Строение рекомбинантной ДНК.

Гибридная ДНК имеет вид кольца. Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор - это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит в клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и др. бактерии, дрожжи, животные или растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной ДНК несут два фермента. Первый - рестриктаза - рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй - ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Биотехнология

Возникновение биотехнологии

Современная биотехнология — это новое научно-техническое направление, возникшее в 60—70-х годах нашего столетия. Осо­бенно бурно она стала развиваться с середины 70-х годов после первых успехов генно-инженерных экспериментов. Несмотря на столь короткий срок своего существования, биотехнология прив­лекла пристальное внимание как ученых, так и широкой общест­венности. Биотехнология, в сущности, не что иное, как использо­вание культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических ве­ществ. Биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, генетики и химической техники дала возможность получения с помощью легко доступных, возобновляемых ресурсов тех веществ и которые важны для жизни и благосостояния.

В промышленном масштабе подобная биотехнология представляет собой уже биоиндустрию.

Одно из объяснений живого интереса к биотехнологии можно найти прежде всего в том, что именно к этому времени была осоз­нана действительная острота глобальных проблем, вставших перед человечеством: нехватка продовольствия, ограниченность энер­гии и минеральных ресурсов, резкое, почти катастрофическое, ухудшение окружающей среды и, как следствие, ухудшение здо­ровья человека. Стало понятно, что огромный индустриально-про­мышленный комплекс не только не помогает решить эти проблемы, но и еще более усугубляет их. Возникла настоятельная практическая потребность в принципиально новых технологиях и новых способах организации производства. В это же время физико-хими­ческая биология в союзе с генетикой, молекулярной биологией и микробиологией предложили новую технологию, как будто способ­ную помочь в решении этих проблем. Тем более что первые опыты биотехнологического производства дали неплохие результаты и потому позволили строить оптимистические планы на будущее.

Специфика биотехнологии

Биотехнология - чрезвычайно наукоемкая технология. Так, например, возникшая первой в США фирма «Дженетек» расходует 76 % доходов на исследовательские разработки вместо обычных для других фирм 12 %. Среди общего числа работников НБФ около 35 % составляют доктора наук.[3]

Таким образом, новая биотехнология—это больше научно-техническое новаторское направление, чем производственное, хотя и с довольно большими производственными перспективами. Однако это такое научно-техническое направление, которое само выступает производства, причем такого производства, которое уже не может сделать бук­вально ни одного шага без глубоких фундаментальных и система­тических прикладных научных разработок. Подчеркивая специфику новой технологии, т. е. отличая ее и от сельского хозяйства, и от традиционной промышленности, можно так определить биотехнологию: это технология промышленного применения и эксплуатации естественных и целенаправленно соз­данных живых систем, прежде всего микроорганизмов, в качестве автоматически действующих сил природы для удовлетворения.

Возникновение социальных проблем биотехнологии обуслов­лено прежде всего тем, что это новое производство есть одно из важнейших направлений научно-технического прогресса, качест­венно преобразующих содержание научно-технической революции. Есть все основания предполагать, что в недалеком будущем биотехнология превратится в одно из важнейших приоритетных направлений научно-технического прогресса и тем самым может привести к переосмыслению и самих критериев этого прогресса. Это предположение зиждется на том, что глобальные проблемы современности, и в особенности экологическую, продовольствен­ную и энергетическую, очень трудно (если не невозможно) будет решать без самого непосредственного и широкого применения биотехнологии. Важнейшие социальные проблемы возникают также и в связи с тем, что развитие биотехнологии ведет к размы­ванию традиционных границ между сельским хозяйством и про­мышленностью. Более того, возникающая в настоящее время необходимость сначала экологизации, а затем и в более широком смысле биологизации всей производственной и хозяйственной деятельности человечества может привести не только к пере­стройке и даже замене (сначала, конечно, частичной) привычного сельского хозяйства биотехнологией, но и к преобразованию промышленности и техники.[3]

Примечательно, что в сфере биотехнологии целый ряд биологических наук, и прежде всего микробиология, генетика и физико-химическая биология, уже превращаются в непосредственную производительную силу.

Слияние науки и производства, превращение науки в непосредственную произ­водительную силу, а производства в предметно - воплощающую науку как нельзя лучше характеризует это новаторское направление. Видимо, поэтому оно оказывается тем фокусом, который стягивает в себе как проблематику, традиционно относимую к сфере философии и методологии научного познания, так и проб­лемы социально-философского и методологического осмысления практики, производства, промышленности. К. Маркс подчеркивал, что превращение производства в материальную творческую науку становится возможным лишь «по отношению к человеку сложив­шемуся, в голове которого закреплены накопленные обществом знания».[3]

Так, скажем, если Альбер Сассон утверждает, что <развитие биотехнологии и преиму­щества, которые оно сулит, ставит обширный комплекс проблем, которые связаны с эволюцией общего направления биологических исследований»[2], то интуитивно это кажется верным. Однако детального и аргументированного обоснования этого тезиса не просто достичь, и не только в силу еще очень значительной огра­ниченности биотехнологического опыта.

