От биотехнологии к нанобиотехнологии Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Известия Тульского государственного университета

Естественные науки 2008. Выпуск 2. С. 208-215

ХИМИЯ

У. IК 631.1

В.В. Иванищев

Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого

ОТ БИОТЕХНОЛОГИИ К НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

Аннотация. Рассмотрены вопросы, охватываемые биотехнологией, как научно-практической дисциплиной. Показано, что развитие нанотехнологий напрямую относится к биологическим объектам, используемым в качестве рабочего материала (и/или инструментов) при решении ряда биотехнологических задач. Приведены примеры, которые позволяют говорить о том, что отдельные направления биотехнологии перерастают в новую отрасль, которую можно определить как бионанотехнологию или нанобиотехнологию.

Развитие биологии с середины XX столетия привело к глубочайшим переменам не только в расширении и углублении научного знания, но и в его приложении к удовлетворению потребностей человека. Совершенно иное качество биотехнологических процессов и получаемых с их помощью продуктов обеспечивается использованием разнообразных принципов биохимии, молекулярной генетики, клеточной и молекулярной биологии, нашедших применение в производстве. Поэтому предмет биотехнологии сильно размыт. С одной стороны, «биотехнология создает научную основу промышленности, по-своему решающей проблемы материальных ресурсов, обеспечения энергией и охраны окружающей среды» [1, с. 2], что подчеркивает ее научно-фундаментальную направленность. С другой - «в промышленном масштабе .. .биотехнология представляет собой уже биоиндустрию» [2, с. 14].

Именно эти обстоятельства делают весьма сложным сбалансированное описание проблем и задач биотехнологии, где бы освещались в эквивалентной степени наиболее важные разделы, а также просматривались перспективы перехода к нанобиотехнологиям, к которым молекулярнобиологические объекты имеют прямое отношение в силу своих линейных размеров [3, с. 453-470], связанных с особенностями их поведения.

Круг приложений биотехнологии достаточно широк и включает такие направления, как [4]:

• пищевая, фармацевтическая, химическая, нефтегазовая промышленность,

• сельское хозяйство, где центральное место в настоящее время отводится трансгенным культурам, восстановлению почв и пр.,

• медицина, где главными составляющими являются (пока!) вопросы создания диагностикумов, вакцин, а также (в перспективе) лечение заболеваний генной природы, решение проблем тканесовместимости, онкологии, старения и др.,

• экология, где используемые технологии позволяют снижать антропогенную нагрузку путём очистки сточных вод, утилизации промышленных и бытовых отходов, защиты растений,

• энергетика, где ведутся работы по получению новых источников энергии на основе биологического материала или использования фо'гофизи чески х процессов, реализуемых в природных объектах.

Исторически развитие биотехнологий связано с применением микроорганизмов для получения используемых человеком продуктов. И только манипуляции с генами и геномами организмов значительно расширили возможности создания принципиально новых технологий. Учитывая способность биологических макромолекул к самоорганизации в определённых условиях среды, открываются совершенно немыслимые ранее перспективы в создании и развитии нанобиотехнологии.

Несмотря на высокую затратность разработки и внедрения подобных процессов, многие проблемы могут быть решены только такими новыми путями. Далее в основном будут рассмотрены направления биотехнологии, которые практически перерастают в новую ветвь науки и техники, чьё название можно обозначить, как бионанотехнология или нанобиотехнология.

Промышленность. Весьма значительную часть биоиндустрии составляет широкомасштабное выращивание микроорганизмов (особенно мутантных штаммов, в т.ч. генетически модифицированных), а также манипуляции с ними и их составными частями (ферменты, мембраны и пр.).

Совершенно особое место отведено биоиндустрии ферментов (нанообъектов) , поскольку в результате их работы абсолютно отсутствуют какие-либо побочные продукты химических реакций, загрязняющие конечный продукт. Весьма широкое применение нашло производство ряда групп ферментов: амилаз, глюкозоизомераз, липаз, пектиназы, липаз, целлюлазы и др. Основным источником для выделения ферментов являются микроорганизмы.

Параллельно были разработаны методы иммобилизации клеток и ферментов, что позволило наладить ряд технологически выгодных проектов. При этом необходимо подчеркнуть, что биотехнология не только меняет характер производства уже известных продуктов, но и даёт возможность

выпускать принципиально новые и ранее отсутствовавшие товары (напр., безлактозное молоко, человеческий инсулин и др.).

Сельское хозяйство. В целом пути селекционной работы по созданию новых штаммов, сортов и пород базируются на известных биологических и генетических закономерностях [5]. На сегодняшний день генетической модификации подвергнуто более 100 видов растений, общая посевная площадь под трансгенными растениями достигает 100 млн га. Однако этот грандиозный успех обеспечен путём вставки всего одного-двух генов, которые определяют моногенные признаки устойчивости к отдельным насекомым и гербицидам. Расширение круга исследований приведёт к подлинной революции в сельском хозяйстве.

Тем не менее, решение проблемы не столь однозначно, поскольку, как известно, многие важные для человека признаки (свойства) живых организмов носят пол и генный характер, т.е. определяются работой сразу нескольких генов. В то же время многие гены оказывают плейотропное (множественное) действие, т.е. влияют на развитие и проявление сразу нескольких признаков и свойств живого объекта. При этом часто трудно ответить на вопрос о том, какие гены являются ключевыми в этих проявлениях. С другой стороны, введение новых генов приводит к изменению экспрессии расположенных рядом генов. В совокупности указанные ключевые проблемы являются наиболее сложными для решения.

В то же время создание и использование генетически модифицированных растений (ГМР) сталкивается с рядом проблем иного характера. Ключевое значение приобретают сохранение биоразнообразия окружающего мира, биобезопасность новых форм организмов по отношению к природным объектам, а также общественное мнение. В последнем случае центральным (но скрытым) звеном оказываются экономические вопросы потенциального перераспределения финансов, рынков сбыта и, следовательно, - сфер влияния.

Недостаток фундаментальных знаний, высокая сложность и стоимость создания ГМР и испытаний на биобезопасность ставят задачу по охране создаваемой интеллектуальной собственности, обеспечивающей прорыв в том или ином направлении.

Пути модификации растений весьма многообразны и направлены на: синтез специфических токсинов, протеолитических ферментов, специфических ингибиторов и т.п., в результате чего достигается модификация вторичного метаболизма, необходимого для мобилизации защитных сил организма. При этом решение любой возникающей задачи может быть многообразным.

Так, напр., уже при выборе стратегии повышения устойчивости исследуемого растения к гербицидам возникает вопрос о том, каким образом этого лучше достичь: сверхпродукцией белков, ингибируемых данным гербицидом, уменьшением их чувствительности к гербициду, активизацией процессов (и/или ферментов), обеспечивающих детоксикацию поступающего в растение гербицида. И отнюдь не очевидно, что выбор определённого пути может привести к конечному успеху.

Далее возникает вопрос о том, какой ген, из какого организма необходимо использовать (по техническим, экономическим и иным соображениям). Следующая проблема состоит в создании необходимого вектора, несущего требуемый ген и ген-маркер, что достигается сегодня относительно просто. Затем возникает задача по переносу вектора в объект исследования, что можно осуществить различными способами: прямой биобаллистикой или через плазмиду агробактерии путём соникации, инфильтрации, электрокорпорации, микроинъекции и т.п. Агробактериальная и биобаллисти-ческая трансформации имеют свои плюсы и минусы, которые необходимо учитывать (пригодность объекта исследования, предсказуемость результатов и Т.П.).

Затем используют методы отбора трансформированных клеток, их морфогенеза, регенерации побегов или эмбрионов, укоренение или прививку побегов с последующей адаптацией трансгенных организмов к условиям окружающей среды.

На всём протяжении исследования необходимо вести тщательный контроль и отбор организмов на предмет интеграции введённого в геном нового гена и определение числа его копий. Важным оказывается и отбор трансформантов с высокой экспрессией введённого гена с сохранением и наименьшими отклонениями в фенотипе модифицируемого организма. При этом избранный путь генетической модификации может приводить к прямо противоположному (от ожидаемого) результату [6].

Завершают работу полевые испытания и исследования на биобезопасность для окружающей природы. Для растений, используемых человеком в пищу, это оказывается весьма существенным, поскольку напрямую связано с его здоровьем. В то же время этот вопрос часто становится ключевым не столько из-за действительного влияния на здоровье человека, сколько из-за потенциального (в будущем, хотя, как показывает практика, и не столь отдалённом) перераспределения финансовых средств и сфер влияния.

Медицина. Биотехнология биомедицинских препаратов базируется на использовании генно-инженерных микроорганизмов или клеток многоклеточных растений или животных. Среди широко известных продуктов следует отметить витамины, аминокислоты, органические кислоты, а также антибиотики, стероиды, гормоны и ферменты.

Захватывающие перспективы раскрываются по возможному исследованию и использованию антител, разнообразие которых измеряется сотнями тысяч и более. Многие из них обладают пусть и невысокой, но совершенно определённой ферментативной активностью, что обеспечивает их способность катализировать химические реакции, не встречающиеся в природе. Поэтому их называют абзимами [7]. Уникальная энзиматическая активность и отсутствие побочных продуктов в реакциях с их участием открывают широкие перспективы для синтеза новых лекарственных препаратов, которые принципиально невозможно получить традиционными химическими или технологическими способами.

Дороговизна и недостаточная стабильность ферментных препаратов привели к созданию направления по иммобилизации ферментов (закреплению на нерастворимой матрице), что значительно повысило их функциональную устойчивость и пролонгированность действия. Уже в этих исследованиях оказалось важным обратить внимание на размеры молекул самих белков (которые часто составляют 5-20 нм [3]) и образуемых ферментами агрегатов. Особенно это касалось экспериментов по их инкапсулированию в липосомы, в результате чего эффективность процесса значительно менялась.

Подобные результаты ранних исследований сегодня смело можно отнести к нанобиотехнологии, развитие которой будет более успешным, как только биологи и химики сконцентрируют внимание на вопросах взаимосвязи между определёнными размерами исследуемых объектов и эффективностью их работы.

Значительное развитие получило производство «биосенсоров» на основе ферментов и даже нуклеиновых кислот. Из таких биосенсоров, имеющих отношение к нанобиотехнологии, необходимо отметить биосенсоры на основе двухцепочечных ДНК.

Известно, что любые макромолекулы в определённых условиях могут самопроизвольно образовывать строго определённые пространственные структуры [7]. В частности это касается «основного вещества наследственности и изменчивости организмов» - ДНК [8]. Показано, что молекулы ДНК, разрезанные на примерно равные по длине «кусочки» (реплики) в определённых условиях (и специальными ферментами - рестриктазами), образуют пространственно упорядоченную наноструктуру размером порядка 400 нм. Эти структуры генерируют оптический сигнал, который позволяет следить за состоянием молекул ДНК.

Такой биодатчик можно использовать для анализа соединений, способных по-разному влиять на функционально активную структуру ДНК. Можно определить генотоксичность (негативное влияние на структуру и, следовательно, потенциальную работу отдельных генов) ряда биологически активных веществ и новых синтетических препаратов.

В перспективе подобные биодатчики можно использовать для выявления противоопухолевых соединений, гербицидов, пестицидов, витаминов, тяжёлых металлов, оценивать генотоксическое действие ультрафиолета или радиации.

Другое направление в развитии нанобиотехнологии связано с аналогичным использованием пептидов и белков, которые в зависимости от структуры первичной аминокислотной последовательности способны формировать строго определённые пространственные формы. Изменение упаковки таких структур в условиях эксперимента также может служить критерием безопасности новых химических соединений. Однако подобные исследования только начинаются. Многие из них находятся в стадии изучения структурно-функциональных аспектов физиологической активности макромолекул (напр., [9]).

Необычным и малоизвестным направлением в биотехнологии является разработка методов «обратной» генетики, когда блокируется или инактивируется работа одного гена и исследуются физиологические последствия такого шага, либо производится модификация гена путём создания точечной мутации. Подобные эксперименты находят применение в изучении и лечении онкологических заболеваний. Это направление также можно отнести к нанобиотехнологии, поскольку манипуляции производят на уровне нанообъектов, но результат меняется на «макроуровне» (уровне целого организма) .

Экология. Применение биотехнологий к проблемам экологии включает несколько аспектов. Так, степень загрязнения среды можно исследовать с помощью биосенсоров. А вот восстанавливать природные объекты и, в первую очередь, почвенный покров и воду (основу жизнеобитания) можно с использованием технологий фиторемедиации (с использованием растени-ий) и биоремедиации (с использованием микроорганизмов).

Важнейшим элементом растений и микроорганизмов являются нанообъекты - плазмиды, автономный (от ядра) генетический материал, обеспечивающий ряд важнейших свойств организмов (напр., устойчивость к антибиотикам, ядам и пр.). Они же в ряде случаев, наряду с эписомами, осуществляют природный перенос генов от организма к организму [7].

Перенос плазмид может приводить к повышению устойчивости микроорганизмов к тяжёлым металлам, что является важным инструментом в создании новых штаммов для восстановления загрязнённых природных сред - воды и почвы. Исследование растений - гипераккумуляторов тяжёлых металлов в совокупности с генной инженерией в этом направлении могут привести к созданию растений-биоаккумуляторов, подходящих для выращивания в различных географических зонах и в зависимости от состава загрязнений [10].

