Bioreactoare verzi

biofactory Plant

Dezvoltarea biotehnologiilor a deschis noi posibilități de utilizare a organismelor vii în beneficiul omenirii. Metodele de inginerie genetică permit producerea de substanțe diferite în obiecte vii, prin urmare, putem folosi aceste obiecte ca "fabrici" naturale. Dogma centrală a biologiei moleculare în cazul general este: proteina ADN-ARN. Este o proteină care este adesea produsul final al producției biotehnologice: poate fi insulină, interferoni, anticorpi, enzime, vaccinuri. Trebuie doar să setăm programul și să îl "scriem" în ADN, iar obiectul viu va face totul în sine. Ca celulele de drojdie "fabrici" se folosesc celule de drojdie, bacterii, plante, precum și culturi celulare de insecte și mamifere. În acest articol vom vorbi despre bio-fabrici de plante.







Ce este o plantă-biofăfăcător?

Cum să explicați conceptul de "plantă-biofăcătorie"? Putem spune că aceasta este o întreprindere naturală care va produce bioprodusul de care avem nevoie. Spre deosebire de o fabrică obișnuită, astfel de muncitori nu vor lucra ca lucrători, ci ca componente ale celulelor: polimeraze ale acizilor nucleici, ribozomi, tARN și multe altele. Și vor produce proteine.

De ce plante?

În prezent, culturile de bacterii, drojdii, insecte și mamifere sunt cele mai des folosite pentru producerea de proteine. Un sistem foarte atractiv de sinteză și acumulare a proteinelor recombinante (sistemul de expresie) sunt ambele plante și există mai multe motive pentru aceasta. În primul rând, în țesuturile vegetale nu există riscul de contaminare a proteinei recombinante de către virușii animalelor și proteinele prionice - infecțioase [1]. Celulele de plantă asigură modificarea corectă a proteinei recombinante, caracteristică celulelor eucariote [2, 3]. De asemenea, o mare importanță sunt costul, simplitatea și timpul. Figura 1 compară mai multe sisteme majore de expresie.


Figura 1. Compararea sistemelor de producere a proteinelor recombinante
(de la cel mai atractiv "+" la cel mai puțin atractiv "-").

Fiecare biofăcător are argumente pro și contra. Dar sistemul de plante pentru multe situații este cel mai atractiv.

Cum de a face o planta produce proteine?

Pentru ca planta să producă proteina dorită, este necesar să se introducă în celulele acestei plante un material genetic străin - o secvență de ADN care codifică secvența de aminoacizi a proteinei dorite.

Prima modificare pas de plante folosind tehnici de inginerie genetică includ căutarea și selectarea (sau sinteza) a genelor care urmează să fie transferate în genomul plantei. Genele de interes pentru (gene țintă) biotehnologia poate fi „crescute“ prin mijloace chimice, și sunt transformate prin intermediul PCR (reacția în lanț a polimerazei). Apoi, gena țintă este integrat într-un vector adecvat, care livrează la locul de producere a proteinei - la fel ca și transportul cu materia primă se lipește de motorul este ghidat la fabrică.

Cum se transferă secvența de ADN necesară celulei de plante?

În prezent, sunt folosite mai des două metode.

Prima implică utilizarea de inginerie naturale „competențe“ sol Agrobacterium genetice Agrobacterium tumefaciens, capabile să transfere fragmente de ADN în celula de plantă, adică, modifica genetic. Acest proces în natură are loc peste tot și în mod regulat. În A.tumefaciens naturale, în plus față de cromozom, se conține o plasmidă Ti. care include așa-numita ADN-T (ADN transferat) de 12-22 mii de perechi de nucleotide, încorporat în ADN-ul cromozomului plantelor. Acesta codifică enzime opine sinteză și fitohormoni - derivați de aminoacizi sunt utilizate ca sursă de carbon de o bacterie, azot și energie.

Ti-plasmidele Ti-ADN au două proprietăți care o fac aproape un vector ideal pentru introducerea de gene străine în celulele de plante. În primul rând, gama de gazde Agrobacterium este foarte larg: ele transforma celulele de aproape toate dicotiledonate (și, în unele eforturi, puteți obține infectate și monocotiledonate, inclusiv cereale). În al doilea rând, integrate în genomul plantei un ADN-T este moștenită ca o trăsătură dominantă simplă, în conformitate cu legile Mendel. Cea mai simplă metodă de introducere a ADN-T în celulele plantelor - infectarea A.tumefaciens sale, care conține plasmida Ti corespunzătoare este furnizată în continuare cursul natural al evenimentelor. Este necesar doar să se poată integra genele necesare în segmentul T al ADN-ului plasmidic.

După penetrarea agrobacteriilor în spațiul intercelular, ADN-ul T este transferat de la agrobacterium la nucleul celulei vegetale și integrat în ADN-ul cromozomial. Apoi, există transcrierea și translația - proteina țintă este sintetizată. Bacteria însăși nu penetrează în celulă, ci rămâne în spațiul intercelular.

A doua metodă este transformarea balistică folosind o arma genetică. Particulele mici de aur sau tungsten acoperă ADN-ul străin și sunt "trase" în celulele de plante tinere. Această metodă vă permite să încorporați genele dorite nu sunt numai în cromozomi de plante, dar, de asemenea, în genomul organite - plastide. Acest lucru este foarte util în special pentru producerea de plante care sunt protejate împotriva dăunătorilor, dar sunt sigure pentru polenizatori, deoarece transgenele nu sunt exprimate în flori non-plastide. Recent transgenice astfel stabilită (- și anume transplastomic) Cartofi, în cloroplastele care se formează și se depozitează ARN dublu catenar intacte care blochează sinteza proteinelor de vitale gândacului Colorado - beta-actin. Burta de frunze de cartofi, larve de gîndac sunt uciși în câteva zile. [6]

Metodele mai puțin obișnuite, dar totuși eficiente de transformare sunt electroporarea și transformarea cu ajutorul virușilor.

Expresia constantă și temporară a genei

In ingineria genetică a plantelor se pot întâlni astfel de concepte: modificate genetic (MG sau transgenice) plantă și o plantă, oferind tranzitorie expresia genelor (temporară). Care este diferența?







Dacă este o plantă transgenică, se presupune că ADN străin este integrat în cromozom. Până în prezent, zece tipuri obținute de plante transgenice, genomul care ADN-ul transferat care codifică diferite proteine ​​în scopuri medicale, cum ar fi diverse antigene ale agenților infecțioși, proteine ​​terapeutice si anticorpi monoclonali [7, 8, 9]. Totuși, cantitatea de proteină țintă sintetizată în astfel de plante este de obicei mică (mai puțin de 1% din proteina solubilă totală).

Cu expresie tranzitorie, ADN-ul nu este inclus în genomul nuclear, nu este reprodus și nu este moștenit. Acest tip de expresie nu este permanent, dar pentru un timp un număr mare de copii de ADN străin pot fi prezente într-o singură celulă, ceea ce asigură un nivel ridicat de sinteză a produsului final. Cu producția de proteine ​​în plante, această opțiune este cea mai eficientă. Am închiriat fabrica și se dovedește a fi mai profitabilă decât să o cumperi. Figura 2 prezintă modelul de transfer la o celulă de plantă a ADN pentru exprimarea tranzitorie (ca un curier - Agrobacterium tumefaciens).


Figura 2. Expresia tranzitorie a genelor străine în plante prin agroinfiltrare.
A - mecanismul general al procesului, B - vizualizarea reporterului sintetizat în plantă -
GFP (proteină verde fluorescentă) - iluminarea frunzelor prin ultraviolete.

Ce poate produce o plantă-biofăfăcător?

Utilizarea plantelor în biotehnologie se dezvoltă în mai multe direcții (Figura 3).


Figura 3. Posibilități de utilizare a plantelor în scopuri biotehnologice.

Același grup include plante transgenice, care sunt folosite ca obiecte model pentru studierea problemelor fundamentale ale funcționării genelor.

Multe plante modificate genetic sunt acum în producție de masă. Acestea sunt soia, porumb, cartofi, plante uleioase (rapiță și floarea soarelui) și multe altele (Figura 4). Țările principale în producția de astfel de instalații sunt SUA, Canada, Argentina și Brazilia. Coboară cu China și Japonia. Unele țări din UE și Australia operează cu mai multe plante.


Figura 4. Exemple de plante transgenice.

Printre companiile care dezvoltă plante transgenice se numără Calgen, Monsanto, Ciba Seeds. În ciuda faptului că plantele modificate genetic sunt vândute pe mai multe piețe din întreaga lume, discuțiile despre siguranța utilizării lor nu sunt încă complete. Cele mai multe zvonuri și scandaluri se desfășoară în jurul companiei "Monsanto". Principalele produse ale acestei companii - un semințe de porumb modificat genetic, soia, bumbac, iar cele mai comune în lumea ierbicidul „Roundup“ (nume generic - glifosat).

În „Bioinginerie“ Centrul, Academia Rusă de Științe în ultimele două decenii lucrează la ingineria genetică a plantelor - atât pentru cercetarea fundamentală și pentru agricultură. soiuri de cartofi modificate genetic au fost dezvoltate, care sunt rezistente la gândacul de Colorado, varietate de rezistente la erbicide și viruși, și altele de sfeclă. Aceste culturi ar putea rezolva o serie de sarcini în agricultură, dar din cauza încă existente în restricțiile legale rusești care nu sunt cultivate în aer liber sol. Desigur, această interdicție este mai mult decât ciudată, deoarece importul de produse modificate genetic în țară este permis.

A doua direcție este crearea de vaccinuri comestibile. În acest caz, se produce o plantă modificată genetic care sintetizează vaccinul. O astfel de idee atractivă pare: se află sub un palmier, se mănâncă o banană, și nu o infecție tropicală ia!

plante transgenice de cartof create și proteina virusului nucleocapsidei producătoare de tutun Norfolk, cauzând gastroenteritei acute la om și este rezistent la alcool antiseptic. A existat, de asemenea, un cartof transgenic care sintetizează polipeptida LT-B, o subunitate a toxinei termolabile E. coli care provoacă diaree. Cu toate acestea, în ciuda cercetărilor active din acest domeniu, nu există pregătiri comerciale pentru ziua de azi.

