u_manual

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ: ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.1. Общие принципы конструирования новых организмов для биотехнологии

фективной трансфекции конкретных клеток. Кроме того, процедура инкапсулирования, обычно обработка ультразвуком, часто повреждает крупные молекулы ДНК.

Новым этапом в развитии трансфекционных реагентов стала разработка более эффективной и адресной доставки в специфические клетки-мишени нуклеиновых кислот путем введения в структуру синтетических трансфекци-

онных реагентов и липосом различных лигандов для связывания с мембран-

ными белками-рецепторами. Наличие таких адресных групп (лигандов), узнаваемых клеточными рецепторами, позволяет использовать механизмы ли- ганд-опосредованного эндоцитоза (см. рис. 2.9). В качестве таких лигандов используют белки и пептиды, узнаваемые рецепторами; олигосахариды, поскольку на поверхности многих животных клеток присутствуют лектины – белки-рецепторы, специфически их связывающие; полисахариды. Процессы взаимодействия с клетками таких адресных комплексов ДНК(РНК)- трансфекционный реагент имеют сходство с проникновением в клетку вирусных частиц.

В настоящее время биотехнологические фирмы предлагают широкий спектр разнообразных трансфекционных реагентов – от самых простых и дешевых до самых последних разработок, специализированных под разные типы клеток и задачи. Также интенсивно продолжается создание новых еще более эффективных трансфецирующих реагентов.

Микроинъекция – клеточная мембрана прокалывается микроиглой и раствор, содержащий ДНК, вводится в цитоплазму клетки или напрямую в ядро, если ядро достаточно большое (например, ядро яйцеклетки). Микроинъекция ДНК в клетки млекопитающих стала возможной с появлением прибора для изготовления микропипеток диаметром 0,1–0,5 мк и микроманипулятора. Метод очень эффективен, доля клеток со стабильной интеграцией и экспрессией инъецированных генов может достигать 50 %. Преимущество описываемого метода заключается также в том, что он позволяет вводить любую ДНК в любые клетки и для сохранения в клетках введенного гена не требуется никакого селективного давления.

Баллистическая трансфекция, биобаллистика, или биолистика

(бомбардировка микрочастицами), основана на обстреле клеток микросферами размером около 1-2 мкм, покрытых ДНК. Применяются микрочастицы золота, вольфрама (иногда бывает фитотоксичен), силикона и различные синтетические наносферы. Микрочастицы, покрытые ДНК, проходят через клеточные слои и переносят генетическую конструкцию непосредственно в органеллы и ядра клеток. Созданный для этой цели «генный пистолет» (gene gun), или «генная пушка», который был разработан Д. Сенфордом (J. Sanford) в 1987 г. для введения ДНК в зерна хлебных злаков, по своему устройству сходен с пневматическим оружием (рис. 2.11).

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

71

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ: ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.1. Общие принципы конструирования новых организмов для биотехнологии

а

б

Рис. 2.11. Введение рекомбинантной ДНК в листья растения с помощью многоразового «генного пистолета» фирмы Bio-Rad (а) и его общая схема (б). Гелиевый импульс выбрасывает микрочастицы, покрытые ДНК или РНК, из капсулы с образцом. Микрочастицы, несущие ДНК, ускоряются и фокусируются для максимального проникновения в клетки, продвигаясь по разгоночному каналу и по стволу пистолета, при этом на широком выходе поток гелия диффузно расходится в стороны. Фильтр-спейсер поддерживает оптимальную дистанцию для поражения цели с максимальным удалением гелия, чтобы свести к минимуму повреждающие воздействия на поверхность клеток

Глубина проникновения микрочастиц, как правило, невелика – до 1 мм, однако при особых условиях обстрела микрочастицы могут проникать в ткань на глубину до 4-5 мм и переносить гены, например, в волокна попереч- но-полосатых мышц. Баллистическая трансфекция очень эффективна даже там, где толстые клеточные стенки (дрожжи, растения) являются препятствием для многих других методов доставки, и применяется в том числе для тканей, органов и даже целых организмов. В настоящее время широко используется в генотерапии, для получения трансгенных животных и растений.

Такое разнообразие средств и методов трансфекции обусловлено различными задачам, широким спектром используемых клеток-мишеней и типов доставляемых в клетки нуклеиновых кислот, а также потребностями общества в получении все более эффективных средств доставки генетической информации в клетки, ткани и целые организмы. Особое внимание уделяется развитию трансфекционных реагентов и методов в связи с поразительными перспективами генной терапии человека, для которой необходимы адресные высокоэффективные и безопасные средства генной доставки.

