Šios gyvos būtybės niekada negalės gyventi laisvėje. Jų genomas ne kartą buvo perpieštas tik dėl vienos užduoties - nenuilstamai dirbti žmogui. Milijonai šių biorobotų gamina didžiulius kiekius to, ko jiems patiems praktiškai nereikia. Jie priešinasi, norėtų gyventi kitaip, bet kas leis?
Įrašyta distopiniu stiliumi, įvadinė ištrauka iš tikrųjų yra kasdienė realybė. Tai yra mikroorganizmai, specialiai pritaikyti darbui biotechnologinėje gamyboje. Paprastai tariant, mikroorganizmai - bakterijos ir grybeliai - nuo neatmenamų laikų švirkštė žmoniją, ir iki Luiso Pasteuro atradimų žmonės net nesuprato, kad minkydami mielių tešlą, raugindami pieną, gamindami vyną ar alų, jie užsiima gyvų būtybių darbais.
- „Salik.biz“
Ieškant supervalstybių
Kad ir kaip būtų intuityviai, per tūkstantmečius savaiminio atrankos metodu žmonėms pavyko parinkti aukštos kokybės kultūras vynui gaminti, sūriui gaminti, kepti iš natūralių, „laukinių“mikroorganizmų formų. Kitas dalykas, kad jau naujausioje eroje buvo rasta naujų darbo bakterijų naudojimo būdų. Didelės apimties biotechnologijų įmonės pradėjo gaminti, pavyzdžiui, svarbias chemines medžiagas, tokias kaip amino rūgštys ar organinės rūgštys.
Biotechnologinės gamybos esmė yra ta, kad mikroorganizmai, absorbuodami žaliavas, tokias kaip cukrus, išskiria tam tikrą metabolitą, metabolizmo produktą. Šis metabolitas yra galutinis produktas. Vienintelė problema yra tai, kad ląstelėje yra keli tūkstančiai metabolitų, o gaminti reikia vieno, tačiau labai dideliais kiekiais - pavyzdžiui, 100 g / l (nepaisant to, kad natūraliomis sąlygomis metabolitas gaminamas dviem trimis laipsniais mažesnės). Ir, žinoma, bakterijos turi veikti labai greitai - per dvi dienas išleisti reikiamą kiekį produkto, tarkime. Tokie rodikliai nebegali laukinių formų - šiai „sweatshop“sistemai reikalingi supermutantai, organizmai, turintys dešimtys skirtingų genomo modifikacijų.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Arčiau gamtos
Čia verta užduoti klausimą: kodėl apskritai reikia įtraukti biotechnologijas - ar chemijos pramonė nesugeba susidoroti su tų pačių amino rūgščių gamyba? Copes. Šiomis dienomis chemija gali nuveikti labai daug, tačiau biotechnologijos turi keletą pagrindinių privalumų. Pirma, jie naudoja atsinaujinančius išteklius. Dabar krakmolo ir cukraus turinčių augalų (kviečių, kukurūzų, cukrinių runkelių) daugiausia naudojami kaip žaliavos. Manoma, kad ateityje bus aktyviai naudojama celiuliozė (mediena, šiaudai, pyragas). Chemijos pramonė daugiausia dirba su iškastiniais angliavandeniliais.
Antra, biotechnologijos remiasi gyvų ląstelių fermentais, kurie veikia atmosferos slėgyje, normalioje temperatūroje, neagresyviose vandeninėse terpėse. Paprastai cheminė sintezė vyksta esant didžiuliam slėgiui, aukštai temperatūrai, naudojant kaustines, taip pat sprogstamąsias ir ugniai pavojingas medžiagas.
Trečia, šiuolaikinė chemija remiasi kataliziniais procesais, o metalai, kaip taisyklė, veikia kaip katalizatoriai. Metalai nėra atsinaujinanti žaliava, todėl jų naudojimas aplinkos požiūriu yra rizikingas. Biotechnologijose katalizatorių funkciją atlieka pačios ląstelės, o prireikus jas lengva panaudoti: jos suskyla į vandenį, anglies dioksidą ir nedidelį kiekį sieros.
Galiausiai, ketvirtasis pranašumas yra gauto produkto savybės. Pvz., Aminorūgštys yra stereoizomerai, tai yra, molekulės turi dvi formas, turinčias tą pačią struktūrą, bet erdvėje išdėstytos kaip viena kitos veidrodiniai vaizdai. Kadangi aminorūgščių L ir D formos šviesą atspindi skirtingai, tokios formos vadinamos optinėmis.
Chemija prieš biotechnologijas.
Biologijos požiūriu, yra didelis skirtumas tarp formų: tik L formos yra biologiškai aktyvios, tik L formą ląstelė naudoja kaip statybinę medžiagą baltymams. Cheminės sintezės metu gaunamas izomerų mišinys, teisingų formų ekstrahavimas iš jo yra atskiras gamybos procesas. Mikroorganizmas, kaip biologinė struktūra, gamina tik vienos optinės formos medžiagas (aminorūgščių atveju - tik L formos), todėl produktas yra ideali žaliava vaistams.
Narvų mūšis
Taigi negalima išspręsti natūralių atmainų biotechnologijų pramonės produktyvumo didinimo problemos. Norint iš tikrųjų pakeisti ląstelės gyvenimo būdą, būtina naudoti genų inžinerijos metodus. Visos jos jėgos, visa energija ir visa, ko ji sunaudoja, turėtų būti nukreiptos į silpną augimą ir (daugiausia) didelių norimo metabolito, ar tai būtų amino rūgštis, organinės rūgštys, ar antibiotikas, gamybą.
Kaip kuriamos mutantinės bakterijos? Pastaruoju metu tai atrodė taip: jie paėmė laukinį kamieną, tada atliko mutagenezę (tai yra, gydymas specialiomis medžiagomis, kurios padidina mutacijų skaičių). Apdorotos ląstelės buvo nusodintos ir buvo gauta tūkstančiai atskirų klonų. Ir buvo dešimtys žmonių, kurie išbandė šiuos klonus ir ieškojo tų mutacijų, kurios yra veiksmingiausios kaip gamintojai.
Buvo atrinkti perspektyviausi klonai, o po to sekė kita mutagenezės banga, vėl išsisklaidymas ir vėl selekcija. Tiesą sakant, visa tai nedaug skyrėsi nuo įprasto selekcijos, kuri jau seniai naudojama gyvulininkystėje ir augalininkystėje, išskyrus mutagenezės naudojimą. Taigi dešimtmečiais mokslininkai atrinko geriausią iš daugelio mutantinių mikroorganizmų kartų.
Šiandien naudojamas kitoks požiūris. Viskas prasideda nuo medžiagų apykaitos kelių analizės ir pagrindinio cukraus konvertavimo į tikslinį produktą nustatymo (ir šį kelią gali sudaryti keliolika tarpinių reakcijų). Iš tikrųjų ląstelėje, kaip taisyklė, yra daug šalutinių kelių, kai pradinė žaliava patenka į kai kuriuos metabolitus, kurie visai nėra būtini gamybai. Pirmiausia reikia atskirti visus šiuos kelius, kad konversija būtų nukreipta tiesiai į tikslinį produktą. Kaip tai padaryti? Pakeiskite mikroorganizmo genomą. Tam naudojami specialūs fermentai ir maži DNR fragmentai - „pradmenys“. Pasitelkiant vadinamąją policiklinę reakciją mėgintuvėlyje, vieną geną galima ištraukti iš ląstelės, nukopijuoti dideliais kiekiais ir pakeisti.
Kita užduotis - grąžinti geną į ląstelę. Jau pakeistas genas įterpiamas į „vektorius“- tai mažos žiedinės DNR molekulės. Jie sugeba pernešti pakitusį geną iš mėgintuvėlio atgal į ląstelę, kur jis pakeičia ankstesnį, natūralųjį geną. Taigi, jūs galite įvesti arba mutaciją, kuri visiškai sutrikdo nereikalingo genų gamybos funkciją, arba mutaciją, pakeičiančią jos funkciją.
Ląstelėje yra labai sudėtinga sistema, neleidžianti gaminti per daug bet kokio metabolito, pavyzdžiui, to paties lizino. Gaminamas natūraliai, maždaug 100 mg / l. Jei jo yra daugiau, tada pats lizinas pradeda slopinti (sulėtinti) pradines reakcijas, sukeliančias jo gamybą. Atsiranda neigiamas grįžtamasis ryšys, kurį galima pašalinti tik įvedus į ląstelę kitą geno mutaciją.
Tačiau dar ne viskas, kaip pašalinti žaliavas iki galutinio produkto ir pašalinti genomo inhibicijas, sukeliančias pernelyg didelį reikiamo metabolito susidarymą. Kadangi, kaip jau minėta, norimo produkto susidarymas vyksta ląstelės viduje tam tikru etapų skaičiumi, kiekviename iš jų gali atsirasti „silpnosios vietos efektas“. Pavyzdžiui, vienoje iš stadijų fermentas veikia greitai ir susidaro daug tarpinio produkto, tačiau kitame etape pralaidumas sumažėja ir nereikalaujamas produkto perteklius kelia grėsmę gyvybinei ląstelės veiklai. Tai reiškia, kad būtina sustiprinti geno, atsakingo už lėtą stadiją, darbą.
Galite patobulinti geno darbą padidindami jo kopijų skaičių - kitaip tariant, į genomą įterpdami ne vieną, o dvi, tris ar dešimt geno kopijų. Kitas metodas yra „susieti“su genu stiprų „promotorių“arba DNR skyrių, atsakingą už tam tikro geno ekspresiją. Tačiau vienos „kliūties“„atplėšimas“visai nereiškia, kad ji neatsiras kitame etape. Be to, yra daugybė veiksnių, turinčių įtakos kiekvieno produkto gavimo etapui - būtina atsižvelgti į jų įtaką ir pakoreguoti informaciją apie geną.
Taigi „varžybos“su narvu gali tęstis ilgus metus. Lizino gamybos biotechnologijoms patobulinti prireikė maždaug 40 metų, ir per tą laiką štamas buvo „išmokytas“per 50 valandų pagaminti 200 g lizino litre (palyginimui: prieš keturis dešimtmečius šis skaičius buvo 18 g / l). Tačiau ląstelė ir toliau priešinasi, nes toks gyvenimo būdas mikroorganizmui yra nepaprastai sunkus. Ji aiškiai nenori dirbti gamyboje. Taigi, jei ląstelių kultūrų kokybė nebus reguliariai stebima, jose neišvengiamai atsiras mutacijų, kurios sumažina produktyvumą, o tai bus lengva atranka. Visa tai leidžia manyti, kad biotechnologija nėra toks dalykas, kurį galima sukurti vieną kartą, o tada ji veiks savarankiškai. Ir poreikis didinti biotechnologinių pramonės šakų ekonominį efektyvumą ir konkurencingumą, taip pat užkirsti kelią sukurtų didelio efektyvumo padermių degradacijai - visa tai reikalauja nuolatinio darbo, įskaitant fundamentinius tyrimus genų funkcijų ir ląstelių procesų srityje.
Lieka vienas klausimas: ar mutantiniai organizmai nėra pavojingi žmonėms? O kas, jei jie patenka į aplinką dėl bioreaktorių? Laimei, pavojaus nėra. Šios ląstelės yra ydingos, jos visiškai nepritaikytos gyvenimui natūraliomis sąlygomis ir neišvengiamai mirs. Viskas mutantinėje ląstelėje pasikeitė tiek, kad ji gali augti tik dirbtinėmis sąlygomis, tam tikroje aplinkoje, laikydamasi tam tikros rūšies mitybos. Šių gyvų būtybių atgal į laukinę būseną nėra.
Autorius yra Valstybinio genetikos tyrimų instituto direktoriaus pavaduotojas, biologijos mokslų daktaras, profesorius Aleksandras Janenko.