A treia direcție este asociată cu dezvoltarea anumitor produse în plante, care sunt apoi izolate de plante și pot fi folosite, de exemplu, ca medicamente. Companiile biotehnologice din întreaga lume au creat deja un număr mare de plante modificate genetic pentru producția de proteine, inclusiv aplicații medicale [14].

Printre companiile ale căror activități se bazează pe utilizarea plantelor transgenice, trebuie remarcat firma Rrotalix (Israel) din Medicago (Canada), LemnaGene (Franța), Planet Biotehnologie (SUA), ProgyGene (Luxemburg), Shlorogen Inc. (SUA), SemBioSys Genetics (Canada) și Bayer AG (Germania).

De la proteine ​​pentru producătorii de insulină în scopuri medicale cele mai populare, lizozima, lactoferină, colagen, lipază, anticorpi, vaccinuri, și altele.

Multe dintre aceste medicamente sunt deja supuse unor studii clinice. Dar tripsina (imaginea din dreapta) este deja disponibilă de la Sigma.

Când timpul de funcționare în produse vegetale celule de sănătate folosesc, de asemenea, metoda de transformare mediată de Agrobacterium asigură exprimarea tranzitorie a genelor la un nivel ridicat. Avantajele evidente ale acestor sisteme sunt ușurința de manipulare, viteză, cost redus și randament ridicat al produsului final. În plus, în acest caz, sinteza proteinelor complexe constând din mai multe subunități este posibilă. Această metodă vă permite să obțineți o cantitate mare de proteine ​​(până la câteva grame de proteine ​​pe kilogram de greutate vegetală) în câteva zile. Randamentul începe deja după trei ore (!), După care pătrunde în celulă și transferul și expresia ADN-ului Agrobacterium persistă până la 10 zile. Timpul maxim de operare este determinat pentru fiecare proteină individual, dar în medie este de 3-4 zile. În total, producția de proteine ​​în plante durează 2-3 săptămâni (Figura 6).


Figura 6. Schema schematică a expresiei genei a proteinelor țintă în plante.
Întregul proces de producție de proteine ​​durează 2-3 săptămâni.

La plante deja lucrează suficient de vaccin împotriva virusului papilloma uman, hepatita B [15], gripă, papiloma bovin [16], boala limbii albastre africană, herpes bovină [17], febrei aftoase [18] și alții.

Centrul de Bioinginerie lucrează și la exprimarea proteinelor terapeutice în plante. Astfel, preparatele vaccinate împotriva virusului gripal au fost produse în celulele Nicotiana benthamiana (un fel de tutun) [19, 20]. Baza medicamentului este o proteină virală M2 foarte conservată, care este atașată la o proteină purtător pentru a crește imunogenitatea. Purtătorul poate fi proteina virusului hepatitei B sau flagelinul bacterian. În cazul flagelinei, preparatul vaccinului este administrat intranazal, ceea ce reprezintă un avantaj clar. Iar utilizarea secvenței foarte conservate a proteinei M2 face ca vaccinul universal, care elimină nevoia de a produce noi și noi variante în fiecare an. Aceste preparate de vaccin au arătat rezultate bune în imunogenitate și protecție în experimente cu animale de laborator; următorul pas ar trebui să fie testarea clinică.

Studiile clinice ale preparatelor de vaccin durează mult timp (aproximativ 10 ani). În mod involuntar, apare întrebarea cu vaccinul împotriva gripei, deoarece noi tulpini apar în fiecare an și va fi actualul studiu clinic actual? Aici, tehnologia de pregătire este de o importanță mai mare. Un nou tip de vaccin trece un ciclu complet de teste clinice, iar apoi procedura deșeurilor pot fi obținute cu vaccinul tulpinilor de virus circulant. Deci, vaccinările preventive sezoniere împotriva gripei sunt obținute în ouăle de pui, iar astfel de vaccinuri nu mai trec studiile clinice. Așa cum se întâmplă în cazul producției în plante a vaccinurilor recombinante pentru utilizare în masă, va fi timpul necesar.

Rezumând, putem spune că plantele au făcut posibilă obținerea proteinelor vitale prin metodele biotehnologiei. Omul a învățat să ia de la natură toate cele mai bune și să evite cele mai grave. Așa cum William Shakespeare din "Romeo și Julieta" a scris despre plantă:

În culorile sale - o aromă de vindecare,
Și în frunze și rădăcini - cea mai puternică otravă.

Astfel, omenirea a învățat să ia o aromă de vindecare, dar nu o otravă mortală în plante. Plantele-biofactorii - un viitor minunat!

Citiți articolele:

O eroare în text?
Selectați-l și apăsați pe ctrl + enter

Citiți și:







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: