Dessa levande varelser kommer aldrig att kunna leva i frihet. Deras genom har gjorts upprepade gånger för bara en uppgift - att arbeta outtröttligt för en person. Miljoner av dessa bioroboter producerar i enorma mängder vad de själva praktiskt taget inte behöver. De motstår, de skulle vilja leva annorlunda, men vem tillåter det?
Den inledande passagen är skriven i en dystopisk stil och är i själva verket en vardaglig verklighet. Dessa är mikroorganismer som är speciellt anpassade för att arbeta inom bioteknologisk produktion. I själva verket har mikroorganismer - bakterier och svampar - injicerat mänskligheten sedan urminnes tider, och innan Louis Pasteurs upptäckter insåg människor inte ens att de knådade jästdej, jäsade mjölk, gjorde vin eller öl och handlade om levande varelser.
På jakt efter supermakter
Men det var som det, intuitivt, med metoden för spontan selektion under årtusenden har människor lyckats välja högkvalitativa kulturer för vinframställning, osttillverkning, bakning från naturliga, "vilda" former av mikroorganismer. En annan sak är att redan i den nyaste eran har nya applikationer hittats för fungerande bakterier. Storskaliga bioteknikföretag har dykt upp för att till exempel producera viktiga kemikalier som aminosyror eller organiska syror.
Kärnan i bioteknologisk produktion är att mikroorganismer, absorberande råmaterial, som socker, frisätter en viss metabolit, en metabolisk produkt. Denna metabolit är slutprodukten. Det enda problemet är att det finns flera tusen metaboliter i cellen, och produktionen behöver en, men i mycket stora mängder - till exempel 100 g / l tre storleksordrar mindre). Och naturligtvis måste bakterier arbeta mycket snabbt - för att ge ut den erforderliga mängden produkt, säg, på två dagar. Sådana indikatorer kan inte längre få vilda former - detta "sweatshop" -system kräver supermutanter, organismer med dussintals olika genommodifieringar.
Kampanjvideo:
Närmare naturen
Här är det värt att ställa en fråga: varför involvera bioteknik alls - är inte den kemiska industrin i stånd att klara produktionen av samma aminosyror? Copes. Kemi kan göra mycket idag, men bioteknik har flera stora fördelar. För det första arbetar de med förnybara resurser. Nu används stärkelse och sockerinnehållande växter (vete, majs, sockerbetor) främst som råvaror. I framtiden tros det att cellulosa (trä, halm, kaka) kommer att användas aktivt. Den kemiska industrin arbetar främst med fossila kolväten.
För det andra är bioteknik baserad på enzymerna från levande celler som arbetar vid atmosfärstryck, normal temperatur, i icke-aggressiva vattenhaltiga medier. Kemisk syntes sker som regel under enormt tryck, höga temperaturer, med användning av kaustiska, såväl som explosiva och brandfarliga ämnen.
För det tredje är modern kemi baserad på användning av katalytiska processer, och metaller fungerar som regel som katalysatorer. Metaller är inte ett förnybart råmaterial och deras användning är riskabelt ur miljösynpunkt. Inom bioteknik utförs katalysatorernas funktion av cellerna själva, och vid behov är cellerna lätta att använda: de sönderdelas i vatten, koldioxid och en liten mängd svavel.
Slutligen ligger den fjärde fördelen i egenskaperna hos den resulterande produkten. Till exempel är aminosyror stereoisomerer, det vill säga molekyler har två former som har samma struktur, men är rumsligt organiserade som spegelbilder av varandra. Eftersom L- och D-formerna av aminosyror bryter ljus på olika sätt kallas sådana former optiska.
Kemi kontra bioteknik.
Ur biologisk synvinkel finns det en betydande skillnad mellan formerna: endast L-formerna är biologiskt aktiva, endast L-formen används av cellen som ett byggnadsmaterial för protein. Vid kemisk syntes erhålls en blandning av isomerer; extraktionen av korrekta former från den är en separat produktionsprocess. Mikroorganism, som biologisk struktur, producerar ämnen med endast en optisk form (för aminosyror, endast i L-form), vilket gör produkten till ett idealiskt råmaterial för läkemedel.
Burstrid
Så problemet med att öka produktiviteten för biotekniska industrier med naturliga stammar kan inte lösas. Det är nödvändigt att använda genteknik för att faktiskt förändra cellens livsstil. All hennes styrka, all hennes energi och allt hon förbrukar bör riktas mot en liten tillväxt och (främst) produktion i stora mängder av den önskade metaboliten, vare sig det är en aminosyra, organiska syror eller ett antibiotikum.
Hur skapas mutanta bakterier? På senare tid såg det ut så här: de tog en vild stam och genomförde sedan mutagenes (det vill säga behandling med speciella ämnen som ökar antalet mutationer). De behandlade cellerna pläterades och tusentals individuella kloner erhölls. Och det var dussintals människor som testade dessa kloner och letade efter de mutationer som är mest effektiva som producenter.
De mest lovande klonerna valdes, och nästa våg av mutagenes följde, och igen spridning, och igen selektion. I själva verket skilde sig allt detta inte mycket från det vanliga urvalet, som länge har använts inom djuruppfödning och grödproduktion, förutom för användning av mutagenes. Så i årtionden har forskare valt det bästa av de många generationerna av mutanta mikroorganismer.
En annan metod används idag. Allt börjar nu med analys av metabola vägar och identifiering av huvudvägen för omvandling av socker till målprodukten (och denna väg kan bestå av ett dussin mellanliggande reaktioner). I cellen finns det faktiskt många sidovägar, när det initiala råmaterialet går till vissa metaboliter som inte alls är nödvändiga för produktion. Och först måste alla dessa vägar stängas av så att konverteringen riktas direkt till målprodukten. Hur man gör det? Ändra genomet av en mikroorganism. För detta används speciella enzymer och små fragment av DNA - "primers". Med hjälp av den så kallade polycykliska reaktionen i ett provrör kan en enda gen dras ut ur en cell, kopieras i stora mängder och ändras.
Nästa uppgift är att returnera genen till cellen. Den redan förändrade genen sätts in i "vektorer" - det är små cirkulära DNA-molekyler. De kan överföra den förändrade genen från provröret tillbaka in i cellen, där den ersätter den tidigare nativa genen. Således kan du antingen införa en mutation som fullständigt stör funktionen av en onödig genproduktion, eller en mutation som ändrar dess funktion.
I cellen finns ett mycket komplext system som förhindrar produktion av en överdriven mängd av någon metabolit, till exempel samma lysin. Det produceras naturligt i en mängd av cirka 100 mg / l. Om det finns mer av det, börjar lysin själv att hämma (bromsa) de initiala reaktionerna som leder till dess produktion. En negativ återkoppling uppstår, som endast kan elimineras genom att införa en annan genmutation i cellen.
Att rensa råmaterials väg till slutprodukten och ta bort de hämningar som är inbyggda i genomet på överdriven produktion av den erforderliga metaboliten är emellertid inte allt. Eftersom, som redan nämnts, bildandet av den önskade produkten äger rum i cellen ett visst antal steg, vid var och en av dem kan en "flaskhalseffekt" uppstå. Till exempel, i ett av stegen, fungerar enzymet snabbt och mycket mellanprodukt produceras, men i nästa steg sjunker genomströmningen och ett okrävat överskott av produkten hotar cellens vitala aktivitet. Detta innebär att det är nödvändigt att stärka arbetet med genen som ansvarar för det långsamma skedet.
Du kan förbättra arbetet med en gen genom att öka dess antalet kopior - med andra ord genom att inte infoga en, utan två, tre eller tio kopior av genen i genomet. Ett annat tillvägagångssätt är att "koppla" till en gen en stark "promotor", eller en del av DNA som är ansvarig för expressionen av en viss gen. Men”tätning” av en”flaskhals” betyder inte alls att den inte kommer att uppstå i nästa steg. Dessutom finns det många faktorer som påverkar förloppet för varje steg för att få en produkt - det är nödvändigt att ta hänsyn till deras inflytande och göra justeringar av geninformationen.
Således kan "tävlingen" med buren pågå i många år. Det tog ungefär 40 år att förbättra biotekniken för lysinproduktion, och under denna tid "stammades" stammen att producera 200 g lysin per liter på 50 timmar (för jämförelse: för fyra decennier sedan var denna siffra 18 g / l). Men cellen fortsätter att motstå, eftersom ett sådant livssätt för mikroorganismen är extremt svårt. Hon vill helt klart inte arbeta i produktion. Och därför, om kvaliteten på cellkulturer inte regelbundet övervakas, kommer mutationer oundvikligen att uppstå hos dem som minskar produktiviteten, som lätt kommer att tas upp genom val. Allt detta antyder att bioteknik inte är en sådan sak som kan utvecklas en gång, och sedan kommer den att agera på egen hand. Och behovet av att förbättra den ekonomiska effektiviteten och konkurrenskraften för bioteknologiska industrier och förebyggandet av nedbrytning av de skapade högprestationsstammarna - allt kräver ständigt arbete, inklusive grundläggande forskning inom genfunktioner och cellprocesser.
En fråga återstår: är inte mutanta organismer farliga för människor? Tänk om de hamnar i miljön från bioreaktorer? Lyckligtvis finns det ingen fara. Dessa celler är felaktiga, de är absolut inte anpassade till livet under naturliga förhållanden och kommer oundvikligen att dö. Allt i den mutanta cellen har förändrats så mycket att den bara kan växa under konstgjorda förhållanden, i en viss miljö, med en viss typ av näring. Det finns ingen väg tillbaka till den vilda staten för dessa levande varelser.
Författaren är biträdande direktör för Statens forskningsinstitut för genetik, doktor i biologiska vetenskaper, professor Alexander Yanenko.