Биотехнология привлекает к себе прежде всего возможностью приспособления естественных, органических технологий живой клетки, ткани, организма, биоценоза и биосферы в целом для нужд человека как таких технологий, которые естественным образом смогут быть встроены в биологический круговорот планеты. Однако это только идея, пока существующая еще в качестве труднодостижимой мечты, поскольку теперь действующая биотехнология — это в большей мере химическая технология, в которой используются фрагменты живого. Тем не менее и в качестве даже идеи-мечты она оказывает заметное благотворное воздействие: именно в русле этой мечты родились и задачи экологизации, и — в более широком плане — биологизации всей производственно-хозяйственной дея­тельности человека на планете.

Еще в начале века крупнейший французский химик П. Бертло считал, что можно создавать идеальную пищу, которая в виде питательных порошков или растворов будет вводиться прямо в желудочно-кишечный тракт или непосредственно в кровь. Эта идея фактически поддерживалась до самого последнего времени (70-е годы), однако теперь ясно, что она никогда не может быть реализована. Как отмечает А. М. Уголев, в последнее время были сделаны крупнейшие открытия, которые влияют на всю стратегию питания. Были «обнаружены неизвестные ранее типы пищеварения (лизосомальное, внутриклеточное и мембранное). А также погло­щения пищевых веществ. Кроме того, установлено, что в отношении мета­болизма человек (и другие высшие животные) «представляет собой не собственно организм, а надорганизм, поскольку он включает в себя целый комплекс микроорганизмов».[3]. Последнее обстоя­тельство особенно интересно тем, что оно привело к формированию представлений об эндоэкологии. т. е. внутренней экологии человека и других многоклеточных организмов, а также к представлению о том, что в процессе эволюции мы сформировались как организмы с определенными природными «технологиями», обойти которые не представляется возможным.

Разделы биотехнологии

Биоэнергетика как раздел биотехнологии

Установление единообразия механизмов энергетических про­цессов во всем живом мире — от микроорганизмов и растений до человека, и вскрытие механизмов преобразования энергии в живых клетках создало предпосылки управления энергетиче­скими процессами отдельных организмов и их сообществ, а также конструирования биоэнергетических установок различных типов, в том числе биологических генераторов тока. Это позволяет гово­рить о превращении биоэнергетики в один из разделов биотехно­логии и в одно из перспективных направлений НТП, интенсивно развиваемое в настоящее время и обещающее эффективное раз­решение энергетической и сырьевой проблем.

Биоэнергетика в широком смысле слова означает совокупную энергетику биологического круговорота биосферы Земли, которая происходит с участием всех населяющих биосферу организмов — микроорганизмов, растений, животных. Восходящая линия биоло­гического круговорота — накопление химической энергии органи­ческих соединений в процессе фотосинтеза — химического про­цесса связывания воды и углекислого газа за счет энергии солнеч­ного излучения с образованием углеводов и других более сложных соединений. На планете за год воспроизводится около 232.5 млрд. тонн сухого органического вещества, что соответствует примерно 6000.10 '² кдж энергии. Энерговооруженность жизни в ходе эво­люции возрастает. Однако деятельность людей в масштабах биосферы все более оказывается разрушительной, ограничивающей возможности дальнейшего развития биоэнергетики. Происхо­дит не только уничтожение отдельных видов растений и животных, не только нарушение их естественных комплексов — биогеоценозов — разрушается структура биосферы, ее циклическая организация, способность к самоочищению. Но с помощью расширяющегося прогнозно-планового регулирования происходит постепенное превращение биосферы в сферу разума — ноосферу. Все в более расширяющихся масштабах будет осуществляться экологизация и биологизация производственной деятельности людей, т. е. все большее включение этой деятельности в биологи­ческий круговорот биосферы. Соединение в ноосфере двух спосо­бов обеспечения устойчивости систем — энергетического (отбор и сохранение систем с большей энергией) и информационного (отбор более сложных систем, т. е. с большим запасом информа­ции) — приведет к образованию качественно нового состояния биоэнергетики. Наступит эпоха сбалансированной энергетики планеты на возобновляемых энергоресурсах.

Биологизация и экологизация

Еще раз подчеркну, что стратегия преобразования и господства над природой в современном мире уже дискредитировала себя. Мы все больше осознаем необходимость гармоничного, совместного развития природы и человечества. Именно поэтому в настоящее время приобретают популярность идеи экологизации и в более широком смысле биологизации всей хозяйственной и производственной деятельности. Думается, что под экологизацией, как начальным этапом биологизации, можно понимать сокращение вредных выбросов производства в окружающую среду, создание малоотходных и безотходных промышленных комплексов с замк­нутым циклом, скажем, по воде или углеводороду и т. п.

Биологизацию же следует, видимо, понимать более широко, как радикальное преобразование производственной деятельности на основе биологических законов биотического круговорота биосферы. Целью подобного преобразования должно быть встраивание всей хозяйственно-производственной деятельности в биотиче­ский круговорот.

Особенно наглядно эта необходимость видна на феномене стратегической беспомощности химической защиты растений. Дело в том, что в настоящее время нет в мире ни одного пестицида, к которому бы не приспособились вредители растений. Более того, теперь отчетливо выявилась закономерность подобного приспо­собления: если в 1917 г. появился один вид насекомых, приспосо­бившихся к ДДТ, то в 1980 г. таких видов стало 432. Применяемые пестициды и гербициды крайне вредны не только для всего живот­ного мира, но и для человека. Точно так же в настоящее время становится понятной и стратегическая бесперспективность приме­нения химических удобрений. В этих условиях совершенно естествен переход к биологической защите растений и биоорганической технологии с минимумом химических удобрений. Решавшую роль в процессе биологизации сельского хозяйства может сыграть биотехнология.

Можно и нужно говорить также и о биологизации техники, промышленного производства и энергетики. Она особенно настоя­тельна не столько с экономической точки зрения, сколько для судеб человечества и сохранения биосферы. Активно развиваю­щаяся биоэнергетика обещает революционные преобразования, поскольку она ориентирована на возобновляемые источники энер­гии и сырья. Нефть, уголь, природный газ и даже уран — это не возобновляемые источники, и, как известно, запасы их на Земле крайне ограниченны.

Биологизация энергетики призвана сыграть решающую роль в процессе освобождения человечества от атомной энергетики, поскольку мы теперь уже можем говорить также и о стратегической бесперспективности атомных электростанций. Дело здесь не только в том, что запасы урана также ограниченны, но главным образом в том, что к настоящему времени в мире скопилось уже много десятков тысяч тонн отработавшего топлива, представляющего грозную опасность для всего живого. Как известно, проблема захоронения отработавшего топлива (его радиоактивность после использования в АЭС многократно возрастает) до сих пор не реше­на. Однако, самая главная опасность состоит в возможности се­рьезных аварий на АЭС.

Практические достижения биотехнологии

С помощью биотехнологии получено множество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и хи­мической промышленности. Причем важно то, что многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов. Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии.

Распределение основных продуктов биотехнологии показано в приложении 1.

Генная инженерия

Генная инженерия

За последние 10—15 лет были созданы принципиально новые методы манипулирования с нуклеиновыми кисло­тами in vitro, на основе которых зародился и бурно разви­вается новый раздел молекулярной биологии и генетики — генная инженерия. Принципиальное отличие генной инже­нерии от использовавшихся ранее традиционных приемов изменения состоит в том, что она дает возможность конструировать функционально активные генетические структуры in vitro в форме рекомбинантных ДНК. Понятия «генная» и «генетическая» инженерия ча­сто употребляют как синонимы, хотя последнее является более широким и включает манипулирование не только с отдельными генами, но и с более крупными частями генома. Работа по переделке генотипа животных или ра­стений с помощью скрещиваний ограничены пределами вида либо близких в видовом отношении форм. Напротив, генная инженерия, как будет показано ниже, стирает межвидовые барьеры, обеспечивая возможность создания организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. Генная инженерия представляет собой совокупность методов, позволяющих не только получать реконбинантные ДНК из фрагментов геномов разных организмов, но и вводить такие рекомбинантные молекулы в клетку, создавая условия для экспрессии в ней введенных, часто совершенно чужеродных генов. Таким образом, в этом случае исследователь оперирует непосредственно с генами, причем их перенос может не зависеть от таксономического родства используемых организмов. Эта особенность генной инже­нерии представляет ее главное отличие от ранее исполь­зовавшихся приемов изменения генотипа.

Первенствующую роль в формировании генной инженерии сыграла генетика микроорганизмов, идеи и методы, разработанные молекулярной генетикой и химией нуклеи­новых кислот. Формальной датой рождения генной инженерии считают 1972 г., когда группа П. Берга в США соз­дала первую рекомбинантиую ДНК in vitro, объединившую в своем составе генетический материал из трех источни­ков: полный геном онкогенного вируса обезьян SV40, часть генома умеренного бактериофага К и гены галактозного оперона Е. coli. Сконструированная рекомбинантная моле­кула не была исследована на функциональную активность, поскольку у авторов этой работы возникли опасения, что методы генной инженерии могут привести к появлению микроорганизмов, опасных для здоровья человека, напри­мер бактерий Е. coil, способных перенести онкогенные вирусы животных в кишечник человека. Разработанные позднее правила работы с рекомбинантными молекулами позволили практически устранить возможность вредных последствий создания рекомбинантных ДНК, объединяю­щих в своем составе гены разного происхождения.

Методы генной инженерии

Возможность выделения отдельных генов в составе относительно небольших фрагментов ДНК была продемон­стрирована незадолго до возникновения генной инжене­рии в экспериментах in vitro . В 1969 г. Дж. Беквит, Дж. Ша­пиро и другие опубликовали работу по выделению генов лактозного оперона Е. coli , основанную на сочетании тра­диционных методов генетики микроорганизмов и физиче­ских методов выделения и гибридизации молекул ДНК.

Отдельные гены с целью их последующего молеку­лярного клонирования в составе рекомбинантных ДНК методами генной инженерии могут быть получены сле­дующими способами:

непосредственным выделением из природных источников;

путем химического синтеза;

3) копированием соответствующей гену и РНК для получе­ния комплиментарной ДНК-вой реплики (к ДНК).