Глава 6. Биотехнология. Генетическая инженерия

Вторая половина XX в. ознаменовалась по­явлением и развитием ряда основополагаю­щих фундаментальных наук, определявших успехи в научно-техническом прогрессе в целом и отразившихся на изменении уров­ня и образа жизни человека. К ним следу­ет отнести атомную энергию, радиоэлект­ронику, сверхпроводимость, робототехнику, искусственный интеллект, информатику и другие технические науки. Однако, по мне­нию большинства ученых, государственных и общественных деятелей, все же ведущей наукой, которая будет определять научно-тех­нический прогресс в ближайшие десятилетия, будет биотехнология, успехи и открытия в биологии. По мнению академика А. А. Баева (1998), изложенному им в анкете-прогнозе развития биологии на ближайшее десятиле­тие, основную роль будут играть следующие направления:

1. комплекс «молекулярных наук» — моле­кулярные основы иммунитета; молекулярные основы рака; молекулярные основы нервной деятельности;

2. биотехнология — фармацевтические про­дукты, трансгенные животные, трансгенные растения;

3. геном человека: структура генома, функ­ция генома, генотерапия, диагностика и про­филактика наследственных болезней.

По существу, как следует из этого прогноза, биотехнология не только решает конкретные задачи и направления в биологии, но и про­низывает буквально все области профилакти­ческой и клинической медицины.

Биотехнология тесно связана с микроби­ологией и иммунологией. Фактически она родилась в недрах микробиологии, является развитием технической микробиологии. Не случайно основоположником биотехнологии по праву признается основатель микробио­логии и иммунологии Л. Пастер, открывший ферментативную природу брожения. Вот по-

чему знакомство с основами медицинской биотехнологии заложено в программе кафедр микробиологии и иммунологии медицинских вузов.

6.1. Сущность биотехнологии. Цели и задачи

Биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биоло­гии, генетической инженерии, иммунологии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено пот­ребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе для медицины и ветеринарии, а так­же принципиально новых технологиях. Само слово «биотехнология» произошло от греч. bios — жизнь, tecen — искусство, logos — наука. Целью биотехнологии является получение продуктов из биологических объектов или с их применением, а также воспроизведение биоэффектов, не встречающихся в приро­де. В качестве биологических объектов чаще всего используются одноклеточные микроор­ганизмы, животные и растительные клетки, а также организм животных, человека или растений. Выбор этих объектов обусловлен следующими причинами:

1. Клетки являются своего рода «биофабри­ками», вырабатывающими в процессе жизне­деятельности разнообразные ценные продук­ты: белки, жиры, углеводы, витамины, ами­нокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и т. д. Многие из этих продуктов, крайне необходимых в жизни человека, пока недоступны для полу­чения «небиотехнологическими» способами.

2. Клетки чрезвычайно быстро воспроиз­водятся. Так, бактериальная клетка, делится через каждые 20—60 мин, дрожжевая — через 1,5—2 ч, животная — через 24 ч, что позво-

ляет за относительно короткое время искус­ственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в про­мышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или расти­тельных клеток.

3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем другие виды химического син­теза. При этом исходное сырье для биосинте­за, как правило, проще, дешевле и доступнее, чем сырье для других видов синтеза. Для этого используются отходы сельскохозяйственной, рыбной продукции, пищевой промышлен­ности, растительное сырье, например рыбная мука, меласса, дрожжи, древесина и др.

4. Возможность проведения биотехнологи­ческого процесса в промышленных масшта­бах, т. е. наличие соответствующего техноло­гического оборудования, доступность сырья, технология переработки и т. д.

Биотехнология использует следующие про­дукты одноклеточных:

а) Сами клетки как источник целевого про­ дукта;

б) Крупные молекулы, которые синтезиру­ ются клетками в процессе выращивания: фер­ менты, токсины, антигены, антитела, пепти- догликаны и др.;

в) Первичные метаболиты — низкомолеку­ лярные вещества (мол. масса менее 1500 Да), необходимые для роста клеток (аминокис­ лоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты и др.);

г) Вторичные метаболиты (идиолиты) — низкомолекулярные и макромолекулярные соединения, не требующиеся для роста кле­ ток: антибиотики, алкалоиды, токсины, гор­ моны и др.

Биотехнология использует эту продукция клеток как сырье, которое в результате техно­логической обработки превращается в конеч­ный, пригодный для использования, продукт.

Помимо микроорганизмов, животных и растительных клеток биотехнология в качес­тве биологических объектов использует орга­ны и ткани человека и животных, растения, организм животных и человека. Например, для получения инсулина используется под-

желудочная железа крупного рогатого скота и свиней, гормона роста — гипофизы трупов человека; для получения иммуноглобулинов используют организм лошадей и других жи­вотных, препаратов крови — доноров и т. д.

Биотехнология, используя перечисленные выше биологические объекты, получает ог­ромный ассортимент продукции, исполь­зуемой в медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве, пищевой и химической промыш­ленности, в других отраслях народного хо­зяйства. К ним относятся, например, такие продукты, без которых немыслимо существо­вание современного человека, как антибиоти­ки, витамины, ферменты, вакцины, гормоны, аминокислоты, нуклеотиды, комплемент и препараты крови, иммуномодуляторы, анти­тела, диагностические препараты, сердечно­сосудистые, противоопухолевые и множество других фармацевтических препаратов; пище­вые и кормовые белки, биологические средс­тва защиты растений, инсектициды, сахара, спирты, липиды, дрожжи, кислоты, бутанол, ацетон и многие другие.

Помимо этого, биотехнология играет боль­шую роль в оздоровлении окружающей сре­ды — в экологии, так как с помощью биотех­нологических процессов проводят очистку от загрязняющих веществ почвы, водоемов, воздушную среду путем их биоконверсии и биодеградации.

Однако биотехнология не ограничивает­ся получением только вышеперечисленных продуктов. Значительные, более масштабные и революционные проблемы она решает на пути создания трансгенных животных и рас­тений, т. е. создания новых, ранее неизвес­тных пород животных и растений, а также клонирования животных. Новейший раздел биотехнологии — генетическая и белковая инженерия — позволяет получать совершен­но уникальные биотехнологические эффек­ты, открывать способы диагностики, про­филактики и лечения врожденных болезней, влиять на свойства генома человека, живот­ных и растений.

Одним из перспективных направлений биотехнологии является разработка биосен­соров для определения, индикации и иденти­фикации биологически активных веществ и

макромолекул. Принцип работы биосенсоров основан на регистрации с помощью датчиков и детекторов физических, химических или биологических эффектов, возникающих при взаимодействии детектируемых клеток и мо­лекул с биореагентами. Например, реакцию антиген—антитело можно выявлять по фи­зическим, биологическим и химическим эф­фектам, сахар в крови — по С0₂, образующе­муся в результате его расщепления ферментом («ферментным электродом»).

Следовательно, биотехнология призвана внести существенный вклад в создание эф­фективных диагностических, профилактичес­ких и лечебных медицинских и ветеринарных препаратов, решение продовольственной про­граммы (повышение урожайности, продуктив­ности животноводства, улучшение качества пищевых продуктов — молочной, кондитер­ской, хлебобулочной, мясной и рыбной про­дукции), обеспечение многих технологических процессов в легкой, химической и других от­раслях промышленности, а также в оздоров­лении окружающей среды. В настоящее время в биотехнологии выделяют 4 приоритетных направления: а) медико-фармацевтическое; б) продовольственное; в) сельскохозяйственное; г) экологическое.

В литературе не просто отсутствует прием­лемое определение предмета биотехнологии, а даже ведется спор, что такое биотехноло­гия — наука или производство? Некоторые авторы понимают биотехнологию как сугубо промышленную отрасль, другие — сводят ее к генетической инженерии, третьи — дают поло­винчатое определение, сводя биотехнологию к процессу использования культур клеток бакте­рий, дрожжей, животных и растений для полу­чения специфических веществ. Н. П. Блинов определяет биотехнологию как науку об ис­пользовании биологических процессов в тех­нике и промышленном производстве.

Видимо, правильно будет определять био­технологию как науку, которая на основе изу­чения процессов жизнедеятельности живых ор­ганизмов, главным образом микроорганизмов, животных и растительных клеток, использует эти биологические процессы, а также сами био­логические объекты для промышленного про­изводства продуктов, необходимых для жизни

человека или воспроизведения биоэффектов, не проявляющихся в естественных условиях

(А. А. Воробьев).

В биотехнологии, как в никакой другой области знаний, тесно увязываются наука и производство. Промышленное производство в биотехнологии, по сути дела, основано на нескольких принципах: на брожении (фер­ментации), биоконверсии (превращении од­ного вещества в другое), культивировании растительных и животных клеток, бактерий и вирусов; на генетических манипуляциях. в том числе генно-инженерных процедурах. Естественно, что реализация этих научных принципов в производстве потребовала раз­работки соответствующего промышленного оборудования и аппаратуры, отработки и оп­тимизации технологических процессов, раз­работки способов оценки и контроля продук­ции на всех ее стадиях. Современная биотех­нологическая промышленность располагает крупными заводами, опытно-конструкторс­кими учреждениями, научно-исследователь­скими институтами; фундаментальными про­блемами биотехнологии заняты научно-ис­следовательские институты Академии наук. Академии медицинских наук, Академии сель­скохозяйственных наук и ряд прикладных отраслевых институтов.