Биотехнология

БИОТЕХНОЛОГИЯ (от био..., греческий τ?­χνη - искусство, мастерство и ...логия), использование живых организмов, клеток и отдельных биополимеров в практической деятельности человека, основанное на достижениях современной биологической науки - молекулярной и клеточной биологии, генетической инженерии, геномике, постгеномных технологиях, биоинформатике.

Историческая справка. Использование живых организмов в хозяйственной деятельности человека насчитывает тысячелетия. Уже 6-8 тысяч лет назад человек умел применять микроорганизмы, осуществляющие процесс спиртового брожения, для изготовления хлеба, вина и пива. Вплоть до 20 века биотехнология носила стихийный характер, а её интенсивное развитие началось с середины 20 века (было освоено промышленное производство аминокислот, витаминов, ферментов и так далее). Термин «биотехнология» возник в конце 19 века и относился к применению микроорганизмов или производимых ими веществ для получения или преобразования различных продуктов. Своё нынешнее значение он приобрёл в конце 1970-х годов в связи с развитием генетической инженерии, позволившей целенаправленно изменять наследственные свойства живых существ путём переноса генов из одних организмов в другие. Сначала объектами генетической инженерии служили микроорганизмы и культуры клеток животных и растений. В конце 1970-х - начале 1980-х годов в США, а затем и в других странах было быстро налажено микробиологическое производство таких важных для медицины белков человека, как инсулин, гормон роста, интерферон. Принятие в 1980 году Верховным судом США постановления, согласно которому созданные человеком микроорганизмы могут быть предметом патентования, способствовало правовому оформлению интеллектуальной собственности и привлечению в биотехнологию крупных капиталовложений. Ввиду потенциальной опасности деятельность, связанная с использованием методов генетической инженерии, во многих странах регулируется специальными законами (в Российской Федерации с 1996).

Существуют разнообразные подходы к классификации биотехнологии. С естественнонаучной и технологической точек зрения (по используемым живым объектам) её делят на биотехнологию микроорганизмов (и сходную технологию культивирования клеток высших организмов), биотехнология растений, биотехнология животных. Исходя из экономических позиций (по конечным сферам применения производимых продуктов) принято говорить о медицинской биотехнологии, сельскохозяйственной  биотехнологии, биотехнологии охраны окружающей среды, биотехнологии в химической промышленности.

Промышленная биотехнология. Наиболее развитым направлением биотехнологии является микробиологическая промышленность, берущая начало в традиционных отраслях (виноделии, пивоварении, хлебопечении, получении кисломолочных продуктов, сыра). Как самостоятельная отрасль она сформировалась во 2-й половине 1940-х годов, когда началось массовое производство антибиотиков. Современная микробиологическая промышленность использует процессы микробной ферментации в аппаратах объёмом от единиц до сотен кубических метров. Многие приёмы управления процессами, методы очистки продуктов заимствованы микробиологической промышленностью у химической технологии. В то же время в ней широко применяются полученные методами генетической инженерии высокопродуктивные штаммы микроорганизмов. В большинстве новых процессов, разработанных в течение 1990-х годов и в начале 21 века, используется ограниченный набор наиболее хорошо генетически изученных микроорганизмов - главным образом кишечная палочка (Escherichia coli) и пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae).

Микробиологическая промышленность производит антибиотики, ферменты (амилазы, глюкоамилазы, протеазы, липазы, фитазу и др.), аминокислоты, витамины (В₂, В₁₂, С), каротиноиды, полисахариды, органические кислоты, топливный спирт. Наиболее крупнотоннажными производствами этой индустрии в 2003 году были топливный спирт (около 15 миллион т/год), глутамат натрия (1,2 миллион т/год), L-лизин (400 тысяч т/год), лимонная кислота (около 600 тысяч т/год), молочная кислота (200 тысяч т/год). Микробиологическая индустрия растёт на 10-15% в год, значительно опережая рост общего промышленного производства в мире (1,5-2%). Прогнозируется бурное развитие производства топливного спирта, биодеградируемых пластиков (полигидроксиалканоаты, полилактаты), мономеров для получения пластиков (1,3-пропандиол, 3-гидроксипропионовая кислота), особенно в связи с перспективой экономически оправданного осахаривания (гидролиза) растительного сырья (сельскохозяйственных отходов, древесины). По прогнозам, к 2020-25 годам до 25% всех химических веществ в США будет производиться из возобновляемого сырья. Крупномасштабное производство топливного спирта и химических продуктов из осахаренной растительной биомассы может частично смягчить кризис, связанный с исчерпанием запасов дешёвой нефти, и позволить снизить выброс в атмосферу СО₂, образующегося при сжигании ископаемого топлива.

