Ces êtres vivants ne pourront jamais vivre en liberté. Leur génome a été redessiné à plusieurs reprises pour une seule tâche: travailler sans relâche pour une personne. Des millions de ces biorobots produisent en grande quantité ce dont ils n'ont pratiquement pas besoin. Ils résistent, ils aimeraient vivre différemment, mais qui le permettra?
Rédigé dans un style dystopique, le passage introductif est en fait une réalité quotidienne. Ce sont des microorganismes spécialement adaptés pour travailler dans la production biotechnologique. D'une manière générale, les microorganismes - bactéries et champignons - injectent l'humanité depuis des temps immémoriaux, et avant les découvertes de Louis Pasteur, on ne se rendait même pas compte que, pétrir la pâte levée, fermenter le lait, faire du vin ou de la bière, ils avaient affaire au travail des êtres vivants.
À la recherche de super pouvoirs
Quoi qu'il en soit, intuitivement, par la méthode de sélection spontanée au cours des millénaires, les gens ont réussi à sélectionner parmi des formes naturelles et «sauvages» de micro-organismes des cultures de haute qualité pour la vinification, la fabrication du fromage, la boulangerie. Une autre chose est que déjà dans l'ère la plus récente, de nouvelles applications ont été trouvées pour les bactéries actives. Des entreprises de biotechnologie à grande échelle ont vu le jour pour produire, par exemple, des produits chimiques importants tels que des acides aminés ou des acides organiques.
L'essence de la production biotechnologique est que les micro-organismes, absorbant les matières premières, comme le sucre, libèrent un certain métabolite, un produit métabolique. Ce métabolite est le produit final. Le seul problème est que plusieurs milliers de métabolites sont présents dans la cellule, et la production en nécessite un, mais en très grande quantité - par exemple 100 g / l (malgré le fait que dans des conditions naturelles, le métabolite serait produit en quantités par deux trois ordres de grandeur plus petits). Et bien sûr, les bactéries doivent agir très rapidement - pour donner la quantité requise de produit, par exemple, en deux jours. De tels indicateurs ne sont plus capables de formes sauvages - ce système «d'atelier» nécessite des supermutants, des organismes avec des dizaines de modifications génomiques différentes.
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Plus proche de la nature
Ici, il convient de se poser une question: pourquoi impliquer la biotechnologie? L'industrie chimique n'est-elle pas capable de faire face à la production des mêmes acides aminés? Copes. La chimie peut faire beaucoup de nos jours, mais la biotechnologie présente plusieurs avantages majeurs. Premièrement, ils fonctionnent avec des ressources renouvelables. Désormais, l'amidon et les plantes sucrées (blé, maïs, betteraves à sucre) sont principalement utilisées comme matières premières. À l'avenir, on pense que la cellulose (bois, paille, tourteau) sera activement utilisée. L'industrie chimique travaille principalement avec des hydrocarbures fossiles.
Deuxièmement, la biotechnologie est basée sur les enzymes des cellules vivantes qui travaillent à pression atmosphérique, température normale, dans des milieux aqueux non agressifs. La synthèse chimique a généralement lieu sous une pression énorme, à des températures élevées, en utilisant des substances caustiques, ainsi que des explosifs et des incendies.
Troisièmement, la chimie moderne est basée sur l'utilisation de processus catalytiques, et les métaux, en règle générale, agissent comme des catalyseurs. Les métaux ne sont pas une matière première renouvelable et leur utilisation est risquée d'un point de vue environnemental. En biotechnologie, la fonction des catalyseurs est assurée par les cellules elles-mêmes et, si nécessaire, les cellules sont faciles à utiliser: elles se décomposent en eau, en dioxyde de carbone et en une petite quantité de soufre.
Enfin, le quatrième avantage réside dans les propriétés du produit obtenu. Par exemple, les acides aminés sont des stéréoisomères, c'est-à-dire que les molécules ont deux formes qui ont la même structure, mais sont organisées spatialement comme des images miroir l'une de l'autre. Puisque les formes L et D des acides aminés réfractent la lumière de différentes manières, ces formes sont appelées optiques.
Chimie contre biotechnologie.
Du point de vue de la biologie, il existe une différence significative entre les formes: seules les formes L sont biologiquement actives, seule la forme L est utilisée par la cellule comme matériau de construction des protéines. En synthèse chimique, un mélange d'isomères est obtenu; l'extraction des formes correctes à partir de celui-ci est un processus de production séparé. Le microorganisme, en tant que structure biologique, produit des substances d'une seule forme optique (dans le cas des acides aminés, uniquement sous forme L), ce qui fait du produit une matière première idéale pour les produits pharmaceutiques.
Bataille en cage
Ainsi, le problème de l'augmentation de la productivité des industries biotechnologiques avec des souches naturelles ne peut être résolu. Il est nécessaire d'utiliser des techniques de génie génétique pour modifier réellement le mode de vie de la cellule. Toute sa force, toute son énergie et tout ce qu'elle consomme doit être orienté vers la croissance maigre et (principalement) la production de grandes quantités du métabolite souhaité, que ce soit un acide aminé, des acides organiques ou un antibiotique.
Comment les bactéries mutantes sont-elles créées? Ces derniers temps, cela ressemblait à ceci: ils ont pris une souche sauvage, puis ont effectué une mutagenèse (c'est-à-dire un traitement avec des substances spéciales qui augmentent le nombre de mutations). Les cellules traitées ont été étalées et des milliers de clones individuels ont été obtenus. Et des dizaines de personnes ont testé ces clones et recherché les mutations les plus efficaces en tant que producteurs.
Les clones les plus prometteurs ont été sélectionnés, et la prochaine vague de mutagenèse a suivi, et encore une fois la dispersion, et à nouveau la sélection. En fait, tout cela n'était pas très différent de la sélection habituelle, qui a longtemps été utilisée dans l'élevage et la production végétale, à l'exception de l'utilisation de la mutagenèse. Ainsi, pendant des décennies, les scientifiques ont sélectionné le meilleur des nombreuses générations de micro-organismes mutants.
Une approche différente est utilisée aujourd'hui. Tout commence maintenant par l'analyse des voies métaboliques et l'identification de la voie principale de conversion des sucres en produit cible (et cette voie peut consister en une demi-douzaine de réactions intermédiaires). En effet, dans la cellule, en règle générale, il existe de nombreuses voies secondaires, lorsque la matière première initiale va à certains métabolites qui ne sont pas du tout nécessaires à la production. Et tout d'abord, tous ces chemins doivent être coupés pour que la conversion soit dirigée directement vers le produit cible. Comment faire? Changer le génome d'un micro-organisme. Pour cela, des enzymes spéciales et de petits fragments d'ADN - des «amorces» sont utilisés. À l'aide de la réaction dite polycyclique dans un tube à essai, un seul gène peut être extrait d'une cellule, copié en grande quantité et modifié.
La tâche suivante consiste à renvoyer le gène dans la cellule. Le gène déjà modifié est inséré dans des «vecteurs» - ce sont de petites molécules d'ADN circulaires. Ils sont capables de transférer le gène modifié du tube à essai dans la cellule, où il remplace le gène natif précédent. Ainsi, vous pouvez introduire soit une mutation qui perturbe complètement la fonction d'une production génique inutile, soit une mutation qui change sa fonction.
Dans la cellule, il existe un système très complexe qui empêche la production d'une quantité excessive de n'importe quel métabolite, la même lysine par exemple. Il est produit naturellement en une quantité d'environ 100 mg / l. S'il y en a plus, la lysine elle-même commence à inhiber (ralentir) les réactions initiales menant à sa production. Une rétroaction négative survient, qui ne peut être éliminée qu'en introduisant une autre mutation génique dans la cellule.
Cependant, dégager le chemin des matières premières vers le produit final et supprimer les inhibitions intégrées dans le génome sur la production excessive du métabolite requis ne sont pas tout. Comme, comme déjà mentionné, la formation du produit souhaité a lieu à l'intérieur de la cellule un certain nombre d'étapes, à chacune d'elles un "effet de goulot d'étranglement" peut se produire. Par exemple, à l'une des étapes, l'enzyme agit rapidement et une grande quantité de produit intermédiaire est produite, mais à l'étape suivante, le débit diminue et un excès non réclamé du produit menace l'activité vitale de la cellule. Cela signifie qu'il est nécessaire de renforcer le travail du gène responsable du stade lent.
Vous pouvez améliorer le travail d'un gène en augmentant son nombre de copies - en d'autres termes, en insérant non pas une, mais deux, trois ou dix copies du gène dans le génome. Une autre approche consiste à "lier" à un gène un "promoteur" fort, ou une section d'ADN responsable de l'expression d'un gène particulier. Mais le «descellement» d'un «goulot d'étranglement» ne signifie pas du tout qu'il ne se produira pas à l'étape suivante. De plus, de nombreux facteurs affectent le déroulement de chaque étape d'obtention d'un produit - il est nécessaire de prendre en compte leur influence et d'ajuster les informations génétiques.
Ainsi, la «compétition» avec la cage peut durer de nombreuses années. Il a fallu environ 40 ans pour améliorer la biotechnologie de la production de lysine, et pendant ce temps, la souche a «appris» à produire 200 g de lysine par litre en 50 heures (à titre de comparaison: il y a quatre décennies, ce chiffre était de 18 g / l). Mais la cellule continue de résister, car un tel mode de vie pour le microorganisme est extrêmement difficile. Elle ne veut clairement pas travailler dans la production. Et par conséquent, si la qualité des cultures cellulaires n'est pas régulièrement surveillée, des mutations se produiront inévitablement en elles qui réduiront la productivité, qui sera facilement captée par sélection. Tout cela donne à penser que la biotechnologie n'est pas une chose qui peut être développée une fois, puis elle agira d'elle-même. Et la nécessité d'augmenter l'efficacité économique et la compétitivité des industries biotechnologiques, et la prévention de la dégradation des souches hautes performances créées - nécessitent tous un travail constant, y compris une recherche fondamentale dans le domaine des fonctions géniques et des processus cellulaires.
Une question demeure: les organismes mutants ne sont-ils pas dangereux pour l'homme? Et s'ils se retrouvent dans l'environnement à partir de bioréacteurs? Heureusement, il n'y a aucun danger. Ces cellules sont défectueuses, elles ne sont absolument pas adaptées à la vie dans des conditions naturelles et mourront inévitablement. Tout dans la cellule mutante a tellement changé qu'elle ne peut croître que dans des conditions artificielles, dans un certain environnement, avec un certain type de nutrition. Il n'y a aucun moyen de revenir à l'état sauvage pour ces êtres vivants.
L'auteur est directeur adjoint de l'Institut national de recherche en génétique, docteur en sciences biologiques, professeur Alexander Yanenko.
