Глик, Пастернак - Молекулярная биотехнология - 2002 (947307), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Этн бактериальные клетки работали как биолоп1ческие фабрики по производству человеческого инсулина, который после соответствующей очистки мог использоваться как лекарственный препарат для больных диабетом, дающих аллергическую реакцию на свиной инсулин. Еше десять лет назад такое развитие событий представ- лялось нереальным, но сегодня все это стало вполне привычным. Головокружительный взлет стоимости акций компании Сспептссп предопределялся как рсачьной оценкой потенциала технологии рекомбннантных ДНК, так и мечтами о будущих возможностях. Многие думали, что новая технология станет тем рогом изобилия ХХ века, который напоит и накормит всех желающих. Эти мечты подпитывались энтузиазмом газетных и журнальных публикаций и телевизионных репортажей, подогревались активностью биржевых брокеров и научно-фантастическими сюжетами.
Воображение будоражили полчища удивительных микробов, растения и животные, созданные человеком, Энтузиасты предрекали, что генноинжснсрные микробы вытеснят химические удобрения, будут уничтожать разливы нефти; появятся растения с передающимися по наследству устойчивостью к вредителям и исключительно высокой питательной ценностью; будут созданы сельскохозяйственные животныс, более эффективно усваивающис пишу, быстро прибавляющие в весе и дающие нежирное мясо. Казалось, что коль скоро конкретные биологические свойства обусловливаются одним или несколькими генами (единицами наследственности), создание организмов с новым генетическим устройством не составит труда. И в самом деле, хотя шумиха, поднятая вокруг новой технологии, была не совсем адекватной, увлечение этой идеей имело основания.
Прошло немногим более пятнадцати лет, и многие наиболее разумные проекты стали реальностью. В своей книге мы расскажем о том, как это произошло и каковы перспективы применения технологии рекомбинантных ДН К. Гб ГЛАВА ! Стратегия иерсноса функциональной единицы наследственности (гена) из одного организма в другой была разработана американскими учеными Стэнли Коэном и Гербертом Бойером в 1973 г. И Коэну, и Бойеру, и многим другим было ясно, что технология рекомбинантных ДНК предоставляет огромные возможности. Как в то время отмечал Коэн, «...есть надежда, что удастся ввести в (бактериальную клетку! Е.
сон гены„ассоциированные с метаболическими или синтетическими функциями, присущими другим биологическим видам, например гены фотосинтеза или продукции антибиотиков». Однако одним из первых откликов научного мира на создание новой технологии был мораторий на некоторые биотехнологические эксперименты„считавшиеся нотснциальио опасными. Запрет на собственные исследования был провозглашен группой молекулярных биологов, включая Коэна и Бойера.
Они считали, что объединение генов, происходящих из двух разных организмов, может случайно привести к созданию нового организма с нежелательными и опасными свойствами. Прошло несколько лет, у ученых накопился опьп работы с новой технологией„были согласованы инструкции по обеспечению безопасности этих работ, и страсти постепенно улеглись. Временное прекращение реализации некоторых научных проектов, связанных с рскомбинантными ДНК, не уменьшило энтузиазма генных инженеров.
Новая технолопш нродолжает привлекать беспрецедентное внимание как со стороны общественности, так и со стороны ученых. Весть о клонировании генов, осуя!сствлснном Коэнам и Бойером, облетела весь мир. Многие исследователи немедленно оценили все преимущества этой стратегии и создали огромное количество методик, следуя которым, можно было с высокой эффективностью и относительно просто идентифицировать, выделять, охарактернзовывать и использовать гены. Эти технологические разработки внесли значительный вклад в развитие практически всех биологических дисциплин, включая науку о поведении животных, биологию развития, молекулярную эволюцию, клеточную биологию и генетику человека, однако наиболее глубокие изменения произошли в области биотехнологии. Возникновение молекулярной биотехнологии В начале 70-х годов традиционная биотехнология как научная дисциплина была не слишком известна; исследования в этой области в основном проводились в отделах инженерной химии и иногда в рамках социальных микробиологических программ.
В широком смысле биотехнология занимается производством коммерческих продуктов, образуемых микроорганизмами в результате их жизнедеятельности. Более формально биотехнологию можно определить как «применение научных и инженерных принципов к переработке материалов живыми организмами с целью создания товаров и услуг». В историческом смысле биотехнология возникла тогда, кшда дрожжи были впервые использованы при производстве пива, а бактерии — для получения йогурта. Термин «биотехнология» был придуман в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эрски для описания процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарнои свеклы.
По определению Эреки, биотехнология — это «все виды работ, цри которых из сырьевых материалов с помошью живых организмов производятся те или иные продукты». Однако это совершенно точное определение не лолучило широкого распространения. Долгое время термин «биотехнология» относился к двум очень разным дисциплинам. С одной стороны, его употребляли, говоря о промышленной ферментации, с другой — применительно к той области, которая сейчас называется эргономикой. Такой двойственности пришел конец в 19б! г., когда шведский микробиолог Карл Герен Хедсн порекомендовал изменить название научного журнала "3оигпа! о( М!сгоЬ(о1оя(са! авд В(осйеш)са! Ель»(лсеппя юк1 Теснило(ояу" («Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии»), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и цромышленной фермснтации, на "В(огас!зло!оду апс( В(оепя(песпвя" («Биотехнология и биоинженсрия»).
