Tieto živé bytosti nikdy nebudú môcť žiť v slobode. Ich genóm bol mnohokrát prepracovaný iba na jednu úlohu - neúnavne pracovať pre človeka. Milióny týchto biorobotov produkujú v obrovskom množstve to, čo sami prakticky nepotrebujú. Odporujú, chceli by žiť inak, ale kto to umožní?
Úvodný text napísaný dystopiou je v skutočnosti každodennou realitou. Sú to mikroorganizmy špeciálne upravené na prácu v biotechnologickej výrobe. V skutočnosti mikroorganizmy - baktérie a huby - vstrekujú ľudstvo od nepamäti a pred objavmi Louisa Pasteura si ľudia ani neuvedomili, že pri miesení kysnutého cesta, kvasení mlieka, výrobe vína alebo piva sa zaoberali prácou živých bytostí.
Hľadáte superveľmoci
Ale je to tak, ako sa dá, intuitívne, metódou spontánneho výberu počas tisícročia, ľuďom sa podarilo vybrať kvalitné kultúry na výrobu vína, výrobu syra, pečenie z prírodných, „divokých“foriem mikroorganizmov. Ďalšia vec je, že už v najnovšej ére sa našli nové aplikácie na prácu s baktériami. Vznikli veľké biotechnologické podniky, ktoré vyrábajú napríklad dôležité chemikálie, ako sú aminokyseliny alebo organické kyseliny.
Podstatou biotechnologickej výroby je to, že mikroorganizmy absorbujúce suroviny, ako napríklad cukor, uvoľňujú určitý metabolit, metabolický produkt. Tento metabolit je konečný produkt. Jediným problémom je, že v bunke je prítomných niekoľko tisíc metabolitov a produkcia potrebuje jeden, ale vo veľmi veľkých množstvách - napríklad 100 g / l (napriek skutočnosti, že za prírodných podmienok by sa metabolit produkoval v množstvách dvoma o tri rády menší). A samozrejme, baktérie musia pracovať veľmi rýchlo - vydávať potrebné množstvo produktu, povedzme, za dva dni. Takéto ukazovatele už nie sú schopné divokých foriem - tento systém „manufaktúr“vyžaduje supermutanty, organizmy s desiatkami rôznych modifikácií genómu.
Propagačné video:
Bližšie k prírode
Tu stojí za to položiť otázku: prečo vôbec zapojiť biotechnológiu - nie je chemický priemysel schopný zvládnuť výrobu rovnakých aminokyselín? Zvláda. Chémia môže dnes urobiť veľa, ale biotechnológia má niekoľko hlavných výhod. Po prvé, fungujú na obnoviteľných zdrojoch. Teraz sa ako suroviny používajú hlavne škrob a rastliny obsahujúce cukor (pšenica, kukurica, cukrová repa). V budúcnosti sa predpokladá, že sa bude aktívne používať celulóza (drevo, slama, koláč). Chemický priemysel pracuje predovšetkým s fosílnymi uhľovodíkmi.
Po druhé, biotechnológia je založená na enzýmoch živých buniek, ktoré pracujú pri atmosférickom tlaku a normálnej teplote v neagresívnych vodných médiách. Chemická syntéza sa spravidla uskutočňuje pod enormným tlakom, vysokými teplotami, použitím leptavých, ako aj výbušných a požiaru nebezpečných látok.
Po tretie, moderná chémia je založená na použití katalytických procesov a kovy spravidla pôsobia ako katalyzátory. Kovy nie sú obnoviteľnou surovinou a ich použitie je z hľadiska životného prostredia riskantné. V biotechnológii funkciu katalyzátorov vykonávajú samotné bunky a ak je to potrebné, bunky sa dajú ľahko využiť: rozkladajú sa na vodu, oxid uhličitý a malé množstvo síry.
Nakoniec štvrtá výhoda spočíva vo vlastnostiach výsledného produktu. Aminokyseliny sú napríklad stereoizoméry, to znamená, že molekuly majú dve formy, ktoré majú rovnakú štruktúru, ale sú priestorovo usporiadané ako vzájomné zrkadlové obrazy. Pretože L- a D-formy aminokyselín lámu svetlo rôznymi spôsobmi, tieto formy sa nazývajú optické.
Chémia verzus biotechnológia.
Z hľadiska biológie je medzi formami významný rozdiel: iba L-formy sú biologicky aktívne, iba L-forma sa používa v bunke ako stavebný materiál pre bielkoviny. Pri chemickej syntéze sa získa zmes izomérov, extrakcia správnych foriem z nej je samostatným výrobným procesom. Mikroorganizmus ako biologická štruktúra vytvára látky iba jednej optickej formy (v prípade aminokyselín iba v L-forme), vďaka čomu je produkt ideálnou surovinou pre liečivá.
Klietková bitka
Problém zvyšovania produktivity biotechnologického priemyslu s prírodnými kmeňmi teda nemožno vyriešiť. Aby sa skutočne zmenil životný štýl bunky, je potrebné použiť techniky genetického inžinierstva. Celá jej sila, všetka jej energia a všetko, čo spotrebuje, by malo smerovať k slabému rastu a (hlavne) k produkcii veľkého množstva požadovaného metabolitu, či už ide o aminokyselinu, organické kyseliny alebo antibiotikum.
Ako vznikajú mutantné baktérie? V poslednej dobe to vyzeralo takto: vzali divoký kmeň, potom vykonali mutagenézu (tj ošetrenie špeciálnymi látkami, ktoré zvyšujú počet mutácií). Ošetrené bunky boli naočkované, boli získané tisíce jednotlivých klonov. A boli tu desiatky ľudí, ktorí tieto klony testovali a hľadali mutácie, ktoré sú najefektívnejšie ako producenti.
Vybrali sa najsľubnejšie klony a nasledovala ďalšia vlna mutagenézy, ktorá sa opäť dispergovala a znova sa selektovala. V skutočnosti sa toto všetko veľmi nelíšilo od zvyčajného výberu, ktorý sa už dlho používa v chove zvierat a rastlinnej výrobe, s výnimkou použitia mutagenézy. Po celé desaťročia si vedci vybrali to najlepšie z mnohých generácií mutantných mikroorganizmov.
Dnes sa používa iný prístup. Teraz všetko začína analýzou metabolických ciest a identifikáciou hlavnej cesty pre konverziu cukrov na cieľový produkt (a táto cesta môže pozostávať z tucta medziproduktov). V bunke je spravidla veľa vedľajších ciest, keď východisková surovina prechádza na niektoré metabolity, ktoré nie sú vôbec potrebné na výrobu. Najskôr je potrebné prerušiť všetky tieto cesty, aby bola konverzia nasmerovaná priamo na cieľový produkt. Ako to spraviť? Zmena genómu mikroorganizmu. Na tento účel sa používajú špeciálne enzýmy a malé fragmenty DNA - „priméry“. Pomocou takzvanej polycyklickej reakcie v skúmavke je možné z bunky vytiahnuť jediný gén, skopírovať ho vo veľkom množstve a zmeniť.
Ďalšou úlohou je vrátiť gén do bunky. Už zmenený gén sa vkladá do „vektorov“- jedná sa o malé molekuly cirkulárnej DNA. Sú schopní preniesť zmenený gén zo skúmavky späť do bunky, kde nahrádza predchádzajúci natívny gén. Môžete teda zaviesť buď mutáciu, ktorá úplne naruší funkciu zbytočnej génovej produkcie, alebo mutáciu, ktorá zmení jej funkciu.
V bunke je veľmi komplexný systém, ktorý zabraňuje produkcii nadmerného množstva akéhokoľvek metabolitu, napríklad rovnakého lyzínu. Vyrába sa prirodzene v množstve asi 100 mg / l. Ak je toho viac, potom lyzín samotný začne inhibovať (spomaľovať) počiatočné reakcie vedúce k jeho produkcii. Negatívna spätná väzba sa dá vylúčiť iba zavedením inej génovej mutácie do bunky.
Vyčistenie cesty surovín ku konečnému produktu a odstránenie inhibícií zabudovaných do genómu pri nadmernej produkcii požadovaného metabolitu však nie je všetko. Pretože, ako už bolo uvedené, k tvorbe požadovaného produktu dochádza vo vnútri bunky, môže dôjsť k určitému počtu stupňov, v každom z nich sa môže vyskytnúť „úzky profil“. Napríklad v jednom zo stupňov enzým pracuje rýchlo a produkuje sa veľa medziproduktov, ale v ďalšom štádiu klesá priepustnosť a nevyžiadaný prebytok produktu ohrozuje životnú aktivitu bunky. To znamená, že je potrebné posilniť prácu génu, ktorý je zodpovedný za pomalé štádium.
Prácu génu môžete vylepšiť zvýšením jeho počtu kópií - inými slovami, vložením do genómu nie jednu, ale dve, tri alebo desať kópií génu. Ďalším prístupom je „spojenie“s génom so silným „promótorom“alebo s časťou DNA zodpovednou za expresiu konkrétneho génu. Ale „odlepenie“jedného „úzkeho hrdla“vôbec neznamená, že v ďalšej fáze nevznikne. Okrem toho existuje mnoho faktorov ovplyvňujúcich priebeh každej fázy získania produktu - je potrebné vziať do úvahy ich vplyv a upraviť informácie o géne.
„Súťaž“s klietkou tak môže trvať mnoho rokov. Trvalo asi 40 rokov, aby sa zlepšila biotechnológia výroby lyzínu, a počas tejto doby sa kmeň „naučil“produkovať 200 g lyzínu na liter za 50 hodín (na porovnanie: pred štyrmi desaťročiami bol tento údaj 18 g / l). Bunka však naďalej odoláva, pretože taký spôsob života mikroorganizmov je mimoriadne ťažký. Ona zjavne nechce pracovať vo výrobe. Preto, ak sa kvalita bunkových kultúr nebude pravidelne monitorovať, nevyhnutne v nich vzniknú mutácie, ktoré znižujú produktivitu, ktorá sa ľahko vyberie selekciou. To všetko nasvedčuje tomu, že biotechnológia nie je taká vec, ktorú možno raz vyvinúť, a potom bude konať samostatne. A potreba zvýšiť ekonomickú efektívnosť a konkurencieschopnosť biotechnologických odvetví a predchádzať degradácii vytvorených vysokovýkonných kmeňov - to všetko si vyžaduje stálu prácu vrátane základného výskumu v oblasti génových funkcií a bunkových procesov.
Zostáva jedna otázka: nie sú mutantné organizmy nebezpečné pre ľudí? Čo keď skončia v prostredí z bioreaktorov? Našťastie nehrozí žiadne nebezpečenstvo. Tieto bunky sú chybné, absolútne nie sú prispôsobené životu v prírodných podmienkach a nevyhnutne zomrú. Všetko v mutantnej bunke sa zmenilo natoľko, že môže rásť iba za umelých podmienok, v určitom prostredí a s určitým typom výživy. Pre tieto živé bytosti neexistuje cesta späť do divočiny.
Autorom je zástupca riaditeľa Štátneho výskumného ústavu genetiky, doktor biologických vied, profesor Alexander Yanenko.