Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 8)

2.3.6. Последние достижения биотехнологии и генетической инженерии

Новые источники питания

В последние годы появился новый источник пищи; это так называемый белок одноклеточных, который получают из микроорганизмов. Использование микроорганизмов для этого дает целый ряд преимуществ: не нужно больших площадей для посевов, не нужно помещений для скота; микроорганизмы быстро растут на самых дешевых или побочных продуктах сельского хозяйства или промышленности (например, на нефтепродуктах, метаноле или бумаге). Белок одноклеточных можно использовать на корм скоту вместо продуктов, которые годятся людям. Так, например, в США фермеры скармливают животным очень много зерна, и замена этих кормов на белок одноклеточных поможет сохранить эти продукты сельского хозяйства для людей.

Сырье и ферментная технология

Бактерий можно использовать для создания новых способов получения многих важных для промышленности веществ, в том числе спиртов, кетонов, органических кислот, Сахаров и полимеров. Ферменты, выделенные из бактерий, можно применять для химической трансформации веществ, например для превращения метана в оксид этилена. Громадное преимущество процессов, контролируемых ферментами, заключается в возможности получить при обычных давлении и температуре те же результаты, что и на традиционных химических заводах, но с меньшими затратами и без большого риска, связанного с необходимостью поддерживать очень высокие давление и температуру.

Генетическая инженерия

Наши знания по вопросам генетики и молекулярной биологии растут с каждым днем. Это связано прежде всего с работами на микроорганизмах, и особенно на таких, как бактерия Escherichia coli. Термин "генетическая инженерия" вполне можно отнести и к такому издавна известному приему, как селекция, однако возник этот термин только в связи с появлением возможности проводить прямые манипуляции с индивидуальными генами. Стандартная процедура схематически представлена на рис. 2.12. Следует, правда, заметить, что эту схему можно понять, лишь имея некоторое представление и о ДНК, и о генетике (гл. 22 и 23).

Рис. 2.12. Схема опыта по генетической инженерии (в самых общих чертах). Вектором может быть не только плазмида, но и вирус, но в этом случае на конечных этапах происходит 'трансдукция', а не 'трансформация'

Одно из достижений генетической инженерии — это перенос генов, кодирующих синтез инсулина у человека, в клетки бактерий. С тех самых пор, как выяснилось, что причиной сахарного диабета является нехватка гормона инсулина, всем больным диабетом стали давать инсулин, который получали из поджелудочной железы после забоя животных. Инсулин — это белок, и поэтому было много споров о том, можно ли встроить гены этого белка в клетку бактерий и можно ли выращивать такие бактерии в промышленных масштабах, чтобы использовать их как намного более дешевый и более удобный источник гормона. Даже при удачном переносе генов существует одна скрытая трудность, которая связана с возможными различиями в механизмах регуляции синтеза белка у эукариот и прокариот. В настоящее время удалось успешно перенести гены человеческого инсулина и уже началось промышленное получение этого гормона.

Другим важным для человека белком является интерферон, который обычно образуется в ответ на вирусную инфекцию. Ген интерферона удалось перенести в клетки бактерий, и, заглядывая в будущее, можно, по-видимому, сказать, что бактерии будут широко применяться как "фабрики" для производства целого ряда таких продуктов эукариотических клеток, как гормоны, антибиотики, ферменты и вещества, необходимые в сельском хозяйстве. Возможно, что вместо бактерий можно использовать и дрожжи (эукариоты). Не исключено, что полезные гены прокариот удастся включить в клетки эукариот, например ввести гены азотфиксирующих бактерий в клетки полезных сельскохозяйственных растений. Это имело бы чрезвычайно большое значение для производства сельскохозяйственной продукции, так как позволило бы резко уменьшить или даже совсем обойтись без внесения в почву нитратных удобрений, на которые расходуются баснословные суммы денег и которыми загрязняются близлежащие реки и озера.

2.3.7. Биологический контроль

Определенные виды рода Bacillus (например, В. thuringiensis) заражают и вызывают гибель гусениц некоторых бабочек и личинок родственных им насекомых. На других животных и на растения такие бактерии не действуют. А это значит, что в нашем распоряжении имеется идеальное средство для борьбы со многими серьезными вредителями растений. Препараты таких бактерий используют для опыления посевов.