Продукты микробиологической промышленности широко используются в различных отраслях производства: антибиотики - в медицине; аминокислоты - в производстве кормов, подсластителей (дипептид аспартам в 200-300 раз слаще сахара), в смесях для диетического, лечебного и парентерального питания; ферменты - во многих отраслях. Так, крупным производством является получение фруктозных сиропов из кукурузного крахмала, осуществляемое с помощью ферментов α-амилазы, глюкоамилазы и фруктозоизомеразы. Объём мирового производства фруктозных сиропов составляет около 10 миллион тонн в год, а в США на долю фруктозы приходится 70% в производстве всех сладких продуктов. Ферменты широко используются в пищевой, бумажной, текстильной, кожевенной промышленности, при производстве стиральных порошков. Значительное количество промышленных ферментов представляют собой искусственно изменённые белки. Ферментативный катализ используется в химических производствах, например для получения акриламида из акрилонитрила, 6-аминопенициллиновой кислоты из пенициллина, 7-аминоцефалоспориновой кислоты из цефалоспорина, аспарагиновой кислоты, десятков оптически активных веществ для фармацевтической химии, в трансформации стероидов.

Многие микроорганизмы благодаря способности разлагать органические соединения (в том числе нефть, гербициды, ароматические соединения) применяются для очистки окружающей среды (смотри Биоремедиация). Их вносят в загрязнённую почву и водоёмы или используют в стационарных очистных сооружениях, таких, как аэротенки или метантенки. Широко используются биофильтры, применяемые для очистки сточных вод (смотри ст. Биофильтр) и воздуха. В последнем случае воздух пропускают через аппарат с иммобилизованными на пористых носителях клетками микроорганизмов. Биофильтры очищают десятки и сотни тысяч кубических метров воздуха в час и работают непрерывно в течение многих месяцев. Анаэробное разложение бытовых, сельскохозяйственных  и промышленных отходов в присутствии метанообразующих бактерий вносит вклад как в охрану окружающей среды, так и в энергетику, основанную на возобновляемом сырье. Образующийся при этом биогаз может использоваться как топливо для бытовых и промышленных целей. Твёрдые остатки из метантенков могут найти применение как удобрения. Микроорганизмы оказались необходимыми и при добыче и переработке полезных ископаемых (смотри Биогеотехнология, Биотехнология металлов).

С конца 1970-х годов активно развивается производство белков с помощью микроорганизмов и культур клеток животных. К 2000 году на мировом рынке присутствовало 77 лекарств, представляющих собой полученные методами генетической инженерии рекомбинантные белки, и 380 препаратов находилось на стадии клинических испытаний. Продажа таких препаратов составляет около 10% мирового рынка лекарств и имеет тенденцию к увеличению. К числу предназначенных для людей (гуманизированных) препаратов относятся рекомбинантные моноклональные антитела (смотри ниже) и вакцины. С их помощью лечат диабет (инсулин), рассеянный склероз (β-интерферон), ревматоидный артрит (моноклональные антитела против фактора некроза опухоли), анемии (эритропоэтин), вирусные инфекции (α-интерферон, вакцина против гепатита В), разрушают тромбы при инфарктах (урокиназа, тканевой активатор плазминогена). Ряд препаратов включён в курс терапии онкологических заболеваний.

