3. Биотехнологии

3А. Основные возможности биотехнологии

ХХI век называют «золотым веком» биологии. Высокоскоростные методы расшифровки последовательностей ДНК (секвенирования) и мощные вычислительные средства для расшифровки содержания генов человека и других организмов, усовершенствование масс-спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, альфа-лучевой кристаллографии позволили совершить революционный прорыв в возможностях количественной и качественной идентификации белков, а также в понимании структуры индивидуальных белков и даже мультипротеиновых комплексов. Вехами в биологии являются сообщения о расшифровке структуры нуклеосомы и комплекса РНК-полимеразы, а также реальный шанс получить в скором будущем полную картину рибосомы. Развитие новых технологий позволяет ученым применить полученные данные о строении генома и заняться поиском ответа на принципиально новые вопросы о комплексной природе живых клеток.

ХХI век является «золотым веком» также для  одного из ее ответвлений биологии — биотехнологии, которая базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

Биотехнология, в первом приближении, это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

В современном понимании биотехнология это также производственное использование биологических агентов (микроорганизмов, растительные клеток, животных клеток, частей клеток, то есть клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений.

Биотехнологией часто называют и разные применения генной инженерии в XX–XXI веках. Этот термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов, необходимых для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искусственного отбора и гибридизации.

С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

Биотехнологии используются также для:

1. Биоэнергетики;

2. Контроля загрязнения окружающей среды;

3. Производства сельскохозяйственной продукции;

4. Биоэлектроники;

5. Решения задач в нефтяной промышленности, медицине, пищевой промышленности.

Ведущими направлениями биотехнологии являются:

1) Производство с помощью микроорганизмов и культивируемых клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок;

2) применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.) и для защиты растений от вредителей и болезней; 3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т. п.

К биотехнологиям относят и первые успешные попытки клонирования животных, которые, несомненно, будут усовершенствованы, так как могут послужить хорошей основой для дальнейшего развития генной терапии и генной инженерии животных (и человека).

Объектами биотехнологии служат многочисленные представители групп живых организмов — микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (органеллы). В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы как нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), белки - чаще всего ферменты. ДНК или РНК необходима для переноса чужеродных генов в клетки.

Возможности биотехнологии необычайно велики благодаря тому, что ее методы выгоднее обычных: они используются при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду и др.

Справедливости ради надо сказать, что люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Термин «биотехнология», в современном понимании, появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. «Новый» термин биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и старые традиционные формы. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта – «новая» биотехнология.

Начиная с 70-х и 80-х годов XX столетия у ученых появилась возможность локализовывать гены и контролирующие их в организме элементы, в какой-то мере понимать их функцию, разрабатывать способы для переноса этих элементов любому микроорганизму или растению. Это было достигнуто путем выяснения структуры ДНК; изучения механизмов, задействованных в процессе репликации (воспроизводства) этой молекулы; открытия ферментов, необходимых для того, чтобы вырезать и сшивать фрагменты. Но самым важным стала возможность секвенирования ДНК [cеквенирование биополимеров (белков и нуклеиновых кислот — ДНК и РНК) — определение их первичной аминокислотной или нуклеотидной последовательности (от англ. sequence — последовательность). В результате получается линейное символьное описание, которое сжато поясняет атомную структуру молекулы] и идентификации таким образом всех ее элементов и способов, посредством которых они соединяются в целостный ансамбль. Это означает, что человек получил возможность модифицировать организмы таким образом, чтобы получить новые линии с измененными характеристиками, преимущественно только с теми характеристиками, которые ему нужны.

Наиболее существенными достижениями биотехнологии растений, которые могут повлияют на создание новых продуктов питания в ближайшие 10—20 лет, в частности, являются.

1. Разработка методов манипуляции растительных клеток, генетической трансформации растений.

2. Секвенирование геномов растений.

