химическим путем.

Теперь можно верить, что не только диабет, но и многие болезни, связанные с плохим гормональным функционированием, такие, как тетания желез, импотенция из-за недостаточности половых желез, нанизм из-за нехватки гормонов роста, снижение основного обмена из-за недостатка гормонов щитовидной железы, бронзовая болезнь из-за атрофии надпочечников и другие, будут побеждены с помощью генетической инженерии. Диагноз этих болезней нередко можно поставить еще до рождения ребенка, исследуя околоплодную жидкость и выявляя аномалии генов или их цепочек.

Ну а теперь давайте попробуем представить себе пока еще весьма далекую, но в будущем, я уверен, вполне реальную картину. Врачи берут из пищеварительного тракта больного человека бактерии, входящие в его постоянную микрофлору. У этих бактерий несколько изменяют наследственный аппарат с тем, чтобы они могли производить целительные для данного больного вещества. Затем бактерии вновь возвращают в организм, и они служат там своего рода живым лекарством постоянного действия. Фантастика? Сегодня да, а завтра, думаю,- реальность.

Огромное значение для здравоохранения имеет проблема профилактики вирусных заболеваний. Ряд вирусов, в силу их биологических свойств, нельзя накопить в количествах, необходимых для иммунопрофилактики. Так, например, вирус гепатита Б инфекционен только для человека, поэтому изготовление вакционных штаммов пока практически невозможно. Учитывая важность вопроса, генетические инженеры, вначале во Франции, а затем в США, ввели наследственный материал этого вируса в бактерию, размножили его и получили штамм бактерий, являющихся продуцентом антигенов вируса. Теперь дело за внедрением!

Не менее остро обстоит дело с гриппом и его профилактикой. Десятки миллионов человек ежегодно переносят это заболевание. По предварительным данным, одна из английских фирм провела довольно успешные работы по созданию штаммов бактерий - продуцентов белков гриппа, необходимых для иммунопрофилактики. Быть может, недалеко то время, когда и грипп будет побежден с помощью генетической инженерии.

Для бактерий показательно, что антигенными свойствами обладают прежде всего 14 аминокислот. Идет работа по выделению антигенного пептида ящура. Зная белковую природу антигена, можно построить нуклеиновый полимер, который затем превратить в живые гены в клетках бактерий. Это открывает фантастические возможности создания искусственных генов, не аналогов существующих, а комплекс структур с полиантигенными свойствами, дающими удивительные лекарства сразу к ряду заболеваний.

Да, эксперименты идут во всем мире. Многие проекты уже реализованы, и бактерии производят вещества, которые они в обычных условиях не вырабатывают. Однако внедрение достижений генной инженерии в практику нередко наталкивается на большие технические трудности. Ведь без хорошо разработанной биотехнологии и современного микробиологического производства все уникальные бактерии, синтезирующие и инсулин, и гормон роста, и многое другое, представляют только научную ценность. Уже сейчас предложены долголетние биотехнологические программы в разных странах. Но пока ясно одно. Все существующие специализированные генно-инженерные фирмы не могут обычными микробиологическими способами наладить выпуск инсулина, интерферона из бактерий - эти гормоны получаются слишком дорогими. Внедрение новой технологии в самом ближайшем времени должно дать огромный экономический эффект.

Возможность клонирования отдельных генов высших форм имеет исключительное научное и практическое значение. Если бы, скажем, каждый из 100 000 генов человека можно было бы по отдельности отклонировать в бактериях, открылись бы новые подробности строения и функций генов человека.

В настоящее время в мире, по данным ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения), насчитывается около 110 млн людей, страдающих диабетом. И эта цифра в ближайшие 25 лет может удвоиться. Диабет- страшное заболевание, которое вызывается нарушением работы поджелудочной железы, вырабатывающей гормон инсулин, необходимый для нормальной утилизации содержащейся в пище углеводов. На начальных этапах развития болезни достаточно использовать меры профилактики, регулярно следить за уровнем сахара в крови, потреблять меньше сладкого. Однако для 10 млн пациентов показана инсулиновая терапия; они вводят в кровь препараты этого гормона. Начиная с двадцатых годов прошлого века для этих целей использовали инсулин, выделенный из поджелудочной железы свиньи и телят. Инсулин животных аналогичен человеческому, разница заключается в том, что в молекуле инсулина свиньи в отличие от человеческого в одной из цепей аминокислота треонин замещена аланином. Считается, что эти незначительные отличия могут вызвать у пациентов серьезные нарушения в работе почек, расстройстве зрения, аллергию). Кроме того, несмотря на высокую степень очистки, не исключена вероятность переноса вирусов от животных к людям. И, наконец, число больных диабетом растет так быстро, что обеспечить всех нуждающихся животным инсулином уже не представляется возможным. И это весьма дорогое лекарство.

Инсулин был впервые выделен из поджелудочной железы быка в 1921 г. Ф Бантингом и Ч. Бестом. Он сотсоит их двух полипептидных цепей, соединенных двумя дисульфидными связями. Полипептидная цепь А содержит 21 аминокислотный остаток, а цепь В- 30 аминокислотных остатков, молекулярная масса инсулина 5, 7 кDа. Ниже представлена аминокислотная последовательность инсулина человека:

Структура инсулина достаточно консервативна. Аминокислотная последовательность инсулина человека и многих животных различается всего на 1-2 аминокислоты. У рыб по сравнению с животными В- цепь больше и содержит 32 аминокислотных остатка..

Стоимость его была очень высока. Для получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800-1000 кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200 - 250 грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков.

Генетическая инженерия, родившись в начале 70-х годов, добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в "фабрики" для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средсв. В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин.

В 1978 году исследователи из компании "Генентек" впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин. Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается. Впоследствии в клетках E. coli был осуществлен синтез проинсулина, для чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию. После очистки полученного проинсулина его расщепили и получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму. Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.

У животных и человека инсулин синтезируется в β- клетках островков Ларгенганса. Гены, кодирующие этот белок у человека, локализованы в коротком плече 11-ой хромосомы. Зрелая инсулиновая мРНК состоит из 330 нуклеотидов, что соответствует 110 аминокислотным остаткам. Именно такое их количество содержит предшественник инсулина – препроинсулин. Он состоит из одной полипептидной цепи, на N- конце которой находится сигнальный пептид (24 аминокислоты), а между А- и В- цепями локализован С- пептид, содержащий 35 аминокислотных остатков.

Процесс созревания инсулина начинается в цисцернах эндоплазматического ретикулума, где под действием фермента сигналазы с N- конца отщепляется сигнальный пептид. Далее в аппарате Гольджи под действием эндопептидаз вырезается С-пептид и образуется зрелый инсулин. На транс- стороне аппарата Гольджи новосинтезированный гормон соединяется с цинком, образуя надмолекулярные структуры (три-, тетра,- пента- и гексамеры), перемещающиеся затем в секреторные гранулы.

Фрагментация инсулина и его распад происходят преимущественно в печени, почках и плаценте.

Фрагменты инсулина обладают биологической активностью и участвуют в ряде метаболических процессов. Одной из осеовных функций инсулина является регуляйия транспорта глюкозы, аминокислот, ионов и др. метаболитов в клетки печени, почек, жировой ткани др. органов. Механизм действия этого гормона отличается от такового для др. пептидных гормонов и является уникальным в регуляции метаболических процессов. Инсулиновый рецептор представляет собой тетрамер, состоящий из двух α- и двух β-субъединиц, одна из которых обладает тироксиназной активностью. Инсулин при взаимодействии с α-субъединицами, расположенными на поверхности цитоплазматической мембраны, образует гормон- рецепторный комплекс. Конформационные изменения тетрамера приводят к активации трансмембранной β-субъединицы рецептора, обладающей тирозинкиназной активностью. Активная тирозинкиназа способна к фосфорилированию мембранных белков.Образуются мембранные каналы, через которые глюкоза и др. метаболиты проникают в клетки. Свободный инсулин под действием тканевой инсулиназы распадается на семь фракций, пять из которых обладают биологической активностью.

Кроме того, инсулин стимулирует ряд биосинтетических процессов: синтез нуклеотидов, нуклеиновых кислот, ферментов гликолиза и пентозофосфатного цикла, гликогена. В жировой ткани инсулин активирует процесс образования ацетил Ко А и жирных кислот. Он является одним из индукторов синтеза холестерина, глицерина и глицераткиназы.

Мутации в структуре инсулинового гена, нарушение механизмов посттранскрипционного и посттрансляционного процессинга приводят к образованию дефектных молекул инсулина и, как следствие, к нарушению обменных процессов, регулируемых данным гормоном. В результате развивается тяжелое заболевание – сахарный диабет.

Разработка технологии производства искусственного инсулина является поистине триумфом генетиков. Сначала с помощью специальных методов определили строение молекулы этого гормона, состав и последовательнгсть аминокислот в ней. В 1963 г. молекулу инсулина синтезировали с помощью биохимических методов. Однако осуществить в промышленном масштабе столь дорогостоящий и сложный синтез, включающий 170 химических реакций, оказалось сложно.

Наконец, ученым удалось осуществить в клетках Е.coli биосинтез молекулы проинсулина, а не только ее отдельных цепей . Молекула проинсулина после биосинтеза способна соответствующим образом преобразовываться (формируются дисульфидные связи между цепями А и В), превращаясь в молекулу инсулина. Эта технология имеет серьезные преимущества, поскольку различные этапы экстракции и выделения гормона сведены до минимума. При разработке такой технологии была выделена информационная РНК проинсулина. Используя ее в качестве матрицы, с помощью фермента обратной транскриптазы синтезировали комплементарную ей молекулу ДНК, которая представляла собой практически точную копию натурального гена инсулина. После пришивания к гену необходимых регуляторных элементов и переноса конструкции в генетический материал Е.coli

Стало возможным производить инсулин на микробиологической фабрике в неограниченных количествах. Его испытания показали практически полную идентичность натуральному инсулину человека. Он намного дешевле препаратов животного инсулина, не вызывает осложнений.

Соматотропин - гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы. Компания "Genentec" в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР. При производстве интерферона используют как E. coli, S. cerevisae (дрожжи), так и культуру фибробластов или трансформированных лейкоцитов. Аналогичными методами получают также безопасные и дешевые вакцины.

На технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний.

Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход "белок-ген", получивший название "обратная генетика". При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный белок. Таким образом можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.

Если гибридную ДНК ввести в оплодотворенное яйцеклетку, могут быть получены трансгенные организмы, экспрессирующие мутантный ген и передающие его потомками. Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продуктов как в регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками. Например, микроинъекция рекомбинантной ДНК, содержавшей ген соматотропина быка в зиготу кролика позволила получить трансгенное животное с гиперпродукцией этого гормона. Полученные животные обладали ярко выраженной акромегалией.

Сейчас даже трудно предсказать все возможности, которые будут реализованы в ближайшие несколько десятков лет.

Лекция 5. Комплексная переработка биологического сырья

Под комплексной переработкой биологического сырья понимают совокупность технологических процессов (технологий), направленных на получение продуктов различной природы из одного источника. Таким источником может являться биомасса промышленных микроорганизмов, водоросли, растительные и животных клетки и отходы сельскохозяйственной промышленности.

При этом важно, чтобы себестоимость всех продуктов комплексной переработки сырья была ниже суммы себестоимостей каждого вида товарного продукта, полученного в производстве с учетом затрат на природоохранные мероприятия. Особенное значение это имеет при переработке биологического сырья, которое включает природные биополимеры белковой, углеводной , липидной и нуклеотидной природы. Клетки, содержащие их в значительных количествах, представляют интерес для комплексной переработки, поскольку позволяют выделять из них ценные продукты, прежде всего пищевого и медицинского назначения.

Различия в физико-химических свойствах природных биополимеров предопределяют выбор технологических приемов их выделения и очистки. Например, глубина комплексной переработки микробиологического сырья может быть различной. Применяемые в ней технологии должны быть гибкими, а объем выпускаемой продукции должен отвечать потребностям рынка. При переработке микробной массы с целью получения продуктов липидной природы используют бактерии, дрожжи, микроскопические грибы и водоросли. Продукты полинуклеотидной и белковой природы получают из биомассы бактерий и дрожжей.

