Важные направления экологических биотехнологий — ресурсная биотехнология (использование биосистем для разработки полезных ископаемых), биотехнологическая (с использованием бактериальных штаммов) переработка промышленных и бытовых отходов, очистка сточных вод, обеззараживание воздуха, генно-инженерные экологические биотехнологии.
Многообразие сфер применения биотехнологий. Биотехнологии успешно применяются в некоторых «экзотических» отраслях. Так, во многих странах микробная биотехнология используется для повышения нефтеотдачи. Микробиологические технологии исключительно эффективны и при получении цветных и благородных металлов. Если традиционная технология включает в себя обжиг, при котором в атмосферу выбрасывается большое количество вредных серосодержащих газов, то при микробной технологии руда переводится в раствор (микробное окисление), а затем путем электролиза из него получают ценные металлы.
Использование метанотрофных бактерий позволяет снизить концентрацию метана в шахтах. А для отечественной угледобычи проблема шахтного метана всегда была одной из самых острых: по статистике, из-за взрывов метана в шахтах каждый добытый 1 млн т угля уносит жизнь одного шахтера.
Созданные биотехнологическими методами ферментные препараты находят широкое применение в производстве стиральных порошков, в текстильной и кожевенной промышленности.
Космическая биология и медицина изучают закономерности функционирования живых организмов, прежде всего человеческого, в условиях космоса, космического полета, пребывания на других планетах и телах Солнечной системы. Одним из важных направлений в этой области является разработка космических биотехнологий — замкнутых биосистем, предназначенных для функционирования в условиях длительного космического полета. Созданная отечественной наукой система такого рода способна обеспечить жизнедеятельность космонавтов в течение 14 лет. Этого вполне достаточно для реализации космической мечты человечества — полета к ближайшим планетам Солнечной системы, прежде всего к Марсу.
Таким образом, современные биотехнологии исключительно разнообразны. Не случайно XXI в. нередко называют веком биотехнологии. Важнейшим ответвлением биотехнологии, открывающим самые ошеломляющие перспективы перед человечеством, является генная инженерия.
2.4. Генная инженерия.
Генная инженерия возникла в 1970-е гг. как раздел молекулярной биологии, связанный с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала, способного размножаться (в клетке) и синтезировать конечные продукты. Решающую роль в создании новых комбинаций генетического материала играют особые ферменты (рестриктазы, ДНК-лигазы), позволяющие рассекать молекулу ДНК на фрагменты в строго определенных местах, а затем «сшивать» фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов стало практически возможным создание искусственных гибридных генетических структур — рекомбинантных ДНК(молекул ДНК, которые получаются в результате ковалентного объединения вектора и чужеродного фрагмента ДНК). Рекомбинантная молекула ДНК содержит искусственный гибридный ген (или набор генов) и «вектор-фрагмент» ДНК, обеспечивающий размножение рекомбинированной ДНК и синтез ее конечных продуктов — белков. Все это уже происходит в клетке-хозяине (бактериальной клетке), куда вводится рекомбинированная ДНК.
Методами генной инженерии сначала были получены трансгенные микроорганизмы, несущие гены бактерии и гены онко-генного вируса обезьяны, а затем — микроорганизмы, несущие в себе гены мушки дрозофилы, кролика, человека и т.д. Впоследствии удалось осуществить микробный (и недорогой) синтез многих биологически активных веществ, присутствующих в тканях животных и растений в весьма низких концентрациях: инсулина, интерферона человека, гормона роста человека, вакцины против гепатита, а также ферментов, гормональных препаратов, клеточных гибридов, синтезирующих антитела желаемой специфичности, и т.п.
Генная инженерия открыла перспективы конструирования новых биологических организмов — трансгенных растений и животных с заранее запланированными свойствами. По сути, непреодолимых природных ограничений для синтеза генов нет (так, существуют программы по созданию трансгенной овцы, покрытой вместо шерсти шелком; трансгенной козы, молоко которой содержит ценный для человека интерферон; трансгенного шпината, который вырабатывает белок, подавляющий ВИЧ-инфекции, и др.). Возникла новая отрасль промышленности — трансгенная биотехнология, занимающаяся конструированием и применением трансгенных организмов. (Сейчас в США функционирует уже около 2500 генно-инженерных фирм.)
