Nämä elävät olennot eivät koskaan pysty elämään vapaudessa. Heidän genomiaan on toistuvasti piirretty vain yhden tehtävän vuoksi - työskennellä väsymättä ihmisille. Miljoonat näistä bioroboteista tuottavat valtavia määriä sitä, mitä he itse eivät käytännössä tarvitse. He vastustavat, haluaisivat elää eri tavalla, mutta kuka sallii sen?
Dystopian tyyliin kirjoitettu johdantokappale on itse asiassa arjen todellisuus. Nämä ovat mikro-organismeja, jotka on erityisesti mukautettu toimimaan bioteknologisessa tuotannossa. Itse asiassa mikro-organismit - bakteerit ja sienet - ovat injektoineet ihmiskuntaa muinaisista ajoista lähtien, ja ennen Louis Pasteurin löytöjä ihmiset eivät edes tajunneet, että he vaivasivat hiiva taikinaa, fermentoivat maitoa, tekivät viiniä tai olutta, ja olivat tekemisissä elävien olentojen työn kanssa.
Etsitään suurvaltoja
Mutta voi olla niin, että intuitiivisesti, vuosituhansien ajan spontaanin valintamenetelmän avulla ihmiset ovat onnistuneet valitsemaan korkealaatuiset viljelmät viininvalmistukseen, juuston valmistukseen, leipomiseen luonnollisista, "villistä" mikro-organismimuodoista. Toinen asia on, että jo uusimmalla aikakaudella on löydetty uusia sovelluksia työskenteleville bakteereille. Suuret bioteknologiayritykset ovat ryhtyneet tuottamaan esimerkiksi tärkeitä kemikaaleja, kuten aminohappoja tai orgaanisia happoja.
Bioteknisen tuotannon ydin on, että mikro-organismit, jotka imevät raaka-aineita, kuten sokeria, vapauttavat tietyn metaboliitin, aineenvaihduntatuotteen. Tämä metaboliitti on lopputuote. Ainoa ongelma on, että solussa on useita tuhansia metaboliitteja, ja tuotanto tarvitsee yhden, mutta erittäin suurina määrinä - esimerkiksi 100 g / l (huolimatta siitä, että luonnollisissa olosuhteissa metaboliittia tuotettaisiin kahden kolme suuruusluokkaa pienempi). Ja tietenkin, bakteerien on toimittava erittäin nopeasti - antaakseen tarvittavan määrän tuotetta, esimerkiksi kahden päivän kuluessa. Tällaiset indikaattorit eivät enää kykene villimuotoihin - tämä "sweatshop" -järjestelmä vaatii supermutantteja, organismeja, joissa on kymmeniä erilaisia genomimuutoksia.
Mainosvideo:
Lähempänä luontoa
Tässä on syytä kysyä: miksi bioteknologia otetaan lainkaan käyttöön - eikö kemianteollisuus kykene selviämään samojen aminohappojen tuotannosta? Copes. Kemia voi tehdä paljon nykyään, mutta biotekniikalla on useita suuria etuja. Ensinnäkin ne toimivat uusiutuvilla luonnonvaroilla. Nyt tärkkelystä ja sokeria sisältäviä kasveja (vehnä, maissi, sokerijuurikkaat) käytetään pääasiassa raaka-aineina. Tulevaisuudessa uskotaan, että selluloosaa (puuta, olkea, kakkua) käytetään aktiivisesti. Kemianteollisuus toimii pääasiassa fossiilisten hiilivetyjen kanssa.
Toiseksi, bioteknologia perustuu elävien solujen entsyymeihin, jotka toimivat ilmanpaineessa, normaalissa lämpötilassa, ei-aggressiivisissa vesipitoisissa väliaineissa. Kemiallinen synteesi tapahtuu pääsääntöisesti valtavassa paineessa, korkeissa lämpötiloissa, käyttämällä syövyttäviä, räjähtäviä ja palovaarallisia aineita.
Kolmanneksi, nykyaikainen kemia perustuu katalyyttisten prosessien käyttöön ja metallit toimivat pääsääntöisesti katalysaattoreina. Metallit eivät ole uusiutuvaa raaka-ainetta, ja niiden käyttö on ympäristölle vaarallista. Bioteknologiassa katalysaattorien toiminnan suorittavat solut itse, ja tarvittaessa soluja on helppo käyttää: ne hajoavat veteen, hiilidioksidiin ja pieneen määrään rikkiä.
Lopuksi, neljäs etu on tuloksena olevan tuotteen ominaisuuksissa. Esimerkiksi, aminohapot ovat stereoisomeerejä, ts. Molekyyleillä on kaksi muotoa, joilla on sama rakenne, mutta jotka ovat tilallisesti järjestettyjä toistensa peilikuvina. Koska aminohappojen L- ja D-muodot taittavat valon eri tavoin, näitä muotoja kutsutaan optisiksi.
Kemia vs. biotekniikka.
Biologian kannalta muotojen välillä on merkittävä ero: vain L-muodot ovat biologisesti aktiivisia, solu käyttää vain L-muotoa proteiinin rakennusmateriaalina. Kemiallisessa synteesissä saadaan isomeerien seos, oikeiden muotojen uutto siitä on erillinen tuotantoprosessi. Mikro-organismi tuottaa biologisena rakenteena vain yhden optisen muodon aineita (aminohappojen tapauksessa vain L-muodossa), mikä tekee tuotteesta ihanteellisen raaka-aineen lääkkeille.
Häkkitaistelu
Joten bioteknologisen teollisuuden tuottavuuden lisäämisen ongelmaa, jolla on luonnollisia kantoja, ei voida ratkaista. Geenitekniikan tekniikoiden käyttäminen on tarpeen solun elämäntavan muuttamiseksi. Koko hänen voimansa, kaiken energiansa ja kaiken kuluttamansa tulisi suunnata vähäiseen kasvuun ja (pääasiassa) suurten määrien halutun metaboliitin tuotantoon, olipa se sitten aminohappo, orgaaniset hapot tai antibiootti.
Kuinka mutanttibakteerit luodaan? Viime aikoina se näytti tältä: he ottivat villikannan ja suorittivat sitten mutageneesin (ts. Hoidon erityisillä aineilla, jotka lisäävät mutaatioiden lukumäärää). Käsitellyt solut maljattiin ja saatiin tuhansia yksittäisiä klooneja. Ja siellä oli kymmeniä ihmisiä, jotka testasivat näitä klooneja ja etsivät niitä mutaatioita, jotka ovat tehokkaimpia tuottajina.
Lupaavimmat kloonit valittiin, ja seuraava mutageneesin aalto seurasi, ja jälleen leviäminen, ja jälleen valinta. Itse asiassa kaikki tämä ei eroa paljon tavanomaisesta valinnasta, jota on jo pitkään käytetty kotieläintaloudessa ja kasvinviljelyssä, paitsi mutageneesin käytön. Joten tutkijat ovat vuosikymmenien ajan valinneet parhaan monista mutanttisten mikro-organismien sukupolvista.
Nykyään käytetään erilaista lähestymistapaa. Kaikki alkaa nyt aineenvaihduntareittien analysoinnista ja pääreittien tunnistamisesta sokerien muuttamiseksi kohdetuotteeksi (ja tämä reitti voi koostua kymmenestä välireaktiosta). Itse asiassa solussa on yleensä pääsivuja, kun lähtöraaka-aine menee joihinkin metaboliiteihin, joita ei lainkaan tarvita tuotantoon. Ja ensin, kaikki nämä polut on leikattava pois, jotta muuntaminen suunnataan suoraan kohdetuotteeseen. Kuinka tehdä se? Vaihda mikro-organismin genomi. Tätä varten käytetään erityisiä entsyymejä ja pieniä DNA-fragmentteja - "alukkeita". Koeputkessa olevan ns. Polysyklisen reaktion avulla yksittäinen geeni voidaan vetää pois solusta, kopioida suurina määrinä ja muuttaa.
Seuraava tehtävä on palauttaa geeni soluun. Jo muutettu geeni insertoidaan "vektoreihin" - nämä ovat pieniä pyöreitä DNA-molekyylejä. He kykenevät siirtämään muuttuneen geenin koeputkesta takaisin soluun, missä se korvaa edellisen, luontaisen geenin. Voit siis esitellä joko mutaation, joka kokonaan häiritsee tarpeettoman geenituoton toimintaa, tai mutaation, joka muuttaa sen toimintaa.
