Генные технологии в борьбе с загрязнением окружающей среды. Фиторемедиация. Растения как биореакторы

Растения-биореакторы. Кризис аграрной цивилизации и генетически модифицированные организмы

Растения-биореакторы

Одним из перспективных направлений ДНК-технологий растений является создание растений-биореакторов, способных продуцировать белки, необходимые в медицине, фармакологии и др. К достоинствам растений-биореакторов относится отсутствие необходимости в кормлении и содержании, относительная простота создания и размножения, высокая продуктивность. Кроме того, чужеродные белки не вызывают иммунных реакций у растений, чего трудно добиться у животных.

Существует потребность в получении целого набора биологически активных белков, которые, из-за очень низкого уровня синтеза в специфических тканях или продуктах, недоступны для изучения по механизму действия, широкого использования или определения областей дополнительного применения. К таким белкам относится, например, лактоферрин, который находится в небольшом количестве в молоке млекопитающих, лейкоцитах крови.

Лактоферрин человека (hLF) перспективно использовать в качестве пищевой добавки и лечебного препарата для профилактики и лечения инфекционных заболеваний желудочно-кишечного тракта детей раннего возраста, повышения иммунного ответа организма при злокачественных и ряде вирусных (СПИД) заболеваний. Получение лактоферрина из молока крупного рогатого скота, вследствие его низкого содержания, приводит к высокой стоимости препарата. При введении кДНК гена лактоферрина в клетки табака получен ряд каллусных тканей, синтезирующих укороченный лактоферрин, антибактериальные свойства которого были значительно сильнее антибактериальных свойств нативного лактоферрина. Концентрация этого укороченного лактоферрина в клетках табака составляла 0,6-2,5%.

В геном растений встраиваются гены, продукты которых индуцируют у человека и животных иммунный ответ, например, на оболочечные белки возбудителей различных заболеваний, в частности, холеры, гепатита, диареи, а также на антигены плазматических мембран некоторых опухолей.

Создаются трансгенные растения, несущие гены, продуцирующие некоторые гормоны, необходимые для гормонотерапии людей и так далее.

Примером использования растений для создания вакцин являются работы, выполненные в Стенфордском университете. В работе были получены антитела к одной из форм рака с помощью модернизированного вируса табачной мозаики, в который был встроен гипервариабельный участок иммуноглобулина лимфомы. Растения, зараженные модернизированным вирусом, продуцировали антитела правильной конформации в достаточном для клинического применения количестве. 80% мышей, получавших антитела, пережили лимфому, в то время как все мыши, не получавшие вакцины, погибли. Предложенный метод позволяет быстро получать специфичные для пациента антитела в достаточном для клинического применения количестве.

Велики перспективы использования растений для производства антител. Кевин Узил с сотрудниками показал, что антитела, продуцируемые соей, эффективно защищали мышей от инфекции вирусом герпеса. В сравнении с антителами, продуцируемыми в культурах клеток млекопитающих, антитела, продуцируемые растениями, имели сходные физические свойства, оставались стабильными в человеческих клетках и не имели отличий в способности связывать и нейтрализовать вирус. Клинические испытания показали, что использование антител, продуцируемых табаком, эффективно препятствовало размножению мутантных стрептококков, вызывающих кариес.

Было проведено создание вакцины, продуцируемой картофелем, против инсулинозависимого диабета. В клубнях картофеля накапливался химерный белок, состоящий из субъединицы В токсина холеры и проинсулина. Наличие субъединицы В облегчает потребление данного продукта клетками, что делает вакцину в 100 раз более эффективной. Скармливание клубней с микрограммовыми количествами инсулина мышам, больным диабетом, позволяло затормозить прогрессирование болезни.

Следующая глава >

bio.wikireading.ru

Зеленые биореакторы - vechnayamolodost.ru

Растения-биофабрики

Евгения Марданова, «Биомолекула»

Развитие биотехнологий открыло новые возможности использования живых организмов на благо человечества. Методы генетической инженерии позволяют производить различные вещества в живых объектах, следовательно, мы можем использовать эти объекты в качестве природных «фабрик». Центральная догма молекулярной биологии в общем случае гласит: ДНК – РНК – белок. Именно белок часто является конечным продуктом биотехнологического производства: это может быть инсулин, интерфероны, антитела, ферменты, вакцины... Нам лишь нужно задать программу и «записать» ее в ДНК, а живой объект всё сделает сам. В качестве «фабрик» используют клетки дрожжей, бактерий, растений, а также культуры клеток насекомых и млекопитающих. В этой статье речь пойдет о растительных биофабриках.

Что такое растение-биофабрика?

Как объяснить понятие «растение-биофабрика»? Можно сказать, что это природное предприятие, которое будет изготавливать нужный нам биопродукт. В отличие от обычной фабрики, на таком предприятии будут трудиться не рабочие, а компоненты клеток: полимеразы нуклеиновых кислот, рибосомы, тРНК и многие другие. А производить они будут белок.

Почему именно растения?

В настоящее время для наработки белков чаще всего используют бактерий, дрожжи, культуры клеток насекомых и млекопитающих. Очень привлекательной системой синтеза и накопления рекомбинантных белков (экспрессионной системой) являются и растения, и тому есть несколько причин. Прежде всего, в растительных тканях нет риска загрязнения рекомбинантного белка вирусами животных и прионами – инфекционными белками [1]. Растительные клетки обеспечивают правильную модификацию рекомбинантного белка, характерную для эукариотических клеток [2, 3]. Также большое значение имеют стоимость, простота и время. На рисунке 1 сравнивается несколько основных экспрессионных систем.

Рисунок 1. Сравнение систем продукции рекомбинантных белков (от самых привлекательных «+» до наименее привлекательных «–»).

Из таблицы видно, что идеальной системы экспрессии не существует. Сегодня в России шире всего распространены бактериальные системы с E. coli в качестве самой популярной «рабочей лошадки». Еще в 2009 г. на долю этого микроорганизма приходилось 85% от всех систем экспрессии, несмотря на ряд существенных недостатков.

У каждой биофабрики есть свои плюсы и свои минусы. Но растительная система для многих ситуаций оказывается наиболее привлекательной.

Как заставить растение производить белок?

Для того чтобы растение производило нужный белок, в клетки этого растения необходимо внести чужеродный генетический материал – последовательность ДНК, кодирующую аминокислотную последовательность нужного белка.

Первый этап модификации растений с применением методов генетической инженерии включает поиск и выделение (или синтез) генов, которые будут перенесены в растительный геном. Гены, представляющие интерес для биотехнологов (целевые гены), могут быть «выращены» химическим путем, а также наработаны с помощью ПЦР (полимеразной цепной реакции). Затем целевой ген встраивается в подходящий вектор, который и доставляет его к месту производства белка – подобно тому, как вагон с сырьём прицепляется к паровозу, направляющемуся к фабрике.

Как перенести в растительную клетку необходимую последовательность ДНК?

В настоящее время чаще используют два способа.

Первый связан с использованием природных генно-инженерных «навыков» почвенной агробактерии Agrobacterium tumefaciens, способной переносить фрагменты ДНК в растительную клетку, то есть модифицировать ее генетически. Этот процесс в природе происходит повсеместно и регулярно. В природной A.tumefaciens помимо хромосомы содержится Ti-плазмида, в состав которой входит так называемая Т-ДНК (transferred DNA) длиной 12–22 тысяч пар нуклеотидов, встраивающаяся в ДНК растительной хромосомы. Она кодирует ферменты синтеза фитогормонов и опинов – производных аминокислот, которые используются бактерией как источник углерода, азота и энергии.

Т-ДНК Ti-плазмид обладает двумя свойствами, делающими ее почти идеальным вектором для введения чужеродных генов в клетки растений. Во-первых, круг хозяев агробактерий очень широк: они трансформируют клетки практически всех двудольных растений (а при некоторых стараниях можно добиться заражения и однодольных, в том числе злаков). Во-вторых, интегрированная в геном растения Т-ДНК наследуется как простой доминантный признак в соответствии с законами Менделя. Простейший способ введения Т-ДНК в клетки растения – заражение его A.tumefaciens, содержащей подходящую Ti-плазмиду, дальнейшее же предоставляется естественному ходу событий. Необходимо только уметь встраивать нужные гены в Т-сегмент плазмидной ДНК.

После проникновения агробактерий в межклеточное пространство Т-ДНК переносится из агробактерии в ядро растительной клетки и встраивается в хромосомную ДНК. Далее происходят транскрипция и трансляция – синтезируется целевой белок. Сама бактерия в клетку при этом не проникает, а остается в межклеточном пространстве.

Второй способ – баллистическая трансформация с использованием генной пушки. Маленькие золотые или вольфрамовые частицы покрывают чужеродной ДНК и «выстреливают» в молодые растительные клетки. Этот метод позволяет встраивать нужные гены не только в хромосомы растений, но и в геном их органелл – пластид. Это очень полезно в первую очередь для получения растений, защищенных от вредителей, но при этом безопасных для опылителей, ведь трансгены не экспрессируются в не имеющих пластид цветках. Недавно таким способом создали трансгенный (а именно – транспластомный) картофель, в хлоропластах которого образуется и сохраняется неповрежденной двухцепочечная РНК, блокирующая синтез жизненно важного белка колорадского жука – бета-актина. Поедая листья такого картофеля, личинки жуков погибают в считанные дни [6].

Менее распространенные, но всё же действенные способы трансформации – электропорация и трансформация с помощью вирусов.

Постоянная и временная экспрессия гена

В генетической инженерии растений можно встретить такие понятия: генетически модифицированное (ГМ, или трансгенное) растение и растение, обеспечивающее транзиентную (временную) экспрессию гена. В чем же разница?

Если речь идет о трансгенном растении, то подразумевается, что чужеродная ДНК интегрирована в хромосому. К настоящему времени получены десятки видов трансгенных растений, в геном которых перенесена ДНК, кодирующая различные белки медицинского назначения, такие как антигены различных возбудителей инфекционных заболеваний, терапевтические белки и моноклональные антитела [7, 8, 9]. Однако количество синтезируемого целевого белка в таких растениях обычно небольшое (менее 1% от общего растворимого белка).

При транзиентной экспрессии ДНК обычно не включается в ядерный геном, не реплицируется и не передается по наследству. Этот вид экспрессии не постоянный, однако некоторое время в одной клетке может присутствовать большое количество копий чужеродной ДНК, что обеспечивает высокий уровень синтеза конечного продукта. При наработке белков в растениях данный вариант наиболее эффективен. Мы как бы арендуем фабрику, и это оказывается более рентабельным, чем ее покупка. На рисунке 2 представлена модель переноса в растительную клетку ДНК для транзиентной экспрессии (в роли курьера – Agrobacterium tumefaciens).

Рисунок 2. Транзиентная экспрессия чужеродных генов в растениях с помощью агроинфильтрации. А – общий механизм процесса, Б – визуализация синтезируемого в растении репортера – GFP (зеленого флуоресцентного белка) – освещением листа ультрафиолетом.

Что может производить растение-биофабрика?

Использование растений в биотехнологии развивается в нескольких направлениях (рис. 3).

Первое направление включает в себя создание растений с новыми свойствами. О несомненных плюсах трансгенных растений сказано немало [10]. Так, ведется разработка сортов, устойчивых одновременно к насекомым-вредителям и болезням, вызываемым вирусами, плесневыми грибками и бактериями. Идут исследования, которые позволят вывести сорта сельскохозяйственных культур, переносящих неблагоприятные климатические и химические условия, например, засуху и засоленность почвы [11]. Создаются продукты, в которых значительно увеличена доля полезных и питательных веществ, снижено содержание насыщенных жиров и аллергенов. Особое внимание уделяется разнонаправленным модификациям риса – ценного и относительно недорогого продукта питания, который можно было бы производить во всех беднейших регионах мира, включая засушливые [12].

В эту же группу можно отнести трансгенные растения, которые используются в качестве модельных объектов для изучения фундаментальных проблем функционирования генов.

Рисунок 4. Примеры трансгенных растений.

Среди компаний, разрабатывающих трансгенные растения, можно отметить Calgen, Monsanto, Ciba Seeds. Несмотря на то, что ГМ-растения продаются на многих рынках мира, дискуссии о безопасности их использовании еще не закончены. Больше всего слухов и скандалов разворачивается вокруг компании «Монсанто». Основная продукция этой фирмы – генетически модифицированные семена кукурузы, сои, хлопка, а также самый распространенный в мире гербицид «Раундап» (непатентованное название – глифосат).