Стабильное и транзиентное внедрение чужеродной ДНК в клетку.

После введения рекомбинантной ДНК в эукариотическую клетку, лишь ее малая часть оказывается в ядре, поскольку ядерная мембрана является труднопреодолимым барьером для чужеродной ДНК. В ядре рекомбинантная ДНК может быть интегрирована в хромосому или некоторое время существовать во внехромосомном состоянии. Соответственно, различают стабильную трансфекцию, когда рекомбинантные ДНК интегрируются в хромосомы клеток-реципиентов и становятся их неотъемлемой частью, а также временную, или транзиентную, трансфекцию (transient transfection), при которой мо-

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

72

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ: ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.1. Общие принципы конструирования новых организмов для биотехнологии

лекулы рекомбинантной ДНК существуют и транскрибируются в ядрах во внехромосомном состоянии непродолжительное время. Стабильное наследование внедренной чужеродной ДНК – основное условие получения трансгенных организмов для хозяйственных целей. Поэтому разработке методов введения ДНК в клетки, ведущих к получению большей доли стабильных трансформантов, уделяется особое внимание. Кроме того, большой процент стабильных трансформантов, также позволяет отказаться от селективных и маркерных генов, являющихся балластными при создании трансгенных организмов.

2.1.7. Проблемыэкспрессиичужеродныхгенов

Чем обусловлено такое разнообразие клонирующих векторов и орга- низмов-хозяев, используемых для получения биотехнологической продукции? Основная задача гетерологичной экспрессии в биотехнологии – получение в больших количествах функционально активного белка в природной конформации с корректными посттрансляционными модификациями. Еще одним условием биотехнологического производства считается минимизация затрат на единицу продукции. Чем проще организм, тем проще и дешевле культивирование его клеток. Самым простым вариантом экспрессии является бактериальная экспрессия, но в прокариотических организмах невозможны многие посттрансляционные модификации. Кроме того, часто невозможно обеспечить правильное сворачивание (правильный фолдинг) многих эукариотических белков. Неспособность прокариот синтезировать аутентичные варианты белков обусловлена в основном отсутствием у них адекватных механизмов внесения специфических посттрансляционных модификаций.

1.Образование дисульфидных связей. Эту реакцию катализирует фермент дисульфидизомераза. Неправильно уложенный белок оказывается нестабильным и неактивным.

2.Протеолитическое расщепление предшественника, удаление определенного участка полипептидной цепи с образованием функционально активного белка.

3.Гликозилирование – основная модификация, благодаря которой белки приобретают стабильность, а в некоторых случаях – особые свойства. Наиболее распространенная реакция гликолизирования – это присоединение специфического сахарного остатка либо к серину или треонину (О-гликозилирование), либо к аспарагину (N-гликолизирование).

4.Модификации аминокислот в составе белка: фосфорилирование, ацетилирование, ацилирование, гамма-карбоксилирование, сульфатирование, миристилирование, пальмитоилирование и др.

Клетки дрожжей, млекопитающих и насекомых могут осуществлять часть или все посттрансляционные модификации синтезируемых рекомбинантных белков, но их использование в качестве биопродуцентов ограничено

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

73

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ: ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.1. Общие принципы конструирования новых организмов для биотехнологии

высокой себестоимостью выхода рекомбинантных белков по сравнению с прокариотическими клетками.

В настоящее время не существует единого алгоритма получения рекомбинантного функционально активного белка в больших количествах. Имеются только самые общие рекомендации по выбору экспрессионной системы в зависимости от размеров, структуры белка, его свойств и наличия у него посттрансляционных модификаций. Общей практикой является эмпирический подбор экспрессионной системы для каждого конкретного белка, когда пробуются все имеющиеся в распоряжении исследователя экспрессионные системы от E. coli до клеток млекопитающих (в случае сложных белков).

