В конце двадцатого века организмы, искусственно получившие не свойственную им изначально наследственную информацию, стали называть трансгенными или просто трансгенами. Теперь вы уже знаете, как можно ввести в бактерии новую для них генетическую информацию. Однако возникает резонный вопрос: «А кому нужны такие «ненормальные» бактерии?»
Ясно, что, создавая новые штаммы, ученые стремятся так подобрать вводимую наследственную информацию, чтобы выращиваемые бактерии приносили как можно больше пользы. И прежде всего это касается такой отрасли биотехнологии как микробиологическая промышленность, которая существовала еще до появления генетической инженерии. Уже в 50-60-ых годах двадцатого века из биомассы выращиваемых в специальных установках (ферментерах) бактерий получали аминокислоты, в том числе и незаменимые (вспомните из курса 9 класса «Человек и его здоровье» что это такое), витамины, некоторые трудно синтезируемые в искусственных условиях органические кислоты, полисахариды, красители. Используемые для таких целей штаммы-продуценты раньше отбирали среди обычных бактерий и далее улучшали их производственные характеристики путем искусственного мутагенеза. Теперь же с помощью генно-инженерных методов удается объединить в клетках продуцентов несколько свойств, присущих различным бактериям, и тем самым сделать производство более рентабельным.
Один из примеров - это получение бактерий, способных продуцировать нужный для окрашивания тканей краситель синего цвета индиго (именно им окрашивают всеми любимые джинсы). Ранее этот краситель получали путем химического синтеза, но путем переноса генов из бактерий рода Pseudomonas в клетки кишечной палочки (Escherichia coli) получили бактерии, способные превращать аминокислоту триптофан в индиго.
Еще один пример - это создание нового штамма-продуцента особого полисахарида ксантана, который используется как загуститель в производстве косметики (например, кремов для бритья) и особо стойких к истиранию красок (например, используемых для нанесения разметки на асфальтовые покрытия на улицах и автострадах). Ранее для выращивания продуцента ксантана - бактерий рода ХапШотопаБ использовали в качестве питательного вещества глюкозу. Теперь же получен штамм-продуцент, который можно выращивать на отходах пищевой промышленности - молочной сыворотке. Это было сделано путем переноса в бактерии ХапШотопаБ, не способные изначально питаться молочным сахаром - лактозой, генов из кишечной палочки, нужных для использования лактозы в качестве питательного вещества. Обычно при масштабном производстве сыра и творога большую часть образуемой сыворотки выливают в канализацию, загрязняя тем самым водоемы и грунтовые воды. Используя же такой штамм-продуцент, можно получить двойную выгоду - сэкономить ценную глюкозу и защитить окружающую среду от загрязнения.
Созданы трансгенные штаммы бактерий и непосредственно для борьбы с загрязнением среды химическими веществами или нефтью, для чего в клетки таких штаммов вводят гены, кодирующие разрушающие вредные вещества ферменты. Нанесение таких бактерий на поверхность возникающих при авариях танкеров нефтяных пятен позволяет разрушить значительную часть нефти еще до достижения пятном берега и предотвратить или хотя бы снизить степень загрязнения прибрежных зон и побережья. С помощью подобных бактерий возможно также проводить очистку почв, загрязненных отходами химической промышленности или в результате длительного употребления пестицидов.
Важными являются и трансгенные бактерии, с помощью которых получают необходимые для получения рекомбинантных молекул ДНК ферменты - рестриктазы, ДНК-полимеразы, лигазы, обратные транскриптазы, о которых вы уже знаете из предыдущих параграфов. Особенно это касается двух последних групп ферментов, поскольку кодирующие их гены являются генами вирусов и получать их из вирусов сложно и экономически не выгодно. Таким образом продукты генетической инженерии обеспечивают прогресс самой этой отрасли.
Генетическая инженерия позволяет использовать бактерии и в несколько необычном качестве. Например, получены штаммы бактерий, дающие снег для лыжных трасс при температурах выше нуля. Для этого были клонированы и поставлены под более сильные промоторы гены некоторых видов бактерий, которые кодируют белок, вызывающий замерзание воды при температуре +2 - +4 °С. Разбрызгивание суспензии таких трансгенных бактерий с помощью «снежных пушек» при плюсовой температуре над трассами позволяет справиться с капризами погоды.
Еще одно достижение генетической инженерии - это получение на основе бактерий продуцентов таких органических веществ, которые вообще не способны синтезироваться прокариотическими организмами. Такие бактерии получают путем введения в их клетки генетических конструкций, состоящих из генов или соответствующих зрелым матричным РНК кДНК из клеток растений, животных или человека и промоторных областей какого- либо бактериального гена. Помимо уже упоминавшегося гормона поджелудочной железы инсулина с помощью трансгенных штаммов бактерий получают гормоны гипофиза (соматотропин и тиреотропин), гормон щитовидной железы кальцитонин, интерфероны человека и животных, интерлейкины человека, факторы VIII и IX из системы белков свертывания крови и некоторые другие имеющие медицинское применение препараты.
Ранее такие препараты невозможно было получать в достаточных количествах, поскольку их источником могла быть только донорская кровь людей. Благодаря успехам генетической инженерии врачи получили возможность оказывать эффективную помощь страдающим тяжелыми заболеваниями людям. Так, факторы свертывания крови помогают при гемофилии, кальцитонин - при нарушениях минерализации костной ткани у взрослых (остеомаляции) и рахите у детей, интерфероны - при различных вирусных заболеваниях и рассеянном склерозе, интерлейкины - при различных нарушениях в работе иммунной системы, тиреотропин - при заболеваниях щитовидной железы.
Трансгенные бактерии находят применение не только в промышленности, но и в научных исследованиях. Одним из примеров может быть создание генетических конструкций, позволяющих следить за перемещениями и распространением бактерий- паразитов в организме хозяина. В частности, для изучения болезней растений в фитопатогенные бактерии вводят ген так называемого зеленого светящегося белка GFP (от англ. green fluorescent protein). Этот ген был клонирован из ДНК медузы Aquarea Victoria и объединен с промоторной областью одного из генов кишечной палочки. При введении такой конструкции в бактериальные клетки в них синтезируется и накапливается белок, который при воздействии на него ультрафиолетового излучения сам начинает испускать свет с длиной волны, соответствующей зеленому цвету. Если такими бактериями заразить растение и затем через определенные промежутки времени облучать такое растение ультрафиолетом в темноте, можно увидеть, насколько быстро и по каким тканям растения перемещаются бактерии от места их введения.
Вопросы к § 9. 1. Подумайте, каким образом методами генетической инженерии можно повысить количество синтезируемого бактериями конкретного белка? 2. Известно, что для синтеза определенного вещества у бактерий имеется оперон и его активность контролируется белком-репрессором. Что, по вашему мнению, можно сделать с помощью генетической инженерии, чтобы повысить выход этого вещества при промышленном выращивании этих бактерий? 3. Для получения вакцин из группы анатоксинов необходимо выращивать в промышленных условиях опасных возбудителей инфекционных заболеваний, чтобы наработать их токсины и затем превращать их в вакцины. Меры безопасности на таких предприятиях требуют больших финансовых вложений. Чтобы вы предложили сделать методами генетической инженерии для удешевления производства вакцин?