zöld bioreaktorok
Plant biofactory
A biotechnológia fejlődésének nyitott új lehetőségeket a az élő szervezetek számára az emberiség javára. Génsebészeti módszerekkel való képes a különböző anyagok élő tárgyak, ezért tudjuk használni ezeket a tárgyakat, mint egy természetes „gyárak”. A centrális dogma molekuláris biológia általánosságban biztosítja: DNS - RNS - protein. Ez gyakran olyan protein a végtermék a biotechnológiai termelési: ez lehet az inzulin, interferonok, antitestek, enzimek, vakcinák. Már csak be kell állítani a programot, és „égnek” azt a DNS-t, és az élő tárgy mindent meg fog tenni magát. Mivel a „gyárak” használt élesztősejtek, baktériumok, növények, és a kulturális rovar- és emlőssejtek. Ebben a cikkben fogunk összpontosítani növényi biofactory.
Mi egy növényi biofabrika?
Hogyan magyarázza a „növény-biofabrika”? Azt lehet mondani, hogy ez egy természetes vállalkozás, amely a kívánt Bioproduct minket. Eltérően a hagyományos növények, hogy egy ilyen vállalkozás fog dolgozni nem működik, és a sejt komponenseket: egy olyan nukleinsav-polimeráz, riboszómák, tRNS, és még sokan mások. És akkor a fehérjét.
Miért növények?
Jelenleg a fehérjék előállítására, baktériumok segítségével gyakran, élesztő-, rovar- és emlős sejtjeibe. Nagyon vonzó rendszer szintézise és felszaporodása rekombináns fehérjék (expressziós rendszer), és olyan növények, és vannak több okból. Először is, a növényi szövet nem szennyeződésének veszélye a rekombináns fehérje az állati vírusok és prionok - fertőző fehérjék [1]. Növényi sejtek biztosítják a megfelelő rekombináns fehérje módosítási jellemző eukarióta sejtek [2, 3]. Ugyancsak fontos költség, az egyszerűség és az időt. 1. ábra összehasonlítja számos alapvető expressziós rendszerek.
1. ábra összehasonlítása termelési rendszerek rekombináns fehérjék
(A legvonzóbb „+” a legkevésbé vonzó „-”).
Minden biofactory van a pluses és hátrányával. De a növény-rendszer sok esetben a legvonzóbb.
Hogyan, hogy a növény termel fehérjét?
Ahhoz, hogy a növények a kívánt fehérje a növényi sejtekben kell, hogy idegen genetikai anyag - a kódoló DNS-szekvencia aminosav-szekvenciája a kérdéses fehérje.
Az első lépés módosítása növények génsebészeti technikák közé tartozik a keresés és kiválasztás (vagy szintézis) a gének átadandó a növényi genomba. Gének a biotechnológia (target gének) lehet „termesztett” vegyi úton, és be vannak kapcsolva a PCR-módszerrel (polimeráz-láncreakció). Ezután a megcélzott gén van integrálva egy megfelelő vektorba, amely biztosítja azt, hogy a helyén fehérje termelődését - mint ahogy a kocsi a nyersanyag ragaszkodik a motor van vezetve a gyárba.
Hogyan lehet mozgatni egy növényi sejtbe a kívánt DNS-szekvenciát?
Jelenleg két módszert használják gyakrabban.
Az első magában foglalja a természetes genetikai „tulajdonságok” talaj Agrobacterium Agrobacterium tumefaciens átadására képes DNS fragmentumok a növényi sejt, azaz genetikailag módosítja. Ez a folyamat természetesen az egész hely, és rendszeresen. Amellett, hogy a természetes A.tumefaciens kromoszóma tartalmaz Ti-plazmid. amely magába foglalja az úgynevezett T-DNS-t (átvitt DNS) hosszúságú 12-22 kilobázis, beépítettük a DNS a növény kromoszómájába. Kódol enzimek gondol szintézis és fitohormon - aminosav-származékokat alkalmazunk szénforrásként egy baktérium, a nitrogén és az energia.
