Тези живи същества никога няма да могат да живеят на свобода. Геномът им нееднократно е преработен с цел само една задача - да работят неуморно за човек. Милиони от тези биороботи произвеждат в огромни количества това, което самите те на практика не се нуждаят. Те се съпротивляват, биха искали да живеят по различен начин, но кой ще го позволи?
Написан в дистопичен стил, уводният пасаж всъщност е ежедневна реалност. Това са микроорганизми, специално пригодени за работа в биотехнологичното производство. Най-общо казано, микроорганизмите - бактерии и гъбички - инжектират човечеството от незапомнени времена, а преди откритията на Луи Пастьор хората дори не са осъзнавали, че, месене на тесто с мая, ферментиращо мляко, правене на вино или бира, те се занимават с работата на живите същества.
В търсене на суперсили
Но колкото и да е, интуитивно, чрез метода на спонтанен подбор през хилядолетията, хората са успели да подберат висококачествени култури за винопроизводство, производство на сирене, печене от естествени, "диви" форми на микроорганизми. Друго нещо е, че още в най-новата ера са открити нови приложения за работещи бактерии. Мащабните биотехнологични предприятия се появиха, за да произведат например важни химикали като аминокиселини или органични киселини.
Същността на биотехнологичното производство е, че микроорганизмите, абсорбиращи суровини, като захар, отделят определен метаболит, метаболитен продукт. Този метаболит е крайният продукт. Единственият проблем е, че в клетката присъстват няколко хиляди метаболити и производството им се нуждае от един, но в много големи количества - например 100 g / l (въпреки факта, че при естествени условия метаболитът би се произвеждал в количества по две три порядъка по-малък). И разбира се, бактериите трябва да действат много бързо - да отделят необходимото количество продукт, да речем, за два дни. Такива индикатори вече не са в състояние на диви форми - тази система за „потници“изисква супермутанти, организми с десетки различни модификации на генома.
Промоционално видео:
По-близо до природата
Тук си струва да зададете въпрос: защо въобще да включваме биотехнологии - не може ли химическата промишленост да се справи с производството на същите аминокиселини? Справя. Химията може да направи много в наши дни, но биотехнологията има няколко основни предимства. Първо, те работят върху възобновяеми ресурси. Сега основно се използват суровини и съдържащи захар растения (пшеница, царевица, захарно цвекло). В бъдеще се смята, че целулозата (дърво, слама, кекс) ще се използва активно. Химическата промишленост работи предимно с изкопаеми въглеводороди.
Второ, биотехнологията се основава на ензимите на живите клетки, които работят при атмосферно налягане, нормална температура, в неагресивна водна среда. Химичният синтез се осъществява като правило под огромно налягане, високи температури, като се използват разяждащи, както и експлозивни и пожароопасни вещества.
Трето, съвременната химия се основава на използването на каталитични процеси, а металите по правило действат като катализатори. Металите не са възобновяема суровина и използването им е рисковано от екологична гледна точка. В биотехнологията функцията на катализаторите се изпълнява от самите клетки и, ако е необходимо, клетките са лесни за използване: те се разлагат във вода, въглероден диоксид и малко количество сяра.
И накрая, четвъртото предимство се крие в свойствата на получения продукт. Например, аминокиселините са стереоизомери, тоест молекулите имат две форми, които имат една и съща структура, но са пространствено организирани като огледални изображения една на друга. Тъй като L- и D-формите на аминокиселините пречупват светлината по различни начини, такива форми се наричат оптични.
Химия срещу биотехнологии.
От гледна точка на биологията има съществена разлика между формите: само L-формите са биологично активни, само L-формата се използва от клетката като строителен материал за протеин. При химичен синтез се получава смес от изомери, извличането на правилните форми от него е отделен производствен процес. Микроорганизмът като биологична структура произвежда вещества само в една оптична форма (в случая на аминокиселини, само в L-форма), което прави продукта идеална суровина за фармацевтични продукти.
Клетъчна битка
Така че проблемът с увеличаването на производителността за биотехнологичните индустрии с естествени щамове не може да бъде решен. Необходимо е да се използват техники за генно инженерство, за да променим действително начина на живот на клетката. Цялата сила, цялата й енергия и всичко, което тя консумира, трябва да бъдат насочени към слаб растеж и (главно) производство на големи количества от желания метаболит, било то аминокиселина, органични киселини или антибиотик.
Как се създават мутантни бактерии? В последно време изглеждаше така: те поеха див щам, след което извършиха мутагенеза (тоест лечение със специални вещества, които увеличават броя на мутациите). Третираните клетки се поставят и се получават хиляди отделни клонинги. И имаше десетки хора, които тестваха тези клонинги и търсеха онези мутации, които са най-ефективни като продуценти.
Бяха избрани най-обещаващите клонинги и последва следващата вълна на мутагенеза и отново разпръскване и отново селекция. Всъщност всичко това не се различаваше много от обичайната селекция, която отдавна се използва в животновъдството и растениевъдството, с изключение на използването на мутагенеза. Така от десетилетия учените са подбрали най-доброто от многото поколения мутантни микроорганизми.
Днес се използва различен подход. Всичко сега започва с анализа на метаболитните пътища и идентифицирането на основния път за превръщането на захарите в целевия продукт (и този път може да се състои от дузина междинни реакции). В действителност в клетката по правило има много странични пътища, когато първоначалната суровина преминава към някои метаболити, които изобщо не са необходими за производството. И първо, всички тези пътища трябва да бъдат отрязани, така че преобразуването да бъде насочено директно към целевия продукт. Как да го направя? Промяна на генома на микроорганизъм. За това се използват специални ензими и малки фрагменти от ДНК - "праймери". С помощта на така наречената полициклична реакция в епруветка, един ген може да бъде изваден от клетка, копиран в големи количества и променен.
Следващата задача е да върне гена в клетката. Вече промененият ген се вмъква във "вектори" - това са малки кръгли ДНК молекули. Те са в състояние да прехвърлят променения ген от епруветката обратно в клетката, където той замества предишния, местен ген. По този начин можете да въведете или мутация, която напълно нарушава функцията на ненужно производство на ген, или мутация, която променя функцията си.
В клетката има много сложна система, която предотвратява производството на прекомерно количество от какъвто и да е метаболит, същия лизин например. Произвежда се естествено в количество от около 100 mg / l. Ако има повече от него, тогава самият лизин започва да инхибира (забавя) началните реакции, водещи до неговото производство. Възниква отрицателна обратна връзка, която може да бъде елиминирана само чрез въвеждане на друга генна мутация в клетката.
Обаче изчистването на пътя на суровините до крайния продукт и премахването на задръжките, вградени в генома при прекомерното производство на необходимия метаболит, не са всичко. Тъй като, както вече беше споменато, образуването на желания продукт се извършва вътре в клетката определен брой етапи, на всеки от тях може да настъпи „ефект на тесното място“. Например, на един от етапите ензимът работи бързо и се произвежда много междинен продукт, а на следващия етап пропускателната способност спада и непотърсеният излишък на продукта заплашва жизнената активност на клетката. Това означава, че е необходимо да се засили работата на гена, който е отговорен за бавния етап.
Можете да подобрите работата на даден ген, като увеличите неговия брой копия - с други думи, като поставите не едно, а две, три или десет копия на гена в генома. Друг подход е "свързване" към ген силен "промотор", или част от ДНК, отговорна за експресията на определен ген. Но „отпечатването“на едно „тясно място“изобщо не означава, че няма да възникне на следващия етап. Освен това има много фактори, влияещи върху хода на всеки етап от получаването на продукт - необходимо е да се вземе предвид тяхното влияние и да се направят корекции в информацията за гените.
По този начин „конкуренцията“с клетката може да продължи много години. Отне около 40 години, за да се подобри биотехнологията на производството на лизин и през това време щамът беше „научен“да произвежда 200 g лизин на литър за 50 часа (за сравнение: преди четири десетилетия тази цифра беше 18 g / l). Но клетката продължава да се съпротивлява, защото такъв начин на живот на микроорганизма е изключително труден. Явно не иска да работи в производството. И следователно, ако качеството на клетъчните култури не се следи редовно, неизбежно ще възникнат мутации в тях, които намаляват производителността, които лесно ще бъдат взети чрез селекция. Всичко това подсказва, че биотехнологията не е такова нещо, което може да бъде разработено еднократно и тогава ще действа самостоятелно. И необходимостта от повишаване на икономическата ефективност и конкурентоспособността на биотехнологичните индустрии и предотвратяването на деградацията на създадените високоефективни щамове - всички изискват постоянна работа, включително фундаментални изследвания в областта на генните функции и клетъчните процеси.
Остава един въпрос: не са ли опасни за човека мутантни организми? Ами ако попаднат в околната среда от биореакторите? За щастие няма опасност. Тези клетки са недостатъчни, абсолютно не са адаптирани към живота в естествени условия и неизбежно ще умрат. Всичко в мутантната клетка се е променило толкова много, че може да расте само при изкуствени условия, в определена среда, с определен тип хранене. За тези живи същества няма връщане към дивото състояние.
Авторът е заместник-директор на Държавния изследователски институт по генетика, доктор на биологичните науки, проф. Александър Яненко.