В клетках микроорганизмов не все животные белки образуют правильную пространственную структуру и подвергаются необходимым модификациям. Поэтому в ряде случаев для производства биологически активных белков используют культуру клеток высших животных, где эти трудности преодолеваются, например, при получении эритропоэтина. Промышленное культивирование клеток осуществляют в аппаратах большого объёма, в так называемой глубинной культуре, что требует значительных затрат и особых мер по поддержанию стерильности среды во время процесса, иногда длящегося десятки суток. Генетическая инженерия растений направлена, прежде всего, на улучшение их технологических свойств. Кроме того, растения используются в качестве фабрик по производству генно-инженерных белков (лекарств, вакцин) или химических веществ и конструкционных материалов.

Сельскохозяйственная биотехнология. Хотя работы по созданию растений, устойчивых к гербицидам и вредным насекомым, велись с начала 1980-х годов, внедрение их на полях США, а затем других стран началось в 1996 году. Генетически модифицированные (трансгенные) растения оправдали связанные с ними ожидания: повысилась урожайность, на 40- 70% снизилось применение гербицидов. С 1996 по 2002 год площади, занятые под такими растениями, увеличились с 1,7 до 58,7 миллион га, и их прирост составляет 12-15% в год. Основные страны, культивирующие генетически модифицированные растения (хлопок, табак, кукурузу, сою, рапс, картофель), - США, Аргентина, Китай, Индия, а с 2004 года - страны Европейского экономического союза (ЕЭС), Бразилия, Мексика. Созданы генно-инженерные растения следующего поколения, которые наряду с устойчивостью к повреждению насекомыми, вирусным и грибковым заболеваниям содержат белки с улучшенным аминокислотным составом, повышенное содержание витаминов, жиров оптимальной структуры и т. д. Примером может служить сорт риса с высоким содержанием β-каротина («золотой рис»), призванный ликвидировать дефицит витамина А у сотен миллионов жителей Юго-Восточной Азии. Получен сорт кофе «арабика», который не содержит кофеина, что позволит снизить затраты на производство декофеинизированного продукта. Созданы быстрорастущие виды деревьев с высоким содержанием целлюлозы в древесине, что важно для целлюлозно-бумажной промышленности.

Растения могут использоваться для получения белков человека, рекомбинантных вакцин, моноклональных антител. Их преимущество заключается в отсутствии возможного загрязнения конечных продуктов вирусами животных и в более дешёвом производстве, даже по сравнению с микробиологическим синтезом. В стадии испытаний находятся вакцины, которые будут вводиться в организм в процессе приёма соответствующих овощей или фруктов. Учитывая экономические преимущества, предпринимаются попытки использовать растения для производства биодеградируемых пластиков (полигидроксиалканоатов) или суперпрочных и эластичных волокон (белки паутины).

Общественность неоднозначно воспринимает введение в сельскохозяйственный  оборот генетически модифицированных растений, особенно использование их для производства продуктов питания, несмотря на многолетние испытания и значительный опыт промышленного производства, не выявившие у них никаких вредных свойств. Во многих странах принимаются законы и правила, ограничивающие их распространение (во многих государствах ЕЭС, Канаде такие продукты отмечают специальной маркировкой).

Известно немного примеров применения генетической инженерии для улучшения пород животных и продуктов животноводства. Один из них - улучшение качества молока (обеспечивающее повышение термостабильности и качества сыра) путём введения коровам дополнительного гена, кодирующего казеин κ. Другой - выведение породы коров, устойчивой к губчатому энцефалиту (коровьему бешенству). Болезнь развивается из-за того, что определённый белок принимает конформацию, отличную от той, какой он обладает в здоровом организме (смотри Прионы). Получена мутация в гене, кодирующем этот белок, которая сделала невозможным изменение его структуры. В ветеринарии и животноводстве используются также рекомбинантные белки: гормон роста свиней помогает получить нежирное мясо, гормон роста крупного рогатого скота - повысить удои молока. Ведутся работы по использованию гормона роста рыб в процессе разведения лососёвых и других пород.

