Ta živa bića nikada neće moći živjeti u slobodi. Njihov se genom više puta prekrajao radi samo jednog zadatka - neumornog rada za ljude. Milijuni tih biorobota proizvode u ogromnim količinama ono što sami sebi praktično ne trebaju. Oni se opiru, željeli bi živjeti drugačije, ali tko će to dopustiti?
Upisani u distopijskom stilu, uvodni odlomak je zapravo svakodnevna stvarnost. To su mikroorganizmi posebno prilagođeni za rad u biotehnološkoj proizvodnji. U stvari, mikroorganizmi - bakterije i gljivice - ubrizgavaju čovječanstvo od davnina, a prije otkrića Louis Pastera ljudi nisu ni shvatili da se, miješajući kvasno tijesto, fermentirajući mlijeko, praveći vino ili pivo, bave radom živih bića.
U potrazi za supersilama
No, kako god bilo, intuitivno, metodom spontane selekcije tisućljećima ljudi su uspjeli odabrati kvalitetne kulture za vinarstvo, izradu sira, pečenje iz prirodnih, "divljih" oblika mikroorganizama. Druga stvar je da su već u novije doba pronađene nove primjene za rad bakterija. Velika biotehnološka poduzeća pojavila su se za proizvodnju, na primjer, važnih kemikalija poput aminokiselina ili organskih kiselina.
Bit biotehnološke proizvodnje je da mikroorganizmi, apsorbirajući sirovine, poput šećera, oslobađaju određeni metabolit, produkt metabolizma. Ovaj metabolit je krajnji proizvod. Jedini je problem što je nekoliko tisuća metabolita prisutno u stanici, a za proizvodnju je potreban jedan, ali u vrlo velikim količinama - na primjer, 100 g / l (unatoč činjenici da bi se u prirodnim uvjetima metabolit proizveo u količinama za dvije tri reda veličine manja). I naravno, bakterije moraju djelovati vrlo brzo - za dva dana izdvojiti potrebnu količinu proizvoda. Takvi pokazatelji više nisu sposobni za divlje oblike - ovaj sustav "znojenja" zahtijeva supermutante, organizme s desecima različitih modifikacija genoma.
Promotivni video:
Bliže prirodi
Ovdje vrijedi postaviti pitanje: zašto uopće uključiti biotehnologiju - nije li kemijska industrija sposobna nositi se s proizvodnjom istih aminokiselina? Nosi. Kemija može učiniti puno ovih dana, ali biotehnologija ima nekoliko glavnih prednosti. Prvo, djeluju na obnovljivim izvorima. Sada se biljke koje sadrže škrob i šećer (pšenica, kukuruz, šećerna repa) uglavnom koriste kao sirovine. U budućnosti se vjeruje da će se celuloza (drvo, slama, kolač) aktivno koristiti. Kemijska industrija djeluje prvenstveno s fosilnim ugljikovodicima.
Drugo, biotehnologija se temelji na enzimima živih stanica koji rade u atmosferskom tlaku, normalnoj temperaturi, u neagresivnim vodenim medijima. Kemijska sinteza u pravilu se odvija pod ogromnim pritiskom, visokim temperaturama, koristeći kaustične, kao i eksplozivne i požarno opasne tvari.
Treće, moderna kemija temelji se na upotrebi katalitičkih procesa, a metali u pravilu djeluju kao katalizatori. Metali nisu obnovljiva sirovina, pa je njihova upotreba rizična s gledišta zaštite okoliša. U biotehnologiji funkciju katalizatora obavljaju same stanice, a ako je potrebno, stanice se lako koriste: razgrađuju se u vodu, ugljični dioksid i malu količinu sumpora.
Konačno, četvrta prednost leži u svojstvima dobivenog proizvoda. Na primjer, aminokiseline su stereoizomeri, to jest, molekule imaju dva oblika koji imaju istu strukturu, ali su prostorno organizirani kao zrcalne slike jedna druge. Budući da L- i D-oblici aminokiselina refraktuju svjetlost na različite načine, takvi se oblici nazivaju optičkim.
Kemija nasuprot biotehnologiji.
S gledišta biologije, postoji značajna razlika između oblika: samo L-oblici su biološki aktivni, samo L-oblik koristi stanica kao građevni materijal za protein. U kemijskoj sintezi dobiva se mješavina izomera, izvlačenje pravilnih oblika iz nje odvojen je proizvodni postupak. Mikroorganizam, kao biološka struktura, proizvodi tvari samo jednog optičkog oblika (u slučaju aminokiselina, samo u L-obliku), što proizvod čini idealnom sirovinom za lijekove.
Bitka u kavezu
Problem povećanja produktivnosti biotehnoloških industrija s prirodnim sojevima ne može se riješiti. Za stvarnu promjenu životnog stila stanice potrebno je koristiti tehnike genetskog inženjeringa. Svu svoju snagu, svu svoju energiju i sve što troši treba usmjeriti prema mršavom rastu i (uglavnom) proizvodnji velikih količina željenog metabolita, bilo da je to aminokiselina, organske kiseline ili antibiotik.
Kako nastaju mutantne bakterije? U novije vrijeme to je izgledalo ovako: uzeli su divlji soj, zatim izvršili mutagenezu (tj. Liječenje posebnim tvarima koje povećavaju broj mutacija). Tretirane stanice su zasijane, dobiveno je na tisuće pojedinačnih klonova. A bilo je nekoliko desetaka ljudi koji su testirali te klonove i tražili one mutacije koje su kao proizvođači najučinkovitije.
Odabrani su najperspektivniji klonovi, a uslijedio je sljedeći val mutageneze i ponovno širenje i ponovno selekcija. Zapravo, sve se to nije puno razlikovalo od uobičajenog selekcioniranja, koje se već dugo koristi u stočarstvu i proizvodnji usjeva, osim upotrebe mutageneze. Znači, desetljećima su znanstvenici birali ono najbolje iz mnogih generacija mutiranih mikroorganizama.
Danas se koristi drugačiji pristup. Sve sada započinje analizom metaboličkih putova i utvrđivanjem glavnog puta pretvorbe šećera u ciljni proizvod (a taj se put može sastojati od desetak intermedijarnih reakcija). Doista, u stanici u pravilu ima puno bočnih putova, kada početna sirovina prelazi u neke metabolite koji uopće nisu potrebni za proizvodnju. Prvo, potrebno je prekinuti sve te staze da bi se pretvorba usmjerila izravno na ciljni proizvod. Kako to učiniti? Promijenite genom mikroorganizma. Za to se koriste posebni enzimi i mali fragmenti DNK - "primeri". Uz pomoć takozvane policikličke reakcije u epruveti, jedan se gen može izvući iz stanice, kopirati u velikim količinama i promijeniti.
Sljedeći zadatak je vratiti gen u stanicu. Već promijenjeni gen umetnut je u "vektore" - to su male kružne molekule DNK. Oni su u mogućnosti prenijeti izmijenjeni gen iz epruvete natrag u stanicu, gdje zamjenjuje prethodni, nativni gen. Na taj način možete uvesti ili mutaciju koja u potpunosti narušava funkciju nepotrebne proizvodnje gena, ili mutaciju koja mijenja njegovu funkciju.
U stanici postoji vrlo složen sustav koji sprječava proizvodnju prekomjerne količine bilo kojeg metabolita, na primjer istog lizina. Proizvodi se prirodno u količini od oko 100 mg / l. Ako ih ima više, tada sam lizin počinje inhibirati (usporavati) početne reakcije koje dovode do njegove proizvodnje. Nastaje negativna povratna informacija, koja se može eliminirati samo uvođenjem druge mutacije gena u stanicu.
Međutim, nije uklanjanje puta sirovina do konačnog proizvoda i uklanjanje inhibicija ugrađenih u genom zbog pretjerane proizvodnje potrebnog metabolita. Kako se, kao što je već spomenuto, formiranje željenog proizvoda odvija unutar stanice u određenom broju stadija, na svakoj od njih može se dogoditi "efekt uskog grla". Primjerice, u jednoj od faza, enzim djeluje brzo i nastaje mnogo međuprodukta, ali u sljedećoj fazi propusnost opada i nenajavljeni višak proizvoda prijeti vitalnoj aktivnosti stanice. To znači da je potrebno pojačati rad gena koji je odgovoran za sporu fazu.
Možete poboljšati rad gena povećanjem njegovog broja kopije - drugim riječima, umetanjem ne jedne, već dvije, tri ili deset kopija gena u genom. Drugi pristup je "povezivanje" gena s jakim "promotorom", ili odjeljkom DNA koji je odgovoran za ekspresiju određenog gena. Ali "otpakivanje" jednog "uskog grla" ne znači uopće da se neće pojaviti u sljedećoj fazi. Štoviše, na tijek svake faze dobivanja proizvoda utječe puno čimbenika - potrebno je uzeti u obzir njihov utjecaj i prilagoditi genske informacije.
Dakle, "natjecanje" s kavezom može trajati mnogo godina. Trebalo je oko 40 godina da se poboljša biotehnologija proizvodnje lizina, a za to vrijeme soj je "naučen" da proizvodi 200 g lizina po litri u 50 sati (za usporedbu: prije četiri desetljeća ta je brojka bila 18 g / l). Ali stanica se i dalje opire, jer je takav način života mikroorganizma izuzetno težak. Ona očito ne želi raditi u proizvodnji. Stoga, ako se kvaliteta staničnih kultura ne prati redovito, u njima će se neizbježno pojaviti mutacije koje smanjuju produktivnost, a koje će se lako odabrati selekcijom. Sve to sugerira da biotehnologija nije nešto što se jednom može razviti, a tada će djelovati i sama. A potreba za poboljšanjem ekonomske učinkovitosti i konkurentnosti biotehnoloških industrija i sprječavanja propadanja stvorenih sojeva visokih performansi - svi zahtijevaju stalan rad, uključujući temeljna istraživanja na području genskih funkcija i staničnih procesa.
Ostaje jedno pitanje: nisu li mutantni organizmi opasni za ljude? Što ako se nađu u okolišu iz bioreaktora? Srećom, nema opasnosti. Te su stanice manjkave, apsolutno nisu prilagođene životu u prirodnim uvjetima i neizbježno će umrijeti. Sve se u mutantnoj stanici toliko promijenilo da može rasti samo u umjetnim uvjetima, u određenom okruženju, uz određenu vrstu prehrane. Za ta živa bića nema povratka u divlje stanje.
Autor je zamjenik ravnatelja Državnog istraživačkog instituta za genetiku, doktor bioloških znanosti, profesor Alexander Yanenko.
