Биотехнология
культурных растений.
Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы: 1)
повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% за счет
увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство в
системы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование
фитогормонов, трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости
роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что
приведет к повышению их фотосинтетической активности; 4) увеличение числа
хлоропластов в клетке на единицу площади листа; 5) установление
оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами
хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, например,
цитохромами; 6) увеличение скорости переноса электронов между фотосистемами
I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом
АТФ.
Радикальным способом максимизации эффективности фотосинтеза было бы
создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки
фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных
преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими
десятилетиями.
Биотопливные элементы.
На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы,
превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут
служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную
кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с
участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием
глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток,
например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления
глюкозы.
Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). Посредником между
субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей
передачи электронов на
электрод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный транспорт
электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985). Конструкция
биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток,
но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный
элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в
смесь фруктозы и глюконовой кислоты.
Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они
представляют собой основной компонент биологических датчиков — биосенсоров,
широко применяемых в химиче-
ской промышленности, медицине, при контроле за биотехнологическими
процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с
биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода.
Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают
чувствительный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина.
Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для
измерения концентрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro-
somonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH4+. На
биосенсоре протекают следующие превращения: NH4+Nitrosomonas NO2
Nitrobacter NO3 Разработаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации
глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.
3. Биотехнология и медицина
Нет такого экспериментального подхода или исследовательского направления в
биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему
столь многообразны связи между биотехнологией и самой гуманной из всех
наук. Здесь мы остановимся лишь на основных моментах.
Антибиотики.
Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие
высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам
микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающих их
рост или полностью подавляющих развитие (Н. С. Егоров, 1979). Далеко не все
из этих соединений, число которых приближается к 5000, допущены для
применения в медицине. К важнейшим антибиотикам терапевтического назначения
принадлежат следующие их классы (табл. 2).
Приведенные классы антибиотиков не исчерпывают их многообразия, список их
пополняется с каждым годом. Причины неослабевающего внимания к поиску новых
антибиотиков, как видно из табл. 10, связаны с токсичностью существующих
антибиотиков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастанием
устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым препаратам и, помимо
этого, с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, против
которых недостаточно эффективны известные ныне антибиотики. Основные пути
поиска включают:
1. Испытание новых продуцентов. Так, с начала 80-х годов исследуют
миксобактерии, продуцирующие большое количество антимикробных агентов (Н.
Thierbach, N. Reichenbach, 1981).
2. Химическая модификация антибиотиков. Противомикроб-ные макролиды
токсичны для человека. Например, гептаен амфо-терицин В, используемый по
жизненным показаниям при тяжелых микозах, вызывает необратимые поражения
почек. Получены метиловые эфиры амфотерицина, менее токсичные и
сохраняющие противогрибковую активность. При модификации пенициллинов и
цефалоспоринов используют иммобилизованные ферменты.
Таблица 2. Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения
(по И Г.. Егорову, 1979; Д.Ланчини, Ф Паренти, 1985)
|Класс |Типичные |Продуценты |На кого |Механизм |Трудности |
| |антибиотики | |действует |действии |терапевтическ|
| | | | | |ого |
| | | | | |применения |
|?-Лактамные|Пенициллины,|Грибы |Грамположител|Нарушение |Аллергические|
| |це-фалоспори|родов |ь-ные и |синтеза |реакции |
| |ны |Реnicillium,|грамотрицател|клеточной | |
| | |Cephalosporu|ьные |стенки | |
| | |m |бактерии | | |
|Аминогликоз|Стрептомицин|Актиномицеты|В основном |Необратимое |Токсическое |
|идные |, |рода |грамотрицател|подавление |действие на |
| |гентамицин, |Streptomyces|ьные |синтеза |слуховой нерв|
| |канамицин, |, бактерии |бактерии |белка |и почки |
| |тобрамицин, |родов | | | |
| |амикацин |Micromonospo| | | |
| | |ra. Bacillus| | | |
| | | | | | |
|Тетрациклин|Одноименные |Актиномицеты|Грамположител|Обратимое |Распространен|
|ы |антибиотики |рода |ьные и |подавление |ие устойчивых|
| | |Streptomyces|грамотрицател|синтеза |штаммов |
| | | |ьные |белка | |
| | | |бактерии, | | |
| | | |риккетсии, | | |
| | | |хламидии, | | |
| | | |простейшие | | |
|Макролиды |Антибактериа|Актиномицеты|Грамположител|То же |Токсичность |
| |льные: |рода |ьные бактерии|Нарушение | |
| |эритромицин |Streptomyces|Грибы, |плазматическ| |
| |Противогрибк|То же |некоторые |ой | |
| |овые и | |простейшие |мембраны | |
| |антипротозой| | | | |
| |ные: полиены| | | | |
| | | | | | |
|Полипептидн|Полимиксины,|Различные |В основном |Механизм |Высокая |
|ые и |грамицидины,|микро-органи|грамотрицател|действия |токсичность |
|депсипептид|бацитрацины |змы |ьные |различен | |
|ные | | |бактерии | | |
3. Мутасинтез. Применяют мутантные штаммы, у которых блокирован синтез
отдельных фрагментов молекулы антибиотика. В среду культивирования
вносят аналоги этих фрагментов. Микроорганизм использует эти аналоги для
биосинтеза, в результате чего получают модифицированный антибиотик.
4. Клеточная инженерия. Получают гибридные антибиотики, например, с новыми
комбинациями агликона и Сахаров.
5. Генетическая инженерия — введение в геном микроорганизма информации о
ферменте, необходимом для модификации продуцируемого антибиотика,
например его метилирования при помощи метилаз.
Важной задачей является повышение эффективности биосинтеза известных
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