T-DNS a Ti-plazmid két tulajdonságokkal, amelyek segítségével majdnem ideális vektor bevezetésére idegen gének növényi sejtekbe. Először is, a befogadó tartományban Agrobacterium igen széles: változtatják a sejtek szinte minden kétszikűek (és bizonyos törekvések, akkor kap fertőzött és egyszikűek, beleértve a gabonafélék). Másodszor, integrálódik a növény genomjába egy T-DNS-t öröklődnek domináns tulajdonság egyszerű összhangban törvényei Mendel. A legegyszerűbb módszer bevezetésére a T-DNS növényi sejtekbe - megfertőzni a A.tumefaciens, amely tartalmazza a megfelelő Ti-plazmid további biztosított természetes események menetét. Ez csak akkor szükséges, hogy képes legyen bele a kívánt génnek a T-DNS-szegmens plazmid.
Miután penetráció az intercelluláris térbe az Agrobacterium T-DNS-transzfer Agrobacterium a növényi sejtmagba, és beépül a kromoszomális DNS-be. Továbbá van egy transzkripciós és transzlációs - a célfehérje szintetizálódik. Baktérium magát a ketrecben ugyanakkor nem hatol és ott marad a sejtközi térben.
A második út - ballisztikus transzformációs segítségével génpuska. Kis arany vagy wolfram részecskéket bevonjuk az idegen DNS-t, és a „lőni” a fiatal növényi sejtekben. Ez a módszer lehetővé teszi, hogy építsék a kívánt gének nem csak a kromoszómák a növények, hanem a genom sejtszervecskék - plasztiszokba. Ez nagyon hasznos, különösen a növénytermesztés, amelyek védeni a kártevőktől, de biztonságos a beporzó rovarok számára, mert transzgén nem kifejezett, nem plasztiszban virágok. Nemrégiben olyan módon létrehozott transzgenikus (- nevezetesen transzplasztomikus) Burgonya, kloroplasztokban amely képződik és tárolt intakt kettős szálú RNS-t, amely blokkolja a fehérjeszintézist vitális burgonyabogár - béta-aktin. Hasa a burgonya levél, bogár lárvák elpusztulnak néhány napon belül. [6]
Kevésbé gyakori, de még hatékony módon átalakítani - elektroporáció és az átalakulás a vírusok.
Állandó és ideiglenes a gén expresszióját
A géntechnológia a növények meg tud felelni az ilyen fogalmak: genetikailag módosított (GM vagy transzgenikus) üzem és egy növény, amely tranziens (átmeneti) génexpresszió. Mi a különbség?
Amikor a transzgenikus növény, ez úgy értendő, hogy az idegen DNS a kromoszómába integrálódott. A mai napig, tízféle kapott transzgenikus növény, amelynek genomja az átvitt DNS-t kódoló különféle fehérjék gyógyászati célokra, mint például a különböző antigének a fertőző ágensek, terápiás fehérjék és monoklonális antitestek [7, 8, 9]. Azonban, az összeg a szintetizált célfehérje ilyen növények jellemzően kicsi (kevesebb, mint 1% az összes oldható fehérje).
általában nem szerepel a nukleáris genomját nem replikálódik, és nem visszük át a tranziens expressziós DNS örökölt. Ez a fajta expresszió nem állandó, de néhány alkalommal ugyanazon sejten be egy nagy példányszámban idegen DNS, amely egy magas szintű szintézisét a végtermék. Amikor a működési idő a fehérjék növényekben ebben a kiviteli alakban a leghatékonyabb. Szeretjük bérelni a gyár, és ez sokkal költséghatékonyabb, mint a vásárló azt. A 2. ábra egy transzfer modell a növényi sejt DNS-tranziens expresszió (mint hordozó - Agrobacterium tumefaciens).
