биотехнология кітап

Сонымен, ферменттер қатарына бөтен ақуыздарды ыдыратып, немесе реакцияны басқа бағытқа аудара алатын катализаторлар кіреді. Бұл дегеніміз адам үшін өте қажетті заттар түзілетін қажетті реакциялардың бастамасы. Табиғатта ферменттің мыңдаған түрі бар.

Біздер жасушаларды органикалық заттарды өндірістік деңгейде синтездеуг қолдана бастадық. Микроорганиздер ағзаға өте қажетті құрамында көміртект заттары бар көптеген қосылыстарды синтездей алады. Жануарлар мен өсімдіктермен салыстырғанда, микроорганизмдер арқылы ферменттер алу өте тиімді .келед Микробтық жасушалары өсіп-даму, тыныс алу жəне өнім түзілуге жауапты түрлі биохимиялық реакцияларға катализаторлық қызмет атқаратын2 мыңнан астам ферменттерді синтездейді. Осы ферменттер ішіндегі көптеген бөлігін бөліп алуға болады жəне олар жасушадан тыс та өз белсенділіктерін таныта біледі. Ферментті дəрмектерін алу мақсатында микроскопиялық саңырауқұлақтармен, бактериялар мен ашытқылар да пайдаланылады. Культуралдық сұйықтығындағы ферменттер белсенділігі тез басылып қалатындықтан, өндірісте құрғақ техникалық фермент дəрмектерін дайындау кеңінен қолданылады.

Дүние жүзі бойынша қажетті деп танылатын20 фермент түрі (ғалымдардың

адамзатқа қажетті органикалық заттарды өндірудің экономикалық тиімді жолдары арқылы, мұнайдан химиялық жолмен алынатын өнімдермен бəсекелес бола алады.

Жасушаны, бейнелеп айтатын болсақ, құрастыру мен бұзу қабілеттіліктері бойынша, жұмыс істеп тұрған қандай да бір фабрикаға теңестіруге болады. Жасуша өндірісінің мақсаты – қоршаған ортасынан энергия алып, оны өзінің тіршілігі мен көбеюіне пайдалану. Бұл үдерістердің күрделілігі, терең қалыптасқаны мен бір бірімен тығыз байланыстылығы соншалық, қазіргі уақытта жасушаның толықтай анықтамасын беру мүмкін емес болып тұр.

Біздер жасушаның қалайша көптеген табиғи қосылыстарды ешқа қосымша зиян келтірмей, тез жасайтынын білгіміз келеді. Бұның негізгі көзі жасушалақ ферменттерде жасырынған.

Биореагенттер деп – жасуша ішінде, немесе сыртында өтетін əртүрлі үдерістерге химиялық реагенттер ретінде пайдаланылатын, тірі жасушалардың өнімі болып табылатын химиялық қосылыстар айтылады. Қазіргі кезде биореагенттер жеңіл жəне тамақ өнеркəсіптерінде, фармакологияда кеңінен пайдаланылады.

Кейбір жасушалық ферменттер химия өнеркəсібінде пайдаланылады жəне мыңдаған түрлі өнімдер шығаруға қатысады. Биореагенттердің қатысуы арқылы

гармондарының қалдықтарын контрацептифтерге биотрансформациялау үдерісін айтуға болады. Қарапайым антибиотиктердің көптеген бөлігі, жасушалық ферменттердің қатысуымен жасалады. Тамақ өнеркəсібіндегі ферменттік катализ

100

қолданылып келеді. Мысалы: Қытайда, Кореяда жəне Жапонияда бірнеше мыңдаған жылдардан бері крахмалды өнімдерді қанттау үшін жəне спирт алу мақсатынд саңырауқұлақ дақылдарын қолданып келеді. Қазіргі кезде микробиологиялық синтез

ХУ + НОН → ХН + УОН

Микробиологиялық гидролаза ферментінің көбісі, жасуша сыртына бөлінетін экзоферменттерге жататынына байланысты, мұндай ферменттерді алу жеңіл жəне

Сол себепті ферменттер өз белсенділіктерін көптеген уақыт бойынша сақтай алады. Өндіріс технологиясында көп уақыт бойына бос фермент дəрмектері пайдаланылып келінді жəне олардың қолданылу мерзімі өте қысқа– бір өндірістік цикл ғана

органикалық полимерлер, шынылар, минералды тұздар, силикат сияқты заттардың бетіне бекіту əдісі қолданыла бастады. Мұндай иммобилизацияланған ферменттерді биохимиялық реакторларының үздіксіз циклында ұзақ пайдалануға мүмкінд туылды.