3. Прогресс в понимании биохимических процессов, лежащих в основе функционирования растений.

Благодаря этим достижениям мы сможем уже в ближайшее десятилетие в полной мере воспользоваться растением как наиболее дешевой и экологически безопасной фабрикой для производства большинства необходимых человеку материалов, пищи, медицинских препаратов, химических соединений, сырья и т. д.

В частности, поскольку полностью расшифровано несколько геномов, и скоро ожидается полная расшифровка других геномов, например риса, то располагая огромнейшей базой данных о последовательностях тысяч известных генов, ученые смогут идентифицировать изменения генов, что даст возможность существенно изменять характеристику организмов, важных для пищевой промышленности. Понимание этого эффекта позволит осуществлять гораздо более точные и направленные изменения.

Эти разработки позволят внедрять более эффективные методы точной доставки и посадки чужеродных генов в геном растений. Упомянутые выше достижения биотехнологии позволят более легко и целенаправленно создавать не только растения для производства продуктов питания, но также и для очистки загрязненных химическими веществами и токсическими металлами территорий (фиторемедиация), использовать растения в качестве «фабрик» или «реакторов» для производства фармацевтических белков (прежде всего вакцин) и других биологически активных соединений, более быстрее выращивать леса.

С точки зрения перспективы развития науки, возможно, самым выдающимся достижением биотехнологии в начале нового века является завершение создания детальной карты человеческого генома. Этот прорыв позволит лучше понять нашу взаимосвязь с другими организмами, осознать, что делает людей похожими между собой и что отличает нас от других, вооружит более совершенными подходами для выяснения причин возникновения болезней и поиска новых способов лечения.

В настоящее время у человечества появилась необходимость научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов, чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе. Поэтому не случайно главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды.

Заметим, что впечатляют скорость и размах, с которыми научные достижения трансформируются в процесс получения новых фармацевтических препаратов или сельскохозяйственных продуктов. Лекарства, полученные благодаря биотехнологиям, к примеру, инсулин для лечения диабета или вакцина против полиомиелита, прокладывают путь к более эффективным средствам, обладающим меньшими побочными эффектами, так как они будут нацелены скорее на специфические молекулы, претерпевшие изменения в процессе заболевания, а не на более сложные физиологические симптомы. Поразительно, но по прошествии всего лишь шести лет с момента одобрения для коммерческого использования в США первой генетически модифицированной культуры сои — большая часть выращиваемых на полях «традиционных» растений оказалась вытесненной генетически модифицированными. Эта скорость признания и в фармацевтике, и в сельском хозяйстве демонстрирует не только мощь биотехнологии как научного подхода, но и те преимущества, которые она дает фермеру и здравоохранению

В настоящее время развитые страны мира уже поняли, что будущее за биотехнологией, открывающей воистину фантастические возможности в сельскохозяйственном производстве, медицине и других сферах деятельности. Активно продвигаться в развитии биотехнологий намерены Соединенные Штаты Америка еще более. Существенный прогресс достигнут в этом направлении в Европе, а Китай и Япония в последнее время осуществили громадный рывок вперед.

Огромные территории, ранее являвшиеся частью природных ландшафтов, сейчас обрабатываются человеком. Известно, что традиционные технологии в сельском хозяйстве уже привели к мощнейшим экологическим последствиям и за последние два столетия существенно видоизменили лицо Земли. Традиционная агрономия преобразила лицо планеты, внеся огромные изменения и в окружающую среду. Уничтожение тропических лесов «огнем и топором» — лишь один из аспектов крайности. Трудно отыскать примеры, демонстрирующие улучшение природных условий с помощью сельского хозяйства. Биотехнология станет одним из наиболее важных средств для внедрения устойчивого сбалансированного производства в XXI веке, которое понадобится в новом столетии для того, чтобы прокормить растущее население Земли.

