Ta živa bitja nikoli ne bodo mogla živeti v svobodi. Njihov genom je bil že večkrat preoblikovan zaradi samo ene naloge - neumornega dela za človeka. Milijoni teh biorobotov v ogromnih količinah proizvedejo tisto, česar sami praktično ne potrebujejo. Upirajo se, radi bi živeli drugače, a kdo bo to dovolil?
Uvodni odlomek, napisan v distopijskem slogu, je v resnici vsakdanja resničnost. To so mikroorganizmi, posebej prilagojeni za delo v biotehnološki proizvodnji. Pravzaprav mikroorganizmi - bakterije in glive - človeštvu vbrizgajo že od nekdaj, pred odkritji Louisa Pasterja pa se ljudje sploh niso zavedali, da se z gnetenjem kvasovk, fermentacijo mleka, izdelavo vina ali piva ukvarjajo z delom živih bitij.
V iskanju velesil
A res, intuitivno je, da z metodo spontane selekcije skozi tisočletja ljudem uspe izbrati kakovostne kulture za vinarstvo, sirarstvo, peko iz naravnih, "divjih" oblik mikroorganizmov. Druga stvar je, da so že v najnovejši dobi našli nove aplikacije za delovanje bakterij. Velika biotehnološka podjetja so se pojavila za proizvodnjo na primer pomembnih kemikalij, kot so aminokisline ali organske kisline.
Bistvo biotehnološke proizvodnje je, da mikroorganizmi, ki absorbirajo surovine, kot je sladkor, sprostijo določen presnovek, presnovni produkt. Ta presnovek je končni izdelek. Edina težava je, da je v celici prisotnih več tisoč presnovkov, proizvodnja pa jih potrebuje enega, vendar v zelo velikih količinah - na primer 100 g / l (kljub dejstvu, da bi se v naravnih pogojih metabolit proizvedel v količinah za dve tri zaporedje manjše). In seveda morajo bakterije delovati zelo hitro - v dveh dneh oddati potrebno količino izdelka. Takšni indikatorji niso več sposobni divjih oblik - ta sistem "znojenja" zahteva supermutante, organizme z desetinami različnih modifikacij genoma.
Promocijski video:
Bližje naravi
Tukaj je vredno postaviti vprašanje: zakaj sploh vključiti biotehnologijo - ali se kemična industrija ne more spoprijeti s proizvodnjo istih aminokislin? Copes. Kemija lahko v teh dneh naredi veliko, vendar ima biotehnologija več glavnih prednosti. Prvič, delujejo na obnovljivih virih. Zdaj se kot surovine uporabljajo predvsem škrobi in rastline, ki vsebujejo sladkor (pšenica, koruza, sladkorna pesa). V prihodnosti se verjame, da se bo celuloza (les, slama, torta) aktivno uporabljala. Kemična industrija deluje predvsem s fosilnimi ogljikovodiki.
Drugič, biotehnologija temelji na encimih živih celic, ki v neagresivnem vodnem mediju delujejo pri atmosferskem tlaku, normalni temperaturi. Kemična sinteza se praviloma odvija pod ogromnim pritiskom, visokimi temperaturami z uporabo kavstičnih, pa tudi eksplozivnih in požarno nevarnih snovi.
Tretjič, sodobna kemija temelji na uporabi katalitičnih procesov, kovine pa praviloma delujejo kot katalizatorji. Kovine niso obnovljiva surovina, njihova uporaba pa je z okoljskega vidika tvegana. V biotehnologiji funkcijo katalizatorjev opravljajo celice same, celice pa jih je po potrebi enostavno odložiti: razpadejo v vodo, ogljikov dioksid in majhno količino žvepla.
Končno, četrta prednost je v lastnostih nastalega izdelka. Na primer, aminokisline so stereoizomeri, to je, da imajo molekule dve obliki, ki imata enako strukturo, vendar sta prostorsko organizirani kot zrcalne slike drug drugega. Ker L- in D-oblike aminokislin ločijo svetlobo na različne načine, se takšne oblike imenujejo optične.
Kemija proti biotehnologiji.
Z biološkega vidika je značilna razlika med oblikami: samo L-oblike so biološko aktivne, le L-oblika celica uporablja kot gradbeni material za beljakovine. Pri kemijski sintezi dobimo mešanico izomerov, ekstrakcija pravilnih oblik iz nje je ločen proizvodni postopek. Mikroorganizem kot biološka zgradba proizvaja snovi samo ene optične oblike (v primeru aminokislin le v obliki L), zaradi česar je izdelek idealna surovina za zdravila.
Boj v kletki
Težave povečanja produktivnosti biotehnoloških industrij z naravnimi sevi ni mogoče rešiti. Za dejansko spremembo življenjskega sloga celice je treba uporabiti tehnike genskega inženiringa. Vso svojo moč, vso svojo energijo in vse, kar porabi, bi bilo treba usmeriti k manjši rasti in (predvsem) proizvodnji velikih količin želenega presnovka, naj bo to aminokislina, organske kisline ali antibiotik.
Kako nastajajo mutirane bakterije? V zadnjem času je bilo videti tako: vzeli so divji sev, nato izvedli mutagenezo (torej zdravljenje s posebnimi snovmi, ki povečajo število mutacij). Tretirane celice smo posadili in dobili smo na tisoče posameznih klonov. In bilo je desetine ljudi, ki so te klone testirali in iskali tiste mutacije, ki so kot producenti najučinkovitejše.
Izbrani so bili najbolj obetavni kloni in sledil je naslednji val mutageneze ter ponovno razprševanje in spet selekcija. Pravzaprav se vse to ni dosti razlikovalo od običajne selekcije, ki se že dolgo uporablja v živinoreji in pridelavi rastlin, razen pri uporabi mutageneze. Tako so znanstveniki desetletja izbirali najboljše iz mnogih generacij mutiranih mikroorganizmov.
Danes se uporablja drugačen pristop. Vse se zdaj začne z analizo presnovnih poti in določitvijo glavne poti pretvorbe sladkorjev v ciljni produkt (in ta pot lahko obsega pol ducata vmesnih reakcij). Dejansko je v celici praviloma veliko stranskih poti, ko gre za začetno surovino do nekaterih presnovkov, ki sploh niso potrebni za proizvodnjo. In najprej je treba odsekati vse te poti, tako da se pretvorba usmeri neposredno na ciljni izdelek. Kako narediti? Spremenite genom mikroorganizma. Za to se uporabljajo posebni encimi in majhni delci DNK - "primerji". S pomočjo tako imenovane policiklične reakcije v epruveti lahko iz celice izvlečemo en sam gen, ga kopiramo v večjih količinah in spremenimo.
Naslednja naloga je vrnitev gena v celico. Že spremenjeni gen je vstavljen v "vektorje" - to so majhne krožne molekule DNK. Spremenjeni gen lahko iz preskusne epruvete prenesejo nazaj v celico, kjer nadomesti prejšnji izvorni gen. Tako lahko uvedete bodisi mutacijo, ki popolnoma prekine delovanje nepotrebne proizvodnje genov, bodisi mutacijo, ki spremeni svojo funkcijo.
V celici je zelo zapleten sistem, ki preprečuje proizvodnjo prevelike količine kakršnega koli presnovka, istega lizina, na primer. Prideluje se naravno v količini približno 100 mg / l. Če jih je več, potem lizin sam začne zavirati (upočasniti) začetne reakcije, ki vodijo k njegovi proizvodnji. Pojavi se negativna povratna informacija, ki jo je mogoče odpraviti le z uvedbo druge genske mutacije v celico.
Vendar pa čiščenje poti surovin do končnega izdelka in odstranjevanje inhibicij, vgrajenih v genom, zaradi prekomerne proizvodnje potrebnega presnovka ni vse. Ker, kot že rečeno, tvorba želenega izdelka poteka znotraj celice določeno število stopenj, na vsaki od njih lahko pride do "ozkega grla". Na primer, na eni od stopenj encim deluje hitro in nastane veliko vmesnega proizvoda, na naslednji stopnji pa kaplje pretoka in nepriznani presežek proizvoda ogroža vitalno aktivnost celice. To pomeni, da je treba okrepiti delo gena, ki je odgovoren za počasno fazo.
Delo gena lahko izboljšate tako, da povečate njegovo število kopij - z drugimi besedami, tako da v genom vstavite ne eno, temveč dve, tri ali deset kopij gena. Drugi pristop je "povezava" z genom močnega "promotorja" ali odseka DNK, ki je odgovoren za ekspresijo določenega gena. Toda "odpenjanje" enega "ozkega grla" še ne pomeni, da se ne bo pojavilo na naslednji stopnji. Poleg tega na potek vsake faze pridobivanja izdelka vpliva veliko dejavnikov - upoštevati je treba njihov vpliv in prilagoditi genske informacije.
Tako lahko "tekmovanje" s kletko traja več let. Za izboljšanje biotehnologije proizvodnje lizina je trajalo približno 40 let, v tem času pa so sev "naučili", da v 50 urah proizvede 200 g lizina na liter (za primerjavo: pred štirimi desetletji je bila ta številka 18 g / l). Toda celica se še naprej upira, saj je tak način življenja mikroorganizma izredno težaven. Jasno ne želi delati v proizvodnji. In če ne bomo redno spremljali kakovosti celičnih kultur, se bodo v njih neizogibno pojavile mutacije, ki zmanjšajo produktivnost, ki jih bomo takoj izbrali z izbiro. Vse to kaže, da biotehnologija ni takšna stvar, ki bi jo bilo mogoče enkrat razviti in potem bo delovala sama. Potreba po povečanju gospodarske učinkovitosti in konkurenčnosti biotehnoloških industrij ter preprečevanju degradacije ustvarjenih visoko zmogljivih sevov - vsi potrebujejo stalno delo, vključno s temeljnimi raziskavami na področju genskih funkcij in celičnih procesov.
Ostaja eno vprašanje: ali mutantni organizmi niso nevarni za človeka? Kaj, če se v bioreaktorjih končajo v okolju? Na srečo ni nevarnosti. Te celice so pomanjkljive, absolutno niso prilagojene življenju v naravnih pogojih in bodo neizogibno umrle. Vse v mutantni celici se je toliko spremenilo, da lahko raste le v umetnih pogojih, v določenem okolju, z določeno prehrano. Za ta živa bitja ni vrnitve v divje stanje.
Avtor je namestnik direktorja Državnega raziskovalnega inštituta za genetiko, doktor bioloških znanosti, profesor Aleksander Yanenko.