Уровень экспрессии чужеродного гена также зависит от конструкции экспрессионной кассеты вектора. Коммерческие векторы обычно содержат в составе экспрессионной кассеты весь необходимый набор регуляторных элементов для высокоэффективной генной экспрессии в конкретной клеткемишени (или универсальные элементы для нескольких хозяев). Регуляторные элементы чужеродного гена, если таковые у него имеются, должны хорошо работать в клетке-хозяине. Помимо этого, для лучшей экспрессии гена на уровне трансляции мРНК желательно приблизить набор кодонов к типичному для клетки-хозяина. Обычно для этого посредством направленных точечных мутаций заменяют «редкие» кодоны на синонимичные «частые», что не сказывается на первичной структуре белка. В результате экспрессия гена в различных системах может быть усилена до 300 раз. Иногда в структурной части генов могут присутствовать какие-либо нежелательные сигнальные последовательности, например, узнаваемые на уровне мРНК ферментами сплайсинга или деградации в случае эукариотической экспрессии, или терминаторы транскрипции для прокариотической экспрессии, сигналы, узнаваемые ферментами модификации на уровне белка. Наличие таких скрытых («криптических») сигналов ведет к резкому снижению экспрессии гена в клетке-хозяине, поэтому их обычно удаляют также путем точечных замен оснований.

2.1.8.Выделениегенетическимодифицированныхорганизмов

ипроблемаудалениямаркерныхгенов

Поскольку эффективность введения рекомбинантной ДНК в клетку никогда не бывает 100 %, а эффективность получения стабильных трансгенных клеток вообще очень мала, всегда используются различные методы селекции для выделения трансформированных клеток. В состав рекомбинантных генетических конструкций вводят специальные гены селекции, например, гены устойчивости к антибиотикам и/или репортерные (маркерные) гены, кодирующие какой-либо легко идентифицируемый признак (окраска клеток генами флуоресцентных белков). При низкой эффективности трансфекции очень удобно использовать гены устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам и другим веществам, а также различные гены метаболизма, придающие толь-

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

74

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ: ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.1. Общие принципы конструирования новых организмов для биотехнологии

ко трансформированным клеткам способность расти на селективной среде. Если эффективность трансфекции достаточно высока, можно проводить отбор полученных трансформантов с помощью прямого анализа ДНК (например, методом ПЦР) и в этом случае можно обойтись без генов селекции. Часто репортерный ген необходим наряду с селективным геном, по которому идет отбор трансформантов, для оценки уровня экспрессии целевого гена. Полученные в одном эксперименте трансгенные организмы могут сильно различаться по уровню экспрессии чужеродного гена, вследствие различного встраивания в геном клетки-хозяина и различного состояния геномов после такого встраивания.

Задача получения трансгенных организмов для хозяйственных целей включает в себя также получение коммерциализированных трансгенных организмов без каких-либо селективных и/или маркерных генов. Это обусловлено несколькими причинами:

1. Потребность минимизировать воздействие на уже сформированный в процессе длительной эволюции генетический аппарат клетки-хозяина и убрать дополнительную метаболическую нагрузку клетки на экспрессию маркерного гена. Все это необходимо для стабилизации самого трансгенного организма и его приобретенного признака, а также для повышения его жизнеспособности.

2. Озабоченность общественного мнения неконтролируемым распространением в окружающей среде селективных и маркерных генов и, прежде всего, генов устойчивости к антибиотикам. Эти опасения можно считать реальными только в случае трансгенных микроорганизмов, поскольку ни один факт природной передачи генов от высших растений или животных к микроорганизмам науке не известен. Кроме того, селективные гены взяты из природных популяций микроорганизмов, где они сейчас широко распространены в результате активного применения антибиотиков в медицинской практике. Поэтому вероятность попадания гена устойчивости к антибиотику в микрофлору человека из природного резервуара несравнимо реальнее, чем, например, при употреблении трансгенных растений. Однако, учитывая настроения общественности, разрабатываются подходы для исключения присутствия «подозрительных» генов в трансгенных формах.

3. Проблемы у потребителей ГМО, вызванные в редких случаях балластным продуктом маркерного гена, например, аллергические реакции на продукт маркерного гена у животных и человека при потреблении генетически модифицированных растений. Хотя в этом случае возникновения проблемы можно не допустить использованием в качестве маркеров генов из традиционных пищевых источников.

4. Необходимость удаления маркерного гена, уже использованного для селекции. Это важно при последовательном введении нескольких генетических конструкций в один организм, поскольку количество эффективных селективных генов ограничено.

Один из экспериментальных подходов к получению безмаркерных эукариотических трансгенных организмов – котрансфекция одного организма двумя генетическими конструкциями: одна – с целевым геном, другая – с

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

75

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ: ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.1. Общие принципы конструирования новых организмов для биотехнологии

маркерным. В этом случае с большой вероятностью (30–80 %) полученный селекцией трансгенный организм содержит и целевой ген, причем обе рекомбинантные конструкции интегрированы в различные локусы хромосомнойДНК. Далее маркерный ген можно удалить с помощью обычного скрещивания.