Иммобилизация арқылы бекітілген ферментті дəрмектерін алу мүмкіндігіне, олардың құрылымдарын мұқият зерттегеннен кейін қол жеткізілді. Соның арқасында бірталай ферменттердің амин қышқылдық құрылымы, олардың орналасу конфигурациясы, белсенді орталықтары, каталикалық қызмет атқарудағы əртүрлі

трансформациясы жəне т.б. келтіруге болады. Иммобилизацияланған ферменттерді қолданудың жаңа аясы ретінде– күмістелмеген фотоматериалдарының пайда болуын да айтуға болады. Жоғары сезімділік пен абсолютті спецификалық қасиетке ие биолюминесцентті жəне иммуноферментті сараптау əдісінің негізінде, ферменттер əрекеті жатыр.

Қазіргі кезде иммобилизациялау əдісі арқылы жасалатын, «контейнер» деген атпен белгілі дəрмектерді пайдалану медицинада жаңа бағыт ретінде танылады. Бұл

101

дəрмектер сырт жағы қатқылданып келетін, белгілі дəрежеде өткізгіштік қабілеті бар, микросфералар болып табылады. Бұлардың қолданылу ауқымдары өте кең. Осындай жолмен жасалынған«жасанды жасушалар» ретінде микрокапсулаларды айтса болады. Мұндай капсулалардың ішінде орналасқан ферменттер ағзадаға сұйықтықтар мен ұлпалармен тікелей əрекетке түспейді жəне протеиназалармен ыдыратылмайды, сондықтан иммундық жауап реакциясын да қоздырмайд. Бұлардың негізгі артықшылықтары ретінде оларды қажетті жерге, мысалы ісіктің қасына апарып орнату мүмкіндігін айтуға болады. Ішінде қажетті заттары бар ісік жанына егілген микрокапсула, ісік ұлпаларының өсуіне қажетті метаболиттерді пайдаланады, сөйтіп оларды қорек көзінен ажыратуы арқылы өсуіне кеде келтіреді.

Капсулалар құрамында ұлпалардың микроскопиялық бөліктері болуы мүмкін.

Осының арқасында сусамырмен науқас адамдар күнделікті инсулин гормонын егу қажеттілігінен құтылар еді. Микрокапсуланың ішіне магнитті заттардың бөлшектері ендірілуі мүмкін. Сөйтіп, ағзаға ендірілген микрокапсуланың сырт жағынан (ағзадан тыс) магнит өрісін жақындату арқылы, оны қажет болған нысаналы жерде ұстап тұру мүмкіндігі туылады.

Кейбір жағдайларда капсулалардың қажетті ортада ,еріпқажетсіз ортада қапшығын сол күйінде сақтай алуы үшін, құрамына жоғары молекулалы заттар ендіріледі. Мысалы, асқазан сөлінде бұзылмай тек қана тоқ ішекте ыды бастайтын ацетилфталилцеллюлоза дəрмегінің микрокапсуласы осындай қабілетке ие. Қазіргі кезде қапшық құрамы эритроцит қабықтарынан микрокапсулаларды пайдалану жолдары зерттелуде. Мұндай жағдайда эритроциттер ішіндегі заттардан босатылып, босаған жерлері ферменттермен толтырылады.

2.3 Жасушалық ферменттер ішінен қажетті биореагенттерді анықтау

Жасушаның таңқаларлық көп химиялық қосылыстарын сорттап, ішінен қажетті ферментті таңдап алу– өте күрделі жұмыс. Мұны шешу үшін келесі мүкіндіктердің орындалуы қажет болады:

- қызықтыратын қызметі бар жасушаны таңдап, кездейсоқ ферментті бөліп алғаннан кейін, олардағы амин қышқылдарының орналасу тəртібін анықтау керек. Кейін, осы ферменттер арасындағы ұқсастықтарды анықтау үшін, анықталған фермент құрылысын, бізге белгілі қызмет атқаратын фермент құрылысыме салыстырады. Мұндай қажетті қызмет атқаратын ферменттің табылмауы да мүмкін.

- жасуша құрамынан қажетті затты синтездейтін мРНҚ бөліп алынып, олардың матрицасында трансляция үдерісі кезінде пайда болатын ферменттерді сынап көру қажет. Жасушаның белсенділігіне байланысты көрінетін ферменттерге басты назар аударылады. Кейін, жоғарыда келтірілген тəсілмен ферменттер арасындағы ұқсастықтарды анықтау үшін, қажетті фермент құрылысын белгілі қызмет атқаратын фермент құрылысымен салыстырады.

102

нəтижесінде қажетті белсенділік пайда болғандықтан, дəл осы фермент біздерге қажеттісі екен деген пікір жасалынады.

Бұл бағыттағы ізденіс жұмыстарының қарқынды түрде жүргізіле бастауы, ақуыздардың құрылысы мен ондағы амин қышқылдарының орналасу реті жөніндегі мол деректердің жинақталуына байланысты арта түскен болатын. Нəтижесінде атқаратын қызметтері ұқсас келетін ақуыздардың құрылымдық ерекшелікт

анықталды. Бір жанұялық типке жататын ақуыздар, ұқсас құрылым мен қызметтерге ие болады жəне олар алыс туыстарда да кездеседі. Жаңа табылған ферментті,

атқаратын қызметі бұрыннан белгілі ферменттің құрылымымен салыстыра ,келе оның түзілген классификациядағы орнын анықтауға болады. Алайда, ферменттің қандай ұялық типке жататынын анықтау, тіпті оның амин қышқылдық орналасу ретін басқа ұқсас құрылымды ферменттермен салыстыру нəтижесі де, əрдайым бұл

бірнеше амин қышқылдары ғана алмастырылған жағдайдың өзінде, бұл ақуыздың мүлде басқа қызмет атқара бастайтынын еске түсірсек жеткілікті. Бірақ та, соңғы жылдардағы заманауи компютерлік технологияның мүмкіндіктерін пайдалан, биологиялық скрининг нəтижелерінің тиімділігін арттыруға қол жеткіздірді. Соның

Біздер, қажетті өнімді көп мөлшерде алуды, яғни оны өндірістік деңгейде өндіруді

бейімделген. Жасушалардың көптеген ферменттері қыздыруға шыдамсыз жəне өмір сүру мерзімі де қысқа болып келеді. Сонымен бірге, олар өздері катализдейтін реакция өнімінің көлемі жеткілікті деңгейге жеткен уақытта, «ажыратылып қалу» (отключение) қасиетіне ие. Кейбір жағдайларда, біздерге қажетті қасиеттері бар

организмдерден ферментін алып, бұл ферменттердің ерекшеліктерін өз мүддемізге сай пайдалану əдістері табылды. Біздер үшін, əсіресе, табылған ферменттің

103

əрекетінің қажетті нəрсеге бағытталуы, яғни оның əсері аумағының шектеулі болуы қызықтырады.

20-сурет. Жасушалық ферменттерді анықтау жəне сараптау

2.4 Ферменттер модификациясы жəне оларды алу əдістері

Рекомбинантты технология үдерісінің меңгерілуі, табиғи ферменттерді өндірістік мақсатта пайдалану мүмкіндігін арттырды. Жақын аралықтағы жасуша үдерістерінің ашылуы мен осы саладағы көптеген патенттік ізденістердің тіркелуі, биореагенттерді өндірістік мақсатта қолданудың ауылы алыс еместігіне меңзейді.

қызықтыратын қызмет көрініс бермесе, онда ол коды бұзылған ақуыз дəл осы қызметке жауап береді деген пікірге келеді. Ал егерде, белсенділігі жоқ жасуша

104

мутагенді əсерден кейін өз белсенділігін жақсартса, онда осы мутацияның біздерді қызықтыратын ақуыздың пайда болуына əкеледі деген қортынды жасауға болады.

Келесі 21-суретте өндірістік мақсатта пайдалануға қажетті жаңа ферменттерді алудың əдістері жинақталып берілген.

21-сурет. Жаңа биореагенттер мен биофабрикаларын жасау

105

*Активті жасушалар деп қажетті(қызықтыратын) қызмет атқаратын жасушалар айтылады.