Селекция растений ныне вступила в эпоху направленных генетических изменений. Однако наука  все еще находится на самых ранних стадиях понимания того, какие именно изменения должны произойти, чтобы повысить урожайность культуры, качество собираемого продукта или устойчивость к факторам окружающей среды. В течение некоторого времени, вероятно, биотехнология будет скорее разрабатывать подходы, дополняющие традиционные методы селекции, а не приводить к столь резким генетическим изменениям, как это описывается в газетных статьях.

Можно предполагать, что в ближайшем будущем отношение к растениям, с измененными (модифицированными) генами, как пищевому продукту изменится. За период с 1994-го по 1999 год в США выращено около 3,5 триллиона единиц генномодифицированных растений; эти растения вошли в пищевой рацион каждого американца, и никаких негативных последствий на здоровье человека никем не обнаружено. К сожалению, в странах ЕС, которые не испытывают острых проблем с недостатком продовольствия (скорее, наоборот), эту проблему слишком заполитизировали. Еще более достойно сожаления, что аналогичная ситуация имеет место в многочисленных менее развитых странах, в том числе в Украине, то есть в странах, для которых биотехнология могла бы стать таким же трамплином в мир богатства и благополучия, каким стала для многих азиатских стран электроника и компьютерная технология.

Надо отметить, что даже первые шаги в использовании ГМ-растений могли бы помочь экономическому развитию Украины, прежде всего путем повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Ошибочно утверждение, что у нас выращивается достаточный объем сельскохозяйственной продукции и она высокого качества. Так, в Украине в 1994 г. распаханные земли составляли 59% от общей территории, в то время как во Франции — 35%, Германии — 34%, Великобритании — 25%, Италии — 40%. В сельском хозяйстве Украины работает 20% всех трудовых ресурсов, во Франции — 5%, Германии — 4%, Великобритании — 2%, Италии — 9%. При том, что мы обладаем самыми плодородными землями, урожайность основных сельскохозяйственных культур (пшеница, рожь, кукуруза, картофель, сахарная свекла) у нас в 2—3,5 раза ниже, чем в сравниваемых странах. В большинстве случаев наши сорта растений неконкурентоспособны на мировом рынке, ибо отстали от его требований, а семенной (посадочный) материал не подлежит экспорту, так как не сертифицирован в соответствии с международными стандартами. Наверное, нам было бы резонно более внимательно присмотреться к мировым тенденциям развития рынка генетически модифицированных растений. Все более отчетливым становится изменение политики ЕС в отношении использования ГМ-растений в сельском хозяйстве.

Надо сказать, что важным достижением в области исследований по биотехнологии растений является расшифровка генома арабидопсиса. Это достижение ускорит процесс понимания механизмов функционирования растения на молекулярном уровне и, таким образом, послужит увеличению количества «точек вмешательства» в процесс селекции или инженерии растений на благо человека. В частности, эти данные позволят нам понять такие значительно более сложные качества, как засухо- или морозоустойчивость. Это также позволит более эффективно осуществлять манипуляции с растениями с целью улучшения процесса их питания благодаря более детальному пониманию того, как растения аккумулируют питательные вещества. Зная, какие гены и молекулы контролируют эти процессы, можно получить растения с повышенным накоплением таких микроэлементов, как железо, генетически модифицировать их для того, чтобы они сами синтезировали необходимые компоненты, в частности, провитамин А. Возможно появятся не только растения с повышенным содержанием микроэлементов и витаминов, но и растения, используемые в качестве лекарств. Например, растительное масло, препятствующее развитию сердечно-сосудистых заболеваний или диабета, или же продукты, снижающие риск возникновения раковых заболеваний. Роль продуктов питания в укреплении здоровья будет, вероятно, повышаться, особенно по мере увеличения продолжительности жизни человека.

