Šīs dzīvās būtnes nekad nespēs dzīvot brīvībā. Viņu genoms ir daudzkārt pārveidots tikai vienam uzdevumam - nenogurstoši strādāt cilvēka labā. Miljoniem šo biorobotu saražo milzīgos daudzumos to, kas viņiem pašiem praktiski nav vajadzīgs. Viņi pretojas, viņi gribētu dzīvot savādāk, bet kurš to atļaus?
Rakstīts distopiskā stilā, ievadfrāze faktiski ir ikdienas realitāte. Tie ir mikroorganismi, kas īpaši pielāgoti darbam biotehnoloģiskajā ražošanā. Faktiski mikroorganismi - baktērijas un sēnītes - kopš neatminamiem laikiem ir injicējuši cilvēci, un pirms Luija Pasteura atklājumiem cilvēki pat nenojauta, ka mīcot rauga mīklu, raudzējot pienu, gatavojot vīnu vai alu, viņi nodarbojas ar dzīvo būtņu darbu.
Super lielvaru meklējumos
Lai kā arī būtu, intuitīvi, izmantojot spontānas atlases metodi gadu tūkstošu laikā, cilvēkiem ir izdevies no dabiskām, “savvaļas” mikroorganismu formām izvēlēties augstas kvalitātes kultūras vīna ražošanai, siera ražošanai, cepšanai. Cita lieta, ka jau jaunākajā laikmetā ir atrasti jauni pielietojumi baktērijām, kas darbojas. Liela mēroga biotehnoloģijas uzņēmumi ir izveidojuši, piemēram, tādu svarīgu ķīmisku vielu ražošanu kā aminoskābes vai organiskās skābes.
Biotehnoloģiskās ražošanas būtība ir tāda, ka mikroorganismi, absorbējot izejvielas, piemēram, cukuru, izdala noteiktu metabolītu - metabolisma produktu. Šis metabolīts ir galaprodukts. Vienīgā problēma ir tā, ka šūnā atrodas vairāki tūkstoši metabolītu, un ražošanai vajadzīgs viens, bet ļoti lielos daudzumos - piemēram, 100 g / l (neskatoties uz to, ka dabiskos apstākļos metabolīts ražotos divos daudzumos) trīs pakāpes mazāki). Un, protams, baktērijām jādarbojas ļoti ātri - divu dienu laikā jāizdod nepieciešamais produkta daudzums, teiksim. Šādi rādītāji vairs nespēj savvaļas formas - šai "sweatshop" sistēmai nepieciešami supermutanti, organismi ar desmitiem dažādu genomu modifikāciju.
Reklāmas video:
Tuvāk dabai
Šeit ir vērts uzdot jautājumu: kāpēc vispār iesaistīt biotehnoloģiju - vai ķīmiskā rūpniecība nespēj tikt galā ar to pašu aminoskābju ražošanu? Copes. Mūsdienās ķīmija var izdarīt daudz, bet biotehnoloģijai ir vairākas galvenās priekšrocības. Pirmkārt, tie darbojas ar atjaunojamiem resursiem. Tagad cieti un cukuru saturošus augus (kviešus, kukurūzu, cukurbietes) galvenokārt izmanto kā izejvielas. Nākotnē tiek uzskatīts, ka celuloze (koks, salmi, kūka) tiks aktīvi izmantota. Ķīmiskajā rūpniecībā galvenokārt darbojas fosilie ogļūdeņraži.
Otrkārt, biotehnoloģijas pamatā ir dzīvo šūnu fermenti, kas darbojas atmosfēras spiedienā, normālā temperatūrā, neagresīvā ūdens vidē. Ķīmiskā sintēze parasti notiek zem milzīga spiediena, augstā temperatūrā, izmantojot kodīgas, kā arī sprādzienbīstamas un ugunsbīstamas vielas.
Treškārt, mūsdienu ķīmija balstās uz katalītisko procesu izmantošanu, un metāli, kā likums, darbojas kā katalizatori. Metāli nav atjaunojama izejviela, un to izmantošana no vides viedokļa ir riskanta. Biotehnoloģijā katalizatoru funkciju veic pašas šūnas, un vajadzības gadījumā šūnas ir viegli izmantojamas: tās sadalās ūdenī, oglekļa dioksīdā un nelielā daudzumā sēra.
Visbeidzot, ceturtā priekšrocība ir iegūtā produkta īpašībās. Piemēram, aminoskābes ir stereoizomēri, tas ir, molekulām ir divas formas, kurām ir vienāda struktūra, bet tās ir telpiski organizētas kā viena otras spoguļattēli. Tā kā aminoskābju L- un D-formas dažādos veidos refrakcionē gaismu, šādas formas sauc par optiskām.
Ķīmija pret biotehnoloģiju.
No bioloģijas viedokļa pastāv ievērojama atšķirība starp formām: tikai L-formas ir bioloģiski aktīvas, tikai L-formu šūna izmanto kā olbaltumvielu celtniecības materiālu. Ķīmiskajā sintēzē iegūst izomēru maisījumu, pareizo formu ekstrahēšana no tā ir atsevišķs ražošanas process. Mikroorganisms kā bioloģiska struktūra ražo vielas tikai vienā optiskā formā (aminoskābju gadījumā tikai L formā), kas padara šo produktu par ideālu izejvielu farmācijai.
Būru cīņa
Tātad nevar atrisināt problēmu, kas saistīta ar dabisko celmu biotehnoloģisko nozaru produktivitātes palielināšanu. Lai faktiski mainītu šūnas dzīvesveidu, ir jāizmanto gēnu inženierijas paņēmieni. Viss viņas spēks, visa enerģija un viss, ko viņa patērē, ir jānovirza uz liesās augšanas procesu un (galvenokārt) vēlamā metabolīta lielu daudzumu ražošanu, vai tā būtu aminoskābe, organiskās skābes vai antibiotika.
Kā tiek izveidotas mutantu baktērijas? Pēdējā laikā tas izskatījās šādi: viņi paņēma savvaļas celmu, pēc tam veica mutaģenēzi (tas ir, ārstēšanu ar īpašām vielām, kas palielina mutāciju skaitu). Apstrādātās šūnas tika iesētas, iegūti tūkstošiem atsevišķu klonu. Un bija desmitiem cilvēku, kuri pārbaudīja šos klonus un meklēja tās mutācijas, kuras ir visefektīvākās kā producenti.
Tika atlasīti visdaudzsološākie kloni, un sekoja nākamais mutaģenēzes vilnis, atkal izplatīšanās un atkal atlase. Faktiski tas viss daudz neatšķīrās no parastās atlases, kuru jau sen izmanto lopkopībā un augkopībā, izņemot mutaģenēzes izmantošanu. Tātad gadu desmitiem zinātnieki ir izvēlējušies labāko no daudzajām mutantu mikroorganismu paaudzēm.
Mūsdienās tiek izmantota atšķirīga pieeja. Tagad viss sākas ar metabolisma ceļu analīzi un galvenā ceļa noteikšanu cukuru pārvēršanai mērķa produktā (un šis ceļš var sastāvēt no duci starpposma reakciju). Patiešām, šūnā, kā likums, ir daudz blakus ceļu, kad sākotnējā izejviela nonāk pie dažiem metabolītiem, kas nepavisam nav nepieciešami ražošanai. Un, pirmkārt, visi šie ceļi ir jānovērš, lai pārvēršana tiktu virzīta tieši uz mērķa produktu. Kā to izdarīt? Mainiet mikroorganisma genomu. Šim nolūkam tiek izmantoti īpaši fermenti un mazi DNS fragmenti - “grunti”. Ar tā saucamās policikliskās reakcijas palīdzību mēģenē atsevišķu gēnu var izvilkt no šūnas, nokopēt lielos daudzumos un mainīt.
Nākamais uzdevums ir gēna atgriešana šūnā. Jau mainītais gēns tiek ievietots "vektoros" - tās ir mazas apļveida DNS molekulas. Viņi spēj pārnest mainīto gēnu no mēģenes atpakaļ šūnā, kur tas aizstāj iepriekšējo, dabisko gēnu. Tādējādi jūs varat ieviest vai nu mutāciju, kas pilnībā izjauc nevajadzīga gēna ražošanas funkciju, vai mutāciju, kas maina tā funkciju.
Šūnā ir ļoti sarežģīta sistēma, kas novērš pārmērīga jebkura metabolīta, piemēram, tā paša lizīna, ražošanu. Tas tiek ražots dabiskā veidā apmēram 100 mg / l. Ja tā ir vairāk, tad pats lizīns sāk kavēt (palēnināt) sākotnējās reakcijas, kas izraisa tā ražošanu. Parādās negatīvas atsauksmes, kuras var novērst, tikai šūnā ieviešot citu gēna mutāciju.
Tomēr viss vēl nav notīrīt izejvielu ceļu līdz galaproduktam un noņemt kavējumus, kas iebūvēti genomā, pārmērīgi ražojot nepieciešamo metabolītu. Tā kā, kā jau minēts, vēlamā produkta veidošanās notiek šūnā noteiktā skaitā posmu, katrā no tiem var rasties “sašaurinājuma efekts”. Piemēram, vienā no posmiem ferments darbojas ātri un tiek ražots daudz starpproduktu, bet nākamajā posmā caurlaide samazinās un produkta nepieprasīts pārpalikums apdraud šūnas dzīvībai svarīgo aktivitāti. Tas nozīmē, ka ir jāstiprina tā gēna darbs, kurš ir atbildīgs par lēno stadiju.
Jūs varat uzlabot gēna darbu, palielinot tā kopiju skaitu - citiem vārdiem sakot, genomā ievietojot nevis vienu, bet divas, trīs vai desmit gēna kopijas. Vēl viena pieeja ir “sasaistīt” ar gēnu spēcīgu “promotoru” vai DNS sadaļu, kas ir atbildīga par konkrēta gēna ekspresiju. Bet viena “sašaurinājuma” “atdalīšana” nenozīmē, ka tas neradīsies nākamajā posmā. Turklāt ir daudz faktoru, kas ietekmē katra produkta iegūšanas posma gaitu - ir jāņem vērā to ietekme un jāveic korekcijas informācijai par gēnu.
Tādējādi "konkurence" ar būru var ilgt daudzus gadus. Lizīna ražošanas biotehnoloģijas uzlabošanai bija nepieciešami apmēram 40 gadi, un šajā laikā celms tika "iemācīts" 50 stundās saražot 200 g lizīna litrā (salīdzinājumam: pirms četrām desmitgadēm šis skaitlis bija 18 g / l). Bet šūna turpina pretoties, jo šāds mikroorganisma dzīvesveids ir ārkārtīgi grūts. Viņa acīmredzami nevēlas strādāt ražošanā. Un tāpēc, ja šūnu kultūru kvalitāte netiek regulāri uzraudzīta, tajās neizbēgami rodas mutācijas, kas samazina produktivitāti, kuru viegli uzņems atlase. Tas viss liek domāt, ka biotehnoloģija nav tāda, ko var vienreiz attīstīt, un tad tā rīkosies pati. Un nepieciešamība uzlabot biotehnoloģisko nozaru ekonomisko efektivitāti un konkurētspēju, kā arī radīto augstas veiktspējas celmu degradācijas novēršana - tas viss prasa pastāvīgu darbu, ieskaitot fundamentālus pētījumus gēnu funkciju un šūnu procesu jomā.
Paliek viens jautājums: vai mutanti organismi nav bīstami cilvēkiem? Ko darīt, ja tie nonāk vidē no bioreaktoriem? Par laimi briesmas nedraud. Šīs šūnas ir kļūdainas, tās absolūti nav pielāgotas dzīvei dabiskos apstākļos un neizbēgami mirs. Viss mutanta šūnā ir tik daudz mainījies, ka tas var augt tikai mākslīgos apstākļos, noteiktā vidē, ar noteikta veida uzturu. Šīm dzīvajām būtnēm nav atpakaļceļa uz savvaļas stāvokli.
Autors ir Valsts ģenētikas pētniecības institūta direktora vietnieks, bioloģijas zinātņu doktors, profesors Aleksandrs Janenko.