Disse levende væsener vil aldrig være i stand til at leve i frihed. Deres genom er gentagne gange blevet gentegnet af hensyn til kun én opgave - at arbejde utrætteligt for en person. Millioner af disse biorobotter producerer i enorme mængder, hvad de selv praktisk talt ikke har brug for. De modstår, de vil gerne leve anderledes, men hvem tillader det?
Den indledende passage er skrevet i en dystopisk stil og er faktisk en dagligdags virkelighed. Dette er mikroorganismer, der er specielt tilpasset til at arbejde i bioteknologisk produktion. Generelt har mikroorganismer - bakterier og svampe - injiceret menneskeheden siden umindelige tider, og inden Louis Pasteurs opdagelser opdagede folk ikke engang, at de ælte gærdej, gærede mælk, lavede vin eller øl og handlede med levende væseners arbejde.
På jagt efter supermagter
Men det være sig som det, intuitivt, ved metoden til spontan udvælgelse gennem årtusinder, har folk formået at vælge afgrøder af høj kvalitet til vinfremstilling, ostefremstilling, bagning fra naturlige, "vilde" former for mikroorganismer. En anden ting er, at der allerede i den nyeste tid er fundet nye applikationer til fungerende bakterier. Store bioteknologiske virksomheder er dukket op for at producere for eksempel vigtige kemiske produkter såsom aminosyrer eller organiske syrer.
Essensen af bioteknologisk produktion er, at mikroorganismer, der absorberer råvarer, såsom sukker, frigiver en bestemt metabolit, et stofskifteprodukt. Denne metabolit er det endelige produkt. Det eneste problem er, at flere tusinde metabolitter er til stede i cellen, og produktionen har brug for en, men i meget store mængder - for eksempel 100 g / l (på trods af at metaboliten under naturlige betingelser ville blive produceret i mængder med to tre størrelsesordener mindre). Og naturligvis skal bakterier arbejde meget hurtigt - for at give den nødvendige mængde produkt, siger vi, om to dage. Sådanne indikatorer er ikke længere i stand til vilde former - dette "sweatshop" -system kræver supermutanter, organismer med snesevis af forskellige genommodifikationer.
Salgsfremmende video:
Tættere på naturen
Her er det værd at stille et spørgsmål: hvorfor involverer bioteknologi overhovedet - er den kemiske industri ikke i stand til at klare produktionen af de samme aminosyrer? Copes. Kemi kan gøre meget i disse dage, men bioteknologi har flere store fordele. For det første opererer de med vedvarende ressourcer. Nu anvendes stivelse og sukkerholdige planter (hvede, majs, sukkerroer) hovedsageligt som råvarer. I fremtiden antages det, at cellulose (træ, halm, kage) vil blive aktivt anvendt. Den kemiske industri arbejder primært med fossile kulbrinter.
For det andet er bioteknologi baseret på enzymerne i levende celler, der arbejder ved atmosfærisk tryk, normal temperatur, i ikke-aggressive vandige medier. Kemisk syntese finder som regel sted under enormt tryk, høje temperaturer under anvendelse af ætsende såvel som eksplosive og brandfarlige stoffer.
For det tredje er moderne kemi baseret på brugen af katalytiske processer, og metaller fungerer som regel som katalysatorer. Metaller er ikke et vedvarende råmateriale, og deres anvendelse er risikabelt fra et miljømæssigt synspunkt. I bioteknologi udføres funktionen af katalysatorer af cellerne selv, og om nødvendigt er cellerne lette at bruge: de nedbrydes til vand, kuldioxid og en lille mængde svovl.
Endelig ligger den fjerde fordel i egenskaberne ved det resulterende produkt. For eksempel er aminosyrer stereoisomerer, dvs. molekyler har to former, der har den samme struktur, men er rumligt organiserede som spejlbilleder af hinanden. Da L- og D-formerne af aminosyrer bryder lys på forskellige måder, kaldes sådanne former optiske.
Kemi versus bioteknologi.
Fra biologiens synspunkt er der en betydelig forskel mellem formerne: kun L-formerne er biologisk aktive, kun L-formen bruges af cellen som byggemateriale til protein. Under kemisk syntese opnås en blanding af isomerer; ekstraktionen af de korrekte former derfra er en separat produktionsproces. Mikroorganismen producerer som biologisk struktur stoffer med kun en optisk form (i tilfælde af aminosyrer, kun i L-form), hvilket gør produktet til et ideelt råmateriale til farmaceutiske stoffer.
Burkamp
Så problemet med at øge produktiviteten for bioteknologiske industrier med naturlige stammer kan ikke løses. Det er nødvendigt at bruge genteknologiteknikker til rent faktisk at ændre cellens livsstil. Hele hendes styrke, al hendes energi og alt det, hun forbruger, bør være rettet mod mager vækst og (hovedsageligt) produktion af store mængder af den ønskede metabolit, det være sig en aminosyre, organiske syrer eller et antibiotikum.
Hvordan dannes mutante bakterier? I nyere tid så det sådan ud: De tog en vild stamme og udførte derefter mutagenese (dvs. behandling med specielle stoffer, der øger antallet af mutationer). De behandlede celler blev udpladet, og tusinder af individuelle kloner blev opnået. Og der var snesevis af mennesker, der testede disse kloner og kiggede efter de mutationer, der er mest effektive som producenter.
De mest lovende kloner blev valgt, og den næste bølge af mutagenese fulgte, og igen spredning og igen selektion. Faktisk var alt dette ikke meget forskelligt fra den sædvanlige selektion, der længe har været anvendt i dyrehold og afgrødeproduktion undtagen til brugen af mutagenese. Så i årtier har forskere valgt det bedste af de mange generationer af mutante mikroorganismer.
En anden tilgang anvendes i dag. Alt starter nu med analysen af metabolske veje og identifikationen af hovedvejen til omdannelse af sukker til målproduktet (og denne sti kan bestå af et dusin mellemliggende reaktioner). Faktisk er der som regel mange celler i cellen, når det oprindelige råmateriale går til nogle metabolitter, der overhovedet ikke er nødvendige til produktion. Og først skal alle disse stier afskæres, så konverteringen rettes direkte til målproduktet. Hvordan gør man det? Ændre genomet til en mikroorganisme. Til dette bruges specielle enzymer og små fragmenter af DNA - "primere". Ved hjælp af den såkaldte polycykliske reaktion i et reagensglas kan et enkelt gen trækkes ud af en celle, kopieres i store mængder og ændres.
Den næste opgave er at returnere genet til cellen. Det allerede ændrede gen indsættes i "vektorer" - dette er små cirkulære DNA-molekyler. De er i stand til at overføre det ændrede gen fra prøverøret tilbage i cellen, hvor det erstatter det tidligere, naturlige gen. Således kan du enten introducere en mutation, der fuldstændigt forstyrrer funktionen af en unødvendig genproduktion, eller en mutation, der ændrer dens funktion.
I cellen er der et meget komplekst system, der forhindrer produktion af en overdreven mængde af enhver metabolit, for eksempel det samme lysin. Det produceres naturligt i en mængde på ca. 100 mg / l. Hvis der er mere af det, begynder lysin i sig selv at hæmme (bremse) de første reaktioner, der fører til dets produktion. En negativ feedback opstår, som kun kan elimineres ved at indføre en anden genmutation i cellen.
Det er imidlertid ikke alt, at rense råstoffernes vej til det endelige produkt og fjerne de hæmninger, der er indbygget i genomet ved overdreven produktion af den krævede metabolit. Da dannelsen af det ønskede produkt som allerede nævnt finder sted inde i cellen et vist antal trin, ved hver af dem kan der forekomme en "flaskehalseffekt". For eksempel fungerer enzymet i et af trinene hurtigt, og der produceres en masse mellemprodukt, men i det næste trin falder gennemstrømningen, og et uopkrævet overskud af produktet truer cellens vitale aktivitet. Dette betyder, at det er nødvendigt at styrke arbejdet med det gen, der er ansvarlig for det langsomme trin.
Du kan forbedre genens arbejde ved at øge dets kopienummer - med andre ord ved ikke at indsætte en, men to, tre eller ti kopier af genet i genomet. En anden fremgangsmåde er at "binde" til et gen en stærk "promotor" eller en sektion af DNA, der er ansvarlig for ekspressionen af et bestemt gen. Men "uforsegling" af en "flaskehals" betyder overhovedet ikke, at den ikke vil opstå på det næste trin. Der er desuden mange faktorer, der påvirker forløbet for hvert trin i at få et produkt - det er nødvendigt at tage hensyn til deres indflydelse og foretage justeringer af geninformationen.
Således kan "konkurrence" med buret vare i mange år. Det tog omkring 40 år at forbedre bioteknologien inden for lysinproduktion, og i løbet af denne periode blev stammen "lært" at fremstille 200 g lysin pr. Liter på 50 timer (til sammenligning: For fire årtier siden var dette tal 18 g / l). Men cellen fortsætter med at modstå, fordi en sådan livsstil for mikroorganismen er ekstremt vanskelig. Hun ønsker helt klart ikke at arbejde i produktionen. Og derfor, hvis kvaliteten af cellekulturer ikke regelmæssigt overvåges, vil mutationer uundgåeligt opstå hos dem, der reducerer produktiviteten, som let afhentes ved selektion. Alt dette antyder, at bioteknologi ikke er en sådan ting, der kan udvikles en gang, og så vil den handle på egen hånd. Og behovet for at øge den økonomiske effektivitet og konkurrenceevnen i bioteknologiske industrier og forebyggelse af nedbrydning af de skabte højtydende stammer - alt kræver konstant arbejde, herunder grundlæggende forskning inden for genfunktioner og cellulære processer.
Et spørgsmål tilbage: er ikke mutante organismer farlige for mennesker? Hvad hvis de ender i miljøet fra bioreaktorer? Heldigvis er der ingen fare. Disse celler er mangelfulde, de er absolut ikke tilpasset livet under naturlige forhold og vil uundgåeligt dø. Alt i den mutante celle er ændret så meget, at det kun kan vokse under kunstige forhold, i et bestemt miljø, med en bestemt ernæringstype. Der er ingen vej tilbage til den vilde tilstand for disse levende væsener.
Forfatteren er viceadministrerende direktør for det statlige forskningsinstitut for genetik, doktor i biologiske videnskaber, professor Alexander Yanenko.