Дом  ->  Здоровье  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Использование бактерий, полученных с помощью методов генной инженерии

Биотехнология – использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например этиловый спирт, пиво или гормон инсулин. Примерами биотехнологий являются также очистка сточных вод, переработка твердых отходов или выявление загрязнения с использованием биосенсоров . Во второй половине 19 столетия биология вступила в свой «Золотой век». За время, прошедшее от открытия структуры ДНК в 1953 году до появившейся не так давно возможности расшифровать генетический код человека, на стыке генетики и молекулярной биологии сформировалось новая могущественная отрасль науки – биотехнология. Биотехнология находит применение в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и многих других областях. Ее достижения могут быть направлены на благо людей, но могут принести человечеству и неисчислимые беды.

В биотехнологии существует такое направление, как генная инженерия, которая дает возможность добавлять в организм новые гены, «конструировать» растения и животных с нужными человеку свойствами. Организмы, которые генетически перестроены с использованием методов генной инженерии, принято называть трансгенными. Трансгенные животные и растения, подобно бактериям в ферментах, могут стать « живыми фабриками» по производству полезных продуктов, и не только пищевых. Есть надежда, что новые технологии помогут миллионам людей справиться с голодом. Однако использование трансгенных растений и животных влечет за собой ряд этических и экологических проблем. Все случаи использования ГМО (генетически модифицированных организмов ) обсуждаются в печати, т. к. последствия этих продуктов на здоровье человека еще не изучены. Несмотря на существующие опасения, промышленное производство ГМО во многих странах наращивается. Пока никаких заметных вредных воздействий на окружающую среду зафиксировано не было.

Мы – будущие биологи и тоже когда-нибудь будем нести ответственность за решения, принятые в ходе обсуждения новых спорных вопросов, которые непременно будут возникать по мере углубления наших познаний в области молекулярной генетики. Чем большей информацией мы владеем, вырабатывая собственную точку зрения и чем больше людей готово обсуждать эти проблемы, тем с большей вероятностью принятые нами решения окажутся правильными. Поэтому я и выбрала эту тему.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

1. СВЕДЕНИЯ О ФЕРМЕНТАХ

В основе любого жизненного процесса лежит набор многочисленных химических превращений. Химические превращения в организме протекают во многие миллионы и миллиарды раз быстрее, чем вне организма, причина этого заключается в том, что все организмы располагают мощными биохимическими катализаторами – ферментами или «эликсирами жизни», эликсир (от арабского «альиксир» - камень мудрости или жизненный сок).

Эликсиры жизни – ферменты (энзимы), без которых не было бы жизни. Они катализируют, управляют и регулируют миллионы химических превращений во всех живых существах. Лишь во взаимодействии с ферментами становятся активными витамины, гормоны и микроэлементы.

Вещество, на которое действует фермент, называется субстратом. Каждый фермент обладает специфичностью, то есть действует на определенный субстрат. По завершении реакции ферментно-субстратный комплекс распадается на продукт и фермент. Фермент в реакции не изменяется и по ее окончании может снова взаимодействовать с новой молекулой субстрата.

2. СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

1. Все они представляют собой глобулярные белки.

2. Информация о них, как и о других белках, закодирована в ДНК.

3. Ферменты действуют как катализаторы.

4. Их присутствие не влияет ни на природу, ни на свойства конечного продукта реакции.

5. Ферменты действуют чрезвычайно эффективно, то есть очень малое количество ферментов вызывает превращения больших количеств субстрата.

6. Ферменты высоко специфичны, то есть один фермент обычно катализирует одну реакцию (например, каталаза катализирует только расщепление пероксида водорода).

7. Катализируемая ферментами реакция обратима.

Активность фермента меняется в зависимости от рН и температуры, а также от концентрации, как субстрата, так и самого фермента. Температурный оптимум большинства ферментов млекопитающих лежит в пределах 37-40 градусов Цельсия. Существует, однако, ферменты с более высоком температурным оптимумом; у бактерий, живущих в горных источниках, он может, например, превышать 70 градусов Цельсия. Именно такие ферменты используются в качестве добавок к стиральным порошкам для стирки в горячей воде .

При постоянных температурах любой фермент работает наиболее эффективно в узких пределах рН. Оптимальным считается то значение рН, при котором реакция протекает с максимальной скоростью .

ОПТИМУМ рН ДЛЯ НЕКОТОРЫХ ФЕРМЕНТОВ

ФЕРМЕНТ ОПТИМУМ рН

Пепсин 2,00

Сахараза 4,50

Энтерокиназа 5,50

Амилаза слюны 4,80

Каталаза 7,60

Химотрипсин 7,00 – 8,00

Липаза поджелудочной железы 9,00

Аргиназа 9,70

9. Ферменты снижают энергию активности катализируемой реакции.

10. В молекуле фермента есть активный центр, который вступает в контакт с субстратом.

3. КОФАКТОРЫ ФЕРМЕНТОВ

Многим ферментам для эффективной работы требуются те или иные небелковые компоненты, называемые кофакторами. Кофакторы – это вещества, присутствие которых совершенно необходимо для каталитической активности фермента, хотя сами они, в отличие от ферментов, сохраняют стабильность при довольно высоких температурах. Роль кофакторов могут играть различные вещества – от простых неорганических веществ до сложных органических молекул; в одних случаях они остаются неизменными в конце реакции, в других регенерируют в результате того или иного процесса. Кофакторы подразделяются на три вида: неорганические ионы, простетические группы и коферменты.

Неорганические ионы (активаторы ферментов) заставляют молекулы ферментов или субстратов принять форму, способствующую образованию фермент – субстратного комплекса. Например, активность амилазы повышается в присутствии хлорид – ионов.

Простетические группы. Если кофактор прочно связан с ферментом и остается в этом состоянии постоянно, то его называют простетической группой (от греческого prostheke – добавление). Роль простетической группы играют органические молекулы, например ФАД (флавинадениндинуклеотид), гем – железосодержащие простетические группы.

Коферменты – органические молекулы, которые сохраняют связь с ферментом только в ходе реакции. Все коферменты представляют собой производные витаминов.

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ ВИТАМИНЫ И МИКРОЭЛЕМЕНТЫ?

Микроэлементы и витамины составляют незначительную часть коферментов, однако без них обмен веществ невозможен.

Например, в первой трети двадцатого века в США свирепствовала странная болезнь пеллагра (от итальянского pella agra – сухая кожа), сопровождаемая симптомами: сухость кожи, нарушения в работе пищеварительной и нервной систем. Долго врачи не могли понять, в чем суть. Тогда американский ученый Йозеф Гольдбергер подробно изучил состав пищевого рациона населения. И доказал, что это не инфекционная болезнь. Болезнь удавалось предупредить, включив в диету мясо, яйца и молоко. Оказалось, что витамин группы РР (от английского pellagra preventing – предохраняющий от пеллагры), находящийся в молочных продуктах и белке яиц, активирует необходимый в организме фермент – зимазу.

Это не единственный случай, когда организму не хватает витаминов и микроэлементов для работы ферментов.

4. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Ферменты обладают высокой специфичностью. В 1890 году ученый

Э. Фишер высказал предположение, что эта специфичность обуславливается особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата. Эту гипотезу часто называют гипотезой «ключа и замка». Субстрат в ней сравнивается с «ключом», который точно подходит по форме к «замку», то есть к ферменту. Часть молекулы фермента, вступающую в контакт с субстратом, называют активным центром фермента, и именно он имеет особую форму .

В 1959 году Даниель Кошланд предложил новую интерпретацию гипотезы «ключа и замка», получившую название гипотезы «индуцированного соответствия». В соответствии с этой гипотезой субстрат и фермент скорее можно сравнивать не с ключом и замком; более правильно использовать такую гибкую модель, как рука и перчатка: рука (субстрат) должна войти в скомканную перчатку (фермент). Ведь перчатка не есть точная копия руки. Кроме того, на руку надевают и варежки, и перчатки, имеющие различную форму.

Эту гипотезу подтвердил член Лондонского Королевского общества Давид Филипс. Филипс взял модель субстрата и попытался встроить ее в активный центр модели фермента. В соответствии с принципом «ключа и замка» первые три сахарных кольца совершенно точно подходили к верхней половинке щели. Однако с четвертым сахарным кольцом возникли проблемы. В форме «кресла» оно плохо подходило к щели. И тогда Филипсу пришлось сделать решающий шаг: изогнуть проволочную модель четвертого сахарного кольца, придав ему «неестественную», напряженную значительной мере плоскую форму «ванны». В таком виде кольцо совершенно точно подходило к активному центру! Точно так, как на модели, лизоцим функционирует и в действительности .

5. КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

Специфичность действия ферментов послужила их единой классификации. В настоящее время число описанных ферментов соответствует 2500. Поэтому по предложению Международного биохимического союза (IUB) все ферменты были разделены на шесть основных классов в соответствии со специализацией их действия.

1. Оксидоредуктазы катализируют восстановительные или окислительные реакции (окислительно-восстановительные процессы).

2. Трансферазы осуществляют перенос той или иной химической группы от одного субстрата к другому.

3. Гидролазы катализируют гидролитическое расщепление химических связей субстратов.

4. Лиазы отщепляют химические группы с образованием двойных связей или, напротив, присоединяют определенные химические группы к двойным связям.

5. Изомеразы катализируют изменения в пределах молекулы субстрата.

6. Лигазы (синтетазы) катализируют соединение молекул субстрата с использованием высокоэнергетических соединений, например АТФ (аденозинтрифосфат) .

В соответствии с классификацией Международного биохимического союза каждый фермент имеет кодовый номер (шифр), состоящий из четырех, разделенных точками чисел (класс, группа, подгруппа, порядковый номер фермента в подгруппе). Систематическое название фермента образуется из названия субстратов, участвующих в ферментативной реакции, и названия класса фермента, например для глюкозооксидазы следующим образом: бета – D – глюкоза: кислород 1-оксидоредуктаза (кодовый номер 1. 1. 3. 4. ). Поскольку многие систематические названия ферментов довольно громоздки, в большинстве случаев по-прежнему используются травиальные названия, такие как глюкозооксидаза, пепсин и т. д.