2.4. Бактерии, вредные для человека

Бактерии могут быть вредны для человека в двух случаях. Во-первых, если не принять особых мер, сапрофитные бактерии портят пищевые продукты; отсюда и множество различных и экономически невыгодных способов сохранения продуктов. Во-вторых, бактерии могут быть возбудителями болезней; это в большей степени касается животных, чем растений. Болеют и люди, и домашние животные, а время от времени страдают и посевы. Поскольку способы передачи инфекции наиболее распространенных бактериальных и вирусных заболеваний довольно сходны, эти болезни удобнее рассмотреть вместе (разд. 2.6).

К самым опасным заболеваниям животных относятся пищевые отравления свиней и домашней птицы, вызываемые сальмонеллами. Из бактериальных заболеваний растений можно упомянуть корончатые галлы плодовых растений и бактериальный ожог яблонь и груш (вызываемые соответственно Agrobacterium tumefaciens и Erwinia amylovorum).

2.5. Вирусы

2.5.1. Открытие

В 1852 г. русский ботаник Д. И. Ивановский впервые получил инфекционный экстракт из растений табака, пораженных мозаичной болезнью. Когда такой экстракт пропустили через фильтр, способный задерживать бактерии, отфильтрованная жидкость все еще сохраняла инфекционные свойства. В 1898 г. голландец Бейеринк (Beijerink) придумал новое слово "вирус" (от латинского слова, означающего "яд"), чтобы обозначить этим термином инфекционную природу некоторых профильтрованных растительных жидкостей. Хотя удалось достичь значительных успехов в получении высокоочищенных проб вирусов и было установлено, что по химической природе это нуклеопротеины (нуклеиновые кислоты, связанные с белками), сами частицы все еще оставались неуловимыми и загадочными, потому что они были слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью светового микроскопа. Поэтому-то вирусы и оказались в числе первых биологических структур, которые были исследованы в электронном микроскопе сразу же после его изобретения в 30-е годы нашего столетия.

2.5.2. Свойства

Размеры

Вирусы — это мельчайшие живые организмы, размеры которых варьируют в пределах примерно от 20 до 300 нм; в среднем они раз в пятьдесят меньше бактерий. Как уже говорилось, вирусы нельзя увидеть с помощью светового микроскопа (так как их размеры меньше полудлины световой волны), и они проходят через фильтры, которые задерживают бактериальные клетки.

Часто задают вопрос: "А являются ли вирусы живыми?" Если живой считать такую структуру, которая обладает генетическим материалом (ДНК или РНК) и которая способна воспроизводить себя, то можно сказать, что вирусы живые. Если же живой считать структуру, обладающую клеточным строением, то ответ должен быть отрицательным. Следует также отметить, что вирусы не способны воспроизводить себя вне клетки-хозяина. Они находятся на самой границе между живыми и неживыми, и это лишний раз напоминает нам, что существует непрерывный спектр все возрастающей сложности, который начинается с простых молекул и кончается сложнейшими замкнутыми системами клеток.

Поведение

Вирусы могут воспроизводить себя только внутри живой клетки, поэтому они являются облигатными паразитами. Обычно они вызывают явные признаки заболевания. Попав внутрь клетки-хозяина, они "выключают" (инактивируют) хозяйскую ДНК и, используя свою собственную ДНК или РНК, дают клетке команду синтезировать новые копии вируса (разд. 2.5.3). Вирусы передаются из клетки в клетку в виде инертных частиц.

Строение

Вирусы устроены очень просто. Они состоят из фрагмента генетического материала, либо ДНК, либо РНК, составляющей сердцевину вируса, и окружающей эту сердцевину защитной белковой оболочки, которую называют капсидом. Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. У некоторых вирусов, таких, как вирусы герпеса или гриппа, есть еще и дополнительная липопротеидная оболочка, которая возникает из плазматической мембраны клетки-хозяина. В отличие от всех остальных организмов вирусы не имеют клеточного строения.

Оболочка вирусов часто бывает построена из идентичных повторяющихся субъединиц — капсомеров. Из капсомеров образуются структуры с высокой степенью симметрии, способные кристаллизоваться. Это позволяет получить информацию об их строении как с помощью кристаллографических методов, основанных на применении рентгеновских лучей, так и с помощью электронной микроскопии. Как только в клетке-хозяине появляются субъединицы вируса, они сразу же проявляют способность к самосборке в целый вирус. Самосборка характерна и для многих других биологических структур, она имеет фундаментальное значение в биологических явлениях. На рис. 2.13 представлена упрощенная схема, которая показывает общее строение вирусов.