Makhluk hidup ini tidak akan dapat hidup dalam kebebasan. Genom mereka berulang kali digambar semula hanya untuk satu tugas - bekerja tanpa lelah untuk manusia. Berjuta-juta biorobots ini menghasilkan dalam jumlah yang banyak yang tidak diperlukan oleh mereka sendiri. Mereka menentang, mereka ingin hidup secara berbeza, tetapi siapa yang akan membiarkannya?
Ditulis dalam gaya dystopian, petikan pengantar sebenarnya adalah kenyataan sehari-hari. Ini adalah mikroorganisma yang disesuaikan khas untuk bekerja dalam pengeluaran bioteknologi. Secara umum, mikroorganisma - bakteria dan kulat - telah menyuntik manusia sejak dahulu lagi, dan sebelum penemuan Louis Pasteur, orang tidak menyedari bahawa, menguli adunan ragi, memerah susu, membuat anggur atau bir, mereka berurusan dengan pekerjaan makhluk hidup.
Dalam mencari kuasa besar
Namun demikian, secara intuitif, dengan kaedah pemilihan spontan selama ribuan tahun, orang telah berjaya memilih dari bentuk semula jadi "liar" mikroorganisma tanaman berkualiti tinggi untuk pembuatan anggur, pembuatan keju, penaik. Perkara lain adalah bahawa sudah di era terbaru, aplikasi baru telah dijumpai untuk bakteria berfungsi. Perusahaan bioteknologi berskala besar telah berkembang untuk menghasilkan, misalnya, bahan kimia penting seperti asid amino atau asid organik.
Inti pengeluaran bioteknologi ialah mikroorganisma, yang menyerap bahan mentah, seperti gula, melepaskan metabolit tertentu, produk metabolik. Metabolit ini adalah produk akhir. Satu-satunya masalah adalah bahawa beberapa ribu metabolit terdapat di dalam sel, dan pengeluaran memerlukan satu, tetapi dalam jumlah yang sangat besar - misalnya, 100 g / l (walaupun pada hakikatnya dalam keadaan semula jadi metabolit akan dihasilkan dalam kuantiti dua tiga pesanan magnitud lebih kecil). Dan tentu saja, bakteria mesti berfungsi dengan cepat - untuk memberikan jumlah produk yang diperlukan, katakanlah, dalam dua hari. Petunjuk sedemikian tidak lagi mampu berbentuk liar - sistem "sweatshop" ini memerlukan supermutan, organisma dengan puluhan modifikasi genom yang berbeza.
Video promosi:
Lebih dekat dengan alam semula jadi
Di sini perlu diajukan soalan: mengapa melibatkan bioteknologi sama sekali - tidakkah industri kimia dapat mengatasi pengeluaran asid amino yang sama? Kop. Kimia boleh banyak berlaku hari ini, tetapi bioteknologi mempunyai beberapa kelebihan utama. Pertama, mereka beroperasi dengan sumber yang boleh diperbaharui. Kini, pati dan tanaman yang mengandung gula (gandum, jagung, bit gula) digunakan sebagai bahan mentah. Pada masa akan datang, dipercayai bahawa selulosa (kayu, jerami, kek) akan digunakan secara aktif. Industri kimia berfungsi terutamanya dengan hidrokarbon fosil.
Kedua, bioteknologi didasarkan pada enzim sel hidup yang berfungsi pada tekanan atmosfera, suhu normal, dalam media berair yang tidak agresif. Sintesis kimia berlaku, sebagai peraturan, di bawah tekanan yang sangat besar, suhu tinggi, menggunakan bahan kaustik, serta bahan letupan dan bahaya kebakaran.
Ketiga, kimia moden didasarkan pada penggunaan proses pemangkin, dan logam, sebagai peraturan, bertindak sebagai pemangkin. Logam bukanlah bahan mentah yang boleh diperbaharui, dan penggunaannya berisiko dari sudut pandangan persekitaran. Dalam bioteknologi, fungsi pemangkin dilakukan oleh sel-sel itu sendiri, dan, jika perlu, sel mudah dibuang: mereka terurai menjadi air, karbon dioksida dan sejumlah kecil sulfur.
Akhirnya, kelebihan keempat terletak pada sifat produk yang dihasilkan. Sebagai contoh, asid amino adalah stereoisomer, iaitu molekul mempunyai dua bentuk yang mempunyai struktur yang sama, tetapi disusun secara spasial sebagai gambar cermin antara satu sama lain. Oleh kerana bentuk asam amino L- dan D membiaskan cahaya dengan cara yang berbeza, bentuk seperti itu disebut optik.
Kimia berbanding bioteknologi.
Dari sudut pandang biologi, terdapat perbezaan yang signifikan antara bentuk: hanya bentuk-L yang aktif secara biologi, hanya bentuk-L yang digunakan oleh sel sebagai bahan binaan protein. Dalam sintesis kimia, campuran isomer diperoleh; pengekstrakan bentuk yang betul darinya adalah proses pengeluaran yang berasingan. Mikroorganisma, sebagai struktur biologi, menghasilkan bahan dengan satu bentuk optik sahaja (dalam hal asid amino, hanya dalam bentuk L), yang menjadikan produk sebagai bahan mentah yang sesuai untuk farmaseutikal.
Pertempuran sangkar
Oleh itu, masalah peningkatan produktiviti industri bioteknologi dengan ketegangan semula jadi tidak dapat diselesaikan. Perlu menggunakan teknik kejuruteraan genetik untuk benar-benar mengubah gaya hidup sel. Semua kekuatannya, semua tenaganya, dan semua yang dia habiskan harus diarahkan ke arah pertumbuhan tanpa lemak dan (terutamanya) pengeluaran sejumlah besar metabolit yang diinginkan, baik itu asam amino, asid organik atau antibiotik.
Bagaimana bakteria mutan diciptakan? Sejak kebelakangan ini terlihat seperti ini: mereka mengambil tekanan liar, kemudian melakukan mutagenesis (iaitu rawatan dengan bahan khas yang meningkatkan jumlah mutasi). Sel-sel yang dirawat dilapisi, dan ribuan klon individu diperoleh. Dan terdapat puluhan orang yang menguji klon ini dan mencari mutasi yang paling berkesan sebagai pengeluar.
Klon yang paling menjanjikan dipilih, dan gelombang mutagenesis berikutnya diikuti, dan penyebaran lagi, dan pemilihan lagi. Sebenarnya, semua ini tidak jauh berbeda dengan pilihan biasa, yang telah lama digunakan dalam peternakan dan produksi tanaman, kecuali untuk penggunaan mutagenesis. Oleh itu, selama beberapa dekad, para saintis telah memilih mikroorganisma mutan yang terbaik dari banyak generasi.
Pendekatan yang berbeza digunakan hari ini. Segalanya sekarang bermula dengan analisis jalur metabolik dan pengenalpastian jalur utama untuk penukaran gula menjadi produk sasaran (dan jalan ini mungkin terdiri daripada selusin reaksi pertengahan). Memang, dalam sel, sebagai peraturan, terdapat banyak jalan sampingan, ketika bahan mentah awal menuju ke beberapa metabolit yang sama sekali tidak diperlukan untuk pengeluaran. Dan pertama, semua jalan ini perlu dipotong supaya penukaran diarahkan terus ke produk sasaran. Bagaimana hendak melakukannya? Ubah genom mikroorganisma. Untuk ini, enzim khas dan serpihan kecil DNA - "primer" digunakan. Dengan bantuan tindak balas polisiklik dalam tabung uji, satu gen dapat ditarik keluar dari sel, disalin dalam jumlah besar, dan diubah.
Tugas seterusnya adalah mengembalikan gen ke sel. Gen yang sudah berubah dimasukkan ke dalam "vektor" - ini adalah molekul DNA pekeliling kecil. Mereka dapat memindahkan gen yang diubah dari tabung uji kembali ke sel, di mana ia menggantikan gen asli sebelumnya. Oleh itu, anda boleh memperkenalkan mutasi yang sepenuhnya mengganggu fungsi pengeluaran gen yang tidak perlu, atau mutasi yang mengubah fungsinya.
Di dalam sel, terdapat sistem yang sangat kompleks yang menghalang pengeluaran metabolit yang berlebihan, misalnya lisin yang sama. Ia dihasilkan secara semula jadi dalam jumlah kira-kira 100 mg / l. Sekiranya terdapat lebih banyak, maka lisin sendiri mula menghalang (melambatkan) reaksi awal yang menyebabkan penghasilannya. Maklum balas negatif timbul, yang dapat dihilangkan hanya dengan memperkenalkan mutasi gen lain ke dalam sel.
Walau bagaimanapun, membersihkan jalan bahan mentah ke produk akhir dan membuang perencatan yang terdapat di dalam genom mengenai pengeluaran metabolit yang diperlukan bukanlah semuanya. Oleh kerana, seperti yang telah disebutkan, pembentukan produk yang diinginkan terjadi di dalam sel sejumlah tahap, di masing-masing "kesan kemacetan" dapat terjadi. Sebagai contoh, pada salah satu tahap enzim berfungsi dengan cepat dan banyak produk perantaraan dihasilkan, dan pada tahap seterusnya penurunan pengeluaran dan kelebihan produk yang tidak dituntut akan mengancam aktiviti penting sel. Ini bermaksud bahawa perlu untuk menguatkan kerja gen yang bertanggungjawab untuk tahap lambat.
Anda boleh meningkatkan karya gen dengan menambah bilangan salinannya - dengan kata lain, dengan memasukkan bukan satu, tetapi dua, tiga atau sepuluh salinan gen ke dalam genom. Pendekatan lain adalah untuk "menghubungkan" ke gen yang "promotor" yang kuat, atau bahagian DNA yang bertanggungjawab untuk ekspresi gen tertentu. Tetapi "unsealing" dari satu "bottleneck" tidak bererti sama sekali tidak akan timbul pada tahap berikutnya. Selain itu, terdapat banyak faktor yang mempengaruhi perjalanan setiap peringkat mendapatkan produk - perlu mengambil kira pengaruh mereka dan membuat penyesuaian terhadap maklumat gen.
Oleh itu, "persaingan" dengan kandang dapat bertahan selama bertahun-tahun. Perlu sekitar 40 tahun untuk meningkatkan bioteknologi pengeluaran lisin, dan selama ini ketegangan "diajar" untuk menghasilkan 200 g lisin per liter dalam 50 jam (untuk perbandingan: empat dekad yang lalu angka ini adalah 18 g / l). Tetapi sel itu terus menentang, kerana cara hidup mikroorganisma seperti itu sangat sukar. Dia jelas tidak mahu bekerja dalam pengeluaran. Oleh itu, jika kualiti kultur sel tidak dipantau secara berkala, mutasi akan timbul di dalamnya yang dapat mengurangkan produktiviti, yang akan mudah dipilih melalui pemilihan. Semua ini menunjukkan bahawa bioteknologi bukanlah perkara yang dapat dikembangkan sekali, dan kemudian ia akan bertindak sendiri. Dan keperluan untuk meningkatkan kecekapan ekonomi dan daya saing industri bioteknologi, dan pencegahan penurunan tekanan yang dihasilkan dengan prestasi tinggi - semuanya memerlukan kerja berterusan, termasuk penyelidikan asas dalam bidang fungsi gen dan proses selular.
Satu persoalan masih ada: bukankah organisma mutan berbahaya bagi manusia? Bagaimana jika mereka berakhir di persekitaran dari bioreaktor? Nasib baik, tidak ada bahaya. Sel-sel ini cacat, sama sekali tidak dapat disesuaikan dengan kehidupan dalam keadaan semula jadi dan pasti akan mati. Segala sesuatu di sel mutan telah berubah begitu banyak sehingga dapat tumbuh hanya dalam keadaan buatan, di persekitaran tertentu, dengan jenis pemakanan tertentu. Tidak ada jalan kembali ke keadaan liar bagi makhluk hidup ini.
Penulis adalah Timbalan Pengarah Institut Penyelidikan Genetik Negeri, Doktor Sains Biologi, Profesor Alexander Yanenko.
