БІОТЕХНОЛОГІЯ - продуценти
Біогеотехнологія.
Мікроорганізми, що мешкають у надрах Землі, широко використовуються в біогеотехнології - видобутку, перетворенні та переробці природних копалин, нафти та газу. Біогеотехнологія отримання металів експлуатує здатності окремих мікроорганізмів переводити метали в розчинні сполуки (вилуговування металів з руди) Thiobacillus ferrooxydans вилуговує залізо, мідь та інші метали за допомогою окислення сірчаної кислоти, яку утворюють ці мікроорганізми з сульфіду. Chromobacterium violaceum здатна розчиняти золото, реалізуючи процес Au-Au (CN)4. Отримано високоефективні штами Pseudomonas та термофільні бактерії Sulfolobus для видалення сірки з вугілля – однієї з найважливіших екологічних проблем. Адже, згоряючи, вугілля сильно забруднює довкілля сірою.
Для отримання металів зі стічних вод перспективні штами Cilrobacter sp. та Zoogloea, здатні накопичувати уран, мідь, кобальт. Отримано мутанти Cilrobacter sp. із високим рівнем ферменту фосфатази. Такі надпродуценти у 2,5 рази швидше накопичують уран, ніж батьківський штам. Це з осадженням металу лежить на поверхні клітин у результаті ензиматичного звільнення неорганічного фосфату.
Бактерії пологів Rliodococcus та Nocardia sp. використовують для емульгування та сорбції вуглеводнів нафти з водного середовища. Вони здатні розділяти водну та нафтову фази, концентрувати нафту, очищати стічні води від домішок нафти. Обіцяють стати цінними очищувачами середовища галобактерії. Деякі зі штамів цих бактерій вже успішно застосовують для видалення мазуту з піщаних пляжів. Поряд із природними бактеріями перспективна діяльність генно-інженерних штамів. Вже вдалося перенести плазміди з генами ферментів, що розщеплюють октан,камфару, нафталін та ксилол, у Pseudomonas sp. Отримано штам, здатний ефективно утилізувати сиру нафту. Найближчим часом його буде включено до арсеналу засобів біотехнологічного очищення від забруднень.
Ми бачимо, що біотехнологія, що вже впроваджується у промисловість, активно та ефективно включається у вирішення екологічних проблем. Саме з нею пов'язані надії, що вдасться створити екологічно чисті та економічно високоефективні виробництва, які прийдуть у ХХІ ст. на зміну нинішнім.
У 1982 р. розпочався новий етап у біотехнологічному виробництві людського інсуліну, бо вдалося здійснити функціонування клонованого гена інсуліну людини у клітинах кишкової палички. Отримано дріжджі-продуценти нормального людського інсуліну, а за допомогою методів білкової інженерії створено продуценти похідних форм інсуліну, що характеризуються покращеними властивостями. Нині генно-інженерний інсулін виробляють фірми різних країн. Використання нової біотехнології значно здешевило інсулін, а потенційні масштаби виробництва обіцяють повністю задовольнити існуючі потреби у цьому продукті.
Клітини тварин – продуценти біологічно активних речовин.
В даний час клоновано багато генів, що кодують важливі для науки та практики білки. Після перенесення таких генів до клітин тварин можна отримувати клітини - продуценти біологічно активних білків. Білки, що синтезуються клітинами тварин, завжди повноцінні, оскільки вони правильно формуються і зазнають усіх необхідних модифікацій (глікозилювання, карбоксилювання, гідроксилювання).
У наші дні в промислових масштабах у біореакторах за допомогою клітин тварин налагоджено виробництво великої кількості біологічно активних білків, які використовують якмедичні препарати. Найбільший інтерес становлять еритропоетин, активатор плазміногену, фактор зсідання крові антитрипсин, поверхневий білок вірусу гепатиту в інтерлейкіни, різні моноклональні антитіла, антигени вірусу СНІД.
