Использование биотехнологий вбыту

      Комментарии к записи Использование биотехнологий вбыту отключены

Использование биотехнологий вбыту

За вводным пассажем, написанном в стиле антиутопии, в действительности стоит обыденная действительность. Речь заходит о микробах, намерено адаптированных для работы в биотехнологическом производстве. Вообще-то грибы — и микроорганизмы бактерии — «вкалывают» на человечество с незапамятных времен, причем до открытий Луи Пастера люди кроме того не догадывались, что, замешивая дрожжевое тесто, сквашивая молоко, изготовляя вино либо пиво, они имели дело с работой живых существ.

В отыскивании суперспособностей Но как бы то ни было, интуитивно, способом стихийной селекции за тысячелетия людям удалось отобрать из природных, «диких» форм микроорганизмов отличные культуры для виноделия, сыроварения, хлебопечения. Однако уже в новейшую эру работящим бактериям были отысканы новые применения. Появились большие биотехнологические предприятия по производству, к примеру, таких серьёзных химических продуктов, как аминокислоты либо органические кислоты.

Сущность биотехнологического производства в том, что микробы, поглощая исходное сырье, к примеру сахар, выделяют некоторый метаболит, продукт обмена веществ. Данный метаболит и есть конечным продуктом. Неприятность только в том, что в клетке присутствует пара тысяч метаболитов, а производству нужен какой-то один, но крайне много — к примеру, 100 г/л (при том, что в естественных условиях метаболит вырабатывался бы в количествах, на два-три порядка меньших).

Ну и очевидно, бактерии должны трудиться весьма скоро — выдавать необходимый количество продукта, скажем, за двое дней. Такие показатели диким формам уже не под силу — для данной «потогонной» совокупности требуются супермутанты, организмы с десятками разных модификаций генома.

Ближе к природе

Тут стоит задаться вопросом: а для чего по большому счету завлекать биотехнологии — разве химическая индустрия не осилит с производством тех же аминокислот? Справляется. Химия Сейчас может очень многое, но у биотехнологий имеется пара важных преимуществ. Во-первых, они оперируют возобновляемыми ресурсами.

на данный момент в качестве сырья по большей части употребляются крахмало- и сахаросодержащие растения (пшеница, кукуруза, сахарная свекла). В будущем, как полагают, будет активно использоваться целлюлоза (древесина, солома, жмых). Химическая отрасль трудится в основном с ископаемыми углеводородами.

Во-вторых, в базе биотехнологий лежат ферменты живых клеток, каковые действующий при атмосферном давлении, обычной температуре, в водных неагрессивных средах. Химический же синтез протекает, в большинстве случаев, при огромном давлении, больших температурах, с применением едких, и взрыво- и пожароопасных веществ.

В-третьих, современная химия выстроена на применении каталитических процессов, а в роли катализаторов, в большинстве случаев, выступают металлы.

Металлы не относятся к возобновляемому сырью, а использование их рискованно с позиций экологии. В биотехнологии функцию катализаторов делают сами клетки, и при необходимости клетки легко утилизовать: они разлагаются на воду, небольшое количество и углекислый газ серы.

И наконец, четвертое преимущество заключено в особенностях приобретаемого продукта. К примеру, аминокислоты являются стереоизомерами, другими словами молекулы имеют две формы, владеющие однообразной структурой, но пространственно организованные как зеркальные отражения друг друга. Потому, что кожный покров- и D- формы аминокислот по-различному преломляют свет, такие формы именуют оптическими.

    Химия против биотехнологии

С позиций биологии, между формами имеется значительное различие: лишь L-формы являются биологически активными, лишь L-форма употребляется клеткой как стройматериал для белка. При химическом синтезе получается смесь изомеров, извлечение из нее верных форм — отдельный производственный процесс. Микроб же, как биологическая структура, продуцирует вещества лишь одной оптической формы (при аминокислот — лишь в L-форме), что делает продукт совершенным сырьем для фармацевтики.

Битва с клеткой

Итак, задачу увеличения производительности для биотехнологических производств природными штаммами решить запрещено. Нужно применять способы генной инженерии, дабы практически поменять стиль судьбы клетки. Все ее силы, вся ее энергия, и все, что она потребляет, должно быть направлено на скудный рост и (по большей части) на производство много нужного метаболита, будь то аминокислота, органические кислоты либо антибиотик.

Как именно создаются бактерии-мутанты? В недавние времена это смотрелось так: брали дикий штамм, после этого проводили мутагенез (другими словами обработку особыми веществами, каковые повышают количество мутаций). Обработанные клетки рассевали, приобретали тысячи отдельных клонов.

И были десятки людей, каковые контролировали эти клоны и искали те мутации, каковые самый действенны в качестве продуцентов.

самые перспективные клоны отбирали, и наступал черед следующей волны мутагенеза, и опять рассеивание, и опять отбор. По сути, все это мало чем отличалось от простой селекции, в далеком прошлом применяемой в растениеводстве и животноводстве, если не считать использование мутагенеза. Так десятилетиями ученые отбирали лучших из бессчётных поколений микроорганизмов-мутантов.

Сейчас употребляется другой подход. Все сейчас начинается с анализа дорог метаболизма и обнаружения главного пути конверсии сахаров к целевому продукту (а путь данный может складываться из полутора десятков промежуточных реакций). Так как в клетке, в большинстве случаев, присутствует большое количество побочных дорог, в то время, когда исходное сырье уходит на какие-то совсем не необходимые производству метаболиты. И для начала все эти пути необходимо отсечь, дабы конверсия направлялась напрямую на целевой продукт.

Как это сделать? Поменять геном микроорганизма.

Для этого употребляются небольшие фрагменты и специальные ферменты ДНК — «праймеры». При помощи так называемой полициклической реакции в пробирке возможно вытащить из клетки отдельный ген, скопировать его много и подвергнуть его трансформации.

Следующая задача — вернуть ген в клетку. Уже поменянный ген вставляют в «вектора» — это маленькие кольцевые молекулы ДНК. Они способны переносить поменянный ген из пробирки снова в клетку, где он замещает прошлый, нативный ген.

Так возможно ввести или мутацию, которая всецело нарушает функцию ненужного производству гена, или мутацию, которая изменяет его функцию.

В клетке существует весьма сложная совокупность, мешающая производству в избыточном количестве какого-либо метаболита, того же лизина к примеру. Естественным методом он вырабатывается числом приблизительно 100 мг/л. В случае если его выясняется больше, то сам лизин начинает ингибировать (замедлять) начальные реакции, ведущие к его производству.

Появляется отрицательная обратная сообщение, исключить которую возможно только посредством введения в клетку очередной генной мутации.

Но расчистить путь сырья к конечному продукту и снять встроенные в геном запреты на излишнее производство требуемого метаболита — это еще не все. Потому, что, как уже говорилось, формирование нужного продукта проходит в клетки определенное количество стадий, на каждой из них может появиться «эффект бутылочного горлышка».

К примеру, на одной из стадий фермент трудится скоро и промежуточного продукта производится большое количество, а на следующей стадии пропускная свойство падает и невостребованный избыток продукта угрожает жизнедеятельности клетки. Значит, нужно усилить работу гена, что несёт ответственность за медленную стадию.

Усилить работу гена возможно, повысив его копийность — иными словами, засунув в геном несколько, а две, три либо десять копий гена. Второй подход — «подшить» к гену сильный «промотер», либо участок ДНК, несущий ответственность за экспрессию конкретного гена. Но «расшивание» одного «бутылочного горлышка», вовсе не свидетельствует, что оно не появится на следующей стадии.

Тем более что факторов, влияющих на течение каждой стадии получения продукта, довольно много — нужно учитывать их влияние и вносить коррективы в генную данные.

Так «соревнование» с клеткой может продолжаться много лет. На совершенствование биотехнологии производства лизина ушло приблизительно 40 лет, и за это время штамм «обучили» производить за 50 часов 200 г лизина на литр (для сравнения: четыре десятилетия назад данный показатель равнялся 18 г/л). Но клетка сопротивляется , поскольку таковой режим жизнедеятельности для микроорганизма очень тяжел.

Трудиться в производстве она очевидно не желает.

И потому, в случае если систематично не смотреть за качеством клеточных культур, в них неизбежно появятся мутации, снижающие производительность, каковые будут с радостью подхвачены отбором. Все это показывает, что биотехнология — это не такая вещь, которую возможно создать однократно, а позже она будет функционировать сама. И необходимость повышать конкурентоспособность и экономическую эффективность биотехнологических производств, и предотвращение деградации созданных высокопроизводительных штаммов — все требует постоянной работы, а также фундаментальных изысканий в области клеточных процессов и функций генов.

Остается один вопрос: а не являются ли организмы-мутанты страшными для человека? Что если они попадут из биореакторов в вохдух? К счастью, опасности никакой нет.

Эти клетки ущербны, они полностью не приспособлены к судьбе в естественных условиях и неизбежно погибнут. В мутантной клетке все так поменяли, что она может расти только в неестественных условиях, в определенной среде, при определенном типе питания. Обратного пути в дикое состояние для этих живых существ уже нет.

Создатель — помощник директора ГосНИИгенетика, профессор биологии , доктор наук

Статья «Работящие мутанты» размещена в издании «Популярная механика» (№137, март 2014).

Обучающая лекция № 2 о применении ЭМ-препарата в быту


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: