Makhluk hidup ini tidak akan pernah bisa hidup dalam kebebasan. Genom mereka telah berulang kali digambar ulang demi satu tugas - bekerja tanpa lelah untuk seseorang. Jutaan biorobot ini menghasilkan dalam jumlah besar apa yang secara praktis tidak mereka butuhkan. Mereka menolak, mereka ingin hidup berbeda, tetapi siapa yang akan mengizinkannya?
Ditulis dengan gaya distopia, bagian pengantar sebenarnya adalah kenyataan sehari-hari. Ini adalah mikroorganisme yang secara khusus diadaptasi untuk bekerja dalam produksi bioteknologi. Secara umum, mikroorganisme - bakteri dan jamur - telah menginjeksi manusia sejak zaman dahulu kala, dan sebelum penemuan Louis Pasteur, orang bahkan tidak menyadari bahwa, menguleni adonan ragi, memfermentasi susu, membuat anggur atau bir, mereka berurusan dengan pekerjaan makhluk hidup.
Mencari kekuatan super
Tetapi bagaimanapun juga, secara naluriah, dengan metode seleksi spontan selama ribuan tahun, orang telah berhasil memilih kultur berkualitas tinggi untuk pembuatan anggur, pembuatan keju, memanggang dari bentuk mikroorganisme alami yang "liar". Hal lain adalah bahwa di era terbaru, aplikasi baru telah ditemukan untuk bakteri yang bekerja. Perusahaan bioteknologi skala besar bermunculan untuk memproduksi, misalnya, bahan kimia penting seperti asam amino atau asam organik.
Inti dari produksi bioteknologi adalah mikroorganisme, yang menyerap bahan mentah, seperti gula, melepaskan metabolit tertentu, produk metabolisme. Metabolit ini adalah produk akhir. Satu-satunya masalah adalah bahwa beberapa ribu metabolit ada di dalam sel, dan produksi membutuhkan satu, tetapi dalam jumlah yang sangat besar - misalnya, 100 g / l (terlepas dari kenyataan bahwa dalam kondisi alami, metabolit akan diproduksi dalam jumlah dua. tiga kali lipat lebih kecil). Dan tentu saja, bakteri harus bekerja sangat cepat - untuk memberikan jumlah produk yang dibutuhkan, katakanlah, dalam dua hari. Indikator seperti itu tidak lagi mampu membentuk liar - sistem "pabrik keringat" ini membutuhkan supermutan, organisme dengan lusinan modifikasi genom yang berbeda.
Video promosi:
Lebih dekat dengan alam
Di sini ada baiknya mengajukan pertanyaan: mengapa melibatkan bioteknologi sama sekali - bukankah industri kimia mampu mengatasi produksi asam amino yang sama? Copes. Kimia dapat melakukan banyak hal akhir-akhir ini, tetapi bioteknologi memiliki beberapa keunggulan utama. Pertama, mereka beroperasi dengan sumber daya terbarukan. Sekarang, tanaman yang mengandung pati dan gula (gandum, jagung, bit gula) terutama digunakan sebagai bahan baku. Di masa depan diyakini bahwa selulosa (kayu, jerami, kue) akan aktif digunakan. Industri kimia bekerja terutama dengan hidrokarbon fosil.
Kedua, bioteknologi didasarkan pada enzim sel hidup yang bekerja pada tekanan atmosfer, suhu normal, dalam media air non-agresif. Sintesis kimiawi terjadi, pada umumnya, di bawah tekanan yang sangat besar, suhu tinggi, menggunakan bahan kaustik, serta bahan peledak dan berbahaya kebakaran.
Ketiga, kimia modern didasarkan pada penggunaan proses katalitik, dan logam biasanya bertindak sebagai katalis. Logam bukanlah bahan mentah yang dapat diperbarui, dan penggunaannya berisiko dari sudut pandang lingkungan. Dalam bioteknologi, fungsi katalis dilakukan oleh sel itu sendiri, dan, jika perlu, sel mudah digunakan: mereka terurai menjadi air, karbon dioksida, dan sejumlah kecil sulfur.
Terakhir, keunggulan keempat terletak pada sifat-sifat produk yang dihasilkan. Misalnya, asam amino adalah stereoisomer, yaitu molekul memiliki dua bentuk yang memiliki struktur yang sama, tetapi disusun secara spasial sebagai bayangan cermin satu sama lain. Karena bentuk asam amino L dan D membiaskan cahaya dengan cara yang berbeda, bentuk seperti itu disebut optik.
Kimia versus bioteknologi.
Dari sudut pandang biologi, terdapat perbedaan yang signifikan antara bentuk-bentuk tersebut: hanya bentuk-L yang aktif secara biologis, hanya bentuk-L yang digunakan oleh sel sebagai bahan penyusun protein. Dalam sintesis kimia, campuran isomer diperoleh; ekstraksi bentuk yang benar darinya adalah proses produksi yang terpisah. Mikroorganisme, sebagai struktur biologis, menghasilkan zat hanya dalam satu bentuk optik (dalam kasus asam amino, hanya dalam bentuk L), yang membuat produk menjadi bahan baku yang ideal untuk obat-obatan.
Pertempuran kandang
Jadi, masalah peningkatan produktivitas industri bioteknologi dengan strain alami tidak dapat diselesaikan. Teknik rekayasa genetika perlu digunakan untuk benar-benar mengubah gaya hidup sel. Semua kekuatannya, semua energinya, dan semua yang dia konsumsi harus diarahkan ke pertumbuhan yang sedikit dan (terutama) produksi sejumlah besar metabolit yang diinginkan, baik itu asam amino, asam organik atau antibiotik.
Bagaimana bakteri mutan dibuat? Belakangan ini terlihat seperti ini: mereka mengambil strain liar, kemudian melakukan mutagenesis (yaitu, pengobatan dengan zat khusus yang meningkatkan jumlah mutasi). Sel yang dirawat dilapisi, dan ribuan klon individu diperoleh. Dan ada lusinan orang yang menguji klon ini dan mencari mutasi yang paling efektif sebagai produsen.
Klon yang paling menjanjikan dipilih, dan gelombang mutagenesis berikutnya mengikuti, dan lagi-lagi penyebaran, dan seleksi lagi. Padahal, semua ini tidak jauh berbeda dengan seleksi biasa yang sudah lama digunakan dalam peternakan dan produksi tanaman, kecuali untuk penggunaan mutagenesis. Jadi selama beberapa dekade, para ilmuwan telah memilih yang terbaik dari banyak generasi mikroorganisme mutan.
Pendekatan yang berbeda digunakan hari ini. Semuanya sekarang dimulai dengan analisis jalur metabolisme dan identifikasi jalur utama untuk konversi gula menjadi produk target (dan jalur ini dapat terdiri dari selusin reaksi perantara). Memang, di dalam sel, biasanya, ada banyak jalur samping, ketika bahan mentah awal menuju ke beberapa metabolit yang sama sekali tidak diperlukan untuk produksi. Dan pertama, semua jalur ini harus dipotong sehingga konversi diarahkan langsung ke produk target. Bagaimana cara melakukannya? Ubah genom mikroorganisme. Untuk ini, enzim khusus dan fragmen kecil DNA - "primer" digunakan. Dengan bantuan apa yang disebut reaksi polisiklik dalam tabung reaksi, satu gen dapat ditarik keluar dari sel, disalin dalam jumlah besar dan mengalami perubahan.
Tugas selanjutnya adalah mengembalikan gen ke sel. Gen yang sudah berubah dimasukkan ke dalam "vektor" - ini adalah molekul DNA melingkar kecil. Mereka mampu mentransfer gen yang diubah dari tabung reaksi kembali ke dalam sel, di mana gen itu menggantikan gen asli sebelumnya. Dengan demikian, Anda dapat memasukkan mutasi yang sepenuhnya mengganggu fungsi produksi gen yang tidak perlu, atau mutasi yang mengubah fungsinya.
Di dalam sel, terdapat sistem yang sangat kompleks yang mencegah produksi metabolit dalam jumlah berlebihan, lisin yang sama, misalnya. Ini diproduksi secara alami dalam jumlah sekitar 100 mg / l. Jika jumlahnya lebih banyak, maka lisin sendiri mulai menghambat (memperlambat) reaksi awal yang mengarah ke produksinya. Umpan balik negatif muncul, yang hanya dapat dihilangkan dengan memasukkan mutasi gen lain ke dalam sel.
Namun, membersihkan jalur bahan mentah ke produk akhir dan menghilangkan hambatan yang dibangun ke dalam genom pada produksi berlebihan dari metabolit yang dibutuhkan tidak semuanya. Karena, seperti yang telah disebutkan, pembentukan produk yang diinginkan terjadi di dalam sel sejumlah tahapan, di masing-masing tahap dapat terjadi "efek penghambat". Misalnya, pada salah satu tahapan, enzim bekerja dengan cepat dan banyak produk antara diproduksi, tetapi pada tahap berikutnya keluaran turun dan kelebihan produk yang tidak diklaim mengancam aktivitas vital sel. Ini berarti perlu untuk memperkuat kerja gen yang bertanggung jawab atas tahap lambat.
Anda dapat meningkatkan kerja suatu gen dengan meningkatkan jumlah salinannya - dengan kata lain, dengan memasukkan bukan hanya satu, tetapi dua, tiga, atau sepuluh salinan gen tersebut ke dalam genom. Pendekatan lain adalah dengan "menghubungkan" gen sebagai "promotor" yang kuat, atau bagian DNA yang bertanggung jawab atas ekspresi gen tertentu. Tetapi "pelepasan" dari satu "kemacetan" tidak berarti sama sekali bahwa hal itu tidak akan muncul pada tahap berikutnya. Selain itu, ada banyak faktor yang mempengaruhi jalannya setiap tahap untuk mendapatkan produk - perlu memperhitungkan pengaruhnya dan melakukan penyesuaian pada informasi gen.
Dengan demikian, "persaingan" dengan kandang bisa berlangsung bertahun-tahun. Butuh waktu sekitar 40 tahun untuk meningkatkan bioteknologi produksi lisin, dan selama ini regangan "diajarkan" untuk menghasilkan 200 g lisin per liter dalam 50 jam (sebagai perbandingan: empat dekade lalu angka ini adalah 18 g / l). Tetapi sel terus melawan, karena cara hidup mikroorganisme seperti itu sangat sulit. Dia jelas tidak ingin bekerja di bagian produksi. Dan oleh karena itu, jika kualitas kultur sel tidak dipantau secara teratur, mutasi pasti akan muncul di dalamnya yang mengurangi produktivitas, yang akan segera diambil melalui seleksi. Semua ini menunjukkan bahwa bioteknologi bukanlah sesuatu yang dapat dikembangkan sekali, dan kemudian akan bekerja dengan sendirinya. Dan kebutuhan untuk meningkatkan efisiensi ekonomi dan daya saing industri bioteknologi, dan pencegahan degradasi strain berkinerja tinggi yang diciptakan - semua membutuhkan kerja terus-menerus, termasuk penelitian fundamental di bidang fungsi gen dan proses seluler.
Satu pertanyaan tersisa: bukankah organisme mutan berbahaya bagi manusia? Bagaimana jika mereka berakhir di lingkungan dari bioreaktor? Untungnya, tidak ada bahaya. Sel-sel ini cacat, mereka sama sekali tidak beradaptasi dengan kehidupan dalam kondisi alami dan pasti akan mati. Segala sesuatu di dalam sel mutan telah berubah begitu banyak sehingga hanya dapat tumbuh dalam kondisi buatan, dalam lingkungan tertentu, dengan jenis nutrisi tertentu. Tidak ada cara untuk kembali ke alam liar bagi makhluk hidup ini.
Penulis adalah Wakil Direktur Lembaga Penelitian Genetika Negara, Doktor Ilmu Biologi, Profesor Alexander Yanenko.
