Достижения генной инженерии и биотехнологии

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).

Первый метод широко использовался  на раннем этапе развития генной инженерии. Тотальную ДНК из разных источников подвергали деградации различными рестриктазами, сшивали с векторными молекулами, вводили в реципиентные клетки и  отбирали клоны с гибридными молекулами, включавшими требуемый ген, по появлению  соответствующих маркеров донора (например, устойчивости к определенному антибиотику) либо с помощью специальных иммунологических и гибридизационных методов. Этот метод не утратил своего значения и успешно применяется, например для создания банка генов.

Искусственный синтез гена впервые  осуществлен химическим путем в 1969 г. группой Кораны с сотрудниками. Химическому синтезу генов существенно способствовало совершенствование методов изучения первичной структуры белков или других продуктов, кодируемых синтезируемым геном, а также методов определения первичной структуры (секвенирования) нуклеиновых кислот. Секвенирование ДНК играет большую роль не только в работах по химическому синтезу генов, но и при изучении их функции, их регуляторных последовательностей, а также целых генетических систем, например мобильных диспергированных генов у эукариот.

Анализ первичной структуры  ДНК, т. е. установление последовательности нуклеотидных остатков в ее молекуле, в настоящее время основан  на двух методах — методе химической деградации (А. Максам и В. Гилберт, 1977) и методе полимеразного копирования  с использованием терминирующих  аналогов нуклеотидов (Ф. Сэнгер, 1977).

В практике генной инженерии  широко распространен и третий метод  искусственного получения генов, основанный на их ферментативном синтезе с помощью механизма обратной транскрипции. Этот механизм связан с активностью РНК-зависимой ДНК-полимеразы или обратной транскриптазы — фермента, впервые обнаруженного при исследовании репликации РНК онкогенных вирусов. Фермент способен строить ДНК-копии на разных РНК, включая синтетические полирибонуклеотиды. С помощью обратной транскриптазы, называемой иногда ревертазой, можно синтезировать практически любой индивидуальный ген в присутствии соответствующих иРНК, методы выделении которых достаточно разработаны. В 70-е годы появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза. В руки ученых попали "молекулярные ножницы". Транспортным средством переноса генетической информации в клетку стал вирус. Явление трансдукции — переноса генов из одной клетки в другую с помощью вирусов изучали еще с 50-х годов. Но вирус не должен был сразу уничтожать всю клетку, поэтому не все вирусы подходили для этой роли. Известно, что бактериальные клетки могут обмениваться генетическим материалом при помощи плазмид (небольших частиц с фрагментами ДНК). Поэтому введение нужного гена в плазмиду позволяет в дальнейшем перенести этот ген в бактерию (это еще один из механизмов транспорта в генной инженерии). Появилась возможность изучать распределение нуклеотидов в определенном гене или получать нужный белок. Для этого создается рекомбинантная ДНК, которая возникает, когда ДНК одного организма внедряется в клетки другого. В качестве последнего используются клетки организма, который размножается много быстрее первого, например, бактерии. Так, в 80-е годы были разработаны интерфероны ~ белки, способные подавлять размножение вирусов. Были выбраны наиболее подходящие для переноса гены и мобильные участки ДНК. Например, культурным растениям вводят гены, повышающие их иммунитет и устойчивость.