Практическое значение генной инженерии в микробиологии.

Промышленная микробиология - развитая отрасль промышленности, во многом определяющая сегодняшнее лицо биотехнологии. И производство практически любого препарата, сырья или вещества в этой отрасли сейчас так или иначе связано с генетической инженерией. Дело в том, что генетическая инженерия позволяет создавать микроорганизмы - сверхпродуценты того или иного продукта. С ее вмешательством это происходит быстрее и эффективнее, чем путем традиционной селекции и генетики: в результате экономятся время и деньги. Имея микроорганизм сверхпродуцент, можно получить больше продукции на том же оборудовании без расширения производства, без дополнительных Капитальных вложений. К тому же микроорганизмы растут в тысячу раз быстрее, чем растения или животные.

Например, с помощью генетической инженерии можно получить микроорганизм, синтезирующий витамин В2 (рибофлавин), используемый в качестве кормовой добавки в рационах животных. Его производство данным способом эквивалентно строительству 4-5 новых заводов по получению препарата обычным химическим синтезом.

Особо широкие возможности появляются у генетической инженерии при производстве ферментов-белков - прямых продуктов работы гена. Увеличить производство фермента клеткой можно, либо введя в нее несколько генов этого фермента, либо улучшив их работу путем установки перед ними более сильного промотора. Так, продукция фермента β -амилазы в клетке была увеличена в 200 раз, а лигазы - в 500 раз.

В микробиологической промышленности кормовой белок получают обычно из углеводородов нефти и газа, древесных отходов. 1 т кормовых дрожжей дает дополнительно до 35 тыс., штук яиц и 1, 5 т куриного мяса. В нашей стране производятся более 1 млн. т кормовых дрожжей в год. Намечается использовать ферментеры производительностью до 100 т/сут. Задача генетической инженерии в этой области - улучшение аминокислотного состава кормового белка, его питательности путем введения в дрожжи соответствующих генов. Ведутся работы и по улучшению качества дрожжей для пивоваренной промышленности.

С генетической инженерией связаны надежды на расширение ассортимента микробиологических удобрений и средств защиты растений, увеличение производства метана из бытовых и сельскохозяйственных отходов. Путем выведения микроорганизмов, более эффективно разлагающих различные вредные вещества в воде и почве, можно существенно повысить эффективность борьбы с загрязнением окружающей среды.

С помощью генетической инженерии можно определять присутствие вирусов в сельскохозяйственных растениях, предсказывать урожайность, получать растения, способные противостоять различным неблагоприятным факторам внешней среды. Сюда относят устойчивость к гербицидам (средствам борьбы против сорняков), инсектицидам (средствам борьбы против насекомых-вредителей), устойчивость растений к засухе, к засолению почв, фиксации растениями атмосферного азота и т. п.

Одна из самых волнующих проблем, которую пытается решить генетическая инженерия, - фиксация растениями атмосферного азота. Азотные удобрения - залог высокой урожайности, так как азот необходим растениям для полноценного развития. Ныне в мире производят более 50 млн. т азотных удобрений, расходуя при этом большое количество электроэнергии, нефти и газа. Но только половина этих удобрений усваивается растениями, остальная вымывается из почвы, отравляя окружающую среду. Есть группы растений (бобовые), которые обычно берут азот не из почвы. На корнях бобовых поселяются клубеньковые бактерии, которые усваивают азот прямо из воздуха.

Благодаря генетической инженерии неожиданно переплетаются интересы животноводства и медицины.

В случае пересадки корове гена интерферона (лекарственного препарата, очень эффективного в борьбе с гриппом и рядом других заболеваний), из 1 мл сыворотки можно выделить 10 млн. ед. интерферона. Аналогичным способом можно получить целый ряд биологически активных соединений. Таким образом, животноводческая ферма, производящая медицинские препараты, - явление не столь уж фантастическое

С помощью метода генетической инженерии были получены микроорганизмы производящие гомосерин, триптофан, изолейцин, треонин, которых не хватает в белках растений, идущих на корм животным. Несбалансированное по аминокислотам кормление снижает их продуктивность и ведет к перерасходу кормов. Таким образом, производство аминокислот - важная народнохозяйственная проблема. Новый сверхпродуцент треонина производит эту аминокислоту в 400-700 раз более эффективно, чем исходный микроорганизм.

1 т лизина сбережет десятки тонн кормового зерна, а 1 т треонина - 100 т. Добавки треонина улучшают аппетит коров и повышают надои молока. Добавка смеси лизина с треонином к кормам в концентрации всего 0, 1 % позволяет экономить до 25 % кормов.

С помощью генетической инженерии можно осуществлять и мутационный биосинтез антибиотиков. Суть его сводится к тому, что в результате целенаправленных изменений в гене антибиотика получается не законченный продукт, а некий полуфабрикат. Подставляя к нему те или иные физиологически активные компоненты, можно получить целый набор новых антибиотиков.

Уже производятся, проходят клинические испытания или активно разрабатываются следующие препараты: инсулин, гормон роста, интерферон, фактор VIII, целый ряд противовирусных вакцин, ферменты для борьбы с тромбами (урокиназа и тканевой активатор плазминогена), белки крови и иммунной системы организма. Изучаются молекулярно-генетические механизмы возникновения раковых заболеваний. Кроме того, разрабатываются методы диагностики наследственных заболеваний и пути их лечения, так называемая генотерапия. Так, например, ДНК -диагностика делает возможным раннее выявление наследственных дефектов и позволяет диагностировать не только носителей признака, но и гетерозиготных скрытых носителей, у которых фенотипически данные признаки не проявляются. В настоящее время уже разработана и широко применяется генная диагностика дефицита лейкоцитарной адгезии и дефицит уридинмонофосфатсинтетазы у крупного рогатого скота.

Биотехнологи и генные инженеры пытаются гены, отвечающие за синтез целлюлозы, вставить в какие-нибудь фотосинтезирующие бактерии, которые сами вырабатывают глюкозу, используя энергию солнечного света.

Эволюция биотехнологии. Первый этап развития - древняя биотехнология - уходит за тысячи лет назад, в древний каменный век. В этом периоде люди не подозревали о существовании микроорганизмов и ферментов, хотя и использовали их в своей хозяйственной деятельности.

Второй этап - этап промышленной микробиологии - начинается с середины XIX в, в первую очередь работами великого французского химика и микробиолога Луи Пастера. Люди уже знают о дрожжах и бактериях, культивируют и отбирают их полезные штаммы. Но биотехнологические методы по-прежнему применяются пока лишь в пищевой промышленности, реже в сельском хозяйстве (силосование, мочка льна).

Третий этап – современный, биотехнологический - начинается в наше время. Биотехнология обретает свое теперешнее название. Этот период можно характеризовать следующими чертами:

1. Все чаще биотехнологи используют не сами клетки микроорганизмов, а выделенные из них ферменты. Это удобнее: нет побочных реакций, значительно облегчается стадия очистки конечного продукта.

2. Вторая особенность современной биотехнологии - расширение ее сферы деятельности. Биотехнологическими методами сейчас изготовляются не только пищевые продукты, но и витамины, антибиотики, гормоны и ряд других лекарств, а также незаменимые аминокислоты. Производство последнего продукта имеет важное значение в животноводстве, особенно в производстве кормов для свиней и домашней птицы. Следует помнить, что организм животных не может сам синтезировать некоторые аминокислоты, он должен получать их с пищей. Человек, например, не может существовать, не потребляя триптофана, фенилаланина, лизина, треонина, валина, метионина, лейцина и изолейцина (ежедневно не менее 1 г каждого из них). Детям нужен еще и аргинин.

Приведем еще пример. Вы, наверное, знаете о стиральных порошках с ферментными добавками, которые расщепляют жиропот и прочие загрязнения. Получают их из бактериальной массы. Однако здесь есть противоречие: поверхностно-активные вещества - основа всякого стирального порошка - лучше всего работают при высокой температуре (80-90° С), а ферментные добавки в горячей воде теряют активность. Поэтому такими порошками следует стирать при 50°С, не выше. Есть, впрочем, бактерии-термофилы, хорошо себя чувствующие при температурах 90-100°С при атмосферном давлении и при 250°С - на больших глубинах океана, в подводных горячих источниках. Их ферменты: амилазы, протеазы и липазы - устойчивы и в горячей воде остаются активными. Можно было бы, конечно, выращивать на заводах термофилов, но они требуют совсем иной технологии. Фактически это означает отказаться от старых заводов и построить новые.

Английские генные инженеры нашли иной выход. Они встроили гены нужных, устойчивых к высокой температуре ферментов в геном обычной бактерии- продуцента Bacillus licheniformis, и стиральные порошки " заработали" при высокой температуре.

Биотехнология проникла даже в производство металлов: золота и серебра из бедных, этими металлами пород. Биометаллургия экономически выгодна; кроме того, она исключает загрязнение окружающей среды.

С каждым годом растет интерес к биотехнологии и со стороны нефтяников. Существуют микроорганизмы, разжижающие нефть или превращающие ее в газ. По последним данным, с помощью микроорганизмов удается каменный уголь превратить в жидкое топливо, схожее с нефтью.

3. Третья особенность современной биотехнологии - в нее широко внедряется генная инженерия. Нужные штаммы микроорганизмов теперь получаются не только отбором случайно возникающих мутаций, но и вставкой плазмид с соответствующими генами. Именно генная инженерия необычайно расширила возможности биотехнологии, позволив получать бактерии со свойствами, прежде небывалыми.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: