Deze levende wezens zullen nooit in vrijheid kunnen leven. Hun genoom is herhaaldelijk opnieuw getekend met het oog op slechts één taak: onvermoeibaar werken voor een persoon. Miljoenen van deze biorobots produceren in enorme hoeveelheden wat ze zelf praktisch niet nodig hebben. Ze verzetten zich, ze zouden graag anders willen leven, maar wie zal het toelaten?
De inleidende passage, geschreven in een dystopische stijl, is in feite een dagelijkse realiteit. Dit zijn micro-organismen die speciaal zijn aangepast om te werken bij biotechnologische productie. Over het algemeen hebben micro-organismen - bacteriën en schimmels - de mensheid sinds onheuglijke tijden geïnjecteerd, en vóór de ontdekkingen van Louis Pasteur realiseerden de mensen zich niet eens dat ze bij het kneden van gistdeeg, het fermenteren van melk, het maken van wijn of bier, te maken hadden met het werk van levende wezens.
Op zoek naar superkrachten
Maar hoe het ook zij, intuïtief, door de methode van spontane selectie in de loop van de millennia, zijn mensen erin geslaagd om hoogwaardige culturen te selecteren voor het maken van wijn, kaas maken, bakken uit natuurlijke, "wilde" vormen van micro-organismen. Een ander ding is dat er al in het nieuwste tijdperk nieuwe toepassingen zijn gevonden voor werkende bacteriën. Grootschalige biotechnologiebedrijven zijn ontstaan om bijvoorbeeld belangrijke chemische producten te produceren, zoals aminozuren of organische zuren.
De essentie van biotechnologische productie is dat micro-organismen die grondstoffen opnemen, zoals suiker, een bepaalde metaboliet, een metabolisch product, afgeven. Deze metaboliet is het eindproduct. Het enige probleem is dat er enkele duizenden metabolieten in de cel aanwezig zijn, en de productie heeft er één nodig, maar in zeer grote hoeveelheden - bijvoorbeeld 100 g / l (ondanks het feit dat de metaboliet onder natuurlijke omstandigheden in hoeveelheden per twee zou worden geproduceerd drie ordes van grootte kleiner). En natuurlijk moeten bacteriën heel snel werken - om bijvoorbeeld in twee dagen de benodigde hoeveelheid product af te geven. Dergelijke indicatoren zijn niet langer in staat tot wilde vormen - dit "sweatshop" -systeem vereist supermutanten, organismen met tientallen verschillende genoommodificaties.
Promotie video:
Dichter bij de natuur
Hier is het de moeite waard om een vraag te stellen: waarom zou biotechnologie überhaupt betrokken zijn - kan de chemische industrie niet omgaan met de productie van dezelfde aminozuren? Copes. Chemie kan tegenwoordig veel, maar biotechnologie heeft een aantal grote voordelen. Ten eerste werken ze op hernieuwbare bronnen. Nu worden vooral zetmeel en suikerhoudende planten (tarwe, maïs, suikerbieten) als grondstof gebruikt. In de toekomst wordt aangenomen dat cellulose (hout, stro, cake) actief zal worden gebruikt. De chemische industrie werkt voornamelijk met fossiele koolwaterstoffen.
Ten tweede is biotechnologie gebaseerd op de enzymen van levende cellen die werken bij atmosferische druk, normale temperatuur, in niet-agressieve waterige media. Chemische synthese vindt in de regel plaats onder enorme druk, hoge temperaturen, met bijtende, explosieve en brandgevaarlijke stoffen.
Ten derde is de moderne chemie gebaseerd op het gebruik van katalytische processen, en metalen fungeren in de regel als katalysatoren. Metalen zijn geen hernieuwbare grondstof, en het gebruik ervan is vanuit milieuoogpunt riskant. In de biotechnologie wordt de functie van katalysatoren door de cellen zelf vervuld en, indien nodig, zijn cellen gemakkelijk te verwijderen: ze vallen uiteen in water, koolstofdioxide en een kleine hoeveelheid zwavel.
Ten slotte ligt het vierde voordeel in de eigenschappen van het resulterende product. Aminozuren zijn bijvoorbeeld stereo-isomeren, dat wil zeggen dat moleculen twee vormen hebben die dezelfde structuur hebben, maar ruimtelijk georganiseerd zijn als spiegelbeelden van elkaar. Omdat de L- en D-vormen van aminozuren licht op verschillende manieren breken, worden dergelijke vormen optisch genoemd.
Chemie versus biotechnologie.
Biologisch gezien is er een significant verschil tussen de vormen: alleen de L-vormen zijn biologisch actief, alleen de L-vorm wordt door de cel gebruikt als bouwmateriaal voor proteïne. Bij chemische synthese wordt een mengsel van isomeren verkregen; de extractie van de juiste vormen daaruit is een apart productieproces. Het micro-organisme produceert als biologische structuur stoffen van slechts één optische vorm (in het geval van aminozuren alleen in de L-vorm), waardoor het product een ideale grondstof is voor geneesmiddelen.
Kooi gevecht
Het probleem van het verhogen van de productiviteit voor biotechnologische industrieën met natuurlijke stammen kan dus niet worden opgelost. Het is noodzakelijk om genetische manipulatietechnieken te gebruiken om de levensstijl van de cel daadwerkelijk te veranderen. Al haar kracht, al haar energie en alles wat ze verbruikt, moet gericht zijn op magere groei en (voornamelijk) de productie van grote hoeveelheden van de gewenste metaboliet, of het nu een aminozuur, organische zuren of een antibioticum is.
Hoe worden mutante bacteriën gemaakt? De laatste tijd zag het er zo uit: ze namen een wilde stam en voerden vervolgens mutagenese uit (dat wil zeggen, behandeling met speciale stoffen die het aantal mutaties verhogen). De behandelde cellen werden uitgeplaat en duizenden individuele klonen werden verkregen. En er waren tientallen mensen die deze klonen testten en zochten naar die mutaties die het meest effectief zijn als producenten.
De meest veelbelovende klonen werden geselecteerd en de volgende golf van mutagenese volgde, en opnieuw verspreiding en opnieuw selectie. Dit alles was in feite niet veel anders dan de gebruikelijke selectie, die al lang wordt gebruikt in de veeteelt en gewasproductie, met uitzondering van het gebruik van mutagenese. Daarom hebben wetenschappers decennia lang de beste van de vele generaties gemuteerde micro-organismen geselecteerd.
Tegenwoordig wordt een andere benadering gehanteerd. Alles begint nu met de analyse van metabole routes en de identificatie van de belangrijkste route voor de omzetting van suikers in het doelproduct (en dit pad kan bestaan uit een tiental tussenreacties). In de cel zijn er in de regel inderdaad veel zijpaden, wanneer de oorspronkelijke grondstof naar sommige metabolieten gaat die helemaal niet nodig zijn voor de productie. En eerst moeten al deze paden worden afgesneden, zodat de conversie rechtstreeks naar het doelproduct wordt geleid. Hoe je dat doet? Verander het genoom van een micro-organisme. Hiervoor worden speciale enzymen en kleine fragmenten van DNA - "primers" gebruikt. Met behulp van de zogenaamde polycyclische reactie in een reageerbuis kan een enkel gen uit een cel worden getrokken, in grote hoeveelheden worden gekopieerd en gewijzigd.
De volgende taak is om het gen terug te brengen naar de cel. Het reeds veranderde gen wordt ingebracht in "vectoren" - dit zijn kleine cirkelvormige DNA-moleculen. Ze zijn in staat om het veranderde gen van de reageerbuis terug in de cel te brengen, waar het het vorige, inheemse gen vervangt. U kunt dus een mutatie introduceren die de functie van een onnodige genproductie volledig verstoort, of een mutatie die de functie ervan verandert.
In de cel is er een zeer complex systeem dat de productie van een overmatige hoeveelheid van een metaboliet, bijvoorbeeld hetzelfde lysine, voorkomt. Het wordt van nature geproduceerd in een hoeveelheid van ongeveer 100 mg / l. Als er meer van is, begint lysine zelf de eerste reacties die tot de productie ervan leiden, te remmen (vertragen). Er ontstaat een negatieve feedback, die alleen kan worden geëlimineerd door een andere genmutatie in de cel te introduceren.
Het pad vrijmaken van grondstoffen naar het eindproduct en de remmingen die in het genoom zijn ingebouwd op de overmatige productie van de vereiste metaboliet, is echter niet alles. Aangezien, zoals reeds vermeld, de vorming van het gewenste product in de cel een bepaald aantal stadia plaatsvindt, kan bij elk daarvan een "bottleneck-effect" optreden. In een van de stadia werkt het enzym bijvoorbeeld snel en wordt er veel tussenproduct geproduceerd, en in de volgende fase neemt de doorvoer af en bedreigt een niet opgeëiste overmaat van het product de vitale activiteit van de cel. Dit betekent dat het nodig is om het werk van het gen dat verantwoordelijk is voor het langzame stadium te versterken.
U kunt het werk van een gen verbeteren door het aantal kopieën te verhogen - met andere woorden, door niet één, maar twee, drie of tien kopieën van het gen in het genoom in te voegen. Een andere benadering is om aan een gen een sterke "promotor" te "koppelen", of een deel van het DNA dat verantwoordelijk is voor de expressie van een bepaald gen. Maar het ‘ontzegelen’ van één ‘knelpunt’ betekent helemaal niet dat het zich in de volgende fase niet zal voordoen. Bovendien zijn er veel factoren die het verloop van elke fase van het verkrijgen van een product beïnvloeden - het is noodzakelijk om rekening te houden met hun invloed en aanpassingen aan de geninformatie aan te brengen.
Zo kan de "competitie" met de kooi vele jaren duren. Het duurde ongeveer 40 jaar om de biotechnologie van de lysineproductie te verbeteren, en gedurende deze tijd werd de stam "geleerd" om 200 g lysine per liter in 50 uur te produceren (ter vergelijking: vier decennia geleden was dit 18 g / l). Maar de cel blijft weerstand bieden, omdat een dergelijke manier van leven voor het micro-organisme buitengewoon moeilijk is. Ze wil duidelijk niet in productie werken. En daarom, als de kwaliteit van celkweken niet regelmatig wordt gecontroleerd, zullen er onvermijdelijk mutaties in voorkomen die de productiviteit verminderen, wat gemakkelijk zal worden opgepikt door selectie. Dit alles suggereert dat biotechnologie niet zoiets is dat één keer ontwikkeld kan worden, en dan zal het vanzelf handelen. En de noodzaak om de economische efficiëntie en het concurrentievermogen van biotechnologische industrieën te vergroten en de afbraak van de gecreëerde hoogwaardige stammen te voorkomen - dit alles vereist constant werk, inclusief fundamenteel onderzoek op het gebied van genfuncties en cellulaire processen.
Een vraag blijft: zijn mutante organismen niet gevaarlijk voor mensen? Wat als ze via bioreactoren in het milieu terechtkomen? Gelukkig is er geen gevaar. Deze cellen zijn gebrekkig, ze zijn absoluut niet aangepast aan het leven in natuurlijke omstandigheden en zullen onvermijdelijk afsterven. Alles in de mutante cel is zo sterk veranderd dat het alleen kan groeien onder kunstmatige omstandigheden, in een bepaalde omgeving, met een bepaald type voeding. Voor deze levende wezens is er geen weg terug naar de wilde staat.
De auteur is adjunct-directeur van het State Research Institute of Genetics, doctor in de biologische wetenschappen, professor Alexander Yanenko.