Основанная Джоном Фрэнсисом Куини в 1901 году как чисто химическая компания, «Монсанто» эволюционировала в концерн, специализирующийся на высоких технологиях в области сельского хозяйства. Ключевым моментом в этой трансформации стал 1996 год, когда «Монсанто» выпустила на рынок первые генно-модифицированные сельскохозяйственные культуры: сою «Раундап Рэди» (Roundup Ready, RR), устойчивую к глифосату, и хлопок «Боллгард» (Bollgard), устойчивый к насекомым-вредителям (гусеницам).

В марте 2005 года «Монсанто» приобрела крупнейшую семеноводческую компанию Seminis, специализирующуюся на производстве семян овощей и фруктов, в 2007–2008 годах поглотила 50 компаний – производителей семян по всему миру, после чего подверглась жесткой критике со стороны общества. В знак протеста против генетических манипуляций биотехнологического гиганта 25 мая 2013 года прошел «Марш против „Монсанто“», в котором приняли участие более 2 млн человек на шести континентах, в 52 странах мира.

В Центре «Биоинженерия» Российской академии наук на протяжении двух десятилетий ведутся работы по генетической инженерии растений – как для фундаментальных исследований, так и для сельского хозяйства. Были созданы генетически модифицированные сорта картофеля, устойчивые к колорадскому жуку, сорта свёклы, устойчивые к гербицидам и вирусам и др. Эти культуры могли бы решить ряд задач сельского хозяйства, но из-за до сих пор действующего в России законодательного ограничения они не выращиваются в открытом грунте. Само собой, этот запрет более чем странен, ведь ввоз ГМ-продукции в страну разрешен.

Второе направление представляет собой создание съедобных вакцин. В данном случае получают генно-модифицированное растение, синтезирующее вакцину. Такой привлекательной кажется идея: лежишь под пальмой, ешь банан, и ни одна тропическая зараза не берет!

Концепцию производства вакцин в растениях впервые сформулировал Xью Мэйсон с соавторами [13]. Они предприняли попытку получения съедобной вакцины против вируса гепатита В на основе трансгенного табака. На следующем этапе был создан ГМ-картофель, продуцирующий поверхностный антиген вируса гепатита В. При скармливании мышам клубней такого картофеля наблюдали развитие специфического иммунного ответа. В 1999 г. были начаты эксперименты на добровольцах, и у людей, употреблявших в пищу сырые клубни картофеля, наблюдали формирование специфического иммунитета. Также были получены съедобные вакцины против вируса гепатита В на основе люпина и салата.

Созданы трансгенные растения картофеля и табака, производящие белок нуклеокапсида вируса Норфолк, вызывающего у людей острый гастроэнтерит и устойчивого к спиртовым антисептикам. Появился и трансгенный картофель, синтезирующий полипептид LT-B – субъединицу термолабильного токсина Е.coli, вызывающего диарею. Однако, несмотря на активные исследования в этой области, коммерческих препаратов на сегодняшний день нет.

Третье направление связано с наработкой в растениях определенных продуктов, которые затем выделяются из растений и могут быть использованы, например, в качестве лекарственных препаратов. Биотехнологическими компаниями по всему миру уже создано большое количество ГМ-растений для получения белков, в том числе и медицинского назначения [14].

Среди компаний, деятельность которых основана на использовании трансгенных растений, следует отметить фирмы Рrotalix (Израиль), Medicago (Канада), LemnaGene (Франция), Planet Biotechnology (США), ProgyGene (Люксембург), Сhlorogen Inc. (США), SemBioSys Genetics (Канада) и Bayer AG (Германия).

Из белков медицинского назначения у производителей наиболее популярны инсулин, лизоцим, лактоферрин, коллаген, липаза, антитела, вакцины и др.

Многие из этих препаратов уже проходят клинические испытания. А вот трипсин (на снимке справа) уже можно купить у компании Sigma.

При наработке в растительных клетках продуктов медицинского назначения тоже используют метод агробактериальной трансформации, обеспечивающей транзиентную экспрессию генов на высоком уровне. Очевидными преимуществами этих систем являются простота манипуляций, скорость, низкая стоимость и высокий выход конечного продукта. Кроме того, в данном случае возможен синтез сложных белков, состоящих из нескольких субъединиц. Этот способ позволяет получать в течение нескольких дней белок в больших количествах (до нескольких граммов белка на килограмм массы растения). Выход продукта начинается уже через три часа (!) после проникновения агробактерий в клетку и переноса ДНК, а экспрессия сохраняется до 10 дней. Максимум наработки определяется для каждого белка индивидуально, но в среднем это 3–4 суток. Суммарно на получение белков в растениях уходит 2–3 недели (рис. 6).

Рисунок 6. Принципиальная схема экспрессии генов целевых белков в растениях. Весь процесс получения белка занимает 2–3 недели.

В растениях уже нарабатываются вакцины от вирусов папилломы человека, гепатита В [15], гриппа, папилломы крупного рогатого скота [16],  африканской катаральной лихорадки, герпеса рогатого скота [17], ящура [18] и др.

В Центре «Биоинженерия» также ведутся работы по экспрессии терапевтических белков в растениях. Так, в клетках Nicotiana benthamiana (вид табака) были произведены вакцинные препараты против вируса гриппа [19, 20]. Основой препарата служит высококонсервативный вирусный белок M2, который присоединен к белку-носителю для увеличения иммуногенности. Носителем может быть кОровый белок вируса гепатита В или бактериальный флагеллин. В случае флагеллина вакцинный препарат применяют интраназально, что является явным преимуществом. А использование высококонсервативной последовательности белка M2 делает вакцину универсальной, что исключает необходимость изготовления каждый год всё новых и новых ее вариантов. Эти вакцинные препараты показали хорошие результаты по иммуногенности и протективности в экспериментах с лабораторными животными; следующим этапом должно стать клиническое тестирование.

Об успехах в мире

Персонифицированная терапевтическая вакцина для лечения лимфомы, полученная с помощью транзиентной экспрессии в растении Nicotiana benthamiana, уже прошла I и II фазы клинических испытаний [21]. На данный момент (2015 год) ожидается старт III фазы. Растительная вакцина против пандемического гриппа H5N1 проходит II фазу клинических испытаний, результаты будут опубликованы в июне 2015 г. [22, 23]. Вакцина была разработана компанией Medicago. Стандартный процесс получения этой компанией вакцинных белков в растениях показан на видео.

Клинические испытания вакцинных препаратов занимают продолжительное время (около 10 лет). Невольно возникает вопрос с вакциной от гриппа, так как каждый год появляются новые штаммы, и будет ли прошедшая клинические испытания вакцина актуальной? Здесь большее значение имеет технология получения препарата. Новый тип вакцины проходит полный цикл клинических испытаний, а затем уже по отработанной методике может быть получена вакцина с учетом циркулирующих штаммов вируса. Так, сейчас сезонные профилактические прививки от гриппа получают в куриных яйцах, и такие вакцины уже не проходят клинических испытаний. Как будут обстоять дела с производством в растениях рекомбинантных вакцин для массового применения, покажет время.

* * *

Подводя итог, можно сказать, что растения дали возможность получения жизненно важных белков методами биотехнологии. Человек научился брать от природы всё лучшее и избегать худшего. Как Уильям Шекспир в «Ромео и Джульетте» написал про растение:

В его цветах – целебный аромат, А в листьях и корнях – сильнейший яд.

Так и человечество научилось брать целебный аромат, но не смертельный яд у растений. У растений-биофабрик – большое будущее!

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ РФ НШ-6150.2014.4.

Литература

1. биомолекула: «Прионы: исследования таинственных молекул продолжаются»;
2. Fischer R., Schilberg S., Helliwig S., Twyman R.M., Drossard J. (2012). GMP issues for recombinant plant-derived pharmaceutical proteins. Biotechnol. Adv. 30, 434–439;
3. Martinez C.A., Guilietti A.M., Talou R. (2012). Research advances in plant-made flavivirus antigens. Biotechnol. Adv. 30, 1493–505;
4. биомолекула: «Молекулярное клонирование, или как засунуть в клетку чужеродный генетический материал»;
5. биомолекула: «А не замахнуться ли нам на... изменение генома?»;
6. биомолекула: «Двухцепочечная РНК защищает трансгенные растения только от нежелательных насекомых»;
7. Sourrouille C., Marshall B., Lienard D., Faye L. (2009). From Neanderthal to nanobiotech: from plant potions to pharming with plant factories. Methods Mol. Biol. 483, 1–23;
8. Rybiski E.P. (2008). Plant-produced vaccines: promise and reality. Drug Discov. Today. 14, 16–24;
9. Yusibov V., Rabindran S. (2008). Recent progress in the development of plant derived vaccines. Expert Rev. Vaccines. 7, 1173–1183;
10. биомолекула: «Трансгенные растения – спасители планеты или бомбы замедленного действия?»;
11. биомолекула: «Лекарству от голода – средство от засухи»;
12. биомолекула: «Готовим ГМ-рис вместе»;
13. Mason H.S., Lam D.M., Arntzen C.J. (1992). Expression of hepatitis B surface antigen in transgenic plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 89, 11745–11749;
14. Paul M., Ma J.K-C. (2011). Plant-made pharmaceuticals: Leading products and production platforms. Biotechnol. Appl. Biochem. 58, 58–67;
15. Thuenemann E.C., Lenzi P., Love A.J., Taliansky M., Becares M., Zuniga S. et al. (2013). The use of transient expression systems for the rapid production of viruslike particles in plants. Curr. Pharm. Des. 19, 5564–5573;
16. Love A., Chapman S., Matic S., Noris E., Lomonosoff G., Taliansky M. (2012). In planta production of a candidate vaccine against bovine papillomavirus type 1. Planta. 236, 1305–1313;
17. Pérez Filgueira D.M., Zamorano P.I., Domínguez M.G., Taboga O., Del Médico Zajac M.P., Puntel M. et al. (2003). Bovine herpes virus gD protein produced in plants using a recombinant tobacco mosaic virus (TMV) vector possesses authentic antigenicity. Vaccine. 21, 4201–4209;
18. Wigdorovitz A., Pérez Filgueira D.M., Robertson N., Carrillo C., Sadir A.M., Morris T.J., Borca M.V. (1999). Protection of mice against challenge with foot and mouth disease virus (FMDV) by immunization with foliar extracts from plants infected with recombinant tobacco mosaic virus expressing the FMDV structural protein. Virology. 264, 85–91;
19. Равин Н.В., Котляров Р.Ю., Марданова Е.С., Куприянов В.В., Мигунов А.И., Степанова Л.А. и др. (2012). Продукция в растениях рекомбинантной противогриппозной вакцины на основе вирусоподобных HBc-частиц, несущих внеклеточный домен М2-белка. Биохимия. 77, 33–40;
20. Mardanova E.S., Kotlyarov R.Y., Kuprianov V.V., Stepanova L.A., Tsybalova L.M., Lomonosoff G., Ravin N.V. (2015). Rapid high-yield expression of a candidate influenza vaccine based on M2 protein linked to flagellin in plants using viral vectors. BMC Biotechnology. В печати;
21. McCormick A.A., Reddy S., Reinl S.J., Cameron T.I., Czerwinkski D.K., Vojdani F. et al. (2008). Plant-produced idiotype vaccines for the treatment of non-Hodgkin’s lymphoma: safety and immunogenicity in a Phase I clinical study. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105, 10131–10136;
22. D’Aoust M.A., Couture M.M., Charland N., Trépanier S., Landry N., Ors F., Vézina L.P. (2010). The production of hemagglutinin-based virus-like particles in plants: a rapid, efficient and safe response to pandemic influenza. Plant Biotechnol. J. 8, 607–619;
23. Sheldon E., Seiden D.J. (2014). Immunogenicity, safety and tolerability of a plant-derived seasonal virus-like-particle quadrivalent influenza vaccine in adults. ClinicalTrials.gov. (сервис Национальных институтов здоровья США).

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru 08.05.2015

www.vechnayamolodost.ru

Достижения генетической инженерии в растениеводстве: растения как биореакторы

Любые студенческие работы ДОРОГО, КАЧЕСТВЕННО

Узнать стоимость работы

Растения дают много биомассы, а выращивать их не составляет большого труда. Для выращивания сельскохозяйственных растений не нужно больших средств, в отличие от бактерий, которые культивируют в биореакторах (при этом необходимы дорогостоящие оборудование, квалифицированный персонал). Поэтому можно создать трансгенные растения, синтезирующие коммерчески ценные вещества. Антитела. Трансгенные растения стабильны, тогда как бактерии трансформируются плазмидами, которые могут утрачиваться при масштабном культивировании. Процессинг, укладка эукариотических белков в бактериях затруднены. Можно создать условия, при которых чужеродные белки будут синтезироваться в семенах и их структура будет сохраняться длительное время.Полимеры. Крупномасштабный бактериальный синтез поли-β- гидроксибутирата – полимера, из которого получают пластик, подверженный биодеградации, обходится дорого. В бактериях он синтезируется из ацетил-СоА в три стадии, катализируемые тремя ферментами, гены которых входят в один оперон. Растения не способны процессировать транскрипт с более чем одним геном с одного оперона. Поэтому каждый ген был клонирован в отдельности и введен в хлоропластную ДНК. В цитоплазме полимер синтезировался в небольшом количестве, при этом большинство растений были чахлыми. В хлоропластах же может накапливаться другой полимер – крахмал. Все гены поставлены под 35-S промоторы и получили сигнальные последовательности малой субъединицы РБФК. Растения, содержащие все три гена получили скрещиванием. В зрелых листьях растений экспрессировались все три гена и синтезировалось более 1 мг поли-β-гидроксибутирата на 1грамм сырой ткани листа. Эта работа – первый важный шаг в использовании трансгенных растений для получения биополимеров.

students-library.com

Растения как биореакторы - Справочник химика 21

    Наконец, уже сегодня в ведущих лабораториях мира создают растения третьей волны , которые в ближайшие 10 лет появятся на рынке. Исследования идут в нескольких основных направлениях растения-вакцины, растения-фабрики лекарств, растения-биореакторы для производства промышленных продуктов (компонентов для различных видов пластика, красителей, технических масел и присадок к ним, например, для двигателей внутреннего сгорания и т. д.). Все это пока здорово напоминает фантастику. Но первые лабораторные образцы таких растений и оценки экспертов, показывающие, что экономический (а главное — экологический) эффект их внедрения будет очень значительным, заставляют отнестись к этому со всей серьезностью. [c.106]

    Техническую вооруженность биотехнологических процессов целесообразно условно ограничить аппаратурным оформлением производств, базирующихся на культивировании 1) бактерий и грибов, 2) клеток и тканей растений, 3) клеток и тканей животных организмов и человека Такое подразделение обусловлено тем, что бактерии и грибы в большинстве своем выращивают в однотипных биореакторах, имеющих почти однотипную обвязку, в которую входят ферментатор, многокорпусный вентиль стерильный (для подачи питательной среды, посевного материала, подпитки и пр ), системы регулирования pH, 1°, подачи пеногасителя, система контроля расхода воздуха, пробоотборник, электродвигатель [c.296]

    Продукция рекомбинантных белков в растениях имеет ряд потенциальных преимуществ перед другими системами экспрессии чужеродных генов. Растительные системы более дешевы по сравнению с культивированием в биореакторах (ферментерах). Все, что требуется для нормальной жизнедеятельности растений, — это минеральные соединения, содержащиеся в почве, вода, энергия солнечного света и углекислый газ. [c.468]

    Традиционные способы использования микроорганизмов при производстве различных сортов пива, вина и сброженных продуктов совершенствовались тысячелетиями, и все же до недавнего времени в них было больше искусства, чем технологии. Только с развитием микробиологии мы получили возможность контролировать качество продуктов, добились большей надежности и воспроизводимости процессов ферментации и научились получать новые типы продукции (например, БОО и вкусовые добавки). Сегодня нам еще трудно с уверенностью говорить о том, каких успехов удастся достичь в этой области с помощью биотехнологии, но самые общие тенденции вырисовываются довольно ясно. Наиболее успешными представляются два взаимосвязанных направления. Во-первых, на смену традиционным способам производства пищи постепенно придут биореакторы, в которых будут расти клетки животных или растений или же микроорганизмы. Дело в том, что выход продукции при использовании ферментеров или биореакторов может быть существенно выше, чем в сельском хозяйстве идущие в них процессы гораздо более интенсивны. Развитию этого направления способствует и все возрастающая конкуренция за имеющиеся земельные ресурсы. Во-вторых, эта альтернативная технология будет становиться все более производительной благодаря использованию методов генетической инженерии, которые позволяют получать улучшенные линии клеток и штаммы микроорганизмов. [c.23]

    Особенности конфигурации биореактора, используемого в биотехнологическом процессе, определяются биохимическими и биофизическими свойствами избранного биокатализатора. От его природы зависит также и способ дальнейшей переработки полученного продукта. В этой связи при разработке процесса особое значение приобретает улучшение свойств катализатора методами генетической инженерии, например изменения тех физических параметров, которые определяют его способность работать в определенной среде, специфичность и производительность, а также локализацию синтезируемого продукта (вспомним о внеклеточном образовании некоторых веществ клетками растений). Более подробно роль генетических методов в решении задач биотехнологии разбирается в гл. 7. [c.185]

    Из тканей древесных растений наиболее устойчива к биодеградации кора. Стойкость коры к биологическому воздействию обусловлена воскоподобным веществом - суберином, препятствующем доступу в клетчатку влаги, воздуха и контакту с микроорганизмами. Гумификация начинается только после разрушения пропитанных суберином клеточных оболочек. В биореакторах кора может быть разрушена смешанными культурами микроорганизмов, продуцирующими фермент таназу, воздействующий на дубильную кислоту. [c.403]

    В то же время конкретного практического выхода следует ожидать уже в ближайшее время в таком важном направлении генетической инженерии, как использование животных в качестве биореакторов для производства фармацевтических препаратов. Перспективы этого направления генетической инженерии применительно к растениям обсуждались выше. Несмотря на то что и растения, и животные в отличие от микроорганизмов относятся к царству эукариот, тем не менее биология растительной и животной клеток все-таки существенно различается. Поэтому для производства некоторых животных рекомбинантных протеинов более целесообразно все-таки использовать животные организмы, нежели растительные. В настоящее время убедительно доказано, что с помощью молочных желез трансгенные животные способны производить всевозможные протеины, такие, как разные факторы крови, ферменты, моноклональные антитела, коллаген, фибриноген, шелк пауков и т.д. Разрабатываются и другие системы производства рекомбинантных белков, в частности, большие перспективы связывают с системой яичного белка кур. [c.59]

    Уже в настоящее время с помощью генно-инженерных методов удается получать трансгенные животные и растения, которые объединяют в своем геноме гены двух или нескольких видов организмов. Это позволяет контролировать рост таких организмов, период их полового созревания и пищевую ценность, а также использовать в качестве биореакторов для производства важных биотехнологических продуктов. Создаются трансгенные растения, успешно противостоящие насекомым-вредителям, вирусным инфекциям и гербицидам. Постепенно вводятся в сельскохозяйственную практику морозоустойчивые и засухоустойчивые трансгенные растения. Все эти достижения и открывающиеся перспективы являются прочной основой для второй Зеленой революции в мировом сельском хозяйстве. [c.5]

    Эти реакторы имеют механическую мешалку с центральным валом и лопастями (лопатками), число которых обычно равно 6, реже 8 (рис.2). Лопасти могут быть прямыми или изогнутыми, часто их располагают в несколько ярусов, что обеспечивает более эффективное перемешивание больших объемов жидкости. В систему входят также отражательные перегородки - узкие металлические пластинки, прикрепленные к внутренним стенкам биореактора. Они предотвращают возникновение водоворотов и обеспечивают вихревое движение жидкости, равномерно распределяемое но всему объему реактора. Однако в ряде случаев они не могут быть применены (культивирование мицелиальных грибов), так как обрастают микроорганизмами (мицелием). Нежное и медленное перемешивание создается в биореакторах, предназначаемых для выращивания ьслеток животных и (в меньшей степени) растений. [c.37]

    Четвертый способ — размножение в биореакторах микроклубнями. Это один из способов ускоренного размножения оздоровленного материала. О. Мелик-Саркисов сконструировал гидропонную установку, позволяющую получать около 7000 микроклубней с 1 м при массе одного кт ня 5 г. Предусмотрена последующая механизированная посадка их в грунт. В отделе биологии клетки и биотехнологии Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН создана эффективная полупромышленная замкнутая система пневмоимпульсного биореактора для получения микроклубней картофеля, в которой предусмотрена возможность воздействия на направление и скорость процессов клубнеобразования. Технологии клонального микроразмножения в биореакторах разработаны не только для сельскохозяйственных, но и для декоративных растений (лилии, гладиолусы, гиацинты, филодендроны и т.д.). Однако созданные установки пока носят лабораторный, модельный характер. [c.196]

    Растения дают большое количество биомассы, а выращивание их не составляет труда, поэтому разумно было попытаться создать трансгенные растения, способные синтезировать коммерчески ценные белки и химикаты. В отличие от рекомбинантных бактерий, которых культивируют в больших биореакторах (при этом необходимы высококвалифицированный персонал и дорогостоящее оборудование), для выращивания сельскохозяйственных культур не нужно больших средств и квалифицированных рабочих. Основная проблема, которая может возникнуть при использовании растений в качестве биореакторов, будет связана с выделением продукта введенного гена из массы растительной ткани и сравнительной стоимостью производства нужного белка с помощью трансгенных растений и микроорганизмов. Уже созданы экспериментальные установки по получению с помощью растений моноклональных антител, функциональных фрагментов антител и полимера поли-Р-гидроксибутира-та, из которого можно изготавливать материал, подверженный биодеградации. [c.412]

    С развитием технологии рекомбинантных ДНК природа биотехнологии изменилась окончательно и бесповоротно. Появилась возможность оптимизировать этап биотрансформации более прямым путем, создавать, а не просто отбирать высокопродуктивные штаммы, использовать микроорганизмы и эукариотические клетки как биологические фабрики для производства инсулина, интерферона, гормона роста, вирусньгх антигенов и множества других белков. Технология рекомби-нантньгх ДНК позволяет получать в больших количествах ценные низкомолекулярные вещества и макромолекулы, которые в естественных условиях синтезируются в минимальных количествах. Растения и животные стали естественными биореакторами, продуцирующими новые или изме- [c.18]

    Гибридомы, подобно большинству других клеточных культур животных, растут относительно медленно, не достигают высокой плотности и требуют сложных и дорогих сред. Получаемые таким образом моноклональные антитела очень дороги, что не позволяет широко использовать их в клинике. Чтобы решить эту проблему, были предприняты попытки создания своего рода биореакторов на основе генетически модифицированных бактерий, растений и животных. Для эффективной доставки и функционирования некоторых иммунотерапевтических средств зачастую достаточно одной антигенсвязывающей области антитела (Fab- или Fv-фрагмента), т. е. присутствие F -фрагмента антитела необязательно. [c.218]

    Можно привести три основных аргумента в пользу получения трансгенных растений. Во-первых, введение гена (генов) часто приводит к повышению сельскохозяйственной ценности и декоративных качеств культурных растений. Во-вторых, трансгенные растения могут служить живыми биореакторами при малозатратном производстве экономически важных белков или метаболитов. В-третьих, генетическая трансформация растений (трансгеноз) позволяет изучать действие генов в ходе развития растения и других биологических процессов. [c.373]

    Основной целью биотехнологических экспериментов на растениях является создание новых сортов культурных растений. Большинство ранних исследований было направлено на получение высокоурожайных сортов растений без изменения их пишевой ценности. В растения вводили гены, обеспечиваюшие их устойчивость к насекомым-вредителям, вирусам, гербицидам, неблагоприятным условиям окружающей среды, и гены, замедляющие старение. Часть этих работ мы рассмотрим ниже. Кроме того, проводились эксперименты по изменению окраски цветов и качества растительньгх продуктов, а также по использованию растений в качестве биореакторов . [c.389]

chem21.info

rulibs.com : Наука, Образование : Биология : Растения-биореакторы : Валерий Глазко : читать онлайн : читать бесплатно

rulibs.com

Генные технологии в борьбе с загрязнением окружающей среды. Фиторемедиация

Генные технологии в борьбе с загрязнением окружающей среды. Фиторемедиация

Своими действиями человек вмешался в ход эволюционного развития жизни на Земле и разрушил независимое от человека существование биосферы. Но он не сумел отменить управляющие биосферой фундаментальные законы и освободиться от их влияния.

Возрождаясь после очередного катаклизма из сохранившихся очагов, приспосабливаясь и эволюционируя, жизнь, тем не менее, во все времена имела основное направление развития. Оно определялось законом исторического развития Рулье, согласно которому в рамках прогресса жизни и необратимости эволюции все стремится к независимости от условий среды. В историческом процессе такое стремление реализуется путем усложнения организации, выражающейся в нарастании дифференциации структуры и функций. Таким образом, на каждом очередном витке спирали эволюции появляются организмы с усложняющейся нервной системой и ее центром — головным мозгом. Ученые-эволюционисты XIX в. назвали это направление эволюции «цефализацией» (от греческого «цефалон» — мозг) Однако цефализация приматов и усложнение их организма в конечном итоге поставили человечество как биологический вид на грань исчезновения согласно биологическому правилу ускорения эволюции, по которому усложнение биологической системы означает сокращение средней продолжительности существования вида и возрастание темпов его эволюции. Например, средняя продолжительность существования вида птиц составляет 2 млн. лет, млекопитающих — 800 тыс. лет, предковых форм человека — 200-500 тыс. лет. Современный подвид человека существует, по некоторым представлениям, всего от 50 до 100 тыс. лет, но многие ученые считают, что его генетические возможности и резервы исчерпаны (Длексеенко, Кейсевич, 1997).

На путь, усиливающий конфронтацию с биосферой и ведущий к катастрофе, предки современного человека ступили примерно 1.5-3 млн. лет тому назад, когда впервые начали пользоваться огнем. С этого момента пути человека и биосферы разошлись, началось их противостояние, итогом которого может явиться коллапс биосферы или исчезновение человека как вида.

Отказаться от чего-либо из достижений цивилизации, даже если они гибельны, человечество не может: в отличие от животных, использующих лишь возобновляемые источники энергии, причем в количествах, адекватных способности биосферы к самовоспроизведению биомассы, человечество может существовать, используя не столько возобновляемые, сколько не возобновляемые энергоносители и источники энергии. Новые изобретения в данной области только усиливают это противостояние.

Одним из новейших направлений использования трансгенных растений является их применение для фиторемедиации — очистки почв, фунтовых вод и т.п. — от загрязнителей: тяжелых металлов, радионуклидов и других вредных соединений.

Загрязнение окружающей среды природными веществами (нефтью, тяжелыми металлами и т.д.) и синтетическими соединениями (ксенобиотиками), часто токсичными для всего живого, год от года усиливается. Как предотвратить дальнейшее зафязнение биосферы и ликвидировать его существующие очаги? Один из выходов — использование генных технологий. Например, живые организмы, прежде всего микроорганизмы. Этот подход получил название «биоремедиация» — биотехнология, направленная на защиту окружающей среды. В отличие от промышленных биотехнологий, главная цель которых — получить полезные метаболиты микроорганизмов, борьба с загрязнениями неизбежно связана с   «выпуском»   микроорганизмов в окружающую  среду,  что требует углубленного понимания их взаимодействия с нею. Микроорганизмы производят биодеградацию — разрушение опасных соединений, не являющихся для большинства из них обычным субстратом. Биохимические пути деградации сложных органических соединений могут быть весьма протяженными (например, нафталин и его производные разрушаются под действием дюжины разных ферментов).

Деградацию органических соединений у бактерий чаще всего контролируют плазмиды. Их называют плазмидами деградации, или D-плазмидами. Они разлагают такие соединения, как салицилат, нафталин, камфора, октан, толуол, ксилол, бифенил и тд. Большинство D-плазмид выделено в почвенных штаммах бактерий рода псевдомонад (Pseudomonas). Но есть они и у других бактерий: Alcalkjenes, Flavobacterium, Artrobacter и тд. У многих псевдомонад обнаружены плазмиды, контролирующие устойчивость к тяжелым металлам. Почти все D-плазмиды, как говорят специалисты, конъюгативны, т.е. способны самостоятельно переноситься в клетки потенциального реципиента.

D-плазмиды могут контролировать как начальные этапы разрушения органического соединения, так и полное его разложение. К первому типу относится плазмида ОСТ, контролирующая окисление алифатических углеводородов до альдегидов. Содержащиеся в ней гены управляют экспрессией двух ферментов: гидроксилазы, переводящей углеводород в спирт, и алкогольдегидрогеназы, окисляющей спирт в альдегид. Дальнейшее окисление осуществляют ферменты, за синтез которых «отвечают» гены хромосом. Впрочем, большинство D-плазмид принадлежат ко второму типу.

Устойчивые к ртути бактерии экспрессируют ген mеr А, кодирующий белок переноса и детоксикации ртути. Модифицированную конструкцию гена mеr А использовали для трансформации табака, рапса, тополя, арабидопсиса. В гидропонной культуре растения с этим геном извлекали из водной среды до 80% ионов ртути. При этом рост и метаболизм трансгенных растений не подавлялись. Устойчивость к ртути передавалась в семенных поколениях.

При интродукции трех модифицированных конструкций гена mеr А в тюльпанное дерево (Liriodendron tulipifera) растения одной из полученных линий характеризовались быстрым темпом роста в присутствии опасных для контрольных растений концентраций хлорида ртути (HgCI2). Растения этой линии поглощали и превращали в менее токсичную элементарную форму ртути и испаряли до 10 раз больше ионной ртути, чем контрольные растения. Ученые полагают, что элементарная ртуть, испаряемая трансгенными деревьями этого вида, будет тут же рассеиваться в воздухе.

Тяжелые металлы — составная часть загрязнителей земель, используемых в сельскохозяйственном производстве. В случае с кадмием известно, что большинство растений накапливают его в корнях, тогда как некоторые растения, такие как салат-латук и табак, накапливают его в основном в листьях. Кадмий поступает в почву главным образом из промышленных выбросов и как примесь в фосфорных удобрениях.

Одним из подходов к снижению поступления кадмия в организм человека и животных может быть получение трансгенных растений, накапливающих меньшее количества этого металла в листьях. Данный подход представляет ценность для тех видов растений, листья которых используют в пищу или для корма животным.

Можно также использовать металлотионеины — небольшие богатые цистеином белки, способные связывать тяжелые металлы. Показано, что металлотионеин млекопитающих является функциональным в растениях. Получены трансгенные растения, экспрессирующие гены металлотионеинов, и показано, что эти растения были более устойчивыми к кадмию, чем контрольные.

Трансгенные растения с hMTII геном млекопитающих имели на 60-70% ниже концентрацию кадмия в стеблях по сравнению с контролем, и перенос кадмия из корней в стебли также был снижен — только 20% поглощенного кадмия было транспортировано в стебли.

Известно, что растения аккумулируют тяжелые металлы, извлекая их из почвы или воды. На этом свойстве основана фиторемедиация, подразделяемая на фитоэкстракцию и ризофильтрацию. Под фитоэкстракцией понимают использование быстрорастущих растений для извлечения тяжелых металлов из почвы. Ризофильтрация — это абсорбция и концентрация корнями растений токсичных металлов из воды. Растения, вобравшие в себя металлы, компостируют либо сжигают. Растения заметно различаются по аккумулирующей способности. Так, брюссельская капуста может накапливать до 3,5% свинца (от сухого веса растений), а ее корни — до 20%. Это растение успешно аккумулирует также медь, никель, хром, цинк и тд. Фиторемедиация перспективна и для очистки почвы и воды от радионуклидов. А вот токсичные органические соединения растениями не разлагаются, здесь перспективнее использовать микроорганизмы. Хотя некоторые авторы настаивают на снижении концентрации органических загрязнений при фиторемедиации, разрушают их в основном не растения, а микроорганизмы, обитающие в их ризосфере.

Симбиотическому азотфиксатору люцерны Rhlzobium melitotj был встроен ряд генов, осуществляющих разложение бензина, толуина и ксилена, содержащихся в горючем. Глубокая корневая система люцерны позволяет очищать почву, загрязненную нефтепродуктами, на глубину до 2-2.5 метров.

Следует помнить, что большая часть ксенобиотиков появилась в окружающей среде в последние 50 лет. Но в природе уже существуют микроорганизмы, способные к их утилизации. Это говорит о том, что в популяциях микроорганизмов достаточно быстро происходят генетические события, определяющие их эволюцию точнее, микроэволюцию. Поскольку ксенобиотиков в связи с нашей техногенной цивилизацией становится все больше, важно иметь общее представление о метаболизме микроорганизмов, и об их метаболических возможностях. Все это потребовало развитие новой науки — метаболомики. Основана она на том, что бактерии могут приобретать способность к переработке новых соединений в результате мутаций. Как правило, для этого требуется несколько последовательных мутаций или встройка новых генных систем из уже существующих у других видов микроорганизмов. Например, для разложения устойчивого галогенорганического соединения нужна генетическая информация, находящаяся в клетках разных микроорганизмов. В природе такой обмен информацией происходит за счет горизонтального переноса генов, а в лабораториях используются методы ДНК-технологий, взятые из природы.

Дальнейшее развитие фито- и биоремедиации — это комплексная проблема, связанная, в частности, с использованием растений и ризосферных микроорганизмов. Растения будут с успехом извлекать из почвы тяжелые металлы, а ризосферные бактерии — разлагать органические соединения, повышая эффективность фиторемедиации, способствуя росту растений, а растения — развитию обитающих на их корнях микроорганизмов.

Загрязнение окружающей среды можно считать заболеванием экосистем, а биоремедиацию — лечением. Ее следует рассматривать и как профилактику многочисленных заболеваний человека, вызываемых загрязнением среды. По сравнению с другими методами очистки, этот гораздо дешевле. При рассеянных загрязнениях (пестициды, нефть и нефтепродукты, тринитротолуол, которым загрязнены многочисленные земли), ему нет альтернативы. В очистке окружающей среды от загрязнений важно правильно выделить приоритеты, минимизируя риски, связанные с тем или иным загрязнением, и учитывая свойства конкретного соединения и его влияние прежде всего на здоровье человека. Необходимы законодательные акты и правила, регламентирующие интродукцию в окружающую среду ГМ микроорганизмов, с которыми связаны особые надежды на очистку от любых загрязнителей. В отличие от промышленной биотехнологии, где можно строго контролировать все параметры технологического процесса, биоремедиация проводится в открытой системе, где такой контроль затруднен. В известной мере это всегда «ноу-хау», своего рода искусство.

В полной мере преимущество микроорганизмов при очистке от нефтепродуктов удалось продемонстрировать, когда после катастрофы танкера 5000 м3 нефти вылилось в море у берегов Аляски. Около 1,5 тыс. км береговой линии оказалось загрязнено нефтью. К механической очистке привлекли 11 тыс. рабочих и разнообразное оборудование (это обходилось в 1 млн долл. в день). Но был и другой путь: параллельно для очистки берега в почву вносили азотное удобрение, что ускорило развитие природных микробных сообществ. Это в 3-5 раз ускорило разложение нефти. В итоге загрязнение, последствия которого, по расчетам, могли сказываться и через 10 лет, полностью устранили за 2 года, затратив на биоремедиацию менее 1 млн долл.

Развитие биоремедиации, технологий и способов ее применения требуют междисциплинарного подхода и сотрудничества специалистов в области генетики и молекулярной биологии, экологии, и других дисциплин. Таким образом, направления использования генной инженерии очень разнообразны и обширны, а некоторые из них фантастичны и в то же время весьма перспективны по достижимости результатов.

Исследование реакции живых организмов на изменения окружающей среды чрезвычайно важно для оценки влияния этих изменений, особенно имеющих антропогенное происхождение, на биоразнообразие, сохранение которого является важнейшей задачей человеческой цивилизации.

По данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), потенциальный рынок биоремедиации составляет более 75 млрд долл. Ускоренное внедрение биотехнологий для защиты окружающей среды вызвано, в частности, тем, что они гораздо дешевле других технологий очистки. По мнению ОЭСР, биоремедиация имеет локальное, региональное и глобальное значение, и для очистки будут все шире применять как природные организмы, так и ГМО.

Следующая глава >

bio.wikireading.ru

БИОРЕАКТОРЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ

pdnr.ru

Смотрите также

• 
  Растение останавливающее кровь
• 
  Пустырник растение описание
• 
  Очень колючее растение
• 
  Культурное растение вишня
• 
  Вишня культурное растение
• Вьющееся растение тропическое
• 
  Злаковые растения однодольные
• 
  Теплолюбивые растения культурные
• 
  Фото растения живучка
• Споровые растения автотрофы
• 
  Растения укрепляющие иммунитет