Need elusolendid ei saa kunagi vabaduses elada. Nende genoomi on mitu korda ümber kujundatud ainult ühe ülesande jaoks - et see töötaks inimese nimel väsimatult. Miljonid neist biorobotitest toodavad tohututes kogustes seda, mida nad ise praktiliselt ei vaja. Nad peavad vastu, nad tahaksid elada teisiti, kuid kes seda lubab?
Düstoopilises stiilis kirjutatud sissejuhatav osa on tegelikult igapäevane reaalsus. Need on mikroorganismid, mis on spetsiaalselt kohandatud töötama biotehnoloogilises tootmises. Üldiselt on mikroorganismid - bakterid ja seened - süstinud inimkonda juba ammusest ajast ja enne Louis Pasteuri avastusi ei saanud inimesed isegi aru, et pärmitaignast sõtkudes, piima kääritades, veini või õlut tehes tegelevad nad elusolendite tööga.
Suurriikide otsimisel
Kuid olgu öeldud, et intuitiivselt, aastatuhandete vältel toimunud spontaanse valiku meetodil, on inimestel õnnestunud mikroorganismide looduslike, looduslike vormide hulgast valida kvaliteetsed taimed veinivalmistamiseks, juustu valmistamiseks ja küpsetamiseks. Teine asi on see, et juba uuel ajastul on töötavatele bakteritele leitud uusi rakendusi. Suuremahulised biotehnoloogiaettevõtted on asunud tootma näiteks selliseid olulisi kemikaale nagu aminohapped või orgaanilised happed.
Biotehnoloogilise tootmise põhiolemus on see, et mikroorganismid, absorbeerides toorainet, näiteks suhkrut, vabastavad teatud metaboliidi, ainevahetusprodukti. See metaboliit on lõppsaadus. Ainus probleem on see, et rakus on mitu tuhat metaboliiti ja tootmine vajab ühte, kuid väga suurtes kogustes - näiteks 100 g / l (hoolimata asjaolust, et looduslikes tingimustes toodetakse metaboliiti koguses kahega kolm suurusjärku väiksem). Ja muidugi peavad bakterid töötama väga kiiresti - vajaliku koguse toodet, näiteks kahe päeva jooksul, välja andma. Sellised näitajad ei ole enam looduslike vormide jaoks võimelised - see "sweatshop" süsteem nõuab supermutante, kümneid erinevaid genoomi modifikatsioone omavaid organisme.
Reklaamvideo:
Loodusele lähemal
Siinkohal tasub esitada küsimus: miks üldse kaasata biotehnoloogiat - kas keemiatööstus ei suuda samade aminohapete tootmisega hakkama saada? Copes. Keemia saab tänapäeval palju ära teha, kuid biotehnoloogial on mitmeid suuri eeliseid. Esiteks töötavad nad taastuvate ressurssidega. Nüüd kasutatakse toorainena peamiselt tärklist ja suhkrut sisaldavaid taimi (nisu, mais, suhkrupeet). Tulevikus arvatakse, et tselluloosi (puit, õled, kook) kasutatakse aktiivselt. Keemiatööstus töötab peamiselt fossiilsete süsivesinikega.
Teiseks põhineb biotehnoloogia elusrakkude ensüümidel, mis töötavad atmosfäärirõhul, normaalsel temperatuuril, mitteagressiivsetes vesikeskkondades. Keemiline süntees toimub reeglina tohutu rõhu all, kõrgetel temperatuuridel, kasutades söövitavaid, samuti plahvatusohtlikke ja tuleohtlikke aineid.
Kolmandaks, kaasaegne keemia põhineb katalüütiliste protsesside kasutamisel ja metallid toimivad reeglina katalüsaatoritena. Metallid ei ole taastuv tooraine ja nende kasutamine on keskkonna seisukohast ohtlik. Biotehnoloogias täidavad katalüsaatorite funktsiooni rakud ise ja vajadusel on neid hõlpsalt kasutatav: nad lagunevad vette, süsinikdioksiidiks ja väheses koguses väävlit.
Neljandaks eeliseks on saadud toote omadused. Näiteks on aminohapped stereoisomeerid, see tähendab, et molekulidel on kaks vormi, millel on sama struktuur, kuid mis on ruumiliselt korraldatud üksteise peegelpiltidena. Kuna aminohapete L- ja D-vormid peegeldavad valgust erineval viisil, nimetatakse neid vorme optilisteks.
Keemia versus biotehnoloogia.
Bioloogia seisukohast on vormide vahel oluline erinevus: bioloogiliselt aktiivsed on ainult L-vormid, rakk kasutab valku ehitusmaterjalina ainult L-vormi. Keemilises sünteesis saadakse isomeeride segu, õigete vormide ekstraheerimine sellest on eraldi tootmisprotsess. Mikroorganism tekitab bioloogilise struktuurina ainult ühe optilise vormi aineid (aminohapete puhul ainult L-kujul), mis teeb toote ideaalseks tooraineks farmaatsiatoodetes.
Puurilahing
Seega ei saa looduslike tüvedega biotehnoloogiatööstuse tootlikkuse suurendamise probleemi lahendada. Rakkude elustiili tegelikuks muutmiseks on vaja kasutada geenitehnoloogia tehnikaid. Kogu tema jõud, kogu energia ja kõik, mida ta tarbib, peaks olema suunatud nõrgale kasvule ja (peamiselt) soovitud metaboliidi suures koguses tootmisele, olgu see siis aminohape, orgaanilised happed või antibiootikum.
Kuidas mutantsed bakterid tekivad? Viimasel ajal nägi see välja selline: nad võtsid metsiku tüve ja viisid seejärel läbi mutageneesi (see tähendab töötlemist spetsiaalsete ainetega, mis suurendavad mutatsioonide arvu). Töödeldud rakud plaaditi ja saadi tuhandeid individuaalseid kloone. Ja seal oli kümneid inimesi, kes testisid neid kloone ja otsisid neid mutatsioone, mis on tootjatena kõige tõhusamad.
Valiti kõige lootustandvamad kloonid ja järgnes järgmine mutageneesi laine ning jälle hajutamine ja uuesti selektsioon. Tegelikult ei erinenud kõik palju tavapärasest valikust, mida on loomakasvatuses ja taimekasvatuses juba ammu kasutatud, välja arvatud mutageneesi kasutamine. Nii on teadlased aastakümnete jooksul valinud mutantsete mikroorganismide paljude põlvkondade seast parima.
Tänapäeval kasutatakse teistsugust lähenemist. Kõik algab nüüd ainevahetusradade analüüsist ja suhkru sihtproduktiks muundamise peamise tee kindlakstegemisest (ja see tee võib koosneda pool tosinast vahereaktsioonist). Rakus on reeglina palju kõrvalteid, kui algne tooraine läheb mingitele metaboliitidele, mis pole tootmiseks üldse vajalikud. Ja kõigepealt tuleb kõik need teed ära lõigata, et muundamine oleks suunatud otse sihttootele. Kuidas seda teha? Muutke mikroorganismi genoomi. Selleks kasutatakse spetsiaalseid ensüüme ja väikseid DNA fragmente - “praimereid”. Katseklaasis niinimetatud polütsüklilise reaktsiooni abil saab ühe geeni rakust välja tõmmata, suures koguses kopeerida ja muuta.
Järgmine ülesanne on geen rakku tagasi viia. Juba muutunud geen sisestatakse "vektoritesse" - need on väikesed ümmargused DNA molekulid. Nad suudavad muundatud geeni katseklaasist tagasi rakku viia, kus see asendab eelmist looduslikku geeni. Seega võite sisse viia kas mutatsiooni, mis täielikult häirib tarbetu geenitootmise funktsiooni, või mutatsiooni, mis muudab selle funktsiooni.
Rakus on väga keeruline süsteem, mis takistab mis tahes metaboliidi, näiteks sama lüsiini, ülemäärase koguse tootmist. Seda toodetakse looduslikult koguses umbes 100 mg / l. Kui seda on rohkem, siis hakkab lüsiin ise pärssima (aeglustama) selle tekkeni viivaid algreaktsioone. Tekib negatiivne tagasiside, mida saab kõrvaldada ainult teise geenimutatsiooni sisestamisega rakku.
Toorainete tee lõpptootesse puhastamine ja genoomi sisseehitatud inhibitsioonide eemaldamine vajaliku metaboliidi liigsel tootmisel ei ole siiski kõik. Kuna, nagu juba mainitud, toimub soovitud produkti moodustumine raku sees teatud arv etappe, võib igal neist esineda "kitsaskoha efekt". Näiteks ühes etapis toimib ensüüm kiiresti ja toodetakse palju vaheprodukti, kuid järgmises etapis läbilaskvus langeb ja toote väljanõudmata liig ohustab raku elutähtsat aktiivsust. See tähendab, et aeglase staadiumi eest vastutava geeni tööd on vaja tugevdada.
Geeni tööd saab parendada, suurendades selle koopiate arvu - teisisõnu sisestades genoomi mitte ühe, vaid kaks, kolm või kümme geeni koopiat. Teine lähenemisviis on "siduda" geeniga tugev "promootor" või DNA sektsioon, mis vastutab konkreetse geeni ekspressiooni eest. Kuid ühe „kitsaskoha” lahtiühendamine ei tähenda sugugi, et seda järgmises etapis ei teki. Lisaks sellele on toote saamise igas etapis palju tegureid, mis mõjutavad - tuleb arvestada nende mõjuga ja kohandada geeniteavet.
Seega võib "võistlus" puuriga kesta aastaid. Lüsiini tootmise biotehnoloogia täiustamiseks kulus umbes 40 aastat ja selle aja jooksul õpetati tüve tootma 50 tunniga 200 g lüsiini liitri kohta (võrdluseks: neli aastakümmet tagasi oli see arv 18 g / l). Kuid rakk peab endiselt vastu, sest mikroorganismi selline eluviis on äärmiselt keeruline. Ta ei taha ilmselgelt tootmises töötada. Ja seetõttu, kui rakukultuuride kvaliteeti ei kontrollita regulaarselt, tekivad nendes paratamatult mutatsioonid, mis vähendavad produktiivsust, mille valimine hõlbustab. Kõik see viitab sellele, et biotehnoloogia pole selline asi, mida saaks ühe korra välja töötada, ja siis tegutseb ta omaette. Ja vajadus suurendada biotehnoloogiatööstuse majanduslikku tõhusust ja konkurentsivõimet ning loodud suure jõudlusega tüvede lagunemise vältimine - kõik nõuavad pidevat tööd, sealhulgas põhjalikke uuringuid geenifunktsioonide ja rakuliste protsesside valdkonnas.
Jääb üks küsimus: kas mutantsed organismid pole inimestele ohtlikud? Mis saab siis, kui nad satuvad keskkonda bioreaktorite kaudu? Õnneks ohtu pole. Need rakud on puudulikud, nad pole absoluutselt kohanenud looduslikes tingimustes elamiseks ja surevad paratamatult. Kõik mutantses rakus on muutunud nii palju, et see võib kasvada ainult kunstlikes tingimustes, teatud keskkonnas, teatud tüüpi toitumisega. Nende elusolendite jaoks pole metsikute olekute juurde tagasiteed.
Autor on Riikliku Geneetika Uurimisinstituudi direktori asetäitja, bioloogiateaduste doktor, professor Aleksander Janenko.