Другой вариант – использование подвижных генетических элементов для перемещения маркерного гена в другой хромосомный сайт трансгенногоорганизма. Например, при получении трансгенного растения селективный маркер был встроен между растительными подвижными мобильными Ds-элементами рядом с геном транспозазы, которая вырезает встроенную между Ds-элементами ДНК и перемещает ее в другой локус. В процессе встраивания в хромосому растения-хозяина в 50 % случаев маркерный ген находился далеко от целевого гена. Таким образом, селективный маркер может использоваться для отбора трансгенных растений, а потом удаляться скрещиванием.

Разработка высокоэффективных средств доставки ДНК в клетки позволит, наверное, совсем обойтись без селективных и маркерных генов при получении трансгенных организмов. В настоящее время это практически невозможно, по крайней мере, на первых этапах сборки генетической конструкции для трансфекции, которая обычно проводится в клетках E. coli. Но на финальном этапе получения трансгенных организмов существующие способы доставки иногда позволяют получать трансгенные организмы без какихлибо маркерных генов, хотя это более дорогой и трудоемкий вариант.

2.2.Трансгенныемикроорганизмы

иклеточныекультуры

Микроорганизмы с древних времен участвовали в биотехнологических процессах в различных сферах практической деятельности человека, таких как хлебопечение, виноделие, приготовление кисломолочных продуктов и т.д. Эта разнородная группа микроскопических организмов, искусственно объединенная на основании размера, стала базой многочисленных хозяйственных биотехнологических производств, сложившихся в промышленную микробиологию. Быстрый рост и огромное генетическое разнообразие микроорганизмов позволяют за короткий промежуток времени осуществить синтез больших количеств целевого продукта в строго контролируемых условиях.

Возникновение генной инженерии в середине 1970-х гг. (перенос чужеродных генов, придающих новые полезные свойства организму хозяина) придало огромный импульс развитию биотехнологических производств. Возможность конструировать организмы с заданными свойствами видоизменила структуру и содержание промышленной микробиологии. Во-первых, существенно повысилась продуктивность промышленных микроорганизмов

– продуцентов классических продуктов посредством усовершенствования имеющегося метаболического пути (введения дополнительных генов, увеличения их количества или активности). Во-вторых, внедряя в микробную клетку чужеродные гены, удалось получить микроорганизмы, синтезирую-

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

76

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ: ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.2. Трансгенные микроорганизмы и клеточные культуры

щие несвойственные им вещества, например, белки крови человека (интерфероны, интерлейкины, инсулин и др.), что значительно увеличило разнообразие биотехнологической продукции.

Таким образом, стало возможным преобразование клеток бактерий, дрожжей и млекопитающих в «фабрики» для масштабного производства антибиотиков, белков, жиров, аминокислот, а также для получения безопасных и дешевых вакцин. Практически любое современное биотехнологическое производство основано на использовании трансгенных организмов.

2.2.1. Рекомбинантныемикроорганизмы дляполучениякоммерческихпродуктов

Именно бактерии стали первыми ГМО благодаря простоте организации их генома и манипуляций с клетками. Первый патент на генетически модифицированный штамм микроорганизмов, который был способен разлагать нефть, был выдан в США в 1980 г . всего через 8 лет после работы Берга по конструированию рекомбинантной ДНК. Еще через два года был разрешен для клинического использования синтезированный в бактерии E. coli первый лекарственный препарат – рекомбинантный человеческий инсулин. Сейчас промышленная микробиология с использованием ГМ микроорганизмов развивается в основном по следующим направлениям:

1)производство продуктов биосинтеза трансгенных микроорганизмов, например, антибиотиков, гормонов, ферментов и витаминов;

2)использование биомассы микроорганизмов – производство медицинских вакцин, различных дрожжей, белково-витаминных концентратов и заквасок для получения кисломолочных продуктов и силосования кормов;

3)биотехнологии, основанные на уникальных способностях некоторых бактерий производить органические кислоты, этанол, углеводы и метан. Сюда же можно отнести и переработку некоторых отходов с возможностью получения полезных соединений, в первую очередь горючих газов (биотипливо).

Использование трансгенных микроорганизмов в медицине. В на-

стоящее время биотехнология на основе использования трансгенных микроорганизмов предлагает новые подходы к разработке и производству фармацевтических препаратов, а также позволяет выпускать в достаточных количествах широкий спектр лекарственных средств, которые раньше были малодоступны. Среди примерно 40–50 новых видов лекарств, вакцин и препаратов для диагностики, появляющихся на рынке ежегодно, 10–15 получены с помощью генно-инженерных методов, причем многие из них предназначены для лечения болезней, которые ранее считались неизлечимыми.

К самому большому классу лекарств, получаемых путем микробного синтеза, относятся антибиотики. По разнообразию и показаниям к применению они занимают первое место среди продукции мировой фармацевтической промышленности. Сегодня известно более 6 000 видов антибиотиков, более 100 из которых находят применение в медицинской практике, в том числе

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

77

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ: ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.2. Трансгенные микроорганизмы и клеточные культуры

при лечении таких тяжелых заболеваний, как туберкулез, менингит, плеврит, пневмония. Отдельные антибиотики, такие как блеомицин, применяют при лечении онкозаболеваний. Объем мирового рынка антибиотиков увеличивается в последнее время на 10–20 %/год и составляет более 23 млрд дол.

Вторым классом лекарственных препаратов, производимых биотехнологическим путем в микроорганизмах, являются гормоны. В медицинских целях применяются два основных типа гормонов, различающихся по молекулярному строению: стероидные и пептидные. Среди стероидных гормонов можно выделить кортизон и преднизолон, которые широко используют при лечении различных аллергических заболеваний, в том числе такого тяжелого, как бронхиальная астма, а также ревматоидного артрита и других недугов. Другой обширной группой стероидов являются половые гормоны, такие как эстроген, широко применяемые для оральной контрацепции и лечения ряда заболеваний. Пептидные гормоны сейчас практически целиком производятся путем синтеза с помощью генетически модифицированных микроорганизмов. Сюда можно отнести уже упоминавшийся инсулин, а также такие антивирусные, антиопухолевые и иммуномодулирующие агенты, как интерфероны и интерлейкины.

Особое место среди лекарственных средств занимают ферменты, которые в широком диапазоне могут синтезировать ГМ-микроорганизмы. Ферменты используются – для лечения самых различных патологий: протеазы и липазы – для коррекции пищеварения; протеазы – для удаления некротических тканей, протеиназы с фибринолитическим действием – для растворения тромбов, а антикоагулянты, например плазмин, эффективны при лечении инфаркта миокарда и многие другие.

Важный вклад микробной трансгенной биотехнологии в медицину состоит в получении профилактических препаратов, в первую очередь это производство вакцин против различных инфекций. Необходимый антиген можно получить с помощью непатогенного (аттенуированного) микроорганизма, инактивированного генно-инженерными методами, либо экспрессией рекомбинантного антигена и таким образом избежать опасностей, связанных с применением инактивированных вакцин.

К числу важных практических достижений генной инженерии необходимо отнести и получение диагностических препаратов.

Использование биомассы ГМ-микроорганизмов. Согласно прогнозам,

к 2050 г. население Земли возрастет до 10 млрд чел. и для обеспечения его потребности в продукции сельского хозяйства нужно будет увеличить объем производства на 75 %. При этом человеку недостает в первую очередь белка животного происхождения, который по аминокислотному составу более богат, чем растительный белок. Промышленная микробиология поставляет животноводству, по крайней мере, три вида важных веществ: кормовой белок и белково-витаминные концентраты (БВК), незаменимые аминокислоты и кормовые антибиотики. Добавление 1 т БВК в корма обеспечивает экономию 7 т фуражного зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины или 5 т мяса птицы. Включение 1 т ГМ кормовых дрожжей в рацион телят и поросят

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

78

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ: ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.2. Трансгенные микроорганизмы и клеточные культуры

позволяет экономить 6 т цельного молока. Эти ценные продукты получаются путем переработки ГМ-микроорганизмами подсолнечной лузги, кукурузных кочерыжек, соломы и других отходов сельского хозяйства, которые содержат клетчатку.

Второй вид сельскохозяйственной биотехнологической продукции – незаменимые аминокислоты, производство которых для медицины и пищевой промышленности интенсивно развивается во всем мире. Среди них такие, как лизин и метионин, которые обязательно должны содержаться в готовом виде в пище человека и кормах животных. Метионин производят с помощью химической технологии, а лизин – в основном биотехнологически за счет ГМ-микроорганизмов. Добавление лизина в корм скоту резко увеличивает объем мясной продукции: на 1 т лизина высвобождается 40–50 т фуражного зерна и получается дополнительно более 10 т мяса.