6. ФЕРМЕНТЫ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

Совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке, составляют то, что мы называем метаболизмом. Метаболизм подразделяется на анаболизм и катаболизм – два разных типа реакций, которые нередко протекают и в разных частях клетки. Катаболические реакции, или реакции распада, обычно сопровождаются выделением энергии. По большей части это окисление или гидролиз. Анаболические реакции, или реакции синтеза, наоборот, требуют затрат энергии. Все эти реакции протекают с участием ферментов. Примером фермента, участвующего в анаболизме может служить глутаминсинтетаза, катализирующая синтез аминокислоты глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака.

+ + ГЛУТАМИНСИНТЕТАЗА

(где АТФ – аденозинтрифосфат, АДФ – аденозиндифосфат, Фн – неорганический фосфат).

В качестве примера фермента, участвующего в катаболизме, можно назвать мальтазу:

Таким образом, ферменты служат для регулирования происходящих в клетке реакций и обеспечивают надлежащую их скорость.

В пищеварительном тракте человека происходит ферментативное переваривание белков, углеводов, липидов (таб. 2).

Подобно рабочим на настоящей фабрике, большинство ферментов «клеточной фабрики» организовано в линный овано в "" настоящей фабрике, большинство ферментов "водов, липидов. ют надлежащую их скорость.

длинный «конвейер», имеющий многочисленные ответвления, а также циркулирующим образом работающие участники. В самом простом случае молекулы ферментов «плавают» в цитоплазме клетки. Например, в цитоплазме от 50000 до 100000 молекул важнейших ферментов, расщепляющих глюкозу. Как на настоящем производстве, где определенному цеху или рабочему месту придаются определенные машины и механизмы, обслуживаемые соответствующими специалистами, каждому отделу клетки «приданы» совершенно определенные ферменты .

7. ФЕРМЕНТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Ферменты – биологические катализаторы, которые позволяют скоординировать химическую активность в клетках.

Ферменты используются человеком уже тысячу лет, но только в конце девятнадцатого века люди начали понимать, как они работают. Для промышленности ферменты привлекательны по двум основным причинам. Во-первых, благодаря своему разнообразию ферменты способны катализировать множество промышленно важных химических реакций. Во-вторых, они гораздо более эффективны и специфичны, чем обычно используемые неорганические катализаторы

Использование ферментов имеет и ряд недостатков, связанных главным образом с недостаточностью белков, выделенных из клеток. Такие белки легко денатурируют при изменении температуры и рН, и при действии органических растворителей, которые используются в промышленных процессах. Они также могут ингибироваться продуктами реакции. Недостатком является также высокая стоимость процессов выделения самих ферментов и необходимость использования для этого «безопасных» (например, непатогенных) организмов, особенно, если ферменты предназначены для получения продуктов, потребляемых животными и человеком. В настоящее время используются менее 200 ферментов из 2500 выделенных и описанных (которые в свою очередь составляют только 10 % общего числа обнаруженных в природе). Большинство ферментов выделено всего лишь из одиннадцати видов грибов, четырех видов дрожжей и восьми видов бактерий.

Промышленное применение ферментов и микроорганизмов с их ферментативными системами приведет к созданию абсолютно новой отрасли химической промышленности, которая в будущем будет приобретать все большее значение. Промышленное применение ферментов и микроорганизмов с их ферментативными системами приведет к созданию абсолютно новой отрасли химической промышленности, которая будет приобретать в будущем все большее значение. Это позволит во многих случаях заменить технологии, в которых сегодня используются высокое давление и высокие температуры, на ферментно-технологические процессы, протекающие при нормальной температуре и давлении и позволяющие поэтому существенно снизить потребление энергии. С помощью ферментной технологии на основе принципиально новых методов удастся, по-видимому, получать ряд сложных продуктов, синтез которых ранее был просто невозможен или затруднен, поскольку он вызывал сильное загрязнение окружающей среды и был очень энергоемким.

На конгрессах и симпозиумах последних лет с участием представителей мировой науки наметились перспективные направления и задачи в области использования ферментов: создание предпосылок для использования мультиферментных систем (разработка методов иммобилизации), использование ферментов в качестве промышленных катализаторов для синтеза высокоочищенных продуктов, биологически активных веществ, чистых химических реактивов и новых соединений, использование «обратной» ферментативной реакции и неизученных (новых) каталитических активностей, биокатализа в экстремальных условиях, например в органических растворителях вместо воды, использование ферментов в качестве инструментов в генноинженерных исследованиях, улучшение свойств ферментов с помощью «белковой инженерии», разработка химических моделей ферментативных реакций, использование ферментов в медицинских целях, в том числе при пересадке искусственных органов, разработка биосенсоров и ферментативных усилителей, получение энергии с помощью ферментов (получение водорода также культур клеток, которые могут служить биологическими источниками энергии).

Большие возможности ферментной технологии будущего демонстрирует уже сегодня изящный ферментативный метод, разработанный в Калифорнии С. Л. Нейдлменом и сотрудниками. (фирма «Цетус корпорейшн»). Речь идет о ферментативном синтезе оксидов алкенов, производство которых в промышленном масштабе освоено уже в конце 80-х годов. Ожидается, что прибыль от реализации продукции этого и других аналогичных биотехнологических процессов составит 2-З млрд. долларов в год.

Сейчас ферменты в производственном процессе используют многие фармацевтические компании, изготовители сыра, пива и вина, производители детергентов, текстиля, фруктовых соков и т. п. Уровень мировой продажи ферментов в настоящее время превышает 1 миллиард долларов в год

В будущем по нашему желанию бактерии и дрожжи смогут производить белковые гормоны, факторы свертывания крови, антитела и ферменты животного и растительного происхождения, а также человека.

7. 1. ИСТОЧНИКИ ФЕРМЕНОВ

Ферменты могут быть растительного и животного происхождения . Более предпочтительными в качестве источников ферментов по сравнению с растениями и животными являются микроорганизмы, по следующим причинам:

1. они имеют более высокие скорости роста;

2. их можно получить в большом количестве в ферментах в контролируемых условиях;

3. они осуществляют широкий спектр химических реакций;

4. их свойства можно легко улучшить с помощью методов генной инженерии или путем получения разнообразных мутантов;

5. у них очень простые потребности в питательных веществах;

6. они способны расти на очень дешевых субстратах, часто на отходах;

7. скорость продукции можно быстро изменить в зависимости от потребностей;

8. они продуцируют множество внеклеточных ферментов, которые легко собирать и очищать.

7. 2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФРУКТОВЫХ СОКОВ

При изготовлении соков плоды сначала измельчают. Стенки клеток плодов содержат целлюлозу и другие сложные полисахариды, они прочные и трудно разрушаются. Чтобы повысить выход и качество продукта, в плодовую массу добавляют целлюлазы и гемицеллюлазы, которые расщепляют клеточную стенку и делают выход продукции более высоким. Чтобы сок был прозрачным, к нему добавляют ферменты пектиназы, которые расщепляют пектины и напиток становиться более прозрачным. Источником пектиназ являются бактерии.

7. 3. РАЗМЯГЧЕНИЕ МЯСА

Мясо – это в основном мышечный белок. Соединительная ткань, которая окружает мышцу, содержит структурные белки: коллаген и эластин. Нити этих белков жесткие и неэластичные. Чтобы мясо было мягким, в него добавляют фермент папаин, который разрушает белки. Этот фермент получают из сока растения папайя.

7. 4. СТИРАЛЬНЫЕ ПОРОШКИ С БИОДОБАВКАМИ

Первые стиральные порошки с биологическими добавками появились в середине 60-х годов двадцатого века. Они содержали протеиназы (ферменты, расщепляющие белки), которые особенно подходили для удаления пятен биологического происхождения, например от крови, травы, яиц. При разрушении пятна исчезают. Белковые загрязнения плохо растворяются в воде. Эти порошки особенно удобны для предварительной стирки и замачивания белья, а также для стирки при низких температурах. Первые стиральные порошки с биодобавками появились в Германии под названием «Бурнус», которые содержали протеазы поджелудочной железы. Для повышения эффективности к стиральным порошкам также были добавлены новые ферменты. Целлюлаза расщепляла свободные микроволокна целлюлозы, которые отщепляются при повреждении хлопкового волокна, и делают хлопковые изделия более яркими, мягкими и гладкими. Кроме того, добавляют ферменты, которые расщепляют углеводы, например амилазы, расщепляющие крахмал.

Обычно источниками ферментов для стиральных порошков являются различные виды бактерий рода Bacillus. Продуцируемые ими ферменты являются внеклеточными, что существенно облегчает их сбор и очистку.

Ферментативные способы можно использовать и для очистки канализационных труб в квартирах и жилых домах. Канализация засоряется особенно из-за попадания волос. Протеазы, которые содержатся в очистителе, специфически расщепляют кератин волос, переводя его в раствор и не вызывая при этом коррозии металла труб.

7. 5. ФЕРМЕНТЫ – ПЕКАРИ И ТКАЧИ

Ферментативные добавки используются и при выпечке мучных изделий. С помощью амилазы расщепляется крахмал, что и повышает содержание сахара и ускоряет процесс брожжения.

В текстильной промышленности для шлихтования хлопковой и льняной основы, используется крахмал, что помогает не склеиваться нитям, делает их упругими и износостойкими. Затем крахмал удаляется из ткани. Использование амилазы бактерий позволяет работать при высоких температурах и ускоряет процесс, так как они термостабильны.

7. 6. ИММОБИЛИЗИРОВАННЫЕ ФЕРМЕНТЫ

Коммерческое использование ферментов ограничено их высокой стоимостью. Стоимость можно существенно снизить за счет иммобилизации ферментов. Это означает, что ферменты закрепляют на поверхности или внутри подложки, которую легко удаляют из реакционной смеси после завершения ферментации. Фермент может быть использован повторно, что существенно снижает стоимость процесса. Разработаны многочисленные методы иммобилизации . Ферменты могут связываться с носителем химически, физически - путем адсорбции, их удается заключать в гели или микрокапсулы. Пример иммобилизированного фермента – это глюкозоизомераза и пеницилламидаза. Лучшим примером процесса, в котором успешно используются иммобилизированные ферменты, является производство кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы. Он используется в США и Японии в качестве подсластителя, например фруктовых напитках, так как он значительно дешевле сахарозы. Другой пример использования иммобилизированных ферментов – производство полусинтетических пенициллинов из природных пенициллинов. Иммобилизированные ферменты химически модифицируют одну из боковых групп молекулы пенициллина, что приводит к повышению антибиотической активности пенициллинов.

