СОДЕРЖАНИЕ Введение Первобытная биотехнология - основа цивилизации Успехи "домолекулярной" биотехнологии Микроорганизмы - продуценты веществ и энергии Некоторые сведения из молекулярной биологии Принципы и методы генетической инженерии Инженерия клеток Биотехнология синтеза белков человека Перенос генов в клетки животных и растений Заключение Литература [показать] Основные направления экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года. - М.: Политиздат, 1986. Биология развития и управление наследственностью / Отв. редактор член-корреспондент АН СССР В. А. Струнников. - М.: Наука, 1986. Биотехнология / Под ред. академика А. А. Баева. - М.; Наука, 1984. Биотехнология. Подписной теоретический и научно-практический журнал Министерства медицинской и микробиологической промышленности СССР. Выходит с 1985 г. Беккер М. Е. Введение в биотехнологию. - М.: Пищевая промышленность, 1978. Вепринцев Б.Н., Ротт Н.Н. Проблема сохранения генофонда. - М.: Знание (серия "Биология"), 1985. Березин Й. В., Яцимирский А. К. Биотехнология и ее перспективы, - М.: Знание (серия "Биология"), 1986. ДубиниЙ Н. П. Очерки о генетике. - М.: Советская Россия, 1985. Достижения биологии - Продовольственной программе, - М.: Знание (серий "Биология"), 1984. Пехов А. П. Биология и научно-технический прогресс. - М.: Знание (серия "Биология"), 1984, Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии. - М.: Мир, 1984. Тривен М. Иммобилизованные ферменты. - М.: Мир, 1983.

В брошюре рассказывается о научных предпосылках биотехнологии - успехах в изучении биологии клетки, строения и функций генетического аппарата и о путях использования этих теоретических знаний в решении практических задач, важных для сельского хозяйства, биологической промышленности и медицины. Рассматриваются основные направления современной биотехнологии, ее близкие и далекие перспективы. НЕЙФАХ Александр Александрович - доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института биологии развития АН СССР. Автор открытия периодичности морфогенетической функции ядер (1962 г.) и более 150 научных работ и 5 книг по вопросам молекулярной биологии развития, изданных у нас и за рубежом. Рецензент Н.Г. Xрущов, член-корреспондент АН СССР.

Инженерия клеток

Возможности и успехи клеточной инженерии, пожалуй, скромнее, чем инженерии генетической. Однако и здесь в последнее десятилетие разработаны новые методы и появились большие возможности как для развития этой отрасли науки, так и для внедрения в практику ее достижений. Особенно перспективны и интересны эксперименты с эмбрионами, точнее, манипуляции с яйцеклеткой (Газарян К. Г. Современная эмбриология - практике. - М.: Знание (серия "Биология"), 1984.). Эти эксперименты уже получили определенный практический выход, так же как и культивирование растительных клеток.

Клетки животных культивируют более семидесяти лет. Но в последние одно-два десятилетия здесь созданы новые методики. Хорошо исследован состав среды и, в частности, роль особых белков - факторов роста, которые необходимы для размножения нормальных клеток в культуре. Однако трансформированные, т.е. раковые, клетки могут быстро размножаться в культуре и без этих факторов. Сейчас разработаны условия для культивирования очень больших количеств клеток - взвешенных в среде или растущих на поверхности маленьких пластиковых шариков, в проточной среде и т. д. Это позволяет использовать культуру клеток не только для научных, но и для производственных целей.

