Цель настоящего дополнения - восполнить пробел, имеющийся в книге Сассона, и более подробно ознакомить читателя с состоянием биотехнологии в СССР, а также дать некоторые пояснения, которые нам кажутся существенными.

В Советском Союзе, как справедливо отметил автор, развитие фундаментальных областей знаний, в частности молекулярной биологии, генетики, биоорганической химии, биохимии, осуществляется в научно-исследовательских институтах Академии Наук СССР. Реализация достижений биотехнологии в основном подведомственна созданному в 1986 г. Министерству медицинской и микробиологической промышленности. Но определенная часть биотехнологических процессов относится к компетенции Государственного агропромышленного комитета СССР, так как именно в последнем сосредоточены сельскохозяйственное производство и пищевая промышленность.

СССР - единственная в мире страна, производящая микробиологический белок (сухая биомасса дрожжей - БВК) промышленным методом. Объем дрожжевой биомассы превышает 1 млн. т/год, причем 40% выпускается на основе гидролизатов древесины и сельскохозяйственных отходов и 60% - на основе очищенных нормальных парафинов нефти. Ведутся работы и планируется организация производства белка одноклеточных на базе этанола, метанола и природного газа. Причины, по которым в других странах такое производство отсутствует, объясняются экономикой. В США, странах Западной Европы и Японии в животноводстве используется белок соевых бобов, который значительно дешевле микробиологического белка. Единственное промышленное предприятие - завод концерна «Империал кеми- кал индастриз» (Англия), - в 1983-1985 гг. выпускавшее по 60 тыс. τ в год сухой бактериальной биомассы из метанола (так называемый «прутин»), с 1986 г. прекратило выпуск этого продукта из-за отсутствия рентабельного сбыта. Развивающиеся страны, особенно остро ощущающие дефицит белка в продуктах питания и в корме сельскохозяйственных животных, не в состоянии вложить крупный капитал в развитие этой отрасли, а кроме того, часто не обладают таким сырьем, как очищенные парафины. Производство же белка из гидролизатов сельскохозяйственных отходов или древесины при существующем в этих странах уровне технологии экономически малооправданно.

Широкомасштабному производству микробиологического белка для нужд сельского хозяйства и в перспективе для пищевых целей (белковые изоляты) в СССР благоприятствуют природные, климатические и социальные факторы: суровый климат, наличие больших запасов природного газа, возможность социалистического государства в плановом порядке маневрировать крупными материальными ресурсами. К 1990 г. производство микробиологического белка в стране возрастет в два с лишним раза по сравнению с 1985 г. По своим питательным качествам, содержанию витаминов, незаменимых аминокислот и липидов дрожжевая биомасса (БВК) не уступает, а по некоторым показателям превосходит соевый белок. Добавка в корма сельскохозяйственных животных микробиологического белка ускоряет привесы, экономит фуражное зерно (экономия последнего составляет 5 т на 1 т БВК).

Еще более эффективным продуктом для сбалансированных кормов сельскохозяйственных животных является незаменимая аминокислота, лизин, которую производят методом микробиологического синтеза из мелассы (патоки) или уксусной кислоты. Использование 1 т лизина в комбикормовой промышленности экономит 40-50 τ фуражного зерна. Производство этой аминокислоты в СССР к 1985 г. достигло 20 тыс. т; как планируется, к . 1990 г. эта цифра возрастет более чем вдвое. Для сравнения укажем, что мировое производство лизина в 1985 г. составило около 100 тыс. т.

В Советском Союзе создана крупная промышленность по выпуску антибиотиков, предназначенных для медицины и ветеринарии. По валовому производству антибиотиков наша страна занимает второе место в мире (после США).

Чрезвычайно интересную область микробиологической промышленности представляет производство биологических инсектицидов на базе бацилл (Вас. thrfringiensis). Эти бактерии в процессе своего роста синтезируют большое количество (до 40% от массы клетки) белкового протоксина. В пищеварительном тракте листогрызущих насекомых протоксин превращается в токсин, полностью безвредный для человека и теплокровных животных и не представляющий опасности для пчел и ряда других полезных насекомых. Несколько типов бактериальных инсектицидов применяются в СССР для защиты лесов, овощных культур, хлопчатника. Один из препаратов этого типа, знтомо- бактерин, продается в мелкой расфасовке в хозяйственных магазинах; им пользуются садоводы и огородники-любители.

В СССР создана также промышленность ферментных препаратов, которые широко применяются в пищевой промышленности, пивоварении, виноделии, приготовлении соков, в качестве добавок в стиральные порошки (протеаза, липаза), в текстильной промышленности (α-амилаза), в кормопроизводстве (целлюлаза).

Важную область медицинской биотехнологии составляет производство вакцин, гормональных препаратов, витаминов. В нашей стране налажено микробиологическое производство витаминов В₂ и В₁₂ микробиологические процессы применяются и в производстве аскорбиновой кислоты (витамин С).

В Советском Союзе освоено культивирование клеток высших растений, осуществляется промышленное производство клеток женьшеня. Ведутся работы по культивированию одноклеточных водорослей—хлореллы и спирулины. В течение длительного времени производятся бактериальные удобрения (живые азот-фиксируюдще бактерии). Выпускаются как симбионты бобовых (нитрогин), так и удобрения для овощных культур на базе свобод ноживущих азотфиксаторов (азотобактерин). Такими удобрениями обрабатываются миллионы гектаров посевов. Ценность подобных удобрений не только в их экономичности, но и в сохранении экологического баланса.

Советские ученые предпринимают усилия для промышленного освоения процессов и продуктов, появившихся в результате достижений современной инженерной энзимологии, молекулярной биологии, генной и клеточной инженерии. Так, с помощью иммобилизованных ферментов осуществляется получение 6-ами- нопеницилловой кислоты (6-АПК), являющейся основной для получения полу синтетических пенициллинов. На промышленную основу поставлено клональное разведение растений (например, в цветоводстве гвоздики, выращивании безвирусного картофеля).

Первые работы с рекомбинантными молекулами ДНК в СССР были начаты в 1974 г. группой ученых во главе с акад. А. А. Баевым (Институт молекулярной биологии АН СССР, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР) и в институте ВНИИгенетика Минмедбиопрома. Первые публикации об этих исследованиях появились в 1975 г. В настоящее время работы по генной инженерии проводятся в научно- исследовательских институтах АН СССР, АМН СССР, ВАСХНИЛ, Минмедбиопрома.

Советские специалисты создали бактериальные штаммы-продуценты всех трех типов интерферонов: IFN-α₂ и IFN- ץ(Институт биоорганической химии АН СССР), IFN-β (Институт ВНИИгенетика). Созданы также штаммы-продуценты гормона роста человека и ряда сельскохозяйственных животных (Институт молекулярной биологии АН СССР), проинсулина человека (ИБХ АН СССР), интерлейкина-2 (Институт органического синтеза АН Латвийской ССР). Трудно даже перечислить все препараты, с которыми проводится работа в тех или иных научных учреждениях СССР.

Следует напомнить, что к 1986 г. лишь немногие препараты, полученные в мире методами генной инженерии, прошли солидные клинические испытания и получили право выпуска на рынок в качестве медикаментов. Первым таким препаратом был инсулин (производится американской компанией «Эли Лилли» под коммерческим названием «хемулин»), выпущенный в продажу в 1983 г. В 1985 г. американская фирма «Генентек» получила разрешение на продажу в США генно-инженерного гормона рос га человека. В мае 1986 г. Федеральное агентство по контролю над пищевыми, лекарственными и косметическими товарами США (FDA) разрешило продажу и клиническое применение рекомбинантного лейкоцитарного интерферона человека. Разрешение было выдано швейцарской фирме «Хофман Ла Рош», американским фирмам «Биоген», «Генентек» и «Шеринг-Плау». Ожидается, что с конца 1986 г. будет получено разрешение на производство и продажу гормона роста крупного рогатого скота (фирма «Монсанто», США). Другие препараты находятся на различных стадиях клинической проверки.

В СССР к середине 1986 г. на последних стадиях клинической проверки находились два препарата: IFN-α₂ и гормон роста человека. Их производство освоено на заводах Минмедбиопрома.

Следует отметить ряд трудностей принципиального порядка, с которыми сталкиваются исследователи при получении белков человека и сельскохозяйственных животных в клетках микроорганизмов. Большинство белков, важных для медицины, относятся к секретируемым белкам, иными словами, белкам, которые синтезируются в организме в виде предшественников. В процессе выхода из клетки от таких белков отщепляется N-концевой полипептид. Тем не менее при использовании обычных векторных систем используются зрелые структурные гены (без N-концевого лидерного пептида), и белки, синтезируемые в этих системах, отличаются от природных наличием дополнительного метионина на N-конце молекулы. Вопрос о том, играет ли дополнительный метионин какую-либо биологическую роль, до сих пор не ясен. Есть сообщения о возникновении антител к генно-инженерным белкам, вводимым в организм человека, но нет четких доказательств, что за это отвечает концевой метионин. Поэтому, например, FDA выдало разрешение на клиническое применение гормона роста человека с дополнительным метионином. На наш взгляд, эту трудность можно преодолеть несколькими путями, в частности использовать микроорганизм, способный отщеплять N-концевой метионин. В СССР IFN-α₂ производится с помощью штамма Pseudomonas sp., который обладает такой способностью, и, следовательно, реоферон не имеет N-концевого метионина и полностью идентичен белку, вырабатываемому организмом человека.

Другой подход заключается в создании специальных генно- инженерных конструкций, которые обеспечивали бы синтез целевых белков в виде предшественников и были бы способны секретировать готовый продукт в среду после отщепления N-концевого полипептида. Такие конструкции созданы на базе бацилл и дрожжей, но по выходу продукта они пока уступают конструкциям, использующим гены зрелого белка. Но если смириться с несколько большей себестоимостью продукта, наличия дополнительного N-концевого метионина можно избежать.

Еще одна трудность заключается в том, что некоторые белки представляют собой гликопротеины, иными словами, они глико- зилированы. Гликозилирование осуществляется после синтеза белка. Сахара присоединяются в белке к определенным аминокислотным остаткам — точкам гликозилирования. Так, если IFN- а2 не гликозилирован, то IFN-β и IFN- ץвляются гликопроте- инами. Бактериальные клетки не способны осуществлять гликозилирование. Клетки дрожжей производят гликозилирование белков человека и высших животных по правильным точкам. Однако до сих пор не выяснено строение гликозидных «хвостов» в таких белках, т. е. не известно, присоединяются ли в дрожжевых клетках те же сахара и в таком же порядке, как в клетках высших животных. Роль гликозилирования в функции белков не совсем ясна. Если путем аккуратного ферментативного гидролиза снять сахарные остатки с IFN-β, то его удельная активность в тестах in vitro не отличается от природного. Тем не менее наличие остатков Сахаров в молекуле может влиять на ее локализацию в организме и на стабильность белка. Не вызывает сомнения, что такие свойства важны для медицинского препарата.

Одной из принципиальных трудностей, с которой столкнулись исследователи, является неоднозначная пространственная сборка чужеродных белковых молекул в клетках бактерий. Такие белки, как IFN-β, интерлейкин-2, химозин (реннин) и ряд других, при биосинтезе в бактериальных системах дают смесь, которая состоит из молекул в разной конформации с неправильно замкнутыми S - S-связями. Возможно, со временем эти сложности удастся преодолеть ренатурацией и последующей правильной сборкой или изменением условий биосинтеза таким образом, что последние будут способствовать образованию правильной конформации. Не исключено, что для правильной

Вот почему в последние годы уделяется большое внимание разработке экономичных путей культивирования клеток человека и животных с целью производства в таких системах медицинских препаратов. С 1984 г. в ФРГ на рынок выпущен фибробла- стный интерферон (IFN-β), полученный культивированием фиб- робластов человека. Коммерческое название препарата «фибло- ферон». С 1985 г. препарат начал продаваться в Японии. Для производства человеческих белков не обязательно использовать клетки человека, которые, как правило, трудно культивируются. Соответствующий ген можно перенести в линию легко культивируемых клеток животных. Однако, несмотря на все усовершенствования технического порядка и разработку более дешевых сред, культивирование животных клеток—процесс достаточно сложный и дорогостоящий. Возможно, за счет конструирования клеток, одновременно производящих два или более биологически активных белка, удастся облегчить и удешевить систему.

Важным направлением биотехнологии является создание более продуктивных штаммов для традиционных микробиологических процессов. Примером может служить создание штамма- продуцента аминокислоты L-треонина на основе генно-ин- женерного конструирования бактерий Е. colL Традиционно для производства аминокислот используются штаммы коринобактерий. В результате длительной селекции в Японии создан штамм коринобактерий, способный синтезировать около 30 г/л L-треонина за 60 ч ферментации. В советском институте ВНИИгенетика методами генной инженерии в сочетании с классическими методами селекции создан штамм Е. coli, синтезирующий до 60 г/л L-треонина за 40 ч ферментации с конверсией по сахару, превышающей 40%, т. е. 400 г L-треонина из 1 кг сахара. Важно отметить, что Е. coli сама по себе сахар усваивать не может, хотя и растет на глюкозе и фруктозе. Ген, необходимый для кодирования фермента, расщепляющего сахарозу, был перенесен в Exoli из других бактерий. В ВНИИгенетика создан штамм- продуцент рибофлавина (витамин В₂) на основе В. subtilis, по своим техническим характеристикам и продуктивности превосходящий все до сих пор известные штаммы по крайней мере вдвое. Американские исследователи сконструировали штамм-продуцент L-пролина, правда, по характеристикам уступающий лучшим штаммам, полученным классическими методами селекции.

Можно ожидать, что производство аминокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов в ближайшие годы явится объектом приложения генно-инженерных исследований.

В 1984 г. издательство «Наука» выпустило книгу «Биотехнология» под редакцией акад. А. А. Баева. В ней освещается широкий спектр проблем, относящихся к технической микробиологии, технической биохимии и инженерной энзимологии, а также к генной и клеточной инженерии. Книга написана видными советскими специалистами, охватывает широкий материал и, что очень важно, дает определенные оценки того или иного направления. Мы рекомендуем заинтересованному читателю после знакомства с книгой А. Сассона, рассказывающей о состоянии биотехнологии в ряде промышленно развитых стран Запада, для углубления и расширения своих знаний ознакомиться с книгой советских ученых.

Д-р биол. наук, проф. В. Г. Дебабов