Geneticky modifikované bakterie - Genetically modified bacteria

Část série na
Genetické inženýrství
Logo genetického inženýrství.png
 
Geneticky modifikované organismy
Historie a regulace
Proces
Aplikace
Kontroverze

Geneticky modifikované bakterie byly prvními organismy, které byly v laboratoři modifikovány kvůli jejich jednoduché genetice. Tyto organismy se nyní používají k několika účelům a jsou zvláště důležité při produkci velkého množství čistých lidských proteinů pro použití v medicíně.

Dějiny

První příklad se objevil v roce 1978, kdy Herbert Boyer , pracující v laboratoři University of California, vzal verzi lidského genu pro inzulin a vložil jej do bakterie Escherichia coli za účelem výroby syntetického „lidského“ inzulínu . O čtyři roky později to bylo schváleno americkým Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv .


Výzkum

Vlevo: Bakterie transformované pomocí pGLO za okolního světla Vpravo: Bakterie transformované pomocí pGLO vizualizované pod ultrafialovým světlem

Bakterie byly prvními organismy, které byly v laboratoři geneticky modifikovány, kvůli relativní snadnosti úpravy jejich chromozomů. Tato snadnost z nich učinila důležité nástroje pro vytváření dalších GMO. Geny a další genetické informace z široké škály organismů lze přidat do plazmidu a vložit do bakterií pro skladování a modifikaci. Bakterie jsou levné, snadno se pěstují, jsou klonální , rychle se množí, jsou relativně snadno transformovatelné a lze je skladovat při -80 ° C téměř neomezeně dlouho. Jakmile je gen izolován, může být uložen uvnitř bakterií, což poskytuje neomezený přísun pro výzkum. Velké množství vlastních plazmidů umožňuje relativně snadnou manipulaci s DNA vyříznutou z bakterií.

Jejich snadné použití z nich učinilo skvělé nástroje pro vědce, kteří chtějí studovat genovou funkci a evoluci . Většina manipulace s DNA probíhá v bakteriálních plazmidech, než je přenesena do jiného hostitele. Bakterie jsou nejjednodušší modelový organismus a většina našeho raného porozumění molekulární biologii pochází ze studia Escherichia coli . Vědci mohou snadno manipulovat a kombinovat geny v bakteriích, aby vytvořili nové nebo narušené proteiny a pozorovali účinek, který to má na různé molekulární systémy. Vědci spojili geny bakterií a archea , což vedlo k poznatkům o tom, jak se tyto dva v minulosti rozcházely. V oblasti syntetické biologie se používají k testování různých syntetických přístupů, od syntézy genomů až po vytváření nových nukleotidů .

Jídlo

Bakterie se při výrobě potravin používají velmi dlouho a pro tuto práci byly vyvinuty a vybrány specifické kmeny v průmyslovém měřítku. Mohou být použity k výrobě enzymů , aminokyselin , látek určených k aromatizaci a dalších sloučenin používaných při výrobě potravin. S příchodem genetického inženýrství lze do těchto bakterií snadno zavést nové genetické změny. Většina bakterií produkujících potraviny jsou bakterie mléčného kvašení , a to je místo, kde prošla většina výzkumu genetického inženýrství bakterií produkujících potraviny. Bakterie lze upravit tak, aby fungovaly efektivněji, snižovaly produkci toxických vedlejších produktů, zvyšovaly produkci, vytvářely vylepšené sloučeniny a odstraňovaly zbytečné cesty . Potravinářské výrobky z geneticky modifikovaných bakterií zahrnují alfa-amylázu , která přeměňuje škrob na jednoduché cukry, chymosin , který sráží mléčnou bílkovinu pro výrobu sýrů, a pektinesterázu , která zlepšuje čirost ovocných šťáv.


V sýru

Chymosin je enzym nacházející se v telecího žaludku. To pomáhá lýtku rozložit mléko na trávení. Chymosin je nezbytný pro výrobu sýra. Mění mléko na sýr. Vědci našli způsob, jak změnit kvasinky na růst enzymů Chymosinu pro výrobu sýrů. Tento proces je mnohem efektivnější, protože telata musela být dříve poražena, aby se extrahoval Chymosin z vnitřní výstelky žaludku. Také to nabízí vegetariánský způsob výroby sýra. Záleží na tom, co a jak bakterie proces provede.

Průmyslový

Geneticky modifikované bakterie se používají k výrobě velkého množství bílkovin pro průmyslové použití. Obecně se bakterie pěstují do velkého objemu před aktivací genu kódujícího protein. Poté se bakterie sklidí a požadovaný protein se z nich vyčistí. Vysoké náklady na extrakci a čištění způsobily, že v průmyslovém měřítku byly vyrobeny pouze vysoce hodnotné produkty.

Farmaceutická výroba

Většina průmyslových produktů z bakterií jsou lidské proteiny pro použití v medicíně. Mnoho z těchto proteinů je nemožné nebo obtížné získat pomocí přírodních metod a je méně pravděpodobné, že budou kontaminovány patogeny, což je činí bezpečnějšími. Před rekombinantními proteinovými produkty bylo několik ošetření odvozeno od mrtvol nebo jiných darovaných tělních tekutin a mohlo přenášet nemoci. Transfúze krevních produktů skutečně dříve vedla k neúmyslné infekci hemofiliků HIV nebo hepatitidou C ; Podobně léčba lidským růstovým hormonem odvozeným z mrtvoly hypofýzy mohla vést k propuknutí Creutzfeldt-Jakobovy choroby .