Собственно инженерия клеток возникла тогда, когда появился метод так называемой соматической гибридизации клеток, т. е. слияние двух различных клеток в культуре тканей. Это происходит тогда, когда у клеток немного повреждают клеточные мембраны. Раньше такие повреждения вызывал вирус Сендая, который перед использованием инактивировали (обезвреживали) ультрафиолетовым излучением. Сейчас такие же временные повреждения вызывают воздействием некоторых химических веществ. Сливаться могут разные виды клеток одного организма и клетки разных, иногда очень далеких видов. Вначале слившиеся клетки образуют одну большую клетку с двумя разными ядрами. Такие клетки называют гетерокарионы. Их удобно использовать для изучения, например, факторов, вызывающих клеточное деление. Оказалось, что если в одной из слившихся клеток уже начался синтез ДНК, то он стимулируется и во втором ядре. Оба ядра обычно вступают в деление одновременно, их хромосомы смешиваются, в результате один гетерокарион делится на две клетки так, что каждая из них содержит по одному ядру, в которое входят хромосомы обоих видов. Такие клетки - синкарионы - могут быть гибридами мыши и крысы, кошки и собаки или человека и мыши. Последний вариант, кстати, довольно часто используется в исследованиях локализации генов в хромосомах человека, взаимоотношений генов и других.

Используя вещества, действующие на клеточные мембраны или на цитоскелет (сеть тонких волокон, определяющих форму и поведение клеток), сейчас можно получать более сложные комбинации - отдельно ядра и безъядерные клетки, перемещать ядро из одной клетки в другую и многое другое. Все это сейчас делают не на одиночных клетках с помощью микрохирургии (что и трудно, и малопроизводительно), а сразу на миллионах клеток. Однако для клеточной инженерии животных клеток есть существенное ограничение - хотя культивировать их можно неограниченно долго, из них никогда нельзя вырастить взрослый организм. Иное дело у растений.

Культивирование клеток растений началось позже, чем животных клеток. Это стало возможным, когда научились с помощью особых ферментов освобождать растительные клетки от плотной целлюлозной оболочки. Такие клетки без оболочки (протопласты) можно культивировать так же, как и клетки животных, получать соматические гибриды, вводить в них чужеродную ДНК. В отличие от животных клеток протопласты многих растений, помещенные в подходящие условия, образуют плотный комок - каллус, который затем дифференцируется. Из него вырастают стебель, листья, корни, а затем появляются и цветы, т.е. формируется полноценное растение, которое можно пересадить в землю и далее размножать обычным способом. Таким путем (уже в практических целях) можно получать гибриды между растениями, которые иначе не скрещиваются, можно освобождаться от вирусов или, наоборот, вводить в растения иные гены. К сожалению, вырастить целые растения пока не удается из протопластов злаков, которые имеют наибольшее практическое значение. Методы тканевых культур растений настолько ускорили селекцию, что достигнутые с середины 70-х гг. результаты иногда называют второй зеленой революцией. Главные практические успехи достигнуты этим путем в увеличении урожайности масличной пальмы (в 2 раза), селекции картофеля, цитрусовых и др.

Слияние клеток животных открыло возможность получения так называемых моноклональных антител. Молекулы белка, определяющие иммунитет (антитела, или иммуноглобулины), синтезируются в лимфоцитах и выделяются из них в кровь. В каждом лимфоците синтезируется только один вид иммуноглобулина, способный связаться с одним определенным попавшим в организм чужеродным белком (антигеном) и тем самым инактивировать его. Но лимфоциты не размножаются в культуре тканей, и поэтому до недавнего времени нельзя было получить в большом количестве какой-то определенный вид антител. Теперь же эту трудность удалось преодолеть. Если лимфоцит слить с быстро делящейся раковой (миеломной) клеткой, то образуется гибрид, несущий свойства обоих "родителей". Из него возникает клон клеток, которые быстро делятся (как миеломиые) и синтезируют один вид антител, как исходный лимфоцит.

Культура (клон), полученная из одного лимфоцита (такой клон называют гибридома), позволяет получать любые количества одного вида антител против какого-то одного белка (антигена). Такие антитела, полученные из одного клона лимфоцитов и связывающие только один белок, называют моноклональными. Сейчас они находят все более широкое применение не только в научно-исследовательских, но и в чисто практических целях - в медицине и в производстве чистых белковых препаратов. Если моноклональные антитела химически "пришить" к какому-нибудь носителю, например, шарикам полимера, то он становится иммуносорбентом, т. е. быстро извлекает только один вид белка из любой "грязной" смеси. В медицине с помощью моноклональных антител производится ранняя и быстрая диагностика некоторых болезней, в том числе опухолей. Так, в частности, в США сейчас таким путем быстро и точно диагностируют рак легких, кишечника, поджелудочной железы. Предполагают, что в 1987 г. этих антител будет произведено на 500 млн. долл., а в 1990 г. - на 2 млрд. долл.

Иммуноглобулины против какого-либо вида опухоли прочно соединяют с радиоактивным иодом (I¹³¹) и вводят небольшую безопасную дозу больному. Появление радиоизлучения в той или иной части тела свидетельствует о локализации опухоли и ее метастазах. Моноклональные антитела с высокой радиоактивностью используют для избирательного облучения опухолевых клеток. Делаются попытки присоединить к этим антителам токсические группы и получить таким путем иммунотоксины для лечения рака. Их иммунные свойства обеспечивают связывание только с опухолевыми клетками, а радиоактивность или токсические свойства убивают эти клетки, где бы в организме они ни находились.

Самостоятельное и очень важное направление клеточной инженерии связано с ранними эмбриональными стадиями. Самое простое из них - оплодотворение яиц ин витро, т.е. в пробирке. Это уже сейчас позволяет преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека. У сельскохозяйственных животных с помощью инъекции гормонов удается получить от одной коровы десятки яйцеклеток, искусственно оплодотворить их ин витро, позволить им несколько дней развиваться в пробирке и на ранней стадии эмбрионального развития имплантировать в матку других коров и таким путем получить от одного ценного экземпляра в 10 раз больше потомства, чем это было возможно обычным путем.

Более сложны опыты, в которых удавалось соединять двух генетически различных зародышей мыши на очень ранних стадиях развития (стадия 8-16 клеток). В результате получается один зародыш, состоящий из смеси двух типов клеток, и из него вырастает "гибридное", точнее, мозаичное животное, или химера, содержащее клетки двух различных генотипов. Такие опыты позволяют ответить на многие вопросы, возникающие при изучении механизмов развития.

Чрезвычайно много (пока тоже только для науки) дали эксперименты по пересадке соматических ядер в зрелые яйцеклетки. Эти опыты впервые были проведены на яйцах амфибий (Гердон Д. Пересадка ядер и дифференцировка клеток. М.: Знание (серия "Биология"), 1971). Если в безъядерное яйцо пересадить ядро из раннего зародыша, то оно развивается в головастика и затем в нормальную лягушку. Значит, во всяком случае на ранних эмбриональных стадиях, ядра содержат весь набор генов, которые при переносе ядра в яйцо способны дать начало целому организму. Но на более поздних стадиях результаты были уже не так успешны. Еще труднее получить нормальное развитие яйца, если в него пересадить ядро из клетки взрослого организма. Тем не менее на амфибиях с помощью различных ухищрений уже удалось получить если не взрослых лягушек, то внешне нормальных головастиков. Однако на млекопитающих все попытки такого рода, даже если брать ядра из очень ранних зародышей, пока были безуспешны. Не ясно, имеем ли мы тут дело с принципиальной невозможностью или с техническими трудностями.

Пока все данные говорят о том, что в ядрах даже взрослого организма содержится полный набор всех генов, и поэтому мы вправе ожидать, что рано или поздно из такого ядра, помещенного в яйцеклетку млекопитающих, можно будет вырастить нормальный организм. Теоретически из такого животного можно опять взять ядра и снова поместить их в безъядерное яйцо. Если бы это когда-либо удалось, мы могли бы говорить о возможности клонирования животных, т.е. получении последовательного ряда животных (мышей или коров), имеющих точно такие же генетические свойства, что и тот исходный организм, из которого было взято первое ядро. Возможности, которые при этом открываются, мы обсудим позже.

Источник: Нейфах А.А. Клеточные и генетические основы биотехнологии. - М.: Знание (серия "Биология"), 1987.