Изучение и использование биохимических процессов в биотехнологиях имеет как теоретическое, так и практическое значение в следующих важнейших направлениях:

– выявление биохимических особенностей генома у прокариотических и эукариотических организмов;
– выявление участия генов в процессах усвоения растениями молекулярного и нитратного азота;
– определение отдельных этапов биосинтеза аминокислот (их активации) и биосинтеза белка, катализируемого специфическими ферментами – участвующими в процессах репликации, транскрипции, трансляции.

По этим направлениям составлена классификация механизмов внутриклеточной регуляции активности генов; дана биохимическая характеристика морфогенеза и регенерации организмов и др.

Слабо изученными остаются вопросы биохимии экспрессии генов в процессе трансгеноза, недостаточно охарактеризованы генетически модифицированные организмы с точки зрения их химического состава, питательной ценности. Неизвестна пригодность ГМО для использования в качестве эффективных источников новых ферментов, биологически активных веществ, которые можно использовать в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях.

Отстают работы по инженерной энзимологии, выделении наиболее эффективных адсорбентов – носителей иммобилизованных на них ферментов, которые при многоразовом использовании сохраняли бы свою активность и были бы экономически выгодными. В настоящее время перспективным направлением в области биокатализа иммобилизованными ферментами представляется использование макроструктурированных носителей сложной геометрической формы, таких как сотовые монолиты, ячеистые пеноматериалы и т. п.

Одним из важнейших современных направлений биохимии в биотехнологии является так называемая метаболическая инженерия, разрабатываемая все еще на бактериальных клетках.

Исследователи, работающие в области молекулярной биологии и биотехнологии, стали решать задачи оптимизации экспрессии гомо- и гетерологичной генетической информации в бактериальных клетках фактически сразу после появления прецизионных методов конструирования рекомбинантных молекул ДНК in vitro. Формально датой выделения этого направления в относительно самостоятельный отдел биотехнологии можно считать 1978 г., когда задача «Максимизация экспрессии генов» была сформулирована в названии статьи группы, руководимой лауреатом Нобелевской премии проф. Mark Ptashne. В этой работе было показано, что для достижения эффективной экспрессии целевого гена в бактериальной клетке необходимо создание и использование искусственных прокариотических регуляторных элементов, способных обеспечить высокоэффективную инициацию транскрипции соответствующей ДНК и инициацию трансляции образующейся мРНК. В дальнейшем подобные исследования проводились многими учеными в зарубежных и отечественных лабораториях. Была подробно изучена роль отдельных этапов реализации генетической информации:

– исследовали различные по «силе» регулируемые и конститутивные прокариотические промоторы, обеспечивающие инициацию транскрипции целевых генов;
– создавали искусственные участки взаимодействия с рибосомами (RBS), структура которых определяла эффективность инициации трансляции образующихся мРНК;
– предпринимали попытки защиты мРНК от деградации бактериальными РНКазами, увеличения эффективности трансляции гетерологичных генов, содержащих редкие для бактериальной клетки-хозяина аминокислотные кодоны;
– изучали различные способы стабилизации образующегося белкового продукта.

Принципиально по-иному решается проблема оптимизации экспрессии генов в том случае, когда задачей исследователя является создание штамма-продуцента природного метаболита бактериальной клетки, образование которого в естественных условиях является результатом скоординированной деятельности нескольких, а то и нескольких десятков ферментов, например при создании продуцентов витаминов, аминокислот, нуклеотидов. Само решение поставленной задачи немыслимо без проведения предварительных значительных модификаций бактериального генома:

– инактивация генов некоторых репрессоров;
– введение мутаций по генам ключевых ферментов, снимающих их способность ингибироваться конечным продуктом цепи целевых реакций, и др.

Здесь необходима истинная «оптимизация» и координация работы большого числа генетических систем, изначально находящихся к тому же под сложным контролем различных типов метаболической регуляции. Сведения о системах метаболической регуляции в настоящее время стремительно пополняются, особенно в связи с бурным развитием таких направлений исследования «организмов как целостных систем», как «DNA array», «Протеомика», «Метаболомика», анализ распределения потоков углерода в центральном метаболизме и т. п.

Все эти исследования являются основой нового направления биотехнологии XXI века – «Metabolic Control Engineering».