Параллельно с этим биотехнология найдет более широкое применение в решении продовольственной проблемы в развивающихся странах. В мире голодают свыше 800 миллионов человек. Тот аргумент, что на Земле достаточно продуктов питания для того, чтобы накормить всех голодных, и проблема заключается в оптимизации системы распределения, не отвечает на вопрос, как помочь бедным приобрести эти продукты питания. Биотехнология дает нам новый мощный инструмент, дополняющий уже существующие способы повышения производительности сельского хозяйства и, как следствие, стимулирования экономического роста в бедных странах.

Биотехнология уже заняла важное место в медицине. Диабетики без лишних раздумий пользуются рекомбинантным человеческим инсулином, полученным благодаря модифицированным микроорганизмам. По мере осознания того, что риск, связанный с применением биотехнологии в сельском хозяйстве, невелик, она будет применяться все шире.

Существует огромная разница между восприятием продукции генной инженерии, используемой в сфере здравоохранения, и употребляемой в пищу. В то время как медицинская продукция уже получила всеобщее признание, внедрение генетически модифицированных продуктов питания в некоторых развитых странах встретило сильнейшую оппозицию. Развеять ее опасения можно только путем повышения уровня образования. Учитывая очевидные преимущества генной инженерии, отсутствие каких-либо серьезных неприятностей, прогнозированных оппонентами ГМ-продуктов, можно предположить, что уже через несколько лет выступления оппозиции будут восприниматься как анахронизм. Ведущей движущей силой набирающего темп признания ГМ-культур в развивающихся странах является потребность в увеличивающейся пищевой базе, которая может быть удовлетворена за счет возрастающих масштабов производства таких культур.

В глобальном плане лидером в области биотехнологий являются, конечно, США. В этой стране все области биотехнологии развиваются одинаково хорошо и сбалансировано, включая разработку мер безопасности. Однако остается еще сложный вопрос по поводу того, как биотехнологии смогут заслужить доверие со стороны развитых и развивающихся стран и как решить проблему с правами на интеллектуальную собственность.

США сохранят свои лидирующие позиции в развитии и применении сельскохозяйственных биотехнологий. Что же касается фармацевтики, то США и ЕС будут представлять два центра научных исследований в области создания и внедрения новейших терапевтических средств. В остальных частях мира, исходя из их возможностей, будут сочетать в себе научный и технический потенциал с большими сельскохозяйственными интересами. В этом направлении имеются основные «игроки», выполняющие лидирующую роль — прежде всего Бразилия, Китай и Индия.

Говоря о биотехнологиях, следует упомянуть о хлоропластах.

Хлоропласты — это клеточные органеллы, специализирующиеся на фотосинтезе. Они имеют свой собственный геном, который передается потомству по материнской линии у всех важных сельскохозяйственных культур. Из-за того, что хлоропласты не принимают участия в процессе опыления, исключается вероятность переноса при помощи пыльцы любых генов, инкорпорированных в геном пластид, включая гены устойчивости к гербицидам. Это дает возможность лучше контролировать дальнейшую судьбу искусственно внесенных генов устойчивости к гербицидам, не допуская их распространения с пыльцой на растения с соседних полей.

Важное применение хлоропластов — использование их в качестве белковых фабрик. Технология экспрессии генов хлоропластов основывается на исключительной способности этих клеточных органелл эффективно синтезировать и накапливать белки. И, что интересно, хлоропласты даже лучше справляются с задачей синтеза человеческих белков, чем традиционные микроорганизмы, используемые для ферментации (такие, как E. coli), или растения с генами, инкорпорированными в их ядра. Оказалось, что табак наиболее подходит для продукции белков, что дает новую жизнь этой противоречивой сельскохозяйственной культуре в новом тысячелетии.

Конечно, в области технологии хлоропластной экспрессии существует немало проблем. И самое узкое место — то, что трансформация хлоропластов с точки зрения наследования гораздо более сложна, чем трансформация ядерных генов. Потребуется еще несколько лет для того, чтобы мы смогли воспользоваться плодами трансформации хлоропластов у широкого ряда полевых культур.