Бағытты мутагенез əдісі өндірістік мақсатта пайдаланылатын көпте ферменттерді синтездеу жұмыстарында қолданылған. Бірақ та, өте күрделі болып

мүмкін. Алайда, өндіріс үшін бұл технологияларды қолданудан бас тарту мүмкін емес, өйткені ғалымдар ақуыз түзілімінің амин қышқылдық құрамын азғана өзгерту, кейбір жағдайларда қажетті реакцияларды өте нəзік жəне дəл жүргізу мүмкіндігіне алып келетіндерін анықтаған Бұл ерекшелік ғалымдарды осы бағыттағы ізден жұмыстарын əрі қарай қызығушылықпен жүргізулеріне ынталандырады.

Қолдан жасалатын мутациядан басқа, ғалымдар ақуыздардың көп түрлілігін арттыратын жəне бір əдісті тапқан. Ол зертхана жағдайында қолдан шақырылатын, тиісті гендерді рекомбинациялау əдісі. Бұл əдістің негізінде, əуелі, əр түрдің гендерін рекомбинациялау арқылы генетикалық тұрғыдан күтілмеген көп түрлілікті арттыруға болатыны анықталған.

Бағытты мутагенез, не болмаса гендер рекомбинациясы нəтижесінде, қандай да бір жасушадағы ферменттердің көп түрлілігі қамтамасыз етілгені анықталғаннан кейін, мұндай жасушалар популяциясы зертханалық жағдайда көбейтіледі. Осындай

жасушаларды əртүрлі қолайсыз жағдайларды қолдан тудыру арқылы тексерге кезде, бұлардың ішінен тек қана құрамында мұндай жағдайларда қажет болатын ферменттері барлары ғана тірі қалады. Осы əдісті қолдана отырып, ғалымдар металдармен ластанған, РН реакцясы өзгертулеріне, температураға шыдамды жəне

тұрақтылығы мен жоғары өнімділіктерінің қамтамасыз етілуі, оларды шығару жұмыстарына кеткен шығынның толықтай қайтарылып, экономикалық тиімділік көрсеткіштерінің артуына өз əсерін тигізеді.

Олар құрамы бойынша аз мөлшерде синтезделетін таксономиялық топтар жəне бір химиялық топқа жататын жақын туысты қосылыстар қоспасы болып келеді. Екінші

қолданылатын дəрмектердің ең үлкен класына .жатадыОлар белгілі бір

106

концентрацияда тиісті микроорганизмдердің дамуын тежеп немесе мүлде құртып жібере алады.

Бұл класқа зең саңырауқұлақтарына қарсы агенттері, сікке қарсы дəрілер мен алкалоидтар жатады. 1945 жылы Кальари (Сардиния) қаласындағы гигиена институтынан Бротзу деген ғалым теңіз суы сынамасынан антибиотиктер синтездей алатын Cephalosporium acremonium саңырауқұлақтарын тапты. Антибиотиктер ішіндегі цефалоспорин С, пеницилиндерге тұрақты грамм оң бактерияларға қарсы тиімділіктерін байқатқан.

Мұндай дəрмектер түріне жəне оның қолданылу мөлшеріне байланы, бактерицидтік немесе бактериостатикалық əсер көрсетуі мүмкін. Бұлардың ішіндегі ең көп сұранысқа ие болғандары – пенициллин, цефалоспорин мен тетрациклиндер.

дайындалатын алин фитонцидтерін атауға болады.

Антибиотиктерді алудағы химиялық синтездер үдерістерінің күрделі болуына байланысты, олар қымбат болып келеді. Аталған өнімнің биотехнологиялық өндірісі өнеркəсіптің экономикалық тиімді саласы болып табылады. Антибиотиктің көп тараған 4-тобы бар:

1)пенициллин;

2)цераласпирин;

3)эритомицин;

4)тетрациклин.

Антибиотиктер өте жоғары биологиялық белсенділікке ие. Мысалы, эритомицин антибиотигі 001-0,25 мкг/мл концентрацияда грамм оң бактерияның өсуін тежей алады. Антибиотиктер əртүрлі химиялық қоспалар класына жатады.

Антибиотиктің класификациясы олардың əсер ету механизміне негізделеді. Əсер ету механизміне байланысты антибиотиктер төмендегідей болып жіктеледі:

1.Жасушалық мембрананың қызметін бұзатын антибиотиктер(полиендер, валимоцин, грамицидин ).

2.Жасуша қабырғасының синтезін тежейтін антибиотикт(пернициллин, цефалоспарин).

3.Ақуыз синтезін тежегіштер (тетрациклин).

4.РНҚ синтезін тежегіштер (гризофульвиндер, канамицин, оливомицин),

5.ДНҚ синтезін тежегіштер (актиномицин Д, митомицин).

6.Пурин жəне пиримидин негіздерін тежегіштер (азосерин, сорколизин).

7.Тыныс алу үдерісінің тежегіштері (олигомицин).

8.Тотыға-фосфорлануды тежегіш антибиотиктер(валиномицин, грамицидин, колицин).

Қазіргі кезде əр түрлі микроорганизмдер культураларынан алынатын түрлі антибиотикалық заттардың немесе олардың негізі жартылай синтетикалық болып келетін дəрмектердің 6000-дай түрі зерттелген. Антибиотик өндірушілері ретінде

107

Көптеген антибиотиктерге ауру тудыратын бактериялардың бейімделіп кетуі себепті, оларға қарсы жаңа түрлерін жасап шығарудың қиындай бастауынан, 1960 жылдың орта шенінен бастап ғалымдар бұрынғы антибиотиктердің құрылымдық ерекшеліктерін өзгертіп, модификациялау жолымен жүруді лайық деп табады. Бұл мақсатта төзімді бактериялар ферменттерінің антибиотиктер əсерін инактивациялау

жəне пенициллинге төзімді бактерияларға қарсы тиімді əсер ететін, құрылымы бойынша цефалоспориндерге жақын цефамициндердің пайда болуына алып келеді. Мұндағы жүретін жартылай синтезінің түпкі мəні, b-лактамды шығыршықтың бір тұспалындағы үзігін, ферментация əсерімен молекеулада алынған басқа түрімен химиялық əдіс арқылы алмастыру болып табылады. Негізнен цефамициндер жəне пенициллиндерге қарсы төзімділік көптеген бактериялар, актиномицеттер, цианобактериялар мен ашытқылардың құрамында кездесетін изо-лактамаза деп аталатын ферменттердің болуына байланысты. Мұндай ферменттерді кодтайтын гендердің плазмидтер құрамында болуы себепті, плазмидтерді бір бактериалды штамдардан басқасына тасымалдағанда, бастапқы төзімділік ерекшеліктері де қоса беріледі.

«Мерк, Шарп жəне Доум» фирмасының ғалымдары Streptomyces cattleya тобының бактериялары синетездейтін жəнеb-лактамды антибиотиктердің жаңа класына жататын тиенамицин алған. Тиенамициндер грамм оң жəне грамм теріс бактерияларына қарсы өте тиімді жəне изо-лактамазасы түзілуіне жағдай жасауы

компания амоксициллин жəне клавулан қышқылдарыныңb-лактамы антибиотик комбинациясынан құрылған аугментин деп аталатын жаңа антибиотик дəрісін жасап шығарған.

Антибиотиктер 10-30 өнімді гендерінің өзара əрекеттері нəтижесінде бөлініп шығуы себепті, жабайы түрлеріндегі бір литрге бірнеше миллиграмдар ға бөлінетін өкілдерінің қайсібірінің мутацияға ұшырауы себепті20 г/л жəне одан да көп антибиотиктер өндіре алатын өнеркəсіптікPenicillium chrysogenum жəне Streptomyces auerofaclens штаммдары түріне айналдыратын жекелеген өзгерістерін бірден анықтау мүмкін болмайды. Мұндай жоғары өнімді штаммдар, кезегімен өткізілген мутагенез жəне тұрақты түрде жүргізілген сұрыптау жұмыс нəтижесінде алынған болатын. Бағытты түрде жүргізілген мутациялар арқасында жаңа қосалқы метаболиттер, атап айтқанда 6-диметилхлортетрациклин жəне 6- диметилтетрациклиндер алынған болатын. Белгілі бір мутанттар, мысалы идиотроф деп аталатындары, антибиотиктерінің жарты молекуласын ғана синтездей алса, орта олардың екінші жартысымен байытылуы қажет. Мутациялық биосинтездің осындай формасы антибиотиктердің жаңа, белгісіз аминоциклитольды тобына жататын бастамаларын ашуға мүмкіндік берді.

108

3. Рекомбинантты ДНҚ өнімдерінің медицинада қолданылуы

Биотехнологияның медицинададағы ең үлкен жетістіктері– рекомбинантты

жасушасының, ашытқы саңырауқұлақтарының жəне сүтқоректілердің геномына бекітуге мүмкіндік туылды. Осындай тəсілмен реципиент жасушасын адам ағзасына

109