Solussa on erittäin monimutkainen järjestelmä, joka estää ylimääräisen määrän minkä tahansa metaboliitin, esimerkiksi saman lysiinin, tuottamisen. Sitä tuotetaan luonnollisesti määränä noin 100 mg / l. Jos sitä on enemmän, lysiini alkaa itse estää (hidastaa) sen tuotantoon johtavia alkureaktioita. Negatiivinen palaute syntyy, joka voidaan eliminoida vain tuomalla toinen geenimutaatio soluun.
Raaka-aineiden polun tyhjentäminen lopputuotteeseen ja genomiin sisäänrakennettujen inhibitioiden poistaminen vaaditun metaboliitin liiallisesta tuotannosta eivät kuitenkaan ole kaikki. Koska, kuten jo mainittiin, halutun tuotteen muodostuminen tapahtuu solun sisällä tietty määrä vaiheita, jokaisessa niistä voi tapahtua "pullonkaulavaikutus". Esimerkiksi yhdessä vaiheessa entsyymi toimii nopeasti ja syntyy paljon välituotetta, mutta seuraavassa vaiheessa läpäisykyky laskee ja tuotteen vaatimaton ylimäärä uhkaa solun elintärkeää aktiivisuutta. Tämä tarkoittaa, että on tarpeen vahvistaa hitaasta vaiheesta vastuussa olevan geenin työtä.
Voit tehostaa geenin työtä lisäämällä sen kopionumeroa - toisin sanoen, lisäämällä geeniin yhden, mutta kaksi, kolme tai kymmenen kopiota. Toinen lähestymistapa on "linkittää" geeniin vahva "promoottori" tai DNA-osa, joka vastaa tietyn geenin ilmentymisestä. Yhden pullonkaulan purkaminen ei kuitenkaan tarkoita ollenkaan sitä, että sitä ei syntyisi seuraavassa vaiheessa. Lisäksi tuotteen hankkimisvaiheen kulkuun vaikuttaa paljon tekijöitä - on tarpeen ottaa huomioon niiden vaikutus ja tehdä muutoksia geenitietoihin.
Niinpä "kilpailu" häkillä voi kestää useita vuosia. Lysiinintuotannon bioteknologian parantaminen kesti noin 40 vuotta, ja tänä aikana kanta "opetettiin" tuottamaan 200 g lysiiniä litraa kohti 50 tunnissa (vertailua varten: neljä vuosikymmentä sitten tämä luku oli 18 g / l). Mutta solu vastustaa edelleen, koska mikro-organismin tällainen elämäntapa on erittäin vaikea. Hän ei selvästikään halua työskennellä tuotannossa. Ja siksi, jos soluviljelmien laatua ei tarkkailla säännöllisesti, niihin syntyy väistämättä mutaatioita, jotka vähentävät tuottavuutta, joka otetaan helposti vastaan selektion avulla. Kaikki tämä viittaa siihen, että bioteknologia ei ole sellainen asia, jota voidaan kehittää kerran, ja sitten se toimii yksinään. Ja tarve lisätä bioteknologisen teollisuuden taloudellista tehokkuutta ja kilpailukykyä sekä syntyvien korkean suorituskyvyn kantojen pilaantumisen estäminen - vaativat jatkuvaa työtä, mukaan lukien perustutkimus geenitoimintojen ja soluprosessien alalla.
Yksi kysymys on edelleen: eikö mutanttiset organismit ole vaarallisia ihmisille? Entä jos ne päätyvät ympäristöön bioreaktorien kautta? Onneksi vaaraa ei ole. Nämä solut ovat puutteellisia, niitä ei ehdottomasti ole sopeutettu elämään luonnollisissa olosuhteissa ja ne väistämättä kuolevat. Kaikki mutanttisolussa on muuttunut niin paljon, että se voi kasvaa vain keinotekoisissa olosuhteissa, tietyssä ympäristössä, tietyntyyppisellä ravinnolla. Näille eläville olennoille ei ole paluuta villiin tilaan.
Kirjoittaja on valtion genetiikan tutkimuslaitoksen varajohtaja, biologisten tieteiden tohtori, professori Alexander Yanenko.