У многих людей из-за отсутствия лактазы в тонком кишечнике молочный сахар (лактоза) не расщепляется до глюкозы и галактозы. После потребления молока такие люди страдают расстройствами желудка, вздутием и болями в нижней части живота. Чтобы у людей с подобными отклонениями молоко усваивалось, оно было ферментативно обработано с помощью иммобилизированной лактазы. В Италии с 1975 года работает завод по переработке молока с помощью иммобилизированной лактазы в диетическое безлактазное молоко.

7. 7. ЛЕЧЕБНЫЕ ПИЯВКИ

Самый известный фермент слюны пиявок – гирудин. Он блокирует действие тромбина, препятствует свертыванию крови и образованию тромбов. Именно этими качествами гирудотерапия ценна для больных ишемической болезнью сердца, тромбофлебитом, атеросклерозом, диабетом.

Гирудин обладает противовоспалительным действием, задерживает рост микробов, восстанавливает кровоток в тканях очага поражения, способствует регенерации тканей. Пиявки помогают при лечении отита, гайморита, бронхита, хронических воспалениях придатков. Они предотвращают развитие атеросклероза, благодаря действию холестеринэстеразы – другого фермента слюнных желез пиявок.

Содержащийся в слюне пиявок фермент гиалуронидаза позволяет целебным веществам проникать до 10 см в глубь тканей пациента. Особую роль это может сыграть при снятии острого приступа некоторых форм глаукомы. При закрытоугольной форме этого заболевания нарушен отток жидкости из области глаз, резко повышается внутриглазное давление, это приводит к отмиранию зрительного нерва. Пиявки, поставленные на височную область, улучшают отток жидкости, внутриглазное давление, избавляют от мигрени.

Во время беременности действие пиявок используют при угрозе эклампсии, повышенном давлении.

8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БАКТЕРИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Годом рождения генной инженерии считается 1972 год, когда в лаборатории Пола Берга в США была получена in vitro первая рекомбинантная реплицироваться, то есть размножаться, в бактерии кишечной палочки E. coli. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря фундаментальным открытиям молекулярной биологии.

Генная инженерия – самый мощный метод, имеющийся в арсенале прикладной генетики и биотехнологии. Основные методы генной инженерии были разработаны в начале 70-х годов. Суть этих методов – введение в организм нового гена. Такой ген может быть перенесен из другого организма, а может быть синтезирован заново. Если в геном бактерии встроить ген, кодирующий какой-либо белок, бактериальная клетка превращается в живую фабрику по производству белка. В качестве примера рассмотрим перенос в клетку бактерии генов, кодирующих инсулин человека, гормон роста человека и бычий соматотропин.

8. 1. ИНСУЛИН ЧЕЛОВЕКА

Инсулин – белковый гормон, который образуется в поджелудочной железе и играет жизненно важную роль в регуляции содержания сахара в крови. Недостаток инсулина служит одной из причин сахарного диабета – заболевания, которым страдает около 3 % населения Земного шара. Повышенное содержание сахара в крови приводит к тяжелым последствиям. Болезнь стала излечимой, начиная с 1921 года, когда два канадских исследователя Бантинг и Бест впервые выделили гормон (до этого больные страдали от тяжелых изнурительных симптомов). Ежедневные инъекции инсулина стали стандартной процедурой для больных диабетом. Но инсулин, полученный из поджелудочных желез свиней или крупного рогатого скота, у некоторых пациентов вызывал аллергические реакции. Идеальное решение проблемы стало возможным с разработкой методов генной инженерии. Метод был разработан компанией «Eli Lilly», и в 1982 году инсулин человека под торговой маркой «humulin» стал первым полученным с помощью генной инженерии фармацевтическим продуктом, разрешенным к применению.

8. 2. ГОРМОН РОСТА

Гормон роста – 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.

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 «генно-инженерного» гормона больным детям восстанавливают рост почти до нормального уровня.

8. 3. БЫЧИЙ СОМАТОТРОПИН

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

Инъекции уже небольших доз бычьего соматотропина коровам увеличивают продукцию молока на 25 %, а массу скота, выращиваемого на мясо, на 10-15 %.

На примера бычьего соматотропина в странах Европейского Союза было запрещено, так как его действие на здоровье человека пока не изучено. С конца 1993 года применение бычьего соматотропина разрешено в США.

8. 4. ПОЛУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРОНА

В 1957 году английский ученые Исаакс и Ликдеман обнаружили, что мыши, болевшие гриппом, не подвержены инфекции другими более опасными вирусами. Исследования наблюдаемого явления привело к выводу, что клетки животных и человека в ответ на вирусную инфекцию выделяют какое-то вещество, которое делает окружающие здоровые клетки устойчивыми к вирусной инфекции. Это вещество получило название интерферона.

В 1980-1985 годах в нескольких лабораториях мира, в том числе и нашей стране, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Полученный белок абсолютно идентичен интерферону, синтезируемому в организме человека. Конечно, пришлось решать сложную задачу очистки интерферона, полученного способом генной инженерии, до гомогенного состояния. Наконец, в 1989-1990 годах появилось новое лекарство – человеческий интерферон – альфа; в России он выпускается под названием «реаферон». За эту работу группа ученых, удостоена Ленинской премии. Сегодня это почти единственный препарат, эффективен против вирусных гепатитов, как в острой, так и в хронической формах, против герпеса, простудных заболеваний. Интерферон применяется и в терапии некоторых видов рака.

8. 5. ПОЛУЧЕНИЕ БИОМАТЕРИАЛОВ

Ученые давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала, из которого пауки плетут сети, паутинки или, еще называют паучий шелк. Паутинка примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса. Этот материал мягче хлопка, прочнее стали, и имеет уникальную эластичность, практически не меняет свойств при изменении температуры. Материал идеально подходит для многих практических целей: парашютного корда, бронежилета и др. Разведение пауков не приемлемо с экономической и технической точек зрения.

На помощь пришла генная инженерия. Ученые уже выделили гены, ответственные за синтез белков паутины, и перенесли их в микроорганизмы. Нужно отметить, бактерии синтезируют не нити, а аморфный белок так же, как и пауки, в своих специализированных железах. Технически можно получить паутину, продавливая аморфный белок через очень тонкие отверстия.

8. 6. УДАЛЕНИЕ НЕФТЯНЫХ РАЗЛИВОВ

Еще одно важное направление в биотехнологии – создание с помощью генной инженерии бактерий, способных очищать нефтяные разливы. В настоящее время проводятся испытания сконструированного с помощью генной инженерии штамма Pseudomonas, который способен разрушать углеводороды, присутствующие в нефти. Такие бактерии можно распылять на поверхности, загрязненные нефтью.

9. БИОСЕНСОРЫ

Биосенсор представляет собой электронное регистрирующее устройство, в котором для обнаружения или измерения концентрации химического вещества используется биоматериал, например клетка, фермент или антитело, с его помощью особенно удобно производить измерения в случае ферментов или антител, потому что они очень специфичны и способны различать в сложной смеси отдельные молекулы.

9. 1. КОТРОЛЬ УРОВНЯ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ

Примером биосенсора, который широко используется, является прибор для определения содержания глюкозы в крови больных диабетом. Биосенсор содержит фермент глюкозооксидазу в иммобилизированной форме. Биосенсор очень чувствителен, он позволяет измерять концентрацию глюкозы в одной капле крови и выдает результат через 20 секунд.

Есть надежда, что со временем можно будет имплантировать такие датчики в кровеносные сосуды, находящиеся в коже больных диабетом, что позволит им более точно контролировать потребность в инсулине.

9. 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Ферменты все больше используются для рутинного автоматизированного анализа содержания метаболитов, лекарств, гормонов в биологических жидкостях человека. Диагностика с помощью биосенсоров позволяет врачам – терапевтам производить анализы непосредственно в их кабинетах, не прибегая к услугам лабораторий. Полицейские и врачи уже используют специальные наборы для выявления небольших количеств наркотиков в крови людей.

Уже используются биосенсоры, позволяющие контролировать появление опасных метаболитов в ходе хирургических операций.

9. 3. ПРИМЕНЕНИЕ БИОСЕНСОРОВ В ДРУГИХ ОБЛАСТЯХ

Другие большие области применения биосенсоров – контроль промышленных процессов.

Биосенсоры – идеальные приборы не только для проведения мониторинга окружающей среды, для определения влияния химических веществ, ядов, токсинов на живые клетки, но и для домашнего использования. В области создания биосенсоров для домашнего использования (вплоть до биосенсорных туалетов!) лидирует Япония.

В России биосенсоры как в лабораториях институтов Академии Наук, так и в лабораториях частных научных организаций. Подобные биосенсоры уже применяются для улучшения здоровья человека и животных, при мониторинге окружающей среды.

При выработке электроэнергии теплоэлектростанциями (ТЭС) теряются огромные количества энергии. Отдачу электронов топливом можно существенно ускорить с помощью ферментов за счет их иммобилизации, что помогает сохранить запасы энергии.

Предполагается, что в будущем биосенсоры будут применяться в сельском хозяйстве, ветеринарии, в качестве средств защиты человека (для обнаружения нервно-паралитических газов, токсинов и взрывчатых веществ) и окружающей среды (главным образом, для выявления загрязнений).

9. 4. ПРЕИМУЩЕСТВА И ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОСЕНСОРОВ

Основные преимущества:

1. биосенсоры специфичны;

2. они очень чувствительны;

3. дают быстрый ответ;

4. безопасны для использования;

5. они точны;

6. могут быть очень маленькими;

7. они доступны для массового производства.

Основные недостатки:

1. не очень прочны и нуждаются в тщательном уходе;

2. они не очень стабильны;

3. их нельзя стерилизовать.

10. ЭТИЧЕСКИЕ И СОЦИАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Конечно, нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность. Например, выращивание малинового рапса, в который введен устойчивый к пестицидам ген. Тогда этот малиновый рапс будет размножаться и за пределами огороженного для него поля, прекратить это размножение будет сложно. Или же рапс, будет опылять сорные растения, которые тоже усвоят этот ген. Во избежание этого во всех развитых странах мира существуют правила работы, законы, регулирующие генно-инженерную деятельность. Закон «О генно-инженерной деятельности» принят и парламентом РФ в июле 1996 года.

РАЗДЕЛ ВТОРОЙ

ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

1. ПОСЕЩЕНИЕ КЛИНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ ПОСЕЛКА БИЖБУЛЯКА

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРМЕНТОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИЦИНСКИХ АНАЛИЗОВ КРОВИ И МОЧИ

Анализ крови получают на биохимическом аппарате, основанном на действии ферментов: амилазы, диастазы, АЛТ (аланинтрансамилаза), АСТ (аспартаттрансамилаза). Их получают из сыворотки крови человека. Анализ мочи выдается специальным аппаратом – анализатором при помощи тех же ферментов АЛТ и АСТ, получаемые тем же способом, что и при анализе крови. А также для выявления диагноза используют глюкозооксидазу, алкогольоксидазу, лактатоксидазу, уриказу. Применение ферментов для определения рода заболевания выгодно с экономической и научной точек зрения.

(Информация получена при содействии заведующего клинической лабораторией поселка Бижбуляка Ахметовой Светланы Анатольевной)

2. ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАТАЛАЗЫ В НАМОЧЕННЫХ СЕМЕНАХ ФАСОЛИ И ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТА

Каталаза – это фермент, катализирующий разложение пероксида водорода с образованием молекулярного кислорода, выделяющегося в виде пузырьков газа:

2Н2О2 каталаза 2Н2О + О2

Пероксид водорода образуется в некоторых растительных и животных клетках в качестве побочного продукта метаболизма. Соединение это токсично для клеток, и каталаза обеспечивает эффективное его удаление. Каталаза один из наиболее быстро работающих ферментов.

Материалы и оборудование: горсть намоченной фасоли, раствор пероксида водорода, пробирки со штативом, водяные бани с температурами 40, 50, 60, 70,80,100 градусов Цельсия, часы, термометр, скальпели, ножницы, пинцеты, держатель для пробирок, стеклянная палочка, белая кафельная плитка.

МЕТОДИКА

1. Убедитесь в наличии каталазы. Для этого разомните одну фасолину и нанесите на нее несколько капель пероксида водорода.

2. Снимите с трех фасолин кожуру и проверьте каждую на наличие каталазы, кожуру и семядоли по отдельности.

3. Поставьте две пробирки с дистиллированной водой в водяную баню с температурой 40 градусов Цельсия.

4. Прокипятите в отдельной пробирке три целые фасолины, а затем поместите их в одну из пробирок в водяной бане.

5. В другую пробирку в водяной бане положить три фасолины, не подвергавшиеся кипячению

6. Выдержите пробирки в водяной бане в течение времени, достаточного для того, чтобы они приняли ее температуру (около 10 минут).

7. Проверьте каждую из фасолин на каталазную активность.

8. Повторите тот же эксперимент при 50, 60, 70, 80, 100 градусах Цельсия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Опыт показал, что самая максимальная температура, при которой может действовать фермент каталаза, это 60-70 градусов Цельсия. При температуре 70 градусов каталаза перестает реагировать с пероксидом водорода. Та же фасоль, которую предварительно сварили, действию пероксидом водорода не подверглась, т. к. в ней фермент уже разрушился.

3. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ФЕРМЕНТОВ В ПОРОШКАХ С БИОДОБАВКАМИ

Цель: доказать качественное использование порошков с биодобавками вместо обыкновенных порошков без энзимов.

Материалы и оборудование. Порошки без добавок: «Зифа», «Ласка. Магия - бальзам»; порошки с энзимами: «Миф. Ручная стирка», «Лоск. Активная биоэнергия»; таз, вода, белье (желательно белое).

МЕТОДИКА

1. Взять таз, нагреть воду до 30 градусов Цельсия.

2. Нанести на ткань загрязнение (например, кетчуп), дождаться пока высохнет пятно.

3. Замочить или постирать белье в указанных порошках.

4. Сравнить результаты.

5. Повторить то же самое с водой, нагретой до 40, 50 градусов Цельсия.

ИССЛЕДОВАНИЕ

При всех температурах мы получили разные результаты, скорость действия порошков увеличивалась при повышении температуры. Наименее качественный результат дал порошок «Зифа», при разных температурах загрязнение не было выведено. «Миф» не полностью отстирал пятна. Самым лучшим итогом в ходе исследования является стирка с порошком «Лоск», вывел пятна при всех температурах и достаточно быстро. При замачивании белья с порошком «Ласка» мы не добились хорошего результата, он был похожим на итог при стирке с порошком «Зифа».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для выведения пятен животного и растительного происхождения практично использовать порошки с БАД; цветные и трикотажные изделия надлежит стирать с специальными порошками (чаще всего на упаковках таких средств указано «Color»); также существуют специальные надбавки к стиральным порошкам, которые в своем составе имеют быстродействующие и эффективные даже в теплой воде ферменты (например, «Бос плюс. Максимум»).

4. ФЕРМЕНТНЫЕ ПРЕПАРАТЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТКАНЕВОЙ ОБМЕН

Исследования показывают, что нарушения механизмов ферментативных реакций являются причиной все большего числа заболеваний и функциональных нарушений организма человека. При многих болезнях полностью или частично отсутствую специфические ферменты. При недостатке определенных ферментов соответствующие им субстраты накапливаются или превращаются во вредные для организма вещества. Сейчас известно более 150 заболеваний, вызванных недостатком в организме ферментов (энзимопатии). Лечение путем непосредственного введения отсутствующих в организме ферментов возможно в настоящее время только в случае внеклеточных ферментов. Относительно просто, например, восполнить в организме недостаток пищеварительных ферментов. Мы посетили сеть аптек «Фармленд» и изучили некоторые препараты, содержащие ферменты.

Пепсин. Препарат, содержащий протеалитовый фермент. Получают из слизистой оболочки желудка свиней и смешивают с сахарной пудрой. Белый или слегка желтоватый порошок сладкого вкуса со слабым своеобразным запахом. Растворим в воде и двадцатипроцентном спирте. Применяют при расстройствах пищеварения. Назначают внутрь по 0,2-0,5 г на прием 2-3 раза в день перед едой или во время еды.

Панкреатин. Ферментный препарат из поджелудочной железы убойного скота. Аморфный мелкий порошок желтоватого цвета с характерным запахом. Мало растворим в воде. Содержит главным образом трипсин и амилазу. Трипсин в тонкой кишке расщепляет белки, а амилаза гидролизует крахмал. Применяют при расстройствах пищеварения, связанных с заболеваниями печени и поджелудочной железы. Назначают 3-6 раза в день перед приемом пищи.

Фестал. Комплексный препарат, содержащий основные компоненты поджелудочной железы и желчи. Выпускается в виде драже с содержанием липазы, амилазы, протеазы. Принимают 1-2-3 драже во время или после еды.

Мезим - форте. Драже, содержащее 140 мг панкреатина, 4200 ЕД амилазы, 3500 ЕД липазы и 250 ЕД протеаз. Применяют при расстройствах пищеварения, связанных с заболеваниями печени и поджелудочной железы.

Дигестал. Драже, содержащее панкреатин (200 мг), экстракт желчи крупного рогатого скота (25 мг), гемицеллюлазу (50мг). Подобно фисталу способствует улучшению пищеварения. Наличие гемицеллюлазы (ферментного комплекса) способствует расщеплению гемицеллюлозы, основной составной части растительных оболочек, что также способствует улучшению пищеварительных процессов, уменьшению брожения и образования газов в кишечнике. Назначают по 1-2 драже 3 раза в день во время или после еды.

Лидаза. Препарат, содержащий фермент гиалуронидазу. Слабо-желтая или золотисто-желтоватая пористая масса. Легко растворимо в воде. Гиалуронидаза вызывает увеличение проницаемости ткани и облегчает движение жидкостей в межтканевых пространствах. Препараты, содержащие гуалуронидазу получают из семенников крупного рогатого скота. Лидаза представляет специально очищенный препарат, пригодный для подкожного применения. Основными показаниями к применению лидазы являются контрактуры суставов, рубцы после ожогов и операций, гематомы. Раствор лидазы вводят в этих случаях вблизи места поражения под кожу или под рубцово измененные ткани. Лечебный эффект проявляется размягчением рубцов, появлением подвижности в суставах, рассасыванием гематом.

Вывод: как утверждают аптекари, на перечисленные препараты в аптеках большой спрос (особенно, мезим и фестал) , так как эти комплексы почти не имеют побочных действий. В будущем намечены такие перспективы, как использование ферментов при пересадке искусственных органов, разработка биосенсоров и ферментативных усилителей и биологически активных добавок.

5. ДЕЙСТВИЕ СЛЮНЫ НА КРАХМАЛ Цель работы: показать способность слюны переваривать углеводы. Материал: крахмальный клейстер (1 % водный раствор), 5 %- спиртовый раствор йода, 2 % р-р соляной кислоты, 4 пробирки, штатив для пробирок, водяная баня, спиртовка, воронка, пипетка.

ИССЛЕДОВАНИЕ

Нужно налить на одно из предметных стёкол при помощи пипетки одну–две капли воды с инфузориями. Добавить туда же две капли дрожжей, окрашенных конго красным. Для того, чтобы инфузории двигались медленно, капнуть одну капельку метилцеллюлозы и положить в раствор немного ваты. Накрыть подготовленный препарат покровным стеклом и рассмотрите его под микроскопом . В микроскопе можно увидеть одну или две инфузории. Волокна ваты ограничивают движение инфузорий, не давая уйти им за край экрана. Маленькие шарики, плавающие там же, – это клетки дрожжей. Можно разглядеть, что инфузория поглощает через ротовое отверстие дрожжевую клетку. Внутри инфузории пища попадает в пищеварительную вакуоль и переваривается внутри неё, перемещаясь по клетке.

Вывод: изменение окраски пищеварительной вакуоли свидетельствует об изменении в ней pH. Пищеварительные ферменты наиболее активны при pH 5,7–5,8 (красно-оранжевая окраска). Остатки пищи, которые не могут перевариться, выбрасываются инфузорией наружу.

рН- оптимум существует не только у пищеварительных ферментов человека, но и других живых организмов.

Итоги проделанных опытов: для использования человеком ферментов в лабораторных, практических и бытовых целях необходимо создать условия для достижения результата, изначально выяснив температурные пределы (и, если этого требует свойства фермента, оптимум рН) катализатора. Ферментные препараты не опасны для здоровья, а медицинские устройства и биосенсоры, основанные на действии энзимов, не дороги и эффективны.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)