В неразрывной связи с разработкой технологий генной инженерии развиваются фундаментальные исследования в молекулярной биологии. Одним из важнейших направлений молекулярной биологии и генной инженерии является изучение геномов растительных и животных видов и разработка способов их реконструкции. Геном — это совокупность генов, характерных для гаплоидного, т.е. одинарного набора хромосом данного вида организмов. В отличие от генотипа геном представляет собой характеристику вида, а не отдельной особи. Общая логика исследования ведет молекулярную биологию от выяснения способов воссоздания генома вида к разработке способов воссоздания генотипа особи.
Огромное значение имеет изучение генома человека. В рамках одного из самых трудоемких и дорогостоящих в истории науки международного проекта «Геном человека» (начат в 1988 г., задействовано несколько тысяч ученых из более чем 20 стран; стоимость — до 9 млрд долл.) была поставлена задача — выяснить последовательность нуклеотидных оснований во всех молекулах ДНК человека и локализовать их, т.е. полностью картировать все гены человека. Ожидается, что затем исследователи определят все функции генов и разработают технологические способы использования этих данных.
К настоящему времени удалось установить, что геном человека состоит из 3 млрд нуклеотидов, 30 млн из которых (около 10% всей хромосомной ДНК) объединяется в 40 тысяч генов. (Можно предложить такую аналогию. Геном человека — это созданный природой грандиозный текст, состоящий из 3 млрд букв, в качестве которых выступают молекулы-нуклеотиды — аденин, гуанин, цитозин и тимин.) В 2003 г. было объявлено о завершении важной части проекта — выявлены последовательности нуклеотидов в 40 тыс. генов человека. (Функции остальных 90% нуклеотидов ДНК не вполне понятны, и сейчас они выясняются.) Интересно, что различия между двумя людьми на уровне ДНК составляют в среднем один нуклеотид на тысячу, они и обусловливают наследственные индивидуальные особенности каждого человека.
В ходе выполнения проекта «Геном человека» разработано много новых методов исследования, большинство из которых в последнее время автоматизировано. Это значительно ускоряет и удешевляет расшифровку ДНК, что является важнейшим условием для их широкого использования в медицинской практике[4], фармакологии, криминалистике и т.д. Среди этих методов есть и такие, которые позволяют расшифровывать генотип отдельного человека и создавать генные портреты людей[5]. Это дает возможность эффективнее лечить болезни, оценивать способности и возможности каждого человека, выявлять различие между популяциями, оценивать степень приспособленности конкретного человека к той или иной экологической обстановке[6]. По последовательностям ДНК можно устанавливать степень родства людей. Разработан метод «генетической дактилоскопии», который с успехом применяется в криминалистике. Сходные подходы можно использовать в антропологии, палеонтологии, этнографии, археологии.
Вместе с тем, как говорят специалисты, изучение генома человека прояснило гораздо меньше загадок, чем ожидалось. Удалось только «поставить указатели» для дальнейших исследований. Прочтение генома — это первый этап в понимании его функционирования. Задача следующего этапа — разобраться в том, каковы функции генов, как и какие белки они синтезируют, как функционируют гены по отдельности и как они взаимодействуют между собой; иначе говоря, как работают вместе 3 млрд нуклеотидов. Это, пожалуй, главная проблема биологии XXI в.
Трансгенные организмы: проблема жизни в генетически модифицированном мире.
Уже сейчас молекулярная генетика открывает широкие перспективы для генной инженерии. Одно из таких перспективных направлений — создание трансгенных растений, животных, микроорганизмов, т.е. таких организмов, в собственный генетический материал которых «встроены» чужеродные гены.
На этом пути получены замечательные результаты. Так, за последние 15 лет прошли полевые испытания около 25 000 различных трансгенных растительных культур, одни из которых устойчивы к вирусам, другие — к гербицидам, третьи — к инсектицидам. Площадь посевов трансгенных гербицидоустойчивых сои, хлопка, кукурузы занимают 28 млн га во всем мире. Стоимость урожая трансгенного зерна 2000 г. оценен в 3 млрд долл. Развита и индустрия трансгенных животных. Они широко используются для научных целей как источник органов для трансплантации, как производители терапевтических белков, для тестирования вакцин и др. Например, в Германии трансгенный бык (по кличке Герман) содержит в своем геноме человеческий ген лактоферина, кодирующий синтез особого белка женского молока, от которого младенцы сладко спят.
Составной частью проектов создания трансгенных организмов являются исследования и разработки в области генной терапии — лечебные процедуры, такие, как введение нужных трансгенов в клетки больного организма, замена больных генов здоровыми, адресная доставка лекарств в пораженные клетки. Трансгены, попадая в клетку, компенсируют ее генетические дефекты, ослабляя или усиливая синтез того или иного белка.