Tyto živé bytosti nikdy nebudou moci žít ve svobodě. Jejich genom byl opakovaně přepracován kvůli jedinému úkolu - neúnavně pracovat pro člověka. Miliony těchto biorobotů produkují ve velkém množství to, co samy prakticky nepotřebují. Odporují, chtěli by žít jinak, ale kdo to umožní?
Úvodní pasáž, napsaná v dystopickém stylu, je ve skutečnosti každodenní realitou. Jedná se o mikroorganismy speciálně upravené pro práci v biotechnologické produkci. Obecně řečeno, mikroorganismy - bakterie a houby - vstřikují lidstvo od pradávna, a před objevy Louise Pasteura si lidé ani neuvědomili, že při hnětení kynutého těsta, kvašení mléka, výrobě vína nebo piva se zabývají prací živých bytostí.
Při hledání supervelmocí
Ale ať už je to intuitivně, metodou spontánního výběru po tisíciletí, lidem se podařilo vybrat vysoce kvalitní kultury pro výrobu vína, výrobu sýrů, pečení z přírodních, „divokých“forem mikroorganismů. Další věc je, že již v nejnovější éře byly nalezeny nové aplikace pro bakterie pracující. Vznikly velké biotechnologické podniky, které vyrábějí například důležité chemikálie, jako jsou aminokyseliny nebo organické kyseliny.
Podstatou biotechnologické výroby je to, že mikroorganismy absorbující suroviny, jako je cukr, uvolňují určitý metabolit, metabolický produkt. Tento metabolit je konečný produkt. Jediným problémem je, že v buňce je přítomno několik tisíc metabolitů a výroba potřebuje jeden, ale ve velmi velkých množstvích - například 100 g / l (navzdory skutečnosti, že za přirozených podmínek by byl metabolit produkován v množstvích dvou o tři řády menší). A samozřejmě, bakterie musí pracovat velmi rychle - vydat požadované množství produktu, řekněme, za dva dny. Takové indikátory již nejsou schopny divokých forem - tento systém „sweatshop“vyžaduje supermutanty, organismy s desítkami různých modifikací genomu.
Propagační video:
Blíže k přírodě
Zde stojí za to položit otázku: Proč vůbec zapojit biotechnologii - není chemický průmysl schopen zvládnout produkci stejných aminokyselin? Copes. Chemie dnes může hodně udělat, ale biotechnologie má několik hlavních výhod. Nejprve pracují na obnovitelných zdrojích. Nyní se jako suroviny používají hlavně škrob a rostliny obsahující cukr (pšenice, kukuřice, cukrová řepa). V budoucnu se předpokládá, že bude aktivně používána celulóza (dřevo, sláma, koláč). Chemický průmysl pracuje především s fosilními uhlovodíky.
Za druhé, biotechnologie je založena na enzymech živých buněk, které pracují v atmosférickém tlaku, normální teplotě, v neagresivních vodných médiích. Chemická syntéza se zpravidla provádí pod enormním tlakem, vysokými teplotami, používáním žíravých, stejně jako výbušných a oheň nebezpečných látek.
Zatřetí, moderní chemie je založena na použití katalytických procesů a kovy zpravidla působí jako katalyzátory. Kovy nejsou obnovitelnou surovinou a jejich použití je z hlediska životního prostředí riskantní. V biotechnologii plní funkci katalyzátorů samotné buňky a v případě potřeby se buňky snadno používají: rozkládají se na vodu, oxid uhličitý a malé množství síry.
Konečně čtvrtá výhoda spočívá ve vlastnostech výsledného produktu. Například, aminokyseliny jsou stereoizomery, to znamená, že molekuly mají dvě formy, které mají stejnou strukturu, ale jsou prostorově uspořádány jako zrcadlové obrazy navzájem. Protože L- a D-formy aminokyselin lámou světlo různými způsoby, nazývají se takové formy optické.
Chemie versus biotechnologie.
Z hlediska biologie je mezi formami významný rozdíl: pouze L-formy jsou biologicky aktivní, pouze L-forma je buňkou používána jako stavební materiál pro bílkoviny. Při chemické syntéze se získá směs izomerů, extrakce správných forem z ní je odděleným výrobním procesem. Mikroorganismus, jako biologická struktura, vytváří látky pouze jedné optické formy (v případě aminokyselin pouze v L-formě), což z tohoto produktu činí ideální surovinu pro léčiva.
Klecová bitva
Problém zvýšení produktivity pro biotechnologický průmysl s přírodními kmeny tedy nelze vyřešit. Je nezbytné použít techniky genetického inženýrství ke skutečné změně životního stylu buňky. Celá její síla, veškerá energie a vše, co spotřebuje, by mělo být zaměřeno na skromný růst a (hlavně) na produkci velkého množství požadovaného metabolitu, ať už jde o aminokyselinu, organické kyseliny nebo antibiotikum.
Jak vznikají mutantní bakterie? V nedávné době to vypadalo takto: vzali divoký kmen, poté provedli mutagenezi (tj. Ošetření speciálními látkami, které zvyšují počet mutací). Ošetřené buňky byly vysety a byly získány tisíce jednotlivých klonů. A byly tu desítky lidí, kteří tyto klony testovali a hledali ty mutace, které jsou nejefektivnější jako producenti.
Byly vybrány nejslibnější klony a následovala další vlna mutageneze, opět disperzní a opět selekce. Ve skutečnosti se to všechno příliš nelišilo od obvyklého výběru, který se dlouho používá v chovu zvířat a v rostlinné výrobě, s výjimkou použití mutageneze. Po celá desetiletí si vědci vybrali to nejlepší z mnoha generací mutantních mikroorganismů.
Dnes se používá jiný přístup. Vše nyní začíná analýzou metabolických drah a identifikací hlavní cesty pro přeměnu cukrů na cílový produkt (a tato cesta může sestávat z tuctu přechodných reakcí). Ve skutečnosti je v buňce zpravidla mnoho vedlejších cest, kdy výchozí surovina vede k některým metabolitům, které nejsou vůbec nutné pro produkci. Nejprve musí být všechny tyto cesty odříznuty, aby byla konverze směrována přímo na cílový produkt. Jak to udělat? Změňte genom mikroorganismu. K tomu se používají speciální enzymy a malé fragmenty DNA - „primery“. Pomocí tzv. Polycyklické reakce ve zkumavce lze z buňky vytáhnout jediný gen, kopírovat ve velkém množství a změnit.
Dalším úkolem je vrátit gen do buňky. Již změněný gen je vložen do „vektorů“- jedná se o malé molekuly cirkulární DNA. Jsou schopni přenést změněný gen ze zkumavky zpět do buňky, kde nahrazuje předchozí nativní gen. Můžete tedy zavést buď mutaci, která zcela naruší funkci zbytečné produkce genu, nebo mutaci, která změní její funkci.
V buňce je velmi složitý systém, který zabraňuje produkci nadměrného množství jakéhokoli metabolitu, například stejného lysinu. Vyrábí se přirozeně v množství asi 100 mg / l. Pokud je toho více, pak lyzin sám inhibuje (zpomaluje) počáteční reakce vedoucí k jeho produkci. Vzniká negativní zpětná vazba, kterou lze eliminovat pouze zavedením jiné genové mutace do buňky.
Vyčištění cesty surovin ke konečnému produktu a odstranění inhibicí zabudovaných do genomu při nadměrné produkci požadovaného metabolitu však není vše. Protože, jak již bylo zmíněno, k tvorbě požadovaného produktu dochází uvnitř buňky, může docházet k určitému počtu stupňů, v každém z nich se může objevit „úzký profil“. Například v jednom ze stupňů enzym pracuje rychle a produkuje se mnoho meziproduktu, ale v dalším stádiu propustnost klesá a nevyžádaný přebytek produktu ohrožuje životně důležitou aktivitu buňky. To znamená, že je nutné posílit práci genu, který je zodpovědný za pomalé stádium.
Můžete zlepšit práci genu tím, že zvýšíte jeho počet kopií - jinými slovy, vložíte do genomu jednu, ale dvě, tři nebo deset kopií genu. Dalším přístupem je „navázání“na gen se silným „promotorem“nebo částí DNA zodpovědnou za expresi konkrétního genu. Ale „odcizení“jednoho „úzkého hrdla“vůbec neznamená, že v další fázi nevznikne. Kromě toho existuje mnoho faktorů, které ovlivňují průběh každé fáze získávání produktu - je nutné vzít v úvahu jejich vliv a upravit informace o genech.
„Soutěž“s klecí tak může trvat mnoho let. Zlepšení biotechnologie produkce lysinu trvalo asi 40 let a během této doby byl kmen „učen“produkovat 200 g lysinu na litr za 50 hodin (pro srovnání: před čtyřmi dekádami to bylo 18 g / l). Buňka však nadále odolává, protože takový způsob života mikroorganismů je nesmírně obtížný. Ona zjevně nechce pracovat ve výrobě. A pokud tedy nebude pravidelně sledována kvalita buněčných kultur, nevyhnutelně v nich vzniknou mutace, které snižují produktivitu, která se snadno vybere selekcí. To vše naznačuje, že biotechnologie není taková věc, kterou lze jednou rozvíjet, a pak bude jednat samostatně. A potřeba zvýšit ekonomickou efektivitu a konkurenceschopnost biotechnologických průmyslových odvětví a zabránit degradaci vytvořených vysoce výkonných kmenů - to vše vyžaduje stálou práci, včetně základního výzkumu v oblasti genových funkcí a buněčných procesů.
Zbývá jedna otázka: nejsou mutantní organismy nebezpečné pro člověka? Co když skončí v životním prostředí z bioreaktorů? Naštěstí nehrozí žádné nebezpečí. Tyto buňky jsou vadné, absolutně nejsou přizpůsobeny životu v přírodních podmínkách a nevyhnutelně zemřou. Všechno v mutované buňce se změnilo natolik, že může růst pouze za umělých podmínek, v určitém prostředí, s určitým druhem výživy. Pro tyto živé bytosti neexistuje cesta zpět do divočiny.
Autorem je zástupce ředitele Státního výzkumného ústavu genetiky, doktor biologických věd, profesor Alexander Yanenko.