Aceste ființe vii nu vor putea trăi niciodată în libertate. Genomul lor a fost recondiționat în mod repetat de dragul unei singure sarcini - să lucreze neobosit pentru oameni. Milioane dintre acești bioroboti produc în cantități uriașe ceea ce ei înșiși practic nu au nevoie. Rezistă, le-ar plăcea să trăiască altfel, dar cine o va permite?
Scris într-un stil distopic, pasajul introductiv este de fapt o realitate de zi cu zi. Acestea sunt microorganisme special adaptate pentru a lucra în producția biotehnologică. În general, microorganismele - bacteriile și ciupercile - injectează omenirea încă din vremuri imemoriale și, înainte de descoperirile lui Louis Pasteur, oamenii nici nu și-au dat seama că, frământând aluatul de drojdie, fermentând laptele, făcând vin sau bere, se ocupau cu munca ființelor vii.
În căutarea superputerilor
Dar, așa cum se poate, intuitiv, prin metoda de selecție spontană de-a lungul mileniilor, oamenii au reușit să selecteze culturi de înaltă calitate pentru vinificație, preparare a brânzeturilor, coacere din forme naturale, „sălbatice” de microorganisme. Un alt lucru este că deja în cea mai nouă eră, au fost găsite noi aplicații pentru bacteriile care funcționează. Întreprinderile biotehnologice la scară largă au apărut pentru a produce, de exemplu, substanțe chimice importante, cum ar fi aminoacizii sau acizii organici.
Esența producției biotehnologice este că microorganismele, care absorb materiile prime, precum zahărul, eliberează un anumit metabolit, un produs metabolic. Acest metabolit este produsul final. Singura problemă este că câteva mii de metaboliți sunt prezenți în celulă, iar producția are nevoie de unul, dar în cantități foarte mari - de exemplu, 100 g / l (în ciuda faptului că în condiții naturale, metabolitul ar fi produs în cantități cu două trei ordine de mărime mai mici). Și, desigur, bacteriile trebuie să funcționeze foarte repede - pentru a da cantitatea necesară de produs, să zicem, în două zile. Astfel de indicatori nu mai sunt capabili de forme sălbatice - acest sistem de „sweatshop” necesită supermutanți, organisme cu zeci de modificări diferite ale genomului.
Video promotional:
Mai aproape de natură
Aici merită să ne punem o întrebare: de ce să implicăm deloc biotehnologia - industria chimică nu este capabilă să facă față producției acelorași aminoacizi? COPES. Chimia poate face multe în aceste zile, dar biotehnologia are câteva avantaje majore. În primul rând, operează cu resurse regenerabile. Acum, plantele care conțin amidon și zahăr (grâu, porumb, sfeclă de zahăr) sunt utilizate în principal ca materii prime. În viitor, se crede că celuloza (lemn, paie, tort) va fi folosită activ. Industria chimică funcționează în principal cu hidrocarburi fosile.
În al doilea rând, biotehnologia se bazează pe enzimele celulelor vii care lucrează la presiune atmosferică, temperatura normală, în medii apoase neagresive. Sinteza chimică are loc, de regulă, la presiuni enorme, la temperaturi ridicate, folosind substanțe caustice, precum și substanțe periculoase pentru explozie și incendiu.
În al treilea rând, chimia modernă se bazează pe utilizarea proceselor catalitice, iar metalele, de regulă, acționează ca catalizatori. Metalele nu sunt o materie primă regenerabilă, iar utilizarea lor este riscantă din punct de vedere al mediului. În biotehnologie, funcția catalizatorilor este îndeplinită de celulele în sine și, dacă este necesar, celulele sunt ușor de utilizat: se descompun în apă, dioxid de carbon și o cantitate mică de sulf.
În cele din urmă, al patrulea avantaj constă în proprietățile produsului rezultat. De exemplu, aminoacizii sunt stereoizomeri, adică moleculele au două forme care au aceeași structură, dar sunt organizate spațial ca imagini în oglindă unele de altele. Deoarece formele L și D ale aminoacizilor refractă lumina în moduri diferite, astfel de forme sunt numite optice.
Chimie versus biotehnologie.
Din punct de vedere al biologiei, există o diferență semnificativă între forme: numai formele L sunt biologic active, numai forma L este utilizată de celulă ca material de construcție pentru proteine. În sinteza chimică, se obține un amestec de izomeri, extragerea formelor corecte din acesta este un proces de producție separat. Microorganismul, ca structură biologică, produce substanțe dintr-o singură formă optică (în cazul aminoacizilor, numai în formă L), ceea ce face ca produsul să fie o materie primă ideală pentru produse farmaceutice.
Bătălia în cușcă
Deci, problema creșterii productivității pentru industriile biotehnologice cu tulpini naturale nu poate fi rezolvată. Este necesar să folosiți tehnici de inginerie genetică pentru a schimba efectiv stilul de viață al celulelor. Toată puterea, toată energia și tot ceea ce consumă ar trebui să fie direcționate către o creștere slabă și (în principal) producția de cantități mari de metabolit dorit, fie că este vorba despre un aminoacid, acizi organici sau un antibiotic.
Cum sunt create bacteriile mutante? În vremurile recente arăta astfel: au luat o tulpină sălbatică, apoi au efectuat mutageneză (adică tratament cu substanțe speciale care cresc numărul de mutații). Celulele tratate au fost placate și s-au obținut mii de clone individuale. Și au fost zeci de oameni care au testat aceste clone și au căutat acele mutații care sunt cele mai eficiente ca producători.
Au fost selectate cele mai promițătoare clone și a urmat următorul val de mutageneză, iar din nou dispersarea și din nou selecția. De fapt, toate acestea nu au fost mult diferite de selecția obișnuită, care a fost folosită de mult timp în creșterea animalelor și în producția de culturi, cu excepția utilizării mutagenezei. Deci, de zeci de ani, oamenii de știință au selectat cele mai bune dintre numeroasele generații de microorganisme mutante.
O abordare diferită este folosită astăzi. Totul începe acum cu analiza căilor metabolice și identificarea căii principale pentru conversia zaharurilor în produsul țintă (iar această cale poate consta dintr-o duzină de reacții intermediare). Într-adevăr, în celulă, de regulă, există multe căi laterale, atunci când materia primă inițială se îndreaptă către unii metaboliți care nu sunt deloc necesari pentru producție. Și mai întâi, toate aceste căi trebuie tăiate pentru ca conversia să fie direcționată direct către produsul țintă. Cum să o facă? Schimbă genomul unui microorganism. Pentru aceasta, sunt utilizate enzime speciale și fragmente mici de ADN - „primer”. Cu ajutorul așa-numitei reacții policiclice într-o eprubetă, o singură genă poate fi extrasă dintr-o celulă, copiată în cantități mari și modificată.
Următoarea sarcină este de a readuce gena în celulă. Gena deja schimbată este introdusă în „vectori” - acestea sunt mici molecule circulare de ADN. Acestea sunt capabile să transfere gena modificată din eprubetă înapoi în celulă, unde înlocuiește gena anterioară, nativă. În acest fel, poate fi introdusă fie o mutație care perturbă complet funcția unei producții inutile de gene, fie o mutație care își schimbă funcția.
În celulă, există un sistem foarte complex care împiedică producerea unei cantități excesive de orice metabolit, aceeași lizină, de exemplu. Este produs în mod natural într-o cantitate de aproximativ 100 mg / l. Dacă există mai mult, atunci lizina însăși începe să inhibe (încetinește) reacțiile inițiale care duc la producerea sa. Un feedback negativ apare, care poate fi eliminat doar prin introducerea unei alte mutații genice în celulă.
Cu toate acestea, eliminarea calității materiilor prime către produsul final și eliminarea inhibițiilor încorporate în genom în urma producției excesive a metabolitului necesar nu este totul. Întrucât, așa cum am menționat deja, formarea produsului dorit are loc în interiorul celulei un anumit număr de etape, la fiecare dintre ele se poate produce un „efect de blocaj”. De exemplu, într-una din stadiile, enzima funcționează rapid și se produce o mulțime de produse intermediare, dar în următoarea etapă scade cantitatea și un exces neclamat al produsului amenință activitatea vitală a celulei. Aceasta înseamnă că este necesară consolidarea activității genei care este responsabilă pentru stadiul lent.
Puteți îmbunătăți activitatea unei gene prin creșterea numărului de copii - cu alte cuvinte, introducând nu una, ci două, trei sau zece copii ale genei în genom. O altă abordare este „legarea” cu o genă a unui „promotor” puternic, sau o secțiune a ADN-ului responsabil pentru expresia unei gene specifice. Însă „dezizilarea” unui „gât de blocaj” nu înseamnă deloc că nu va apărea la următoarea etapă. Mai mult decât atât, există o mulțime de factori care afectează cursul fiecărei etape de obținere a unui produs - este necesar să se țină seama de influența lor și să se adapteze informațiile genice.
Astfel, „competiția” cu cușca poate dura mulți ani. A fost nevoie de aproximativ 40 de ani pentru îmbunătățirea biotehnologiei producției de lizină, iar în acest timp tulpina a fost „învățată” să producă 200 g de lizină pe litru în 50 de ore (pentru comparație: acum patru decenii, această cifră era de 18 g / l). Dar celula continuă să reziste, deoarece un astfel de mod de viață pentru microorganism este extrem de dificil. În mod clar, nu vrea să lucreze în producție. Și, prin urmare, dacă calitatea culturilor de celule nu este monitorizată în mod regulat, inevitabil vor apărea mutații în ele care reduc productivitatea, care vor fi ușor preluate prin selecție. Toate acestea sugerează că biotehnologia nu este un lucru care poate fi dezvoltat o singură dată și atunci va acționa de unul singur. Și necesitatea de a crește eficiența economică și competitivitatea industriilor biotehnologice și prevenirea degradării tulpinilor create de înaltă performanță - toate necesită o muncă constantă, inclusiv cercetarea fundamentală în domeniul funcțiilor genice și al proceselor celulare.
O întrebare rămâne: organismele mutante nu sunt periculoase pentru oameni? Ce se întâmplă dacă ajung în mediu din bioreactorii? Din fericire, nu există niciun pericol. Aceste celule sunt defecte, nu sunt absolut adaptate vieții în condiții naturale și inevitabil vor muri. Totul din celula mutantă s-a schimbat atât de mult încât nu poate crește decât în condiții artificiale, într-un anumit mediu, cu un anumit tip de nutriție. Nu există nicio cale de revenire la starea sălbatică pentru aceste ființe vii.
Autorul este director adjunct al Institutului de Cercetări de Genetică de Stat, doctor în științe biologice, profesor Alexander Yanenko.