Медицинская биотехнология. Для получения нужных белков в медицине также используются животные. При этом чаще всего целевой (обеспечивающий проявление необходимого признака) ген соединяют с регуляторными системами генов, кодирующих белки молока (казенны, альбумин). В этом случае экспрессия чужеродных генов осуществляется только в период лактации и только в молочной железе. В качестве таких биофабрик используют овец и коз, реже коров. Таким образом, получены гормон роста, фактор свёртывания крови IX, химозин (фермент, используемый в сыроварении). В качестве перспективных методов рассматривается секреция гетерологичных (чужеродных) белков в мочу, слюну, семенную жидкость свиней. Идеальным депо для чужеродных белков мог бы стать белок куриного яйца, но использование кур сдерживается отсутствием разработанных методов переноса генов у  птиц.

К числу важных достижений биотехнологии следует отнести создание гибридом - клеточных гибридов, получаемых при слиянии клеток: нормальной, образующей антитела, и опухолевой, способной к неограниченному делению. Это позволило получать в больших количествах антитела с необходимой специфичностью (моноклональные антитела). По технологическим причинам гибридомы практически невозможно получить из клеток человека, и моноклональные антитела нельзя использовать непосредственно для лечения людей. Методами генетической инженерии удалось создать минимоноклональные антитела, представляющие собой фрагменты лёгкой и тяжёлой цепей иммуноглобулина, которые ответственны за распознавание антигена. Минимоноклональные антитела синтезируются клетками микроорганизмов, и их можно вводить в организм человека. На их основе разрабатываются десятки лекарственных средств; появились в продаже первые такие препараты.

Ряд современных медицинских биотехнологий связан с медицинской диагностикой, основанной на использовании моноклональных антител в иммуноферментном анализе, а также с различными методами ДНК-диагностики, основанными на гибридизации. В основе последней технологии лежит определение нуклеотидных последовательностей в геномах патогенных бактерий и вирусов, развитие работ по полиморфизму (наследственному разнообразию) генов человека. Современные модификации заключаются в использовании ДНК-чипов - устройств, представляющих собой пластину площадью около 1 см², на которой в строгом порядке размещены ячейки, каждая из которых содержит одноцепочечные полинуклеотиды определённой последовательности. Число таких ячеек, а следовательно, и количество различных нуклеотидных последовательностей, может превышать 1 миллион на 1 см², их длина варьируется от 9-10 до 1000 нуклеотидов. С помощью этой технологии возможно изучить геном как единое целое, количественно определить уровень экспрессии всех генов любого генома, осуществить быструю и автоматизированного диагностику не только инфекционных болезней, но и системных заболеваний человека и сельскохозяйственных  животных.

Одним из видов биотехнологии является ДНК-вакцинация, когда в организм вводят не убитый вирус и даже не чистые вирусные белки, а определённый ген (кодирующий эти белки фрагмент вирусной ДНК), экспрессирующий этот белок после трансформации в клетки организма-хозяина. Обычно он не встраивается в геном хозяина, но длительно (в течение недель) экспрессирует чужеродный белок, что может модулировать иммунный ответ организма. По технологии ДНК-вакцинация сходна с генотерапией, заключающейся в попытках заменить дефектный ген (гены) организма на здоровые. В качестве векторов для доставки здоровых генов в организм используют различные вирусы, чаще всего аденовирусы. К числу удачных примеров такой терапии можно отнести лечение тяжёлой комбинированной иммуннодефицитности, некоторых форм гемофилии и рака. Однако безопасность использования вирусов в качестве векторов не до конца выяснена, и генотерапия обычно применяется только исходя из жизненных показаний. Надежды медицинской биотехнологии связаны с открытием так называемой РНК-интерференции. Она основана на подавлении генетического материала, который требуется вирусу для размножения. На этой методологической базе с 2002 года разрабатывается ряд лекарств.

Биотехнология рассматривается правительствами многих стран (как развитых, так и развивающихся) как важнейшее направление научно-технического прогресса, призванного внести решающий вклад в здравоохранение, обеспечение населения продовольствием, охрану окружающей среды, снизить негативные последствия исчерпания ресурсов нефти и газа. Смотри также Трансгенные организмы.

Лит.: Manual of industrial microbiology and biotechnology. 2nd ed. Wash., 1999; Патрушев Л. И. Экспрессия генов. М., 2000; Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М., 2002; Егорова Т. А., Клунова С. М., Живухин Е. А. Основы биотехнологии. М., 2003; Сельско-хозяйственная биотехнология. М., 2003.