Questi esseri viventi non potranno mai vivere in libertà. Il loro genoma è stato ripetutamente ridisegnato per il gusto di un solo compito: lavorare instancabilmente per gli esseri umani. Milioni di questi biorobot producono in grandi quantità ciò di cui loro stessi praticamente non hanno bisogno. Resistono, vorrebbero vivere diversamente, ma chi lo permetterà?
Scritto in stile distopico, il brano introduttivo è infatti una realtà quotidiana. Questi sono microrganismi appositamente adattati per funzionare nella produzione biotecnologica. In generale, i microrganismi - batteri e funghi - hanno iniettato l'umanità da tempo immemorabile, e prima delle scoperte di Louis Pasteur, le persone non si rendevano nemmeno conto che, impastando la pasta lievitata, fermentando il latte, facendo vino o birra, avevano a che fare con il lavoro degli esseri viventi.
Alla ricerca dei superpoteri
Comunque sia, intuitivamente, con il metodo della selezione spontanea nel corso dei millenni, le persone sono riuscite a selezionare da forme naturali, "selvagge" di microrganismi colture di alta qualità per la vinificazione, la caseificazione, la panificazione. Un'altra cosa è che già nell'era più recente sono state trovate nuove applicazioni per i batteri funzionanti. Sono nate imprese biotecnologiche su larga scala per produrre, ad esempio, sostanze chimiche importanti come amminoacidi o acidi organici.
L'essenza della produzione biotecnologica è che i microrganismi, assorbendo materie prime, come lo zucchero, rilasciano un certo metabolita, un prodotto metabolico. Questo metabolita è il prodotto finale. L'unico problema è che nella cellula sono presenti diverse migliaia di metaboliti e la produzione ne richiede uno, ma in quantità molto grandi, ad esempio 100 g / l (nonostante il fatto che in condizioni naturali il metabolita sarebbe prodotto in quantità da due tre ordini di grandezza più piccoli). E, naturalmente, i batteri devono agire molto rapidamente, per distribuire la quantità richiesta di prodotto, diciamo, in due giorni. Tali indicatori non sono più capaci di forme selvagge: questo sistema di "sfruttamento" richiede supermutanti, organismi con dozzine di diverse modificazioni del genoma.
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Più vicino alla natura
Qui vale la pena fare una domanda: perché coinvolgere la biotecnologia - l'industria chimica non è in grado di far fronte alla produzione degli stessi amminoacidi? Copes. La chimica può fare molto oggigiorno, ma la biotecnologia presenta diversi vantaggi importanti. In primo luogo, operano con risorse rinnovabili. Ora, le piante contenenti amido e zucchero (grano, mais, barbabietola da zucchero) vengono utilizzate principalmente come materie prime. In futuro, si ritiene che la cellulosa (legno, paglia, torta) verrà utilizzata attivamente. L'industria chimica lavora principalmente con idrocarburi fossili.
In secondo luogo, la biotecnologia si basa sugli enzimi delle cellule viventi che lavorano a pressione atmosferica, temperatura normale, in mezzi acquosi non aggressivi. La sintesi chimica avviene, di regola, sotto un'enorme pressione, alte temperature, utilizzando sostanze caustiche, esplosive e pericolose per il fuoco.
In terzo luogo, la chimica moderna si basa sull'uso di processi catalitici e i metalli, di regola, agiscono da catalizzatori. I metalli non sono una materia prima rinnovabile e il loro utilizzo è rischioso dal punto di vista ambientale. In biotecnologia, la funzione di catalizzatori è svolta dalle cellule stesse e, se necessario, le cellule sono facili da utilizzare: si decompongono in acqua, anidride carbonica e una piccola quantità di zolfo.
Infine, il quarto vantaggio risiede nelle proprietà del prodotto risultante. Ad esempio, gli amminoacidi sono stereoisomeri, cioè le molecole hanno due forme che hanno la stessa struttura, ma sono organizzate spazialmente come immagini speculari l'una dell'altra. Poiché le forme L e D degli amminoacidi rifrangono la luce in modi diversi, tali forme sono chiamate ottiche.
Chimica contro biotecnologia.
Dal punto di vista della biologia, c'è una differenza significativa tra le forme: solo le forme L sono biologicamente attive, solo la forma L è usata dalla cellula come materiale da costruzione per le proteine. Nella sintesi chimica si ottiene una miscela di isomeri; l'estrazione delle forme corrette da essa è un processo di produzione separato. Il microrganismo, come struttura biologica, produce sostanze di una sola forma ottica (nel caso degli amminoacidi, solo nella forma L), che rende il prodotto una materia prima ideale per i farmaci.
Cage battle
Quindi, il problema dell'aumento della produttività per le industrie biotecnologiche con ceppi naturali non può essere risolto. È necessario utilizzare tecniche di ingegneria genetica per cambiare effettivamente lo stile di vita della cellula. Tutta la sua forza, tutta la sua energia e tutto ciò che consuma dovrebbe essere indirizzato verso una crescita magra e (principalmente) la produzione di grandi quantità del metabolita desiderato, sia esso un amminoacido, acidi organici o un antibiotico.
Come vengono creati i batteri mutanti? In tempi recenti sembrava così: hanno preso un ceppo selvaggio, poi hanno effettuato la mutagenesi (cioè il trattamento con sostanze speciali che aumentano il numero di mutazioni). Le cellule trattate sono state piastrate e sono stati ottenuti migliaia di singoli cloni. E c'erano dozzine di persone che hanno testato questi cloni e cercato quelle mutazioni che sono più efficaci come produttori.
Sono stati selezionati i cloni più promettenti e la successiva ondata di mutagenesi è seguita, e di nuovo la dispersione e di nuovo la selezione. In realtà, tutto questo non era molto diverso dalla solita selezione, che è stata a lungo utilizzata nella zootecnia e nella produzione agricola, tranne che per l'uso della mutagenesi. Quindi, per decenni, gli scienziati hanno selezionato il meglio delle molte generazioni di microrganismi mutanti.
Oggi viene utilizzato un approccio diverso. Tutto inizia ora con l'analisi delle vie metaboliche e l'identificazione della via principale per la conversione degli zuccheri nel prodotto target (e questo percorso può consistere in una dozzina di reazioni intermedie). Infatti, nella cellula, di regola, ci sono molte vie secondarie, quando la materia prima iniziale va ad alcuni metaboliti che non sono affatto necessari per la produzione. E prima, tutti questi percorsi devono essere interrotti in modo che la conversione sia diretta direttamente al prodotto di destinazione. Come farlo? Cambia il genoma di un microrganismo. Per questo, vengono utilizzati enzimi speciali e piccoli frammenti di DNA - "primer". Con l'aiuto della cosiddetta reazione policiclica in una provetta, un singolo gene può essere estratto da una cellula, copiato in grandi quantità e alterato.
Il prossimo compito è restituire il gene alla cellula. Il gene già modificato viene inserito in "vettori" - queste sono piccole molecole di DNA circolari. Sono in grado di trasferire il gene alterato dalla provetta nella cellula, dove sostituisce il precedente gene nativo. Pertanto, è possibile introdurre una mutazione che interrompe completamente la funzione di una produzione genica non necessaria o una mutazione che cambia la sua funzione.
Nella cellula c'è un sistema molto complesso che impedisce la produzione di una quantità eccessiva di qualsiasi metabolita, la stessa lisina, per esempio. Viene prodotto naturalmente in una quantità di circa 100 mg / l. Se ce n'è di più, allora la stessa lisina inizia a inibire (rallentare) le reazioni iniziali che portano alla sua produzione. Sorge un feedback negativo, che può essere eliminato solo introducendo un'altra mutazione genetica nella cellula.
Tuttavia, liberare il percorso dalle materie prime al prodotto finale e rimuovere le inibizioni incorporate nel genoma sulla produzione eccessiva del metabolita richiesto non è tutto. Poiché, come già accennato, la formazione del prodotto desiderato avviene all'interno della cella un certo numero di fasi, in ciascuna di esse può verificarsi un "effetto collo di bottiglia". Ad esempio, in una delle fasi, l'enzima funziona rapidamente e viene prodotto molto prodotto intermedio, ma nella fase successiva il rendimento diminuisce e un eccesso non reclamato del prodotto minaccia l'attività vitale della cellula. Ciò significa che è necessario rafforzare il lavoro del gene responsabile della fase lenta.
È possibile migliorare il lavoro di un gene aumentandone il numero di copie, in altre parole inserendo non una, ma due, tre o dieci copie del gene nel genoma. Un altro approccio consiste nel "collegare" a un gene un "promotore" forte, o una sezione di DNA responsabile dell'espressione di un particolare gene. Ma l '"apertura" di un "collo di bottiglia" non significa affatto che non si verificherà nella fase successiva. Inoltre, ci sono molti fattori che influenzano il corso di ogni fase dell'ottenimento di un prodotto: è necessario tener conto della loro influenza e apportare modifiche alle informazioni genetiche.
Pertanto, la "competizione" con la gabbia può durare molti anni. Ci sono voluti circa 40 anni per migliorare la biotecnologia della produzione di lisina, e durante questo periodo il ceppo è stato "insegnato" a produrre 200 g di lisina per litro in 50 ore (per confronto: quattro decenni fa questa cifra era di 18 g / l). Ma la cellula continua a resistere, perché un tale modo di vita per il microrganismo è estremamente difficile. Chiaramente non vuole lavorare nella produzione. E quindi, se la qualità delle colture cellulari non viene monitorata regolarmente, in esse sorgeranno inevitabilmente mutazioni che riducono la produttività, che sarà prontamente captata dalla selezione. Tutto ciò suggerisce che la biotecnologia non è una cosa che può essere sviluppata una volta, e poi agirà da sola. E la necessità di migliorare l'efficienza economica e la competitività delle industrie biotecnologiche e la prevenzione della degradazione dei ceppi ad alte prestazioni creati richiedono tutti un lavoro costante, compresa la ricerca fondamentale nel campo delle funzioni geniche e dei processi cellulari.
Rimane una domanda: gli organismi mutanti non sono pericolosi per l'uomo? E se finissero nell'ambiente dai bioreattori? Fortunatamente, non c'è pericolo. Queste cellule sono difettose, non sono assolutamente adattate alla vita in condizioni naturali e moriranno inevitabilmente. Tutto nella cellula mutante è cambiato così tanto che può crescere solo in condizioni artificiali, in un certo ambiente, con un certo tipo di nutrizione. Non c'è modo di tornare allo stato selvaggio per questi esseri viventi.
L'autore è il vicedirettore dell'Istituto statale di ricerca di genetica, dottore in scienze biologiche, il professor Alexander Yanenko.
