Использование методов генной инженерии для биодеградации ксенобиотиков

Некоторые микроорганизмы обладают природ­ной способностью к деградации различных ксе­нобиотиков, однако следует иметь в виду, что: 1) ни один из них не может разрушать все органи­ческие соединения; 2) некоторые органические соединения в высокой концентрации подавляют функционирование или рост деградирующих их микроорганизмов; 3) большинство очагов загряз­нения содержит смесь химикатов, и микроорга­низм, способный разрушать один или несколько ее компонентов, может инактивироваться други­ми компонентами; 4) многие неполярные соеди­нения адсорбируются частицами почвы и стано­вятся менее доступными; 5) биодеградация органических соединений часто происходит до­вольно медленно. Часть этих проблем можно ре­шить, осуществив конъюгационный перенос плазмид, которые кодируют ферменты разных катаболических путей, в один реципиентный штамм (рис.5). Если две плазмиды содержат гомологичные участки, то между ними может про­изойти рекомбинация с образованием гибридной плазмиды, которая имеет больший размер и обла­дает свойствами исходных плазмид. Если же две плазмиды не содержат гомологичных участков и относятся к разным группам несовместимости, то они могут сосуществовать в одной бактерии.

В 1970-х гг. Чакрабарти и его коллегами (США) был соз­дан первый бактериальный штамм, обладающий более широкими катаболическими возможностя­ми. Он расщеплял большинство углеводородов нефти и был назван «супербациллой». Для его получения использовали плазмиды, каждая из которых кодировала фермент, расщепляющий определенный класс углеводородов: плазмида САМ детерминировала деградацию камфары, ОСТ — октана, NAH — нафталина, XYL - ксило­ла (рис.5). Сначала путем конъюгации перенесли плазмиду САМ в штамм, несущий плазмиду ОСТ. Эти две плазмиды несовместимы (не могут существовать в одной клетке в виде от­дельных плазмид), но в результате происходя­щей между ними рекомбинации образуется одна плазмида, объединяющая их функции. Затем аналогичным путем плазмиду NAH перенесли в штамм, несущий плазмиду XYL. Эти плазмиды совместимы и могут сосуществовать в одной клетке несли плазмиду САМ в штамм, несущий плазмиду ОСТ. Эти две плазмиды несовместимы (не могут существовать в одной клетке в виде от­дельных плазмид), но в результате происходя­щей между ними рекомбинации образуется одна плазмида, объединяющая их функции. Затем аналогичным путем плазмиду NAH перенесли в штамм, несущий плазмиду XYL. Эти плазмиды совместимы и могут сосуществовать в одной клетке-хозяине. И, наконец, гибридную плазми­ду перенесли в штамм, несущий плазмиды NAH и XYL. В результате всех этих манипуляций по­лучили штамм, который растет на неочищенной нефти лучше исходных штаммов, взятых по от­дельности или вместе.

Хотя сам этот штамм не использовали для ликвидации нефтяных загрязнений, он сыграл важную роль в становлении биотехнологической промышленности. Изобретатель «суперба­циллы» получил патент США, описывающий структуру данного штамма и возможности его применения. Это был первый патент, выданный за создание генетически модифицирован-ного микроорганизма и подтвержденный Верховным судом США, который постановил, что биотехнологические компании могут защищать свои изобретения точно так же, как химические и фармацевтические.

Большинство созданных в настоящее время рекомбинантных микроорганизмов – биодеструкторов, используемых в лабораторных условиях, являются мезофиллами, т.е. хорошо растут при температурах 20-40⁰С. Это связано с общепринятыми мерами безопасности при работе с рекомбинантными микроорганизмами. Однако температура сточных вод или загрязненных водоемов обычно лежит в диапазоне 0-20⁰С. Поэтому проводятся работы по созданию аналогичных психрофильныхштаммов, которые в недалеком будущем найдут широкое применение.

Однако необходимо разработать и специальные технологии их использования в различных случаях. Так, вряд ли возможно из постоянное присутствие в “активном иле” очистных сооружений совместно с природными микроорганизмами, обладающими более высокой жизнеспособностью. Это неизбежно приведет к быстрой утрате рекомбинантых плазмид. Поэтому такие штаммы целесообразно добавлять в сточные воды или очистные сооружения периодически, в момент “пиковых” перегрузок по загрязняющим компонентам, для деградации которых они предназначены. Возможно так же создание отдельных линий или установок по очистке тех стоков, которые губительно действуют на “активный ил”, в которых будут использоваться специально созданные рекомбинантные микроорганизмы.

Лекция 6