Ezek az élőlények soha nem lesznek képesek élni a szabadságban. Genomját többször átszervezték, csupán egy feladat érdekében - hogy fáradhatatlanul dolgozzanak egy ember számára. E biorobotok milliói hatalmas mennyiségben termelnek, amit maguknak gyakorlatilag nincs szükségük. Ellenállnak, másképp szeretnének élni, de ki engedi meg?
A disztopikus stílusban írt bevezető rész valójában mindennapi valóság. Ezek olyan mikroorganizmusok, amelyeket kifejezetten a biotechnológiai termeléshez alkalmaztak. Általánosságban elmondható, hogy a mikroorganizmusok - baktériumok és gombák - az emberiséget az ősidők óta fecskendezték, és Louis Pasteur felfedezései előtt az emberek még azt sem tudták, hogy élesztőtésztát dagasztva, tejet erjesztve, bort vagy sört készítetve élőlényekkel foglalkoznak.
Szuperhatalmakat keresve
De lehet, hogy intuitív módon, az ezredeken át tartó spontán szelekció módszerével az embereknek sikerült a mikroorganizmusok természetes, "vad" formáiból kiváló minőségű növényeket kiválasztani borkészítéshez, sajtkészítéshez, sütéshez. A másik dolog az, hogy már a legújabb korban új alkalmazásokat találtak a működő baktériumok számára. A nagyüzemi biotechnológiai vállalkozások elindultak például olyan fontos vegyszerek előállításánál, mint például aminosavak vagy szerves savak.
A biotechnológiai termelés lényege, hogy a nyersanyagokat, például a cukrot felszívó mikroorganizmusok felszabadítanak egy bizonyos metabolitot, egy anyagcsereterméket. Ez a metabolit a végtermék. Az egyetlen probléma az, hogy több ezer metabolit van jelen a sejtben, és a termeléshez egyre van szükség, de nagyon nagy mennyiségben - például 100 g / l (annak ellenére, hogy természetes körülmények között a metabolit mennyisége két három nagyságrenddel kisebb). És természetesen a baktériumoknak nagyon gyorsan működniük kell - mondjuk, két nap alatt - a kívánt mennyiségű terméket adják ki. Az ilyen mutatók már nem képesek vad formákra - ez a "sweatshop" rendszer supermutánsokat, tucatnyi különféle genommódosítást igénylő szervezetet igényel.
Promóciós videó:
Közelebb a természethez
Itt érdemes feltenni egy kérdést: miért vonja be egyáltalán a biotechnológiát - a vegyipar nem képes megbirkózni ugyanazon aminosavak előállításával? Megbirkózik. A kémia sokat tehet manapság, de a biotechnológia számos fő előnnyel jár. Először is megújuló erőforrásokon működnek. Most keményítőt és cukrot tartalmazó növényeket (búza, kukorica, cukorrépa) főleg nyersanyagként használnak. A jövőben úgy gondolják, hogy a cellulózt (fa, szalma, torta) aktívan fogják használni. A vegyipar elsősorban fosszilis szénhidrogénekkel működik.
Másodszor, a biotechnológia az élő sejtek enzimein alapul, amelyek légköri nyomáson, normál hőmérsékleten, nem agresszív vizes közegben működnek. A kémiai szintézisre általában óriási nyomás alatt, magas hőmérsékleten, maró hatású, valamint robbanásveszélyes és tűzveszélyes anyagok felhasználásával kerül sor.
Harmadsorban, a modern kémia a katalitikus folyamatok használatán alapul, és a fémek általában katalizátorként működnek. A fémek nem megújuló nyersanyagok, és felhasználásuk környezetvédelmi szempontból kockázatos. A biotechnológiában a katalizátorok funkcióját maguk a sejtek látják el, és ha szükséges, a sejteket is könnyű felhasználni: vízbe, szén-dioxidba és kis mennyiségű kénbe bomlanak.
Végül, a negyedik előnye a kapott termék tulajdonságaiban rejlik. Például, az aminosavak sztereoizomerek, azaz a molekuláknak két formája van, amelyeknek azonos a szerkezete, de térbelilag egymás tükörképeként vannak elrendezve. Mivel az aminosavak L- és D-formái eltérő módon tükrözik a fényt, ezeket a formákat optikainak nevezzük.
Kémia versus biotechnológia.
Biológia szempontjából jelentős különbség van a formák között: csak az L-formák vannak biológiailag aktívak, csak az L-formát használja a sejt fehérjeépítő anyagként. A kémiai szintézis során izomerek keverékét kapják, a megfelelő formák extrahálása külön termelési folyamat. A mikroorganizmus, mint biológiai szerkezet, csak egyetlen optikai formában állít elő anyagokat (aminosavak esetében csak L-formában), ami a terméket ideális alapanyagvá teszi a gyógyszerek számára.
Ketrec csata
Tehát a természetes törzsekkel járó biotechnológiai iparágak termelékenységének fokozásának problémáját nem lehet megoldani. A sejt életmódjának megváltoztatásához géntechnikai technikákat kell használni. Minden erejét, minden energiáját és minden elfogyasztott energiáját a csekély növekedésre és (főleg) a kívánt metabolit nagy mennyiségű előállítására kell irányítani, legyen az aminosav, szerves savak vagy antibiotikumok.
Hogyan keletkeznek mutáns baktériumok? Az utóbbi időkben ez így nézett ki: vad törzset vettek fel, majd mutagenezist végeztek (vagyis olyan kezelést folytattak speciális anyagokkal, amelyek növelik a mutációk számát). A kezelt sejteket szélesztjük, és ezer egyedi klónt nyerünk. És tucatnyi ember vizsgálta ezeket a klónokat és kereste azokat a mutációkat, amelyek termelőkként a leghatékonyabbak.
A legígéretesebb klónokat kiválasztottuk, majd a mutagenezis következő hulláma következett, majd ismét diszpergálódott és újra kiválasztódott. Valójában mindez nem sokban különbözött a szokásos kiválasztástól, amelyet régóta használnak az állattenyésztésben és a növénytermesztésben, kivéve a mutagenezis alkalmazását. Tehát évtizedek óta a tudósok a mutáns mikroorganizmusok sok generációja közül a legjobbat választották ki.
Ma más megközelítést alkalmaznak. Most minden a metabolikus út elemzésével és a cukor céltermékké alakulásának fő útjának azonosításával kezdődik (és ez az út egy tucat közbenső reakcióból állhat). Valójában a sejtben általában sok oldalsó út fordul elő, amikor a kiindulási nyersanyag olyan metabolitokhoz kerül, amelyek egyáltalán nem szükségesek a termeléshez. És először mindezeket az útvonalakat levágni kell, hogy az átalakítás közvetlenül a céltermékre irányuljon. Hogyan kell csinálni? Módosítsa a mikroorganizmus genomját. Ehhez speciális enzimeket és kis DNS-fragmenseket - „primereket” használunk. Egy kémcsőben levő úgynevezett policiklikus reakció segítségével egyetlen gént ki lehet húzni a sejtből, nagy mennyiségben lemásolni és megváltoztatni.
A következő feladat a gén visszatérése a sejtbe. A már megváltozott gént beillesztjük a "vektorokba" - ezek kicsi kör alakú DNS-molekulák. Képesek a megváltozott gént a kémcsőből visszajuttatni a sejtbe, ahol helyettesíti az előző, natív gént. Így bevezethet egy mutációt, amely teljesen megzavarja a felesleges géntermelés funkcióját, vagy egy mutációt, amely megváltoztatja annak funkcióját.
A sejtben egy nagyon összetett rendszer létezik, amely megakadályozza a túl sok mennyiségű metabolit, például ugyanazon lizin képződését. Természetesen körülbelül 100 mg / l mennyiségben állítják elő. Ha ennél több, akkor a lizin önmagában kezdi gátolni (lelassítja) az előállításához vezető kezdeti reakciókat. Negatív visszacsatolás jön létre, amelyet csak úgy lehet kiküszöbölni, hogy egy újabb génmutációt vezet be a sejtbe.
A nyersanyagok végső termékhez vezető útjának megtisztítása és a genomba épített gátlások eltávolítása a szükséges metabolit túlzott előállítása során azonban nem minden. Mivel, amint már említettük, a kívánt termék képződése a cellában belül bizonyos számú szakaszban megy végbe, mindegyiknél "szűk keresztmetszethatás" léphet fel. Például az egyik szakaszban az enzim gyorsan működik, és sok közbenső termék képződik, de a következő szakaszban az átviteli sebesség csökken, és a termék be nem jelentett feleslege veszélyezteti a sejt életképességét. Ez azt jelenti, hogy meg kell erősíteni a gén működését, amely a lassú stádiumért felelős.
A gén működését javíthatja annak sorszámának növelésével, vagyis a gén nem egy, hanem kettő, három vagy tíz példányának beillesztésével a genomba. Egy másik megközelítés az, hogy egy génnel egy erős "promotort" vagy egy DNS-szekciót kapcsolunk össze, amely felelős egy adott gén expressziójáért. De az egyik „szűk keresztmetszet” kibontása egyáltalán nem jelenti azt, hogy ez a következő szakaszban nem merül fel. Sőt, sok tényező befolyásolja a termék előállításának minden egyes szakaszát - figyelembe kell venni azok befolyását, és módosítani kell a géninformációt.
Így a ketrecgel folytatott "verseny" sok évig tarthat. Körülbelül 40 évbe telt a lizin előállításának biotechnológiájának fejlesztése, és ebben az időben a törzset „megtanították”, hogy 50 óránként 200 g lizint készítsen 50 órán belül (összehasonlítás: négy évtizeddel ezelőtt ez a szám 18 g / l volt). De a sejt továbbra is ellenáll, mert a mikroorganizmus ilyen életmódja rendkívül nehéz. Nyilvánvalóan nem akarja a termelésben dolgozni. És ezért, ha a sejttenyészetek minőségét nem ellenőrzik rendszeresen, akkor elkerülhetetlenül bennük mutációk alakulnak ki, amelyek csökkentik a termelékenységet, amelyet a szelekció könnyen felvesz. Mindez azt sugallja, hogy a biotechnológia nem olyan, amit egyszer kifejleszteni lehet, és akkor önmagában fog cselekedni. A biotechnológiai iparágak gazdasági hatékonyságának és versenyképességének javítása, valamint a létrehozott nagyteljesítményű törzsek lebomlásának megakadályozása - mind állandó munkát igényel, ideértve az alapkutatást a génfunkciók és a sejtfolyamatok területén.
Az egyik kérdés továbbra is fennáll: a mutáns szervezetek nem veszélyesek az emberekre? Mi lenne, ha a bioreaktorok a környezetbe kerülnének? Szerencsére nincs veszély. Ezek a sejtek hibásak, egyáltalán nem alkalmazkodnak a természetes körülmények közötti élethez, és elkerülhetetlenül meghalnak. A mutáns sejtben annyira megváltozott, hogy csak mesterséges körülmények között, egy bizonyos környezetben, bizonyos típusú táplálkozással növekedhet. Ezeknek az élőlényeknek nincs visszaút a vad állapotba.
A szerző az Állami Genetikai Kutatóintézet igazgatóhelyettese, biológiai tudományok doktora, Alexander Yanenko professzor.