Популярно о микробиологии - Михаил Бухар

Методы генетической инженерии произвели настоящую революцию в прикладной микробиологии. Сейчас стало возможным внедрить в клетку одного микроорганизма, обладающего рядом преимуществ (скажем, растущего на более дешевом субстрате), фрагмент (фрагменты) молекулы ДНК из другого микроорганизма, способного осуществлять синтез или сверхсинтез важного целевого продукта. От скольких сложностей избавляют технологов методы генетической инженерии, видно из шуточного описания трудностей, связанных с получением гормонов с использованием обычных методов выделения, взятого нами из книги «Физики продолжают шутить»[4]. «Переработав тонну свежих бычьих желез, он (физиолог) выделяет 10 граммов чистого гормона и отправляет их к специалисту по физхимии на анализ. Физхимик обнаруживает, что 95 % очищенного физиологом гормона составляют разного рода примеси, а остальные 5 % содержат по крайней мере три разных вещества. Из одного такого вещества он успешно выделяет 10 миллиграммов чистого кристаллического гормона…»

Можно себе представить, сколько хлопот доставляет получение большого количества физиологически активных соединений, если обычно вес таких веществ, вырабатываемых в организме незначительным числом специализированных клеток, измеряется в микрограммах[5].

Получить эти вещества с помощью культуры животных клеток высших организмов затруднительно, так как они требуют строгого соблюдения стандартных условий и относительно дорогих сред. Кроме того, животные клетки размножаются значительно медленнее микробных. Возникла мысль: а нельзя ли, введя в них соответствующую программу и опираясь на относительно простую технологию выращивания, заставить микробные клетки синтезировать эти вещества? Оказалось, можно. Таким путем удалось заставить бактериальную клетку вырабатывать гормон роста — соматотропин, который обычно образуется только клетками высших организмов.

Эта работа имеет принципиальное значение, поскольку впервые удалось заставить бактериальную клетку вырабатывать животный белок, что открывает блестящие перспективы получения методами промышленной микробиологии продуктов, получаемых только из клеток животных. Таким образом, удается синтезировать такие важнейшие физиологически активные вещества, как инсулин, интерферон, гормон роста и т. п.

Список новых веществ, получаемых методами генетической инженерии, растет с каждым днем. Дрожжевые клетки, модифицированные 12 генами, производят артемизинин — самое эффективное средство для лечения малярии. Продукции одного 50-тонного ферментера хватит для лечения всех 500 млн людей, ежегодно заболевающих малярией. При этом стоимость препарата снизится в 10 раз! Ресверотрол — вещество, только недавно обнаруженное в микроколичествах в красном вине и снижающее риск сердечно-сосудистых заболеваний, уже получают в промышленных масштабах методами генетической инженерии.

Именно ей мы отводим ведущую роль, когда говорим о биотехнологии. При этом все выглядит довольно просто: выделяется ген, ответственный за биосинтез целевого, довольно дорогостоящего, продукта, после некоторых манипуляций этот ген вводят в ДНК микроорганизма-хозяина, и клетки последнего становятся продуцентом целевого продукта.

Однако нам бы не хотелось, чтобы у читателя сложилось мнение, что после введения соответствующего гена все проблемы решаются сами собой. Отнюдь. Между введением гена в ДНК микроорганизма и реальным получением ценного целевого продукта, который этот ген кодирует, лежит трудный путь, связанный с необходимостью проведения большого объема работ. Во-первых, нужно заставить организм-хозяин, в который введен новый ген, принять его. И тут возникают проблемы отторжения, аналогичные тем, которые появляются при пересадке органов. Этот ген должен в процессе размножения оставаться в клетке и не элиминироваться, т. е. не отторгаться и не выбрасываться из ДНК. Во-вторых, нужно, чтобы культура (микроорганизм-хозяин) была достаточно неприхотлива к питательным средам и при этом обладала большой скоростью роста. В-третьих, необходимо создать экономически выгодные условия культивирования. Это означает, что культура должна расти при невысоких температурах, чтобы не потребовались дополнительные энергетические затраты на поддержание постоянной повышенной температуры в ферментере; потребности в аэрации растущей культуры тоже должны быть не очень большими.

Перечень требований можно было бы продолжить, но тогда наша книга превратится в пособие по биотехнологии. Добавим только, что желательно, чтобы целевой продукт был не очень сильно связан со структурными компонентами клетки и мог бы легко отделяться от них, например за счет секреции в культуральную жидкость.

Требования, которые предъявляются технологией к культурам-продуцентам, напоминают претензии разборчивой невесты из «Женитьбы» Н. В. Гоголя. «Если бы губы Никанора Ивановича да приставить к носу Ивана Кузьмича, да взять сколько-нибудь развязности, какая у Балтазара Балтазарыча, да, пожалуй, прибавить к этому еще дородности Ивана Павловича…»

Именно эту задачу придания различных полезных свойств микроорганизмам и призвана решать генетическая инженерия. Она находится в начале своего развития, ей всего лишь чуть больше 35 лет. Наиболее впечатляющие ее успехи послужили основой создания новых видов не только микроорганизмов, но и растений и животных. Более того, можно не без основания предполагать, что генетическая инженерия сможет помочь (и уже помогает!) в том числе в борьбе с наследственными болезнями человека.

Глава 21

Микробы и ферменты

Около 100 лет тому назад в 1907 г. Эдвард Бюхнер (не путать с Эрнестом Бюхнером, изобретателем воронки Бюхнера) получил Нобелевскую премию за открытие ферментации бесклеточными экстрактами из дрожжей. Растерев дрожжевые клетки с кварцевым песком и отфильтровав полученную жидкость, Бюхнер получил «вытяжку», способную проводить ферментацию сахара так же, как и живые клетки.

С ферментацией (от латинского fermentare — вызывать брожение) человек ознакомился еще в доисторические времена, когда началось производство и потребление спиртных напитков. Но только лишь в XVIII в. было изучено, как происходит этот процесс, т. е. как сахар превращается в спирт и углекислый газ. Наблюдения А. Левенгука и классические опыты Л. Пастера показали, что ферментация возможна только в присутствии живых клеток.

Полученные Бюхнером результаты противоречили этим утверждениям. Объединить две противоположные точки зрения могло только предположение, что и в клеточном экстракте, и в самих дрожжах присутствует одно и то же действующее начало. Из этого следовало, что никаких различий между химией живого и неживого не существует и что действующее начало может работать и вне живой клетки, если его удается выделить из нее в нативном (неповрежденном) виде.

Этому действующему началу подобрали название — энзим (фермент), и с этого времени энзимология стала бурно развиваться. Оказалось, что в живой клетке присутствует множество ферментов (на сегодня их известно около 3700!) и они служат катализаторами всех протекающих в ней биохимических реакций. Ферменты намного эффективнее обычных химических катализаторов — по сравнению с ними они ускоряют реакции в сотни и тысячи раз. Ферменты участвуют в разложении веществ, биосинтезе, получении энергии, при фото- и хемосинтезе, передаче наследственной информации и даже для исправления в ней ошибок.

Одной из главнейших функций живого является сохранение вида. Для ее выполнения требуется проведение множества биохимических реакций. Сравнивая микроорганизм с микроскопическим заводом, можно сказать, что ферменты — обширный и разнообразный станочный парк этого завода. Они являются теми высокоточными инструментами, с помощью которых клетка штампует различные комплектующие, используемые для последующего монтажа изделия главного сборочного конвейера — новой клетки. Если же нас интересует один из продуктов метаболизма, то нужно выделить соответствующий фермент и использовать его для получения целевого продукта вне связи с общей задачей выживания.

Хотя ферменты и содержатся во всех живых клетках, в промышленных масштабах их получают в основном из клеток микроорганизмов. Это самый удобный источник получения ферментов, так как их концентрация может быть значительно увеличена за счет изменения условий культивирования или генетических манипуляций.

После получения и выделения ферментов необходимо, не нарушая тонкой структуры, сохранить их в работающем состоянии и создать условия, в которых их активность сохранялась бы достаточно долго. Подобно мифическому Антею, оторванному Гераклом от матери-Земли, ферменты, отделенные от клетки, быстро теряют активность. Эта проблема стабильности успешно решается с помощью техники иммобилизации. Ферменты прикрепляются химическими связями к носителю или включаются в объем органических полимерных гелей. Таким образом получают высокоэффективные, высокоспецифичные биокатализаторы пролонгированного действия, позволяющие поднять производительность многих производств.