Энергетика. В области энергетики большие надежды исследователи связывают с использованием не только растительного сырья в качестве источника топлива (биоэтанол, растительные масла и пр.), но и более «тонких» процессов, таких как биолюминесценция, перенос энергии и т.п. Широкое использование производства этанола из отходов растительного и животного происхождения в странах Южной Америки, мировой «бум» последних лет по использованию в качестве альтернативы органическому топливу -растительного масла также являются предметом изучения и практического приложения биотехнологии.

Касаясь же нанобиотехнологии, следует обратить внимание на процессы, протекающие на молекулярном уровне, связанные с проблемами переноса энергии и возможностью использования этого процесса в новых нанотехнологиях. Так, исследование флуоресцентного белка медузы позволило установить, что перенос энергии между хромофорами осуществляется на расстоянии менее 1000 нм. Изучение таких структур позволяет создавать высокочувствительные биодатчики по определению в пищевых продуктах витаминов, микотоксинов и т.д.

Изучение фотофизических процессов на наноуровне по биофотолизу воды и переносу энергии между фотосистемами растений проводится на ряде модельных систем, где центральное место отведено хлоропластам (или микроорганизмам), белку - ферредоксину и ферментам. На этой основе создана, напр., двухфазная система, выделяющая кислород на свету и водород - в темноте, а также однофазная система, выделяющая оба этих газа одновременно [11, с. 96]. Интерес обусловлен, прежде всего, тем, что такие системы работают на неисчерпаемом сырье (вода) и источнике энергии (солнечный свет), а выделяющиеся газы не загрязняют окружающую среду. Высокую ценность в этой области также имеют исследования в направлении превращений:

Солнечная энергия —>• Химическая энергия —>• Электрическая энергия,

что пока ещё не востребовано обществом в достаточной мере.

Совершенно уникальными являются исследования особенностей структуры ДНК. Считается, что использование подобного принципа записи информации является самым совершенным, так как позволяет создать её максимально плотную упаковку, недостижимую традиционными и даже самыми новейшими методами. Возможно, что эти принципы будут использованы в информатике.

Таким образом, биотехнология является как научной дисциплиной, так и значительным блоком современной промышленности и экономики в целом. Развитие традиционных направлений, дающих значительный экономический эффект, сопровождается развитием и появлением нанобиотехнологий,

которые, уже сегодня помогают решать ряд проблем практического характера и всё смелее входят в нашу жизнь, как важнейший элемент общечеловеческой культуры.

Библиографический список

1. Биотехнология: сб. статей/ отв. ред. акад. А.А.Баев - М.: Наука, 1984. 310 с.

2. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды /А. Сассон,- М.: Мир, 1987. -412с.

3. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И.П. Суздалев. - М.: КомКнига, 2006.

4. Егорова Т.А.Основы биотехнологии / Т.А.Егорова, С.М.Клунова, Е.А.Живухина.-М.: Издательский центр «Академия», 2003.

5. Жимулёв И.Ф. Общая и молекулярная генетика/ И.Ф. Жимулёв. - Новосибирск: Сиб. универ. изд-во, 2003.

6. Lee S. Overexpression of Arabidopsis Phytochelatin Synthase Paradoxically Leads to Hypersensitivity to Cadmium Stress/ S. Lee, J.S. Moon, T-S. Ко, D. Petros, P.B.Goldsbrough, S.S. Korban // Plant Physiol. -2003. -V. 131. N 3. -P. 656-663.

7. Мушкамбаров H.H. Молекулярная биология/ H.H. Мушкамбаров, С.Л.Кузнецов. -М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2003.

8. Симан Н. Пространственные структуры молекулы ДНК / Н. Симан //В мире науки. -2004. -№ 9. -С. 15-21.

9. Иванищев В. В. О связывании ряда веществ сывороточным альбумином человека/ В.В. Иванищев, А.В. Юдаев // Вестник новых медицинских технологий. -2002. -Т.9. № 12. -С. 34-36.

10. Anoop V.M. Modulation of Citrate Metabolism Alters Aluminum Tolerance in Yeast and Transgenic Canola Overexpressing a Mitochondrial Citrate Synthase/ V.M. Anoop, U.Basu, M.T.McCammon, L.VcAlister-Henn, G.J. Taylor // Plant Physiol. -2003. -V. 132. № 6. -P. 2205-2217.

11. Виестур У.Э. Биотехнология: Биологические аспекты, технология, аппаратура / У.Э. Виестур, И.А.Шмите, А.В.Жилевич. - Рига: Зинатне, 1987.

Поступило 20.07.08