В биотехнологическом производстве продуктов основой является оборудование и особенно, связанное со стадией ферментации, так как определяет состав и свойства биопродуктов и культуральной жидкости. Кроме того, в большинстве случаев именно на стадии ферментации закладываются основные экономические показатели биотехнологического производства и конкурентноспособность получаемых биопродуктов.

Существуют различные биотехнологические способы интенсификации ферментации: использование более активного штамма- продуцента, аппаратурное усовершенствование, оптимизация состава питательной среды и условий культивирования, применение биостимуляторов, эмульгаторов и т.д. Все они способны обеспечить максимальную продуктивность биотехнологического процесса и повысить выход конечного продукта.

В то же время наиболее существенное влияние на характер протекания процесса ферментации и его конечные технологические показатели оказывает аппаратура. Рассматривая многообразие ферментационных аппаратов, применяемых в настоящее время в биохимических производствах, можно сделать вывод, что во всех реакторах происходят определенные физические процессы (гидродинамические, тепловые и массообменные), с помощью которых создаются оптимальные условия для проведения собственно биохимического превращения вещества (биохимической реакции).

Для осуществления этих физических процессов биохимический реактор снабжается типовыми конструктивными элементами, широко применяемыми также в химических аппаратах для проведения собственно физических процессов (мешалки, контактные устройства, теплообменники, диспергаторы и т.д.). Ферментер любой конструкции должен удовлетворять основным требованиям процесса культивирования клеток: обеспечить подвод к каждой клетке питательных веществ, отвод продуктов метаболизма, обеспечить поддержание оптимальных рабочих параметров, требуемый уровень аэрирования, перемешивания, высокий уровень автоматизации и т.д.

Значение биохимии в биотехнологии

Фундаментальная биохимия является основой для многих наук биологического профиля, таких, как генетика, физиология, иммунология, микробиология. Успехи клеточной и генной инженерии в последние годы в значительной мере сблизили биохимию с зоологией и ботаникой. Велико значение биохимии для таких наук, как фармакология и фармация. Биологическая химия изучает различные структуры на клеточном и организменном уровнях. Основой жизни является совокупность химических реакций, обеспечивающих обмен веществ. Таким образом биохимию можно считать основным языком всех биологических наук. В настоящее время как биологические структуры, так и обменные процессы, благодаря применению эффективных методов, изучены достаточно хорошо. Многие разделы биохимии в последние годы развивались столь интенсивно, что выросли в самостоятельные научные направления и дисциплины. Прежде всего можно отметить биотехнологию, генную инженерию, биохимическую генетику, экологическую биохимию, квантовую и космическую биохимию и т.д. Велика роль биохимии в понимании сути патологических процессов и молекулярных механизмов действия лекарственных веществ.

Все живые организмы состоят из клеток и продуктов их метаболизма. Это в 1838 году доказали М.Шлейден и Т.Шванн, которые постулировали, что растительные и животные организмы построены из клеток, расположенных в определенном порядке. Спустя 20 лет Р.Вирхов сформулировал основы клеточной теории, указав, что все живые клетки возникают из предшествующих живых клеток. В дальнейшем клеточная теория развивалась и дополнялась по мере совершенствования методов познания. Каждая клетка является обособленной функциональной единицей, имеющей ряд специфических особенностей, в зависимости от ее природы. Микроорганизмы представлены отдельными клетками или их колониями, а многоклеточные организмы, например животные или высшие растения, состоят из миллиардов клеток, соединенных друг с другом. Клетка представляет собой своеобразную фабрику, на которой осуществляются многообразные и согласованные химические процессы, как и на реальной фабрике, в клетке имеется центр управления, участки контроля за теми или иными реакциями, регуляторные механизмы. В клетку также поступает сырье, которое перерабатывается в готовую продукцию, и отходы, которые выбрасываются из клетки.

Клетки постоянно синтезируют вещества, необходимые для их жизнедеятельности. Эти вещества находят все большее применение в промышленности и медицине. Некоторые из них уникальны и не могут быть получены методом химического синтеза.