Diese Lebewesen werden niemals in Freiheit leben können. Ihr Genom wurde wiederholt neu gezeichnet, um nur eine Aufgabe zu erfüllen - unermüdlich für eine Person zu arbeiten. Millionen dieser Bioroboter produzieren in großen Mengen das, was sie selbst praktisch nicht benötigen. Sie widersetzen sich, sie würden gerne anders leben, aber wer wird es zulassen?
In einem dystopischen Stil geschrieben, ist die einleitende Passage tatsächlich eine alltägliche Realität. Dies sind Mikroorganismen, die speziell für die Arbeit in der biotechnologischen Produktion angepasst sind. Tatsächlich injizieren Mikroorganismen - Bakterien und Pilze - seit jeher die Menschheit, und vor den Entdeckungen von Louis Pasteur erkannten die Menschen nicht einmal, dass sie sich beim Kneten von Hefeteig, Fermentieren von Milch, Herstellen von Wein oder Bier mit der Arbeit von Lebewesen befassten.
Auf der Suche nach Supermächten
Aber wie auch immer, intuitiv durch die Methode der spontanen Selektion über die Jahrtausende hinweg ist es den Menschen gelungen, hochwertige Kulturen für die Weinherstellung, Käseherstellung und das Backen aus natürlichen, "wilden" Formen von Mikroorganismen auszuwählen. Eine andere Sache ist, dass bereits in der neuesten Ära neue Anwendungen für arbeitende Bakterien gefunden wurden. Große Biotechnologieunternehmen sind entstanden, um beispielsweise wichtige Chemikalien wie Aminosäuren oder organische Säuren herzustellen.
Das Wesen der biotechnologischen Produktion besteht darin, dass Mikroorganismen, die Rohstoffe wie Zucker absorbieren, einen bestimmten Metaboliten, ein Stoffwechselprodukt, freisetzen. Dieser Metabolit ist das Endprodukt. Das einzige Problem ist, dass mehrere tausend Metaboliten in der Zelle vorhanden sind und die Produktion einen benötigt, jedoch in sehr großen Mengen - zum Beispiel 100 g / l (trotz der Tatsache, dass der Metabolit unter natürlichen Bedingungen in Mengen von zwei produziert würde drei Größenordnungen kleiner). Und natürlich müssen Bakterien sehr schnell arbeiten - um beispielsweise in zwei Tagen die erforderliche Produktmenge abzugeben. Solche Indikatoren sind nicht mehr in der Lage, wilde Formen zu bilden - dieses "Sweatshop" -System erfordert Supermutanten, Organismen mit Dutzenden verschiedener Genommodifikationen.
Werbevideo:
Näher an der Natur
Hier lohnt es sich, eine Frage zu stellen: Warum überhaupt Biotechnologie einbeziehen - ist die chemische Industrie nicht in der Lage, mit der Produktion der gleichen Aminosäuren fertig zu werden? Bewältigt. Die Chemie kann heutzutage viel bewirken, aber die Biotechnologie hat mehrere große Vorteile. Erstens arbeiten sie mit erneuerbaren Ressourcen. Stärke und zuckerhaltige Pflanzen (Weizen, Mais, Zuckerrüben) werden heute hauptsächlich als Rohstoffe verwendet. In Zukunft wird angenommen, dass Zellulose (Holz, Stroh, Kuchen) aktiv verwendet wird. Die chemische Industrie arbeitet hauptsächlich mit fossilen Kohlenwasserstoffen.
Zweitens basiert die Biotechnologie auf den Enzymen lebender Zellen, die bei atmosphärischem Druck und normaler Temperatur in nicht aggressiven wässrigen Medien arbeiten. Die chemische Synthese erfolgt in der Regel unter enormem Druck, hohen Temperaturen unter Verwendung von Ätzmitteln sowie explosiven und feuergefährlichen Stoffen.
Drittens basiert die moderne Chemie auf der Verwendung katalytischer Verfahren, und Metalle wirken in der Regel als Katalysatoren. Metalle sind keine nachwachsenden Rohstoffe und ihre Verwendung ist unter Umweltgesichtspunkten riskant. In der Biotechnologie wird die Funktion von Katalysatoren von den Zellen selbst wahrgenommen, und bei Bedarf sind die Zellen leicht zu verwenden: Sie zersetzen sich in Wasser, Kohlendioxid und eine kleine Menge Schwefel.
Schließlich liegt der vierte Vorteil in den Eigenschaften des resultierenden Produkts. Beispielsweise sind Aminosäuren Stereoisomere, dh Moleküle haben zwei Formen, die dieselbe Struktur haben, aber räumlich als Spiegelbilder voneinander organisiert sind. Da die L- und D-Formen von Aminosäuren Licht auf unterschiedliche Weise brechen, werden solche Formen als optisch bezeichnet.
Chemie versus Biotechnologie.
Aus biologischer Sicht gibt es einen signifikanten Unterschied zwischen den Formen: Nur die L-Formen sind biologisch aktiv, nur die L-Form wird von der Zelle als Baumaterial für Protein verwendet. Bei der chemischen Synthese wird ein Isomerengemisch erhalten, wobei die Extraktion der richtigen Formen daraus ein separater Produktionsprozess ist. Der Mikroorganismus als biologische Struktur produziert Substanzen nur einer optischen Form (im Fall von Aminosäuren nur in der L-Form), was das Produkt zu einem idealen Rohstoff für Pharmazeutika macht.
Käfigschlacht
Das Problem der Produktivitätssteigerung für die biotechnologische Industrie mit natürlichen Stämmen kann daher nicht gelöst werden. Es ist notwendig, gentechnische Techniken anzuwenden, um den Lebensstil der Zelle tatsächlich zu ändern. Ihre ganze Kraft, all ihre Energie und alles, was sie verbraucht, sollte auf ein geringes Wachstum und (hauptsächlich) die Produktion großer Mengen des gewünschten Metaboliten gerichtet sein, sei es eine Aminosäure, organische Säuren oder ein Antibiotikum.
Wie entstehen mutierte Bakterien? In jüngster Zeit sah es so aus: Sie nahmen einen Wildstamm und führten dann eine Mutagenese durch (dh Behandlung mit speziellen Substanzen, die die Anzahl der Mutationen erhöhen). Die behandelten Zellen wurden ausplattiert und Tausende einzelner Klone wurden erhalten. Und es gab Dutzende von Menschen, die diese Klone getestet und nach den Mutationen gesucht haben, die als Produzenten am effektivsten sind.
Die vielversprechendsten Klone wurden ausgewählt, und die nächste Welle der Mutagenese folgte, und erneut Ausbreitung und erneut Selektion. Tatsächlich unterschied sich all dies nicht wesentlich von der üblichen Auswahl, die seit langem in der Tierhaltung und in der Pflanzenproduktion verwendet wird, mit Ausnahme der Mutagenese. Seit Jahrzehnten wählen Wissenschaftler das Beste aus den vielen Generationen mutierter Mikroorganismen aus.
Ein anderer Ansatz wird heute verwendet. Alles beginnt jetzt mit der Analyse der Stoffwechselwege und der Identifizierung des Hauptweges für die Umwandlung von Zucker in das Zielprodukt (und dieser Weg kann aus einem Dutzend Zwischenreaktionen bestehen). In der Tat gibt es in der Zelle in der Regel viele Nebenwege, wenn der Ausgangsrohstoff zu einigen Metaboliten gelangt, die für die Produktion überhaupt nicht notwendig sind. Und zuerst müssen alle diese Pfade abgeschnitten werden, damit die Konvertierung direkt auf das Zielprodukt gerichtet ist. Wie kann man es machen? Ändern Sie das Genom eines Mikroorganismus. Hierzu werden spezielle Enzyme und kleine DNA-Fragmente - „Primer“- verwendet. Mit Hilfe der sogenannten polyzyklischen Reaktion in einem Reagenzglas kann ein einzelnes Gen aus einer Zelle gezogen, in großen Mengen kopiert und verändert werden.
Die nächste Aufgabe besteht darin, das Gen in die Zelle zurückzugeben. Das bereits veränderte Gen wird in "Vektoren" eingefügt - dies sind kleine zirkuläre DNA-Moleküle. Sie können das veränderte Gen aus dem Reagenzglas zurück in die Zelle übertragen, wo es das vorherige native Gen ersetzt. Sie können also entweder eine Mutation einführen, die die Funktion einer unnötigen Genproduktion vollständig stört, oder eine Mutation, die ihre Funktion ändert.
In der Zelle gibt es ein sehr komplexes System, das die Produktion einer übermäßigen Menge eines Metaboliten verhindert, beispielsweise des gleichen Lysins. Es wird natürlich in einer Menge von ca. 100 mg / l hergestellt. Wenn es mehr davon gibt, beginnt Lysin selbst die anfänglichen Reaktionen zu hemmen (zu verlangsamen), die zu seiner Produktion führen. Es entsteht eine negative Rückkopplung, die nur durch Einführung einer weiteren Genmutation in die Zelle beseitigt werden kann.
Es ist jedoch nicht alles, den Weg der Rohstoffe zum Endprodukt freizumachen und die im Genom eingebauten Hemmungen für die übermäßige Produktion des erforderlichen Metaboliten zu beseitigen. Da, wie bereits erwähnt, die Bildung des gewünschten Produkts innerhalb der Zelle in einer bestimmten Anzahl von Stufen stattfindet, kann bei jeder von ihnen ein "Engpass-Effekt" auftreten. Zum Beispiel arbeitet das Enzym in einer der Stufen schnell und es wird viel Zwischenprodukt produziert, und in der nächsten Stufe sinkt der Durchsatz und ein nicht beanspruchter Überschuss des Produkts bedroht die lebenswichtige Aktivität der Zelle. Dies bedeutet, dass es notwendig ist, die Arbeit des Gens zu stärken, das für das langsame Stadium verantwortlich ist.
Sie können die Arbeit eines Gens verbessern, indem Sie seine Kopienzahl erhöhen - mit anderen Worten, indem Sie nicht eine, sondern zwei, drei oder zehn Kopien des Gens in das Genom einfügen. Ein anderer Ansatz besteht darin, einen starken "Promotor" oder einen DNA-Abschnitt, der für die Expression eines bestimmten Gens verantwortlich ist, mit einem Gen zu "verknüpfen". Das „Entsiegeln“eines „Engpasses“bedeutet jedoch keineswegs, dass er in der nächsten Phase nicht auftreten wird. Darüber hinaus gibt es viele Faktoren, die den Verlauf jeder Phase der Produktbeschaffung beeinflussen - es ist notwendig, ihren Einfluss zu berücksichtigen und Anpassungen an der Geninformation vorzunehmen.
Somit kann der "Wettbewerb" mit dem Käfig viele Jahre dauern. Es dauerte ungefähr 40 Jahre, um die Biotechnologie der Lysinproduktion zu verbessern, und während dieser Zeit wurde dem Stamm "beigebracht", in 50 Stunden 200 g Lysin pro Liter zu produzieren (zum Vergleich: vor vier Jahrzehnten waren es 18 g / l). Die Zelle widersteht jedoch weiterhin, da eine solche Lebensweise für den Mikroorganismus äußerst schwierig ist. Sie will eindeutig nicht in der Produktion arbeiten. Wenn daher die Qualität von Zellkulturen nicht regelmäßig überwacht wird, entstehen zwangsläufig Mutationen in diesen, die die Produktivität verringern und durch Selektion leicht erfasst werden können. All dies deutet darauf hin, dass die Biotechnologie nicht einmal entwickelt werden kann und dann von selbst agiert. Die Notwendigkeit, die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit der biotechnologischen Industrie zu steigern und den Abbau der erzeugten Hochleistungsstämme zu verhindern, erfordert ständige Arbeit, einschließlich Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Genfunktionen und zellulären Prozesse.
Eine Frage bleibt: Sind mutierte Organismen nicht gefährlich für den Menschen? Was ist, wenn sie von Bioreaktoren in die Umwelt gelangen? Zum Glück besteht keine Gefahr. Diese Zellen sind fehlerhaft, sie sind absolut nicht an das Leben unter natürlichen Bedingungen angepasst und sterben unweigerlich ab. Alles in der mutierten Zelle hat sich so sehr verändert, dass es nur unter künstlichen Bedingungen in einer bestimmten Umgebung mit einer bestimmten Art von Ernährung wachsen kann. Für diese Lebewesen gibt es keinen Weg zurück in den wilden Zustand.
Der Autor ist stellvertretender Direktor des Staatlichen Forschungsinstituts für Genetik, Doktor der Biowissenschaften, Professor Alexander Yanenko.
