БИОЛОГИЯ Том 3 - руководство по общей биологии - 2004

25. ПРИКЛАДНАЯ ГЕНЕТИКА

25.2. Использование бактерий, полученных с помощью методов генной инженерии

25.2.1. Инсулин человека

Инсулин — это белковый гормон, который образуется в поджелудочной железе и играет жизненно важную роль в регуляции содержания сахара в крови (разя. 17.6.6). Недостаток инсулина служит одной из причин сахарного диабета — заболевания, которым страдает примерно 3% населения Земного шара. Повышенное содержание сахара в крови (обусловленное недостатком инсулина) приводит к тяжелым последствиям. Болезнь стала излечимой, начиная с 1921 г, когда два канадских исследователя Бантинг (Banting) и Бест (Best) впервые выделили гормон. До этого больные страдали от тяжелых изнурительных симптомов, приводящих к неминуемой смерти. Сейчас более 2 млн. больных диабетом во всем мире пользуются для лечения инсулином (рис. 25.10), а его продажа на мировом рынке оценивается в несколько сотен миллионов фунтов стерлингов ежегодно.

Ежедневные инъекции инсулина, выделенного из поджелудочных желез свиней или крупного рогатого скота, стали стандартной процедурой для больных диабетом. Однако, из-за небольших различий в аминокислотном составе инсулина человека и других видов млекопитающих, а также из-за наличия следовых количеств примесей, у некоторых пациентов развиваются аллергические реакции к инсулину животных. Идеальное решение проблемы стало возможным с разработкой методов генной инженерии. Ген инсулина человека встраивают в бактериальную клетку, а затем такие клетки размножают в ферментере с целью получения больших количеств белка. Схема процедуры, обычно используемой для производства инсулина человека, приведена на рис. 25.11.

Рис. 25.10. Девочка-подросток, страдающая диабетом, делает себе инъекцию инсулина.

Рис. 25.11. Схема процесса производства инсулина человека с использованием генной инженерии.

И, наконец, главная проблема, которая до сих пор не обсуждалась, — как «включить» интересующий нас ген внутри бактерии, т. е. как заставить его экспрессироваться. Известно, что для экспрессии любого гена должны быть активированы определенные, расположенные по соседству с ним участки ДНК, которые называются промоторными участками. Если новый ген встроен в середину уже существующего гена, то добиться его экспрессии легко, поскольку он включается вместе с геном хозяина. В качестве такого хозяйского гена в Е. coli обычно используют ген β-галактозидазы (рис. 25.8).

Метод был разработан компанией «Eli Lilly» и в 1982 г. инсулин человека под торговой маркой «humulin» стал первым полученным с помощью генной инженерии фармацевтическим продуктом, разрешенным к применению.

25.2.2. Гормон роста человека

Гормон роста — это небольшой белок, который вырабатывается гипофизом и действует на все ткани организма. Недостаток этого гормона в детстве приводит к карликовости; при этом тело человека остается маленьким, но имеет нормальные пропорции. В отличие от инсулина, который не обладает строгой специфичностью, гормон роста строго специфичен для того вида млекопитающих, в котором он вырабатывается. Вот почему лечение карликовости долгое время было основано на использовании гормона роста, выделенного из гипофиза умерших людей. Полученные таким образом препараты могли быть случайно загрязнены инфекционным белком, вызывающим болезнь Крейтцфельда—Якоба (такой же белок, по-видимому, является причиной коровьего бешенства). После некоторых смертельных случаев в 1970-е гг., использование экстрактов гипофиза умерших людей для лечения карликовости было запрещено. Позднее компания «Genentech» в Калифорнии разработала технологию получения гормона роста с помощью бактерий с встроенным в их хромосому человеческим геном, отвечающим за синтез этого белка. Регулярные инъекции такого «генно-инженерного» гормона больным детям восстанавливают их рост почти до нормального уровня.

Схема производства гормона роста в принципе аналогична схеме получения инсулина, представленной на рис. 25.11. Кодирующая ДНК (ген), введенная в бактерию, представляет собой комплементарную ДНК (кДНК), полученную на матрице мРНК с помощью обратной транскриптазы, как было описано в разд. 25.1.1. Перед встраиванием в вектор к кДНК присоединили еще одну ДНК-последовательность, кодирующую так называемый «сигнальный пептид». Его роль чрезвычайно важна. Именно он, будучи соединенным с гормоном роста, действует как ключ, отпирающий «ворота» клетки. В результате произведенный бактерией гормон оказывается в окружающей среде, что существенно облегчает его очистку. После выхода из клетки сигнальная последовательность удаляется бактериальным ферментом и остается чистый гормон.

25.2.3. Бычий соматотропин (БСТ)

Бычий соматотропин (БСТ) — это гормон, близкий гормону роста человека. Он тоже вырабатывается в гипофизе и стимулирует клеточное деление у животных. Ген, кодирующий этот гормон, был встроен в геном бактерии тем же способом, что и гены инсулина и гормона роста. Благодаря этому БСТ в настоящее время получают в промышленных количествах в процессе ферментации.

Инъекции даже небольших доз БСТ коровам увеличивают продукцию молока на 25%, а массу скота, выращиваемого на мясо — на 10—15%. Несмотря на то, что при этом растут затраты на корм, суммарная прибыль увеличивается. Фермеры могут либо продавать больше молока, или (если они ограничены квотами) производить то же его количество, но дешевле (поскольку требуется меньше коров). По утверждению производителей бычьего соматотропина — фирмы «Monsanto» (США) — предварительные испытания не выявили изменений в поведении, состоянии здоровья или способности к репродукции опытной группы животных. Вскоре после прекращения инъекций масса коров и их удойность возвращались к исходному уровню.

При реализации программы исследований БСТ в Великобритании было разрешено продавать населению смесь молока от коров, получавших и не получавших гормон. Это было сделано вопреки протестам со стороны владельцев супермаркетов и общества потребителей. Более того, Министерство сельского хозяйства отказалось давать сведения о том, где именно проводились испытания. Все эти факты вызвали бурное возмущение и протесты населения. Применение БСТ в странах Европейского Союза было запрещено. Некоторые, вызвавшие наиболее острую дискуссию вопросы и факты приведены ниже.

1. Приведет ли использование БСТ к снижению цен на молоко? Весьма вероятно, что выгоду от его применения получат только промышленники и фермеры.

2. Не окажет ли БСТ вредного воздействия на здоровье человека? Поскольку этот гормон химически родствен гормону роста человека, не исключено, что его следовые количества в молоке будут влиять на рост людей.

3. Для чего нужно применять БСТ, если в странах Европейского Союза уже наблюдается перепроизводство молока и мяса?

4. Есть данные о том, что коровы, получающие БСТ, более восприимчивы к болезням и нуждаются в поддержке их иммунной системы. Применяемые для этого препараты могут попасть в мясо или молоко. Установлено, что высокоудойные коровы более подвержены маститу. Недавние исследования показали, что заболеваемость маститом у коров, которым вводили БСТ, может возрастать почти на 80%.

5. БСТ не разрешено применять в странах Европейского Союза. Общество потребителей Великобритании поддержало запрет на использование БСТ.

6. С конца 1993 г. применение БСТ разрешено в США.

7. Лабораторные крысы, которым скармливали БСТ в относительно высоких дозах, не проявляли каких-либо признаков заболеваний.

8. Долговременные испытания на людях не проводились; не изучалось также влияние гормона на беременных или кормящих матерей.

Вы можете самостоятельно обдумать и взвесить аргументы за и против применения БСТ.

25.2.4. Удаление нефтяных разливов

Примеры использования микроорганизмов для переработки отходов уже приводились в гл. 12. Они касались очистки сточных вод и превращения органических отходов в полезные продукты, такие как сахар, спирт и метан. Эти методы можно усовершенствовать с помощью генной инженерии.

Еще одно важное направление в биотехнологии — создание с помощью генной инженерии бактерий, способных очищать нефтяные разливы. У нас до сих пор нет эффективного метода, который не имел бы вредных последствий для окружающей среды. В настоящее время проводятся испытания сконструированного с помощью генной инженерии штамма Pseudomonas, который способен разрушать углеводороды, присутствующие в нефти. Подходящие гены есть в плазмидах природных штаммов Pseudomonas, но ни один такой штамм не содержит все четыре плазмиды. Недавно гены всех четырех типов были введены в один «суперштамм».

Такие бактерии можно распылять на поверхности, загрязненной нефтью, однако из-за того, что Pseudomonas — аэробный микроорганизм и нуждается в кислороде, бактерии работают только на границе фаз нефть—вода и естественно лучше приспособлены для уничтожения тонких пленок, нежели объемных разливов. Еще одна особенность штаммов Pseudomonas, сконструированных методами генной инженерии, — их низкая эффективность при работе в холодных климатических условиях. Именно это обстоятельство помешало использованию бактерий Pseudomonas при ликвидации крупной аварии на Аляске в 1989 г.