Инструменты биотехнологии: клеточные процессы

Начало брошюры см. здесь.

В предыдущих главах были описаны «технологии биотехнологии» – фундаментальные научные и технологические достижения, совокупность которых и составляет понятие биотехнологии (ферментеры и моноклональные антитела, клеточные культуры, генная инженерия и клонирование, белковая инженерия, нанобиотехнология, биосенсоры и биочипы).

В этом разделе мы дадим описание некоторых менее осязаемых преимуществ, предоставляемых нам биотехнологией.

Многие исследователи, работающие как в академической и прикладной науке, так и в разных отраслях промышленности, зависят от биотехнологических методик, позволяющих им с высокой точностью изучать процессы, протекающие в биологических системах. Достижения современной биотехнологии позволили ученым получить ответы на давно существующие вопросы, изменили характер задаваемых вопросов, решаемых проблем и используемых при этом методов.

Учитывая полученную в результате биотехнологических исследований информацию, компании закладывают биотехнологические приемы и методики в основу процессов производства и коммерциализации своих продуктов.

Применение биотехнологии в научных исследованиях

Ученые используют биотехнологические методы для получения информации о мельчайших подробностях протекающих в клетке процессов: специфических задач, стоящих перед различными типами клеток, этапов клеточного деления, механизмов обмена веществ между клетками и внеклеточной средой, механизмов специализации недифференцированных клеток, а также методов взаимодействия клеток между собой для координации их функций и реакций на изменения в окружающей среде.

Исследователи разбивают эти процессы на мельчайшие фрагменты, что позволяет получить о них максимум полезной информации. Первым этапом является идентификация молекул, участвующих в каждом этапе изучаемого процесса, выяснение природы взаимодействий, в которые они вступают, а также механизмы молекулярного контроля этих механизмов. После этого все полученные кусочки информации составляются определенным образом, что позволяет разобраться в происходящем в клетке и в целом организме.

Интересен тот факт, что биотехнологические методы стали важными исследовательскими приемами не только клеточной и молекулярной биологии, но и таких областей науки, как химия, машиностроение, материаловедение, экология, наука об эволюции и вычислительная техника. Открытия в этих областях, сделанные с помощью биотехнологии, помогают не только биотехнологической, но и другим видам промышленности в процессах поиска и разработки новых продуктов, а также улучшения уровня экологических показателей производства и безопасности рабочих мест.

Понимание клеточных процессов

Расшифровка процесса превращения оплодотворенной яйцеклетки в целый организм будоражила ученые умы на протяжении не одного столетия. Сейчас можно с уверенностью утверждать, что исследователи приближаются к этой цели семимильными шагами. Процесс развития многоклеточного организма заключается в делении клеток и их дифференцировке – процессе, в результате которого группы клеток специализируются для выполнения определенных функций. Дифференцировка клеток происходит в процессе включения одних определенных групп генов и выключения других (при этом сам геном – совокупность всех генов – остается одинаковым во всех соматических клетках организма). Исследователи считают, что со временем им удастся разобраться в многочисленных этапах процесса дифференцировки и идентифицировать внутренние и внешние факторы, влияющие на этот процесс. Эта надежда появилась после разработки методов поддержания жизнеспособных культур стволовых клеток человека и появления на свет клонированной овцы Долли.

Уже на протяжении не одного десятка лет были известны основные условия, соблюдение которых необходимо для поддержания небольших культур растительных и животных клеток в течение нескольких десятилетий. До сих пор такие культуры использовались в основном для получения веществ, синтезируемых клетками и в естественных условиях. Например, культуры растительных клеток используются для производства ароматизаторов, красителей, загустителей и эмульгаторов, применяемых в пищевой промышленности.

Однако в последнее время исследователи выращивают клеточные культуры с целью изучения молекулярных основ клеточных процессов, в том числе роста, деления, дифференцировки и гибели клеток.

Основы клеточного цикла практически всех клеток очень похожи: клетка увеличивается в размере до определенного предела, ее хромосомы удваиваются и она делится надвое. Понимание процессов, управляющих клеточным циклом, необходимо для понимания причин развития многих болезней человека и животных, разработки методов повышения урожайности сельскохозяйственных растений и способов быстрого увеличения количества клеток, используемых для производства широкого спектра продуктов, начиная от ферментированных продуктов питания и заканчивая лекарственными препаратами. Лучшее понимание молекулярных основ клеточного цикла позволило усовершенствовать технологии культивирования клеток.

Строго контролируемая последовательность этапов клеточного цикла зависит как от генетических факторов, так и от поступления питательных веществ. Между стимулирующими и подавляющими деление клетки факторами существует весьма тонкий и чувствительный баланс, любое нарушение которого ведет к неконтролируемому делению клеток – раку – или их гибели.

Изучение клеток в культуре привело к радикальному пересмотру существующих представлений о клеточной гибели. Ранее считалось, что клетки погибают в результате спонтанного пассивного механизма, заключающегося в постепенной деградации клеточных структур и процессов. Сейчас нам известно, что смерть клетки является высокоорганизованной, хорошо спланированной последовательностью событий, запрограммированных в геноме клетки. Продолжительный клеточный стресс и другие факторы запускают механизм запрограммированной клеточной гибели – апоптоза, в процессе которого клетка сама себя «демонтирует», разрушает свой геном и посылает иммунной системе запрос на лейкоциты, которые уничтожают ее останки. Запрограммированная клеточная гибель необходима для уничтожения клеток с поврежденной ДНК, иммунных клеток, атакующих здоровые клетки и ткани, а также для формирования тканей в процессе развития организма. Изучение механизмов апоптоза поможет нам понять, почему иногда клетки с поврежденной под воздействием факторов окружающей среды ДНК превращаются в злокачественные, какие поломки лежат в основе развития аутоиммунных заболеваний и как создать искусственные ткани для заместительной терапии.

Евгения Рябцева
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/ по материалам BIO.org.
Продолжение следует.