2. ábra: tranziens expressziója Az idegen gének növényekben keresztül agroinfiltration.
A - általános mechanizmus a folyamat, B - vizualizációs szintetizálódik a növény riporter -
GFP (zöld fluoreszcens fehérje) - egy lapon ultraibolya fénnyel.
Hogy képes egy növényi biofabrika?
A használata növényi biotechnológia fejlődik több irányban (ábra. 3).
3. ábra jellemzők növény felhasználásra biotechnológiai alkalmazásokhoz.
Ez vonatkozhat a transzgenikus növények, amelyeket a modell objektumok tanulmányozására az alapvető problémát a gén működését.
Sok GM növények már a tömeggyártásban. Ez a szója, kukorica, burgonya, olajos növények (repce és napraforgó) és még sokan mások (ábra. 4). Vezető országok a termelés az ilyen növények az USA-ban, Kanadában, Argentínában és Brazíliában. Fogása őket, Kínában és Japánban. Egyes európai országok és Ausztrália mellett a növény működik.
4. ábra példaként transzgenikus növények.
A vállalatok között fejlődő transzgénikus növények, meg kell jegyezni, Calgen, a Monsanto, a Ciba Seeds. Annak ellenére, hogy a GM növények értékesített számos piacon a világ, a vita a biztonságát a használatát még nem fejeződött be. A legtöbb pletyka és botrány körül forog a cég „Monsanto”. A fő termékek e társaság - egy genetikailag módosított vetőmag kukorica, szójabab, gyapot, és a leggyakoribb a világon a herbicid „Roundup” (generikus név - glifozát).
A Center „Biomérnöki”, az Orosz Tudományos Akadémia az elmúlt két évtizedben dolgozik a géntechnológia a növények - mind az alapkutatás és a mezőgazdaság számára. géntechnológiával módosított burgonya fajták jöttek létre, amelyek ellenállnak a Colorado bogár, különböző cukorrépa ellenálló gyomirtó és vírusokat, és mások. Ezeket a növényeket lehetne megoldani számos feladatot a mezőgazdaságban, ám még létező orosz jogi korlátozások nincsenek a szabadföldön termesztett földre. Természetesen ez a tilalom több mint furcsa, mert behozatalát GM termékeket az országba engedélyezett.
A második irány létrehozása ehető vakcinák. Ebben az esetben, egy genetikailag módosított növény, amely szintetizálja egy vakcina. Úgy tűnik, ez egy vonzó ötlet: feküdt egy pálmafa alatt, enni egy banánt, és nem trópusi fertőzést nem veszi!
Alkotó transzgenikus burgonyanövények és a dohány-termelő vírus nukleokapszid fehérje Norfolk, ami akut gasztroenteritisz emberekben, és ez ellenáll a alkoholos fertőtlenítő. Úgy tűnt, transzgenikus burgonya, szintetizáló polipeptid LT-B - alegységét E. coli hőlabilis toxin okozza a hasmenés. Annak ellenére, hogy kiterjedt kutatásokat ezen a területen, kereskedelmi termékek a mai napig nem.
A harmadik irányban kapcsolódik a működési idő az egyes termékek a növényekben, amelyeket azután, növényekből kivont és fel lehet használni, például mint gyógyszerek. A biotechnológiai cégek világszerte nagyszámú, a géntechnológiával módosított növények, fehérjék, beleértve az orvostechnikai eszközöket [14].
A vállalatok között, amelyek tevékenysége alapján a transzgénikus növények, meg kell jegyezni, a cég Rrotalix (Izrael) Medicago (Kanada), LemnaGene (Franciaország), Planet Biotechnology (USA), ProgyGene (Luxemburg), Shlorogen Inc. (USA), SemBioSys Genetics (Kanada) és a Bayer AG (Németország).
Fehérjékből orvosi célokra gyártók legnépszerűbb inzulin, lizozim, laktoferrin, kollagén, lipáz, antitestek, vakcinák, és mások.
