Значение мутаций. Перспективы генной инженерии

Мутационная изменчивость прокариот по отношению к здоровью человека и его хозяйственной деятельности проявляется по-разному. С одной стороны, мутации патогенных бактерий и вирусов несут серьезную угрозу здоровью человека. За последние 30–40 лет наблюдается неуклонный рост резестентных форм патогенных бактерий к различного рода химическим лекарственным препаратам и антибиотикам. В основе их появления лежит естественный отбор спонтанно возникающих мутантов. Развитию резестентности мутантов способствует бесконтрольный прием лекарств. Недостаточные дозы лекарственных препаратов не убивают патогенные микробы, а, наоборот, способствуют отбору резестентных мутантов в популяции. Широкий арсенал применяемых химиотерапевтических препаратов и антибиотиков, сам по себе, является сильным селективным фактором, способствующим появлению множественной лекарственной устойчивости патогенных бактерий. Множественную лекарственную устойчивость проявляют гноеродные стрептококки и стафилококки, гонококки, пневмококки, бактерии туберкулеза, возбудители кишечных инфекций и др.

Однако мутации патогенных бактерий имеют не только теневую сторону для здоровья человека. Индуцированный мутагенез патогенных бактерий и вирусов позволил человеку создать высокоэффективные вакцинные штаммы микроорганизмов со стабильно сниженной вирулентностью.

Индуцированный мутагенез применяется также для создания высокопродуктивных промышленных штаммов микроорганизмов – продуцентов антибиотиков, ферментов, витаминов и других биологически активных веществ. Так, использование химических мутагенов и ионизирующего излучения с последующим ступенчатым отбором позволили получить мутантные штаммы микроорганизмов – продуцентов антибиотиков, которые в 10–20 – 100 раз превосходят по продуктивности природные формы.

Индуцированный мутагенез был положен и в основу выведения высоко-продуктивных мутантов бактерий, синтезирующих аминокислоты. Некоторые дикие штаммы коринебактерий, называемые глутаминовыми, способны синтезировать до 30 г/л глутаминовой кислоты и выделять ее в среду. Промышленные штаммы Corynebacterium glutamicum, полученные путем индуцированного мутагенеза, производят до 100 г/л этой аминокислоты. На сегодняшний день ежегодно в мире микробиологическим синтезом получают
270 тыс. тонн глутаминовой кислоты. Второе место по объему продукции занимает лизин, производство которого достигло 180 тыс. тонн.

Общеизвестно, что гибридизация среди представителей царства эукариот осуществляется только между близкородственными организмами. У прокариот, посредством передачи плазмид, гибридизация не ограничивается рамками даже крупных систематических категорий. И в этом смысле прокариоты открывают беспредельные возможности нового научного направления – генной инженерии, заключающегося в конструировании гибридов из материала совершенно разного происхождения.

Методы генной инженерии предусматривают решение трех проблем:

1) выделение молекул ДНК из клеток различных организмов;

2) сшивка фрагментов ДНК различного происхождения в единую молекулу;

3) введение вновь полученной молекулы ДНК в клетку-реципиент и далее в ее хромосому.

Первые опыты по генной инженерии, начатые в 1972–1973 гг., позволили с помощью фага включить в геном кишечной палочки (Escherichia coli) ген LIG, контролирующий синтез лигазы. При этом содержание лигазы в клетках-реципиентах возросло в 500 раз и фермент составил 5% массы всего бактериального белка.

Методом генной инженерии получен высокопродуктивный штамм Escherichia coli по синтезу треонина, потребляющий в качестве источника углерода дешевую сахарозу вместо глюкозы или фруктозы.

Весьма актуальны генно-инженерные работы по созданию новых бактерий – фиксаторов азота. Эта проблема решается в двух направлениях: за счет расширения видовой специфичности клубеньковых бактерий, способных входить в симбиоз, помимо бобовых культур, с растениями других семейств, а также за счет придания способности фиксировать азот некоторым симбионтам растений – бактериям-эпифитам и ослабленным фитопатогенам.

В последние годы развернуты работы в области клеточной инженерии. Суть их заключается в слиянии протопластов различных клеток, актиномицетов, бацилл, коринебактерий, мицелиальных грибов и дрожжей. Путем обработки клеток полиэтиленгликолем можно осуществить рекомбинацию далеких неродственных организмов. Так, при слиянии протопластов клеток азотобактера и микоризного гриба рода Rhizopogon получен гибридный эукариотный организм, активно фиксирующий азот. В недалеком будущем методами генной инженерии будут получены микроорганизмы-суперпродуценты, производящие ценные для человека продукты.