Prvním medicínským použitím GM bakterií byla výroba proteinového inzulínu k léčbě cukrovky . Mezi další vyráběné léky patří srážecí faktory k léčbě hemofilie , lidský růstový hormon k léčbě různých forem nanismu , interferon k léčbě některých druhů rakoviny, erytropoetin pro anemické pacienty a aktivátor tkáňového plazminogenu, který rozpouští krevní sraženiny. Mimo medicínu byly použity k výrobě biopaliv . Existuje zájem na vývoji extracelulárního expresního systému v bakteriích, aby se snížily náklady a ekonomičtější výroba více produktů.

Zdraví

Díky lepšímu pochopení úlohy, kterou mikrobiom hraje v lidském zdraví, existuje potenciál léčit nemoci genetickou změnou bakterií tak, aby byly samy o sobě terapeutickými látkami. Mezi myšlenky patří změna střevních bakterií tak, aby zničily škodlivé bakterie, nebo použití bakterií k nahrazení nebo zvýšení deficitu enzymů nebo bílkovin. Jedním z výzkumných záměrů je úprava Lactobacillus , bakterií, které přirozeně poskytují určitou ochranu proti HIV , pomocí genů, které tuto ochranu dále zvýší. Tyto bakterie, které obvykle způsobují zubní kaz byly navrženy tak, aby již nejsou potravinářský zubu nerezavějící kyseliny mléčné . Pokud by tyto transgenní bakterie mohly kolonizovat ústa člověka, mohly by snížit tvorbu dutin. Transgenní mikroby byly také použity v nedávném výzkumu k zabíjení nebo bránění nádorům ak boji proti Crohnově nemoci .

Pokud bakterie netvoří uvnitř pacienta kolonie , musí osoba modifikované bakterie opakovaně přijímat, aby získala požadované dávky. Umožnění bakteriím vytvořit kolonii by mohlo poskytnout dlouhodobější řešení, ale mohlo by také vyvolat obavy o bezpečnost, protože interakce mezi bakteriemi a lidským tělem jsou méně dobře pochopitelné než u tradičních léků.

Jedním příkladem takového meziproduktu, který tvoří pouze krátkodobé kolonie v gastrointestinálním traktu , může být Lactobacillus Acidophilus MPH734 . Používá se jako specifikum při léčbě intolerance laktózy . Tato geneticky modifikovaná verze bakterií Lactobacillus acidophilus produkuje chybějící enzym nazývaný laktáza, který se používá k trávení laktózy v mléčných výrobcích nebo běžněji v potravinách připravených z mléčných výrobků. Krátkodobá kolonie je indukována během týdenního režimu léčby 21 pilulkami, po kterém může dočasná kolonie produkovat laktázu po dobu tří měsíců nebo déle, než je odstraněna z těla přirozenými procesy. Indukční režim lze opakovat tak často, jak je to nutné k zachování ochrany před příznaky intolerance laktózy, nebo jej lze přerušit bez následků, kromě návratu původních příznaků.

Existují obavy, že horizontální přenos genů na jiné bakterie může mít neznámé účinky. Od roku 2018 probíhají klinické studie, které testují účinnost a bezpečnost těchto léčby.

Zemědělství

Již více než století se v zemědělství používají bakterie. Plodiny byly naočkovány s Rhizobia (a nověji také Azospirillum ) zvýšit svou produkci nebo aby mohly být pěstovány mimo své původní stanoviště . Aplikace Bacillus thuringiensis (Bt) a dalších bakterií může pomoci chránit plodiny před napadením hmyzem a chorobami rostlin. S pokrokem v genetickém inženýrství byly tyto bakterie manipulovány pro vyšší účinnost a rozšířený rozsah hostitelů. Byly také přidány značkovače, které pomáhají při sledování šíření bakterií. Byly také modifikovány bakterie, které přirozeně kolonizují určité plodiny, v některých případech k expresi genů Bt odpovědných za odolnost vůči škůdcům. Kmeny bakterií Pseudomonas způsobují poškození mrazem nukleací vody na ledové krystaly kolem sebe. To vedlo k vývoji bakterií bez ledu , které mají odstraněné ledotvorné geny. Když se aplikují na plodiny, mohou konkurovat bakteriím plus led a propůjčit určitou odolnost proti mrazu.

Tato kresba je vytvořena s bakteriemi upravenými tak, aby exprimovaly 8 různých barev fluorescenčních proteinů .

Jiná použití

Jiná použití pro geneticky modifikované bakterie zahrnují bioremediaci , kde se bakterie používají k přeměně znečišťujících látek na méně toxickou formu. Genetické inženýrství může zvýšit hladinu enzymů používaných k degradaci toxinu nebo ke stabilizaci bakterií v podmínkách prostředí. Byly také vyvinuty GM bakterie k vyluhování mědi z rudy, čištění znečištění rtutí a detekci arsenu v pitné vodě. Bioart byl také vytvořen pomocí geneticky modifikovaných bakterií. V 80. letech umělec Joe Davis a genetička Dana Boyd převedli germánský symbol pro ženskost (ᛉ) na binární kód a poté na sekvenci DNA, která byla poté vyjádřena v Escherichia coli . V roce 2012 došlo k dalšímu kroku, kdy byla do DNA zakódována celá kniha. Obrazy byly také vyrobeny pomocí bakterií transformovaných fluorescenčními proteiny.

Bakterie syntetizované transgenní produkty

Reference

Další čtení