Коротко про найважливіші з них. Еритропоетин гормон стимулює утворення червоних кров'яних тілець. Його використовують при анеміях, обумовлених нирковою недостатністю (еритропоетин синтезується у нирках). Фактори згортання крові VIII і IX використовують для лікування спадкової гемофілії для зупинки кровотеч, активатор плазміногену, навпаки, для запобігання утворенню тромбів. Гормон росту – препарат для лікування карликовості, інсулін – для лікування діабету, гонадотропні гормони (фолікулостимулюючий, лютеїнізуючий, хоріонічний) – для нормалізації або стимуляції функцій яєчника, антитрипсин – для лікування емфіземи.
Швидко розширюється сфера біотехнології, заснована на імунології - імунобіотехнологія. Сюди належить індустрія діагностичних тест-систем (діагностикумів) для широкого обстеження поширеності інфекцій, виготовлення вакцин та, звичайно, отримання поліклональних та моноклональних антитіл. Усі чули про такі білки, як лімфокіни, до яких належать інтерферони, інтерлейкіни, фактор, що стимулює колонієутворення гранулоцитів та макрофагів, фактор некрозу пухлин та деякі інші. Ці білки секретуються клітинами імунної системи у відповідь появу зовнішнього антигену. Їх використовують як противірусні та протипухлинні препарати (можливість лікування ними злоякісних новоутворень поки що проблематична). Виробництво деяких лімфокінів налагоджено і в бактеріальній системі, про що ми вже говорили, але іноді клітини тварин більш прийнятні для цієї мети, особливодля білків, які містять вуглеводний центр. Дещо докладніше зупинимося на виробництві антитіл. З давніх-давен для їх отримання використовуються тварини - кролики, кози, барани. На появу в крові чужорідного білка-антигена імунна система реагує активацією розмноження В-лімфоцитів, у яких починається синтез антитіл. На поверхні антигену зазвичай міститься кілька "активних" ділянок (антигенних детермінант), кожен з яких спонукає утворення антитіл проти себе. При цьому кожна В-клітина та її нащадки спеціалізуються на синтезі одного сорту антитіл. В результаті утворюється стільки різних видів антитілоутворюючих В-клітин, скільки в антигені є детермінант. Одержувана при цьому з крові антисироватка містить суміш антитіл до різних детермінантів. Такі антитіла називають поліспецифічними, найчастіше – поліклональними.
Методи культивування.
Все, про що ми розповідаємо - ще не повністю готові виробничі біотехнології, а лише підготовка бази для їх створення. Існує два тісно взаємопов'язані варіанти майбутнього біотехнологічного виробництва цінних продуктів із рослин; культивування цілих рослин та культивування клітин.
Методи культивування рослинних клітин у живильних середовищах створили самостійну галузь біотехнологічного виробництва цінних препаратів. Якщо культуру отримувати з однієї клітини, то всі клітини, що знову виросли, будуть генетично ідентичні і утворюють клон. Такі клони клітин, що інтенсивно розмножуються, як і бактеріальні культури, - хороші продуценти цінних рослинних продуктів. Їхня продуктивність і економічність часто значно вища, ніж у цілих рослин. Тут, як і при роботі з бактеріями, можна використовувати клітини, які в рослинах виробляють потрібний продукт, аможна цілеспрямовано змінити клітину з допомогою методів генної інженерії, зробивши цінним продуцентом необхідного продукту. У виробництві вже використовуються клітинні культури наступних природних продуцентів: клітини тютюну, що виробляють убихинон-10 (застосовують як вітамін), культуру клітин барбарису, що продукує ятрорризин (спазмолітичний лікарський засіб), клітини горобника, що виробляють шиконін (використовуються . Однак промислове виробництво цих культур, за винятком, наприклад, продуцентів шиконину, поки що економічно невигідне. Потрібне подальше вдосконалення технології культивування клітин та підвищення їхньої продуктивності.
Безперечно, що галузь клітинних біотехнологій у найближчому майбутньому, після того як реалізує свої можливості генна інженерія, стане найважливішим джерелом цінних продуктів. Спочатку будуть отримані трансгенні рослини, а потім з них – високопродуктивні культури клітин. Наприклад, трансгенні рослини ріпаку, в які введені гени лей-енкефаліну та інших нейропептидів людини, з'єднані з частиною гена альбуміну, продукують близько 1 мг цінного рекомбінантного білка на 1 т насіння.