С этого момента биотехнология оказалась четко и необратимо связана с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов» Рис. 1.1. Основные этапы биотехнологического процесса. Термин был введен Карлом Эреки и относился к крупномасппабному получению свинины (конечный продукт) с использованием дешевой сахарной свеклы (сырье) в качестве корма лля свиней (биотрансФормация). и всгала на прочный фундамент микробиологии, биохимии и химической инженерии.
Пролгышленный биотехнологический процесс, в котором для производства коммерческих продуктов используются микроорганизмы, обычно состоит из трех ключевых этапов (рис. 1.1.). 1. Исходная обработка: обработка сырья таким образом, чтобы его можно было использовать как источник питательных веществ для микроорганизма-мишени. 2. Ферментация и биатрансформация: рост микроорганизма-мишени в большом (обычно более 100 л) биореакторе (ферментация) с последующим образованием нужного метаболита, например антибиотика, аминокислоты или белка (биотрансфорлгация).
Молекулярно-биотехцологическая революция 17 3. Конечная обработкш очистка нужного вещества от компонентов культуральной среды или от клеточной массы. Целью биотехнологических исследований является л!аксимальное повышение эффективности каждого из этих этапов и поиск л!икроорганизмов, с помощью которых можно получить нужные вещества (пищевые добавки, антибиотики и т. д.). В бб — 70-е гады все эти исследования касались только исходной обработки, устройства биореакторов и получения конечного продукта.
Благодаря этому бьщ усовершенствован инструментальный контроль процесса ферментации и значительно расширены возможности крупномасштабного культивирования, что позволило повысить эффективность производства некоторых продуктов. Наиболее трудным для оптимизации был этап биотрансформации. Когда использовались природные микробные штаммы, выход конечного продукта часто оказывался намного ниже оптимального.
Поэтому предпринимались попытки изменить генетическую конституцию существующих штаммов-продуцснтов с помощью химического мугагенеза или ультрафиолетового облучения. При таком подходе уровень повышения продукции обычно лимигировался чисто биологическими факторами. Например, если мутантный штамм синтезировал слишком много того или иного вещества, часто эта отрицательно влияло на прочие метаболические процессы и приводило к угнетению роста культуры при крупномасштабном культивировании.
Несмотря на эта традиционные стратегии «индуцированного мутагснеза и селекции», направленные на усовершенствование штамма-продуцента, были исключительно плодотворны для многих процессов, например для производства антибиотиков. Традиционные схемы генетического усовершенствования бактерий вклкучаяуг скрипи нг, отбор и тестирование огромного количества колоний, поэтому такие схемы высокозатратны и занимают много времени. Более того, при этом можно рассчитывать только на усовершенствование уже существующих„передаваемых по наследству свойств штамма, а не на расширение его генетических возможностей. И все же к концу 70-х годов таким образом были усовершенствованы производственные процессы получения целого ряда продуктов.
18 ГЛАВА 1 Таблица ЕК Историл развития молекулярной биотеизологгзи Дата Событие 1917 1943 1944 1953 1961 !961-1966 !970 !972 !973 !975 1976 1976 !978 !980 Карл Эреки ввел термин «биотслнштогия. Пронзяедсн пенициллин в промышленном масштебе Эвери. МакЛеод и МакКарти показали, что ! снепзческнй материал предсткяляст собой ДНК Уотсон и Крик определили струкгуру молекулы ДНК Учрежден журнал "В!огесьпо!пау лпд В!оспа)псеппа" Рссшифроякн генетически(! код Выделена перлах рестрицируюшая эндонуклсязя Корана и лр.
синтезироеллн полноразмерный ген тРНК Бойер и Коэн положили начязо технологии рскомбинантныхДНК Колер и Мильппсйн описали получение моноклоняльных антител Изданы первые руководства, рсглкмснтирузошие работы с рскомбин анти ы ми ДН К Разработаны методы определения иутлеогидной послсдовятсльности ЛНК Фирма Сопел!сей выпустила чс:юлечсскнй инсулин. полученный с помошью Е.. сод Верховный суд США, слугцая дело Яаазгоггд Шюшив ггакрабарми, аыцес вердикт, что микроорганизмы, полученные гснноинженерными лгшоллл~гк лю~ ут быть зянятснтопяны Посзъпгглн в продлжу' первые автомятичсслие синтсзл горы ДНК Рязрсшсн к применению в США первый диагностический набор люноклоназьных антител Разрешена к применению е Европе первы вакцине для животных, пояученнвя по технологии рскомбинянтнлгх ДНК Для трансформяции растений применены гибридные Т)-плязмиды Вьшзн патент США на линию мышей с повышенной частотой вгоникнояения опухолей, полученную гснноинженерными мсгсдсми Создан метод полимсразной' цепной реакции (ПЦР) В С)1)А утвержден шган испытаний генной терапии с испольюяанием соматических клеток челояскз Официально начаты работы нзд проектом греном челояекал Опубликоязпы подробные генетические и физические карты хромосом человека Еже| одный абьслг нргшяж первого рекомбинанвкгго бояка (зрит ропогшиня) превысил ! мярд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