Помимо этого, в последнее время в животноводстве и растениеводстве используется около 100 биопрепаратов, таких как стимуляторы роста животных и растений, энтомопатогены и ГМ бактериальные удобрения. Применение таких средств позволяет отказаться от использования или снизить в разы количество применяемых химических средств защиты и минеральных удобрений, что приводит к повышению качества продукции и созданию экологически чистых технологий.

Использование ферментов и добавок в пищевой и кормовой про-

мышленности, произведенных с помощью ГМ-микроорганизмов, означает, что ГМ-микроорганизмы инактивированы, разрушены или удалены из конечного продукта. Генетически модифицированные дрожжи, грибки и бактерии используют для этих целей уже более десятилетия. В качестве примеров можно привести используемую в хлебопечении альфа-амилазу, применяемую при производстве фруктозы глюкозоамилазу и необходимый для ферментации сыра фермент химозин. Большинство используемых в пищевой промышленности трансгенных микроорганизмов являются производными микроорганизмов, применяемых в традиционной пищевой биотехнологии.

В ряде стран трансгенные микроорганизмы разрешены также для производства микронутриентов, таких как витамины и аминокислоты, используемых в качестве продуктов питания или добавок к рациону. Примером является производство каротиноидов (используемых в качестве пищевых добавок, красителей и добавок к рациону) в ГМ бактериальных системах. В будущем в ГМ -микроорганизмы можно будет интегрировать целые метаболические пути, что позволит синтезировать совершенно новые соединения.

Для нужд животноводства с помощью генной инженерии разработаны такие ветеринарные продукты, как бычий соматотропин, применяемый для повышения эффективности производства молока. В некоторых странах бычий соматотропин впервые появился на рынке более 10 лет назад.

Микроорганизмы в качестве продуктов питания. В настоящее время на рынке нет коммерческих продуктов, содержащих живые генетически модифицированные микроорганизмы. В 1993 г. в Великобритании ГМ-дрожжи получили официальное одобрение для использования в пивоваренной про-

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

79

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ УСПЕХИ ГЕНОМИКИ: ТРАНСГЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ

2.2. Трансгенные микроорганизмы и клеточные культуры

мышленности, однако попытки коммерциализовать продукт не предпринимались. К другим микроорганизмам, использующимся для производства продуктов питания (находящимся на стадии исследований и разработки), относятся сбраживающие культуры для хлебопечения и пивоварения и молочнокислые бактерии, применяемые при производстве сыра. Целью исследований и разработки также является минимизация инфицирования патогенными микроорганизмами и повышение питательной ценности и вкусовых качеств конечного продукта.

Предпринимаются также попытки генетически модифицировать микроорганизмы пищеварительного тракта крупного рогатого скота с целью защиты животных от отравляющих компонентов корма. Современные методы биотехнологии используют также для создания пробиотиков – микроорганизмов, употребление определенного количества которых с пищей оказывает положительное влияние на здоровье.

Биоремедиация. Известно, что основной вред окружающей среде наносят стоки химических предприятий, содержащие различные синтетические органические соединения, разложение которых в природе происходит крайне медленно. Многие из таких отходов являются ксенобиотиками – токсичными веществами, не включающимися в метаболизм живых организмов. Микробиологи изучают пути катоболизма ксенобиотиков, возможности их разложения и детоксикации. Среди огромного разнообразия бактерий можно найти отдельные организмы, использующие самые уникальные варианты путей метаболизма, включающие необычные химические соединения. Опираясь на глубокие знания физиологии бактерий, ученые создают ГМ-микроорганизмы с такой комбинацией метаболических путей, что становится возможна переработка или разложение самых необычных, в том числе токсичных, соединений. На основе этих исследований создают биотехнологические способы очистки воды от неприродных соединений, а также методы, позволяющие контролировать загрязнения окружающей среды. В настоящее время ежегодный объем продаж таких препаратов для контроля и мониторинга загрязнений составляет около 10 млн дол., а в ближайшей перспективе эта цифра может достичь 200 млн дол.

Еще одна беда, стоящая перед человечеством, – загрязнение земель и водоемов нефтью и нефтепродуктами. Подобные загрязнения занимают огромные площади вокруг мест добычи нефти, нефтеперерабатывающих предприятий и портов. Нередко причинами экологических бедствий становятся аварии на судах, особенно танкерах, когда нефтью загрязняются акватории и берега рек и морей. Методы генной инженерии активно используются для разработки штаммов-деструкторов, способных быстро разлагать массивные скопления нефтепродуктов.

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

80