Esses seres vivos nunca poderão viver em liberdade. Seu genoma foi redesenhado repetidamente por causa de apenas uma tarefa - trabalhar incansavelmente para os humanos. Milhões desses biorobôs produzem em grandes quantidades o que eles próprios praticamente não precisam. Eles resistem, gostariam de viver diferente, mas quem vai permitir?
Escrita em um estilo distópico, a passagem introdutória é de fato uma realidade cotidiana. São microrganismos especialmente adaptados para atuar na produção biotecnológica. De modo geral, microorganismos - bactérias e fungos - injetam a humanidade desde tempos imemoriais e, antes das descobertas de Louis Pasteur, as pessoas nem se davam conta de que, amassando a massa de fermento, fermentando leite, fazendo vinho ou cerveja, estavam lidando com o trabalho de seres vivos.
Em busca de superpoderes
Mas seja como for, intuitivamente, pelo método da seleção espontânea ao longo dos milênios, as pessoas conseguiram selecionar culturas de alta qualidade para vinificação, fabricação de queijos, cozimento a partir de formas naturais "selvagens" de microorganismos. Outra coisa é que já na era mais recente, novas aplicações foram encontradas para bactérias ativas. Empresas de biotecnologia em grande escala surgiram para produzir, por exemplo, produtos químicos importantes como aminoácidos ou ácidos orgânicos.
A essência da produção biotecnológica é que os microrganismos, absorvendo matérias-primas, como o açúcar, liberam um determinado metabólito, um produto metabólico. Este metabólito é o produto final. O único problema é que vários milhares de metabólitos estão presentes na célula e a produção precisa de um, mas em quantidades muito grandes - por exemplo, 100 g / l (apesar do fato de que em condições naturais o metabólito seria produzido em quantidades de dois três ordens de magnitude menor). E, claro, as bactérias devem agir muito rapidamente - para distribuir a quantidade necessária de produto, digamos, em dois dias. Esses indicadores não são mais capazes de formar formas selvagens - esse sistema "explorador" requer supermutantes, organismos com dezenas de modificações diferentes do genoma.
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Mais perto da natureza
Aqui vale a pena fazer uma pergunta: por que envolver a biotecnologia afinal - a indústria química não é capaz de lidar com a produção dos mesmos aminoácidos? Copes. A química pode fazer muito hoje em dia, mas a biotecnologia tem várias vantagens importantes. Primeiro, eles operam com recursos renováveis. Agora, amido e plantas que contêm açúcar (trigo, milho, beterraba sacarina) são usados principalmente como matérias-primas. No futuro, acredita-se que a celulose (madeira, palha, torta) terá um uso ativo. A indústria química trabalha principalmente com hidrocarbonetos fósseis.
Em segundo lugar, a biotecnologia é baseada nas enzimas de células vivas que funcionam à pressão atmosférica, temperatura normal, em meio aquoso não agressivo. A síntese química realiza-se, via de regra, sob enorme pressão, altas temperaturas, utilizando cáusticas, bem como substâncias explosivas e perigosas de fogo.
Em terceiro lugar, a química moderna se baseia no uso de processos catalíticos, e os metais, via de regra, atuam como catalisadores. Os metais não são uma matéria-prima renovável e seu uso é arriscado do ponto de vista ambiental. Na biotecnologia, a função dos catalisadores é desempenhada pelas próprias células e, se necessário, as células são fáceis de utilizar: decompõem-se em água, dióxido de carbono e uma pequena quantidade de enxofre.
Finalmente, a quarta vantagem reside nas propriedades do produto resultante. Por exemplo, os aminoácidos são estereoisômeros, ou seja, as moléculas têm duas formas que têm a mesma estrutura, mas são espacialmente organizadas como imagens espelhadas uma da outra. Como as formas L e D dos aminoácidos refratam a luz de maneiras diferentes, essas formas são chamadas de ópticas.
Química versus biotecnologia.
Do ponto de vista da biologia, há uma diferença significativa entre as formas: apenas as formas L são biologicamente ativas, apenas a forma L é usada pela célula como um material de construção para proteínas. Na síntese química, uma mistura de isômeros é obtida, a extração das formas corretas é um processo de produção separado. O microrganismo, como estrutura biológica, produz substâncias de uma única forma ótica (no caso dos aminoácidos, apenas na forma L), o que torna o produto uma matéria-prima ideal para a indústria farmacêutica.
Batalha de gaiola
Portanto, o problema de aumentar a produtividade das indústrias biotecnológicas com cepas naturais não tem solução. É necessário usar técnicas de engenharia genética para realmente mudar o estilo de vida da célula. Toda a sua força, toda a sua energia e tudo o que ela consome devem ser direcionados ao crescimento escasso e (principalmente) à produção de grandes quantidades do metabólito desejado, seja um aminoácido, ácidos orgânicos ou um antibiótico.
Como são criadas as bactérias mutantes? Nos últimos tempos, era assim: pegavam uma cepa selvagem, depois faziam a mutagênese (ou seja, o tratamento com substâncias especiais que aumentam o número de mutações). As células tratadas foram plaqueadas e milhares de clones individuais foram obtidos. E dezenas de pessoas testaram esses clones e procuraram as mutações que são mais eficazes como produtoras.
Os clones mais promissores foram selecionados e a próxima onda de mutagênese se seguiu, e novamente a dispersão e novamente a seleção. Na verdade, tudo isso não era muito diferente da seleção usual, que há muito é usada na pecuária e na produção agrícola, exceto para o uso de mutagênese. Assim, por décadas, os cientistas selecionaram o melhor de muitas gerações de microrganismos mutantes.
Uma abordagem diferente é usada hoje. Tudo agora começa com a análise das vias metabólicas e a identificação da principal via de conversão dos açúcares no produto alvo (e essa via pode consistir em uma dezena de reações intermediárias). Na verdade, na célula, via de regra, existem muitas vias laterais, quando a matéria-prima inicial vai para alguns metabólitos que não são absolutamente necessários para a produção. E, primeiro, todos esses caminhos precisam ser cortados para que a conversão seja direcionada diretamente ao produto alvo. Como fazer isso? Altere o genoma de um microrganismo. Para isso, são utilizadas enzimas especiais e pequenos fragmentos de DNA - “primers”. Com a ajuda da chamada reação policíclica em um tubo de ensaio, um único gene pode ser retirado de uma célula, copiado em grandes quantidades e alterado.
A próxima tarefa é devolver o gene à célula. O gene já alterado é inserido em "vetores" - são pequenas moléculas circulares de DNA. Eles são capazes de transferir o gene alterado do tubo de ensaio de volta para a célula, onde ele substitui o gene nativo anterior. Assim, você pode introduzir uma mutação que interrompa completamente a função de uma produção de gene desnecessária ou uma mutação que altere sua função.
Na célula, existe um sistema muito complexo que impede a produção de uma quantidade excessiva de qualquer metabólito, a mesma lisina, por exemplo. É produzido naturalmente em uma quantidade de cerca de 100 mg / l. Se houver mais, a própria lisina começa a inibir (desacelerar) as reações iniciais que levam à sua produção. Surge um feedback negativo, que só pode ser eliminado com a introdução de outra mutação genética na célula.
No entanto, limpar o caminho das matérias-primas para o produto final e remover as inibições embutidas no genoma sobre a produção excessiva do metabólito necessário não é tudo. Como, como já foi mencionado, a formação do produto desejado ocorre dentro da célula um certo número de etapas, em cada uma delas pode ocorrer um "efeito gargalo". Por exemplo, em um dos estágios, a enzima atua rapidamente e uma grande quantidade de produto intermediário é produzida, mas no estágio seguinte a produção cai e um excesso não reclamado do produto ameaça a atividade vital da célula. Isso significa que é necessário fortalecer o trabalho do gene responsável pelo estágio lento.
Você pode aprimorar o trabalho de um gene aumentando seu número de cópias - em outras palavras, inserindo não uma, mas duas, três ou dez cópias do gene no genoma. Outra abordagem é "ligar" a um gene um "promotor" forte, ou uma seção de DNA responsável pela expressão de um determinado gene. Mas o “desbloqueio” de um “gargalo” não significa de forma alguma que ele não surgirá no próximo estágio. Além disso, há uma série de fatores que afetam o curso de cada etapa da obtenção de um produto - é necessário levar em consideração sua influência e fazer ajustes nas informações do gene.
Assim, a "competição" com a gaiola pode durar muitos anos. Demorou cerca de 40 anos para melhorar a biotecnologia da produção de lisina, e durante este tempo a cepa foi "ensinada" a produzir 200 g de lisina por litro em 50 horas (para comparação: há quatro décadas esse número era de 18 g / l). Mas a célula continua resistindo, porque tal modo de vida para o microrganismo é extremamente difícil. Ela claramente não quer trabalhar na produção. E, portanto, se a qualidade das culturas de células não for monitorada regularmente, inevitavelmente surgirão nelas mutações que reduzem a produtividade, que serão prontamente detectadas pela seleção. Tudo isso sugere que a biotecnologia não é algo que possa ser desenvolvido uma vez e, então, atuará por conta própria. E a necessidade de melhorar a eficiência econômica e a competitividade das indústrias biotecnológicas, e a prevenção da degradação das cepas de alto desempenho criadas - tudo exige trabalho constante, incluindo pesquisa fundamental no campo das funções dos genes e processos celulares.
Resta uma questão: os organismos mutantes não são perigosos para os humanos? E se eles acabarem no ambiente por causa de biorreatores? Felizmente, não há perigo. Essas células são defeituosas, não estão absolutamente adaptadas à vida em condições naturais e inevitavelmente morrerão. Tudo na célula mutante mudou tanto que ela só pode crescer em condições artificiais, em certo ambiente, com certo tipo de nutrição. Não há como voltar ao estado selvagem para esses seres vivos.
O autor é vice-diretor do Instituto Estadual de Pesquisa de Genética, Doutor em Ciências Biológicas, Professor Alexander Yanenko.
