Создание вакцин с помощью генной инженерии

Существующие традиционные вакцины, несмотря на очевидный положительный эффект их широкого применения, обладают рядом недостатков. К ним относятся: наличие нежелательных биологически активных и балластных компонентов в препаратах, неполноценные иммунологические свойства самих антигенов. Кроме того, существуют заболевания, не вызывающие иммунитета, вакцины против которых вообще отсутствуют и не могут быть сконструированы на основе классических принципов. Все это вызывает необходимость усовершенствования уже существующих вакцин и создания принципиально новых типов вакцин. Одним из наиболее перспективных направлений в данной области является получение вакцинных препаратов на основе методов генной инженерии.

Последним достижением генной инженерии и биотехнологии стало создание рекомбинантных противовирусных вакцин, содержащих гибридные молекулы нуклеиновых кислот. Данные вакцины обладают целым рядом преимуществ. Они характеризуются отсутствием (или значительным снижением) балластных компонентов, полной безвредностью, низкой стоимостью, которая связана с удешевлением промышленного производства вакцин. Экспрессируемый в клетках вакцинированного животного белок имеет конформацию, близкую к нативной, и обладает высокой антигенной активностью.

Таким образом, рекомбинантные противовирусные вакцины являются новейшим поколением вакцин. Их очевидное преимущество обуславливает широкое применение данного типа вакцин в медицине и ветеринарии для вакцинации населения и сельскохозяйственных животных.

Биодеградация и биоконверсия

Биодеградация и биоконверсия – это важнейшие направления биотехнологии, основанные на использовании микроорганизмов. Ведь переработка (биодеградация) отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности решает одновременно производственные и природоохранные задачи. Речь идет о достижении двух целей в едином процессе: утилизации (биодеградации) и превращении ненужного (как правило, экологически вредного) сырья в полезные продукты (биоконверсия).

Яркий пример биотехнологии, основанной на биодеградации в сочетании с биоконверсией, – хорошо налаженная в Японии и других странах переработка отходов животноводческих комплексов с помощью сине-зеленых водорослей. Избавляясь от отходов, одновременно получают биомассу с высоким содержанием белка и биогаз, сильно обогащенный метаном. В Индии в настоящее время действует около 600 тыс. биоустановок по производству биогаза, обеспечивающих основную потребность в нем сельского хозяйства.

Одна из сложнейших проблем – утилизация целлюлозы. Целлюлоза – органическое соединение. На планете ежегодно синтезируется 4•10¹⁰ т целлюлозы в результате фотосинтеза, т.е. в ней аккумулирована значительная часть солнечной энергии, поступающей на землю. Это линейный полимер из мономеров целлобиозы, основу которой составляет глюкоза. Полное расщепление целлюлозы до глюкозы могло бы решить множество проблем – получение большого количества углеводов и очистку среды от отбросов лесов и сельскохозяйственного производства, бумажной и текстильной промышленности. Расщепить целлюлозу непросто, так как она состоит из нерастворимых волокон, ассоциированных с другими полисахаридами – гемицеллюлозой, пектином, и окружена лигнином, закрывающим целлюлозу от ферментов. Животные не переваривают целлюлозу. В природе ее расщепляют микроорганизмы, например, нитчатый гриб – Trichoderma reesei, который продуцирует большое количество целлюлолитических ферментов (целлюлаз), представляющих собой смесь эндоцеллюлаз и экзоцеллюлаз (расщепляют полимер соответственно изнутри цепочки и с концов) и глюкозидазы. Однако деятельность этих и других известных природных микроорганизмов недостаточно эффективна для создания на их основе промышленной биотехнологии расщепления целлюлозы.

В настоящее время гены целлюлолитических ферментов уже выделены из некоторых микроорганизмов. Разрабатываются методы их переноса в дрожжи, которые могли бы сначала гидролизовать целлюлозу до глюкозы и затем превращать ее в спирт. Существует, однако, серьезное опасение, что генно-инженерные микроорганизмы с повышенной целлюлолитической способностью могут распространиться в природе и станут наносить ущерб растительному миру и изделиям из целлюлозы, окружающим человека повсеместно.

Аэробные и анаэробные микроорганизмы уже давно и широко очищают воды от органических материалов. В бактериях рода Pseudomonas имеются оксиредуктазы, или гидроксилазы, способные разлагать углеводороды и высокотоксичные для окружающей среды ароматические вещества (бензол, толуол, ксилол). Гены, кодирующие в бактериях эти ферменты, локализованы в плазмидах. С помощью генной инженерии и генетических методов получен штамм Pseudomonas putida, который способен расти на неочищенной нефти и весьма эффективно очищать от нее сточные воды. Очистка сточных вод от металлов часто основана на поглощении их микроорганизмами. Так, на практике используют нитчатые грибы, которые способны в больших количествах поглощать торий.

Биодеградация – один из способов удаления пестицидов, способных длительное время сохраняться в почве. С помощью методов генной инженерии сконструирован штамм Pseudomonas ceparia, эффективно разрушающий 2-, 4-, 5-трихлорфеноксилцетат.

В настоящее время микробные биодеградация и биоконверсия служат основой для создания многих безотходных экологически чистых производств в сельском хозяйстве и промышленности. Все большее распространение получают биотехнологические цепочки, в которых отходы и побочные продукты одного биотехнологического процесса используются в качестве сырья для другого. Так, на гидролизатах растительного сырья выращивают дрожжи, а фильтрат культуральной жидкости используют для синтеза грибного белка.