Sok ilyen gyógyszerek már klinikai vizsgálatok során. De tripszin (a képen jobbra) már kapható a Sigma.
Amikor a működési idő a növényi sejtekben egészségügyi termékek is használja a módszert az Agrobacterium-közvetített transzformáció biztosít tranziens expressziója a gének magas szinten. A nyilvánvaló előnye a rendszerek közül a könnyű manipuláció, sebesség, alacsony költségű és magas hozammal kapjuk a végterméket. Továbbá, ebben az esetben a lehetséges szintéziséhez komplex fehérjék, amely több alegységből áll. Ez a módszer lehetővé teszi, hogy kap néhány napon belül a fehérje nagy mennyiségben (akár több gramm fehérjét kilogramm növények). Hozam kezdődik már három óra elteltével (!) Után behatol a sejtbe, és az Agrobacterium DNS-transzfer és az expressziós fennáll akár 10 napig. Maximális üzemidő meghatározni minden fehérjét külön-külön, de az átlag 3-4 nap. Kumulatív A proteinek előállításához növényekben 2-3 hetet vesz igénybe (ábra. 6.).
6. ábra sematikus ábrája a génexpresszió célfehérjék növényekben.
Az egész folyamat a fehérje előállítására 2-3 hetet vesz igénybe.
A növények már dolgoznak elég elleni vakcina humán papillomavírus, hepatitis B [15], az influenza, borjúpapillóma [16], az afrikai kéknyelv szarvasmarha herpeszvírus [17], a száj- és körömfájás [18] és mások.
A Center „Biomérnöki” is működik és a terápiás fehérjék növényekben. Így a sejtek Nicotiana benthamiana (dohány típusától), vakcina készítmények influenza-vírussal szemben állítottak elő [19, 20]. Az alapja a készítmény erősen konzerválódott M2 virális fehérje, amely csatlakozik a hordozó fehérje fokozhatja az immunogenitást. A hordozó lehet egy magfehérje a hepatitis B vírus vagy bakteriális flagellin. Abban az esetben, flagellin vakcina készítmény használt intranazálisan, ami egyértelmű előny. És az erősen konzervált M2 protein szekvencia teszi univerzális vakcina, amely szükségtelenné teszi a gyártás minden évben újabb és újabb változatai is. Ezek a vakcina készítmények jó eredményeket hozott a immunogenitását és védő kísérletek laboratóriumi állatokban; A következő lépés az, hogy a klinikai vizsgálatok.
Klinikai vizsgálatok A vakcina készítmények hosszú időt vesz igénybe (körülbelül 10 év). Önkéntelenül felmerül a kérdés, az influenza elleni oltóanyag, mint minden évben új törzseket, és hogy a vakcinát klinikailag tesztelt eddig? Ott van nagyobb jelentősége formálási technológiával. Egy új típusú vakcina átmegy egy teljes ciklus klinikai tesztek, majd az eljárást a hulladék lehet beszerezni a vakcinával a keringő vírus törzsek. Szóval, most a megelőzés a szezonális influenza elleni oltás előállított csirke tojás, és az ilyen vakcinák nem klinikai kipróbálás. Hogyan fog a dolgok a rekombináns vakcinák növények tömeges használata, az idő fogja megmondani.
Összefoglalva azt mondhatjuk, hogy a növény tette lehetővé, hogy létfontosságú fehérje révén biotechnológia. Az ember megtanulta, hogy a természet minden a legjobb, és ne a legrosszabb. William Shakespeare „Rómeó és Júlia” írt egy növény:
A színek - gyógyító aroma,
És a levelek és gyökerek - a legerősebb méreg.
És az emberiség megtanulta, hogy egy gyógyszer aroma, de nem halálos méreg a növényekben. A növényekben biofabrika - nagy jövő!
Olvassa cikk a témában:
Hiba a szövegben?
Válassza ki és nyomja meg a ctrl + Enter