Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть серии по
Генная инженерия
Генная инженерия logo.png
 
Генетически модифицированные организмы
История и регулирование
Процесс
Приложения
Споры

Генетически модифицированные бактерии были первыми организмами, которые были модифицированы в лаборатории из-за их простой генетики. [1] Эти организмы в настоящее время используются для нескольких целей и особенно важны для производства больших количеств чистых белков человека для использования в медицине. [2]

История [ править ]

Первый пример этого произошел в 1978 году, когда Герберт Бойер , работающий в лаборатории Калифорнийского университета, взял версию гена человеческого инсулина и вставил ее в бактерию Escherichia coli, чтобы произвести синтетический «человеческий» инсулин . Четыре года спустя он был одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США .


Исследование [ править ]

Слева: бактерии, трансформированные pGLO при окружающем освещении. Справа: бактерии, трансформированные с помощью pGLO, визуализированы в ультрафиолетовом свете.

Бактерии были первыми организмами, которые были генетически модифицированы в лаборатории из-за относительной легкости модификации их хромосом. [3] Эта легкость сделала их важными инструментами для создания других ГМО. Гены и другая генетическая информация от широкого круга организмов может быть добавлена ​​к плазмиде и вставлена ​​в бактерии для хранения и модификации. Бактерии дешевы, легко выращиваются, клонируются , быстро размножаются, относительно легко трансформируются и могут храниться при -80 ° C почти неограниченное время. Как только ген выделен, он может храниться внутри бактерий, обеспечивая неограниченный запас для исследований. [4] Большое количество нестандартных плазмид позволяет относительно легко манипулировать ДНК, вырезанной из бактерий. [5]

Простота использования сделала их отличным инструментом для ученых, изучающих функцию и эволюцию генов . Большая часть манипуляций с ДНК происходит внутри бактериальных плазмид перед передачей другому хозяину. Бактерии - это простейшие модельные организмы, и большая часть наших ранних знаний о молекулярной биологии пришла из изучения кишечной палочки . [6] Ученые могут легко манипулировать генами бактерий и комбинировать их для создания новых или разрушенных белков и наблюдать за тем, как это влияет на различные молекулярные системы. Исследователи объединили гены бактерий и архей , что привело к пониманию того, как эти двое расходились в прошлом. [7] В областиВ синтетической биологии они использовались для тестирования различных синтетических подходов, от синтеза геномов до создания новых нуклеотидов . [8] [9] [10]

Еда [ править ]

Бактерии использовались в производстве продуктов питания в течение очень долгого времени, и были разработаны и отобраны определенные штаммы для этой работы в промышленных масштабах. Их можно использовать для производства ферментов , аминокислот , ароматизаторов и других соединений, используемых в производстве продуктов питания. С появлением генной инженерии в эти бактерии можно легко внести новые генетические изменения. Большинство бактерий, производящих пищу, являются молочнокислыми бактериями , и именно здесь было проведено большинство исследований в области генетической инженерии бактерий, производящих пищу. Бактерии можно модифицировать, чтобы они работали более эффективно, уменьшали образование токсичных побочных продуктов, увеличивали выход, создавали улучшенные соединения и устраняли ненужные пути .[11] Пищевые продукты из генетически модифицированных бактерий включают альфа-амилазу , которая превращает крахмал в простые сахара, химозин , который свертывает молочный белок для производства сыра, и пектинэстеразу , улучшающую прозрачность фруктового сока. [12]


В сыре [ править ]

Химозин - это фермент, который содержится в желудке теленка. Это помогает теленку переваривать молоко. Химозин необходим для производства сыра. Превращает молоко в сыр. Ученые нашли способ изменить дрожжи для выращивания ферментов химозина для производства сыра. Этот процесс намного более эффективен, потому что раньше приходилось забивать телят, чтобы извлечь химозин из внутренней оболочки желудка. Также это предлагает вегетарианский способ приготовления сыра. [13] Это зависит от того, что и как бактерии делают этот процесс.

Промышленное [ править ]

Генетически модифицированные бактерии используются для производства большого количества белков для промышленного использования. Обычно бактерии выращивают до большого объема до того, как активируется ген, кодирующий белок. Затем бактерии собирают и из них очищают желаемый белок. [14] Высокая стоимость экстракции и очистки означает, что в промышленных масштабах производятся только дорогостоящие продукты. [15]

Фармацевтическое производство [ править ]

Большинство промышленных продуктов из бактерий - это человеческие белки, используемые в медицине. [16] Многие из этих белков невозможно или трудно получить естественными методами, и они с меньшей вероятностью будут заражены патогенами, что делает их более безопасными. [14] До появления рекомбинантных белковых продуктов некоторые методы лечения проводились с использованием трупов или других пожертвованных жидкостей организма и могли передавать заболевания. [17] Действительно, переливание продуктов крови ранее приводило к непреднамеренному инфицированию больных гемофилией ВИЧ или гепатитом С ; аналогично лечение гормоном роста человека, полученным из гипофиза трупа, могло привести к вспышкам болезни Крейтцфельдта – Якоба.. [17] [18]

Первым применением ГМ-бактерий в медицине было производство белкового инсулина для лечения диабета . [19] Другие производимые лекарства включают факторы свертывания крови для лечения гемофилии , [20] гормон роста человека для лечения различных форм карликовости , [21] [22] интерферон для лечения некоторых видов рака, эритропоэтин для пациентов с анемией и тканевый активатор плазминогена, растворяющий кровь. сгустки. [14] Вне медицины они использовались для производства биотоплива . [23]Существует интерес к разработке системы внеклеточной экспрессии внутри бактерий, чтобы снизить затраты и сделать производство большего количества продуктов экономичным. [15]

Здоровье [ править ]

С более глубоким пониманием роли, которую микобиом играет в здоровье человека, появляется возможность лечить заболевания путем генетического изменения бактерий, чтобы они сами были терапевтическими агентами. Идеи включают изменение кишечных бактерий, чтобы они уничтожали вредные бактерии, или использование бактерий для замены или увеличения дефицитных ферментов или белков. Одно из направлений исследований - модифицировать Lactobacillus , бактерии, которые естественным образом обеспечивают некоторую защиту от ВИЧ , с помощью генов, которые еще больше усиливают эту защиту. [24] The бактерия , которые обычно вызывают разрушение зубов были разработаны с целью больше не производит зуба нержавеющих молочной кислоты .[25] Эти трансгенные бактерии, если позволить колонизировать ротовую полость человека, возможно, могут уменьшить образование полостей. [26] Трансгенные микробы также использовались в недавних исследованиях для уничтожения или предотвращения опухолей, а также для борьбы с болезнью Крона . [27]

Если бактерии не образуют колоний внутри пациента, человек должен повторно проглотить модифицированные бактерии, чтобы получить необходимые дозы. Предоставление бактериям возможности образовать колонию может обеспечить более долгосрочное решение, но также может вызвать проблемы безопасности, поскольку взаимодействие между бактериями и человеческим телом менее изучено, чем с традиционными лекарствами.

Одним из примеров такого промежуточного продукта, который образует краткосрочные колонии в желудочно-кишечном тракте , может быть Lactobacillus Acidophilus MPH734 . Это используется как специфическое средство при лечении непереносимости лактозы . Эта генетически модифицированная версия бактерий Lactobacillus acidophilus вырабатывает недостающий фермент, называемый лактазой, который используется для переваривания лактозы, содержащейся в молочных продуктах или, чаще, в пище, приготовленной из молочных продуктов. Кратковременная колония создается в течение одной недели курса лечения из 21 таблетки, после чего временная колония может вырабатывать лактазу.в течение трех или более месяцев, прежде чем он будет выведен из организма естественным путем. Режим индукции можно повторять столько раз, сколько необходимо для защиты от симптомов непереносимости лактозы, или отменить без последствий, за исключением возвращения исходных симптомов.

Есть опасения, что горизонтальный перенос генов другим бактериям может иметь неизвестные эффекты. По состоянию на 2018 год проводятся клинические испытания, в которых проверяется эффективность и безопасность этих методов лечения. [24]

Сельское хозяйство [ править ]

Уже более века бактерии используются в сельском хозяйстве. Посевы были привиты с ризобиями (и совсем недавно Azospirillum ) , чтобы увеличить их производство или позволить им быть выращены за пределами их первоначального обитания . Применение Bacillus thuringiensis (Bt) и других бактерий может помочь защитить урожай от заражения насекомыми и болезней растений. С развитием генной инженерии этими бактериями манипулировали для повышения эффективности и расширения круга хозяев. Маркеры также были добавлены, чтобы помочь в отслеживании распространения бактерий. Бактерии, которые естественным образом колонизируют определенные культуры, также были изменены, в некоторых случаях для экспрессии генов Bt, ответственных за устойчивость к вредителям.Pseudomonas штаммы бактерий вызывают повреждение заморозки зародышеобразования воды в кристаллы льда вокруг себя. Это привело к развитию ледяных бактерий , у которых были удалены гены образования льда. При нанесении на сельскохозяйственные культуры они могут конкурировать с бактериями «лед-плюс» и обеспечивать некоторую морозостойкость. [28]

Это произведение создано с использованием бактерий, модифицированных для экспрессии флуоресцентных белков 8 разных цветов .

Другое использование [ править ]

Другие применения генетически модифицированных бактерий включают биоремедиацию , когда бактерии используются для преобразования загрязнителей в менее токсичную форму. Генная инженерия может повысить уровень ферментов, используемых для разложения токсина или сделать бактерии более стабильными в условиях окружающей среды. [29] ГМ-бактерии также были разработаны для выщелачивания меди из руды, [30] очистки ртутного загрязнения [31] и обнаружения мышьяка в питьевой воде. [32] Bioart также был создан с использованием генетически модифицированных бактерий. В 1980-х художник Джо Дэвис и генетик Дана Бойдпреобразовал германский символ женственности (ᛉ) в двоичный код, а затем в последовательность ДНК, которая затем была выражена в Escherichia coli . [33] Это был шаг вперед в 2012 году, когда целая книга была закодирована на ДНК. [34] Картины также были созданы с использованием бактерий, трансформированных флуоресцентными белками. [33] [35] [36]

Трансгенные продукты, синтезированные бактериями [ править ]

  • Инсулин
  • Вакцина против гепатита В
  • Активатор тканевого плазминогена
  • Гормон роста человека
  • Ледяные бактерии
  • Интерферон
  • Bt кукуруза [37]
  • Терраформирование § Другие возможности

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мело EO, Canavessi А.М., Франко М.М., Rumpf R (2007). «Трансгенез животных: современное состояние и приложения» (PDF) . Журнал прикладной генетики . 48 (1): 47–61. DOI : 10.1007 / BF03194657 . PMID  17272861 . S2CID  24578435 . Архивировано из оригинального (PDF) 27 сентября 2009 года.
  2. ^ Лидер B, Бак QJ, Golan DE (январь 2008). «Белковые терапевтические средства: краткое изложение и фармакологическая классификация». Обзоры природы. Открытие наркотиков . Руководство по открытию лекарств. 7 (1): 21–39. DOI : 10.1038 / nrd2399 . PMID 18097458 . S2CID 3358528 .  
  3. ^ Мело EO, Canavessi А.М., Франко М.М., Rumpf R (2007). «Трансгенез животных: современное состояние и приложения» (PDF) . Журнал прикладной генетики . 48 (1): 47–61. DOI : 10.1007 / BF03194657 . PMID 17272861 . S2CID 24578435 . Архивировано из оригинального (PDF) 27 сентября 2009 года.   
  4. ^ «Повторное открытие биологии - онлайн-учебник: блок 13 генетически модифицированных организмов» . www.learner.org . Проверено 18 августа 2017 .
  5. ↑ Fan M, Tsai J, Chen B, Fan K, LaBaer J (март 2005). «Центральное хранилище опубликованных плазмид». Наука . 307 (5717): 1877. DOI : 10.1126 / science.307.5717.1877a . PMID 15790830 . S2CID 27404861 .  
  6. ^ Купер GM (2000). «Клетки как экспериментальные модели» . Клетка: молекулярный подход. 2-е издание .
  7. Перейти ↑ Patel P (июнь 2018). «Тайна микроба». Scientific American . 319 (1): 18. DOI : 10.1038 / Scientificamerican0718-18a . PMID 29924081 . 
  8. ^ Арпина JA, Hancock Е.Ю., Андерсон Дж, Барахон М, Стан Г. Б., Papachristodoulou А, Полицй К (июля 2013 г. ). «Настройка циферблатов синтетической биологии» . Микробиология . 159 (Pt 7): 1236–53. DOI : 10.1099 / mic.0.067975-0 . PMC 3749727 . PMID 23704788 .  
  9. ↑ Pollack A (7 мая 2014 г.). «Исследователи сообщают о прорыве в создании искусственного генетического кода» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 7 мая 2014 .
  10. ↑ Малышев Д.А., Дхами К., Лаверн Т., Чен Т., Дай Н., Фостер Дж. М., Корреа И. Р., Ромесберг Ф. Э. (май 2014 г.). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом» . Природа . 509 (7500): 385–8. Bibcode : 2014Natur.509..385M . DOI : 10,1038 / природа13314 . PMC 4058825 . PMID 24805238 .  
  11. ^ Kärenlampi ТАК, фон Райт AJ (2016-01-01). Энциклопедия еды и здоровья . С. 211–216. DOI : 10.1016 / B978-0-12-384947-2.00356-1 . ISBN 9780123849533.
  12. ^ Панесар, Памит и др. (2010) Ферменты в пищевой промышленности: основы и потенциальные применения , глава 10, Международный издательский дом IK, ISBN 978-93-80026-33-6 
  13. ^ Бонэм, Кевин. «Есть ли проблемы с сыром у противников ГМО?» . Сеть блогов Scientific American . Проверено 23 ноября 2019 .
  14. ^ а б в Джумба М (2009). Генетически модифицированные организмы: разгадка тайны . Дарем: красноречивые книги. С. 51–54. ISBN 9781609110819.
  15. ^ а б Чжоу Й, Лу З., Ван Х, Селварадж Дж. Н., Чжан Г. (февраль 2018 г.). «Модификация генной инженерии и оптимизация ферментации для внеклеточного производства рекомбинантных белков с использованием Escherichia coli». Прикладная микробиология и биотехнология . 102 (4): 1545–1556. DOI : 10.1007 / s00253-017-8700-Z . PMID 29270732 . S2CID 2694760 .  
  16. ^ Лидер B, Бак QJ, Golan DE (январь 2008). «Белковые терапевтические средства: краткое изложение и фармакологическая классификация». Обзоры природы. Открытие наркотиков . Руководство по открытию лекарств. 7 (1): 21–39. DOI : 10.1038 / nrd2399 . PMID 18097458 . S2CID 3358528 .  
  17. ^ a b Foster PR (октябрь 2000 г.). «Прионы и продукты крови». Анналы медицины . 32 (7): 501–13. DOI : 10.3109 / 07853890009002026 . PMID 11087171 . S2CID 9331069 .  
  18. ^ Ключ NS, Negrier C (август 2007). «Концентраты факторов свертывания: прошлое, настоящее и будущее». Ланцет . 370 (9585): 439–48. DOI : 10.1016 / S0140-6736 (07) 61199-4 . PMID 17679021 . S2CID 26527486 .  
  19. Перейти ↑ Walsh G (апрель 2005 г.). «Лечебные инсулины и их массовое производство». Прикладная микробиология и биотехнология . 67 (2): 151–9. DOI : 10.1007 / s00253-004-1809-х . PMID 15580495 . S2CID 5986035 .  
  20. ↑ Pipe SW (май 2008 г.). «Рекомбинантные факторы свертывания». Тромбоз и гемостаз . 99 (5): 840–50. DOI : 10.1160 / TH07-10-0593 . PMID 18449413 . 
  21. Перейти ↑ Bryant J, Baxter L, Cave CB, Milne R (июль 2007 г.). Брайант Дж (ред.). «Рекомбинантный гормон роста при идиопатическом невысоком росте у детей и подростков» (PDF) . Кокрановская база данных систематических обзоров (3): CD004440. DOI : 10.1002 / 14651858.CD004440.pub2 . PMID 17636758 .  
  22. ↑ Baxter L, Bryant J, Cave CB, Milne R (январь 2007 г.). Брайант Дж (ред.). «Рекомбинантный гормон роста для детей и подростков с синдромом Тернера» (PDF) . Кокрановская база данных систематических обзоров (1): CD003887. DOI : 10.1002 / 14651858.CD003887.pub2 . PMID 17253498 .  
  23. ^ Саммерс, Ребекка (24 апреля 2013 г.) « Бактерии производят первое в истории бензиноподобное биотопливо » New Scientist , последнее обращение 27 апреля 2013 г.
  24. ^ a b Рирдон S (июнь 2018 г.). «Генетически модифицированные бактерии участвуют в борьбе с болезнями» . Природа . 558 (7711): 497–498. DOI : 10.1038 / d41586-018-05476-4 . PMID 29946090 . 
  25. ↑ Hillman JD (август 2002 г.). «Генетически модифицированный Streptococcus mutans для профилактики кариеса зубов». Антони ван Левенгук . 82 (1–4): 361–6. DOI : 10,1023 / A: 1020695902160 . PMID 12369203 . S2CID 11066428 .  
  26. ↑ Hillman JD, Mo J, McDonell E, Cvitkovitch D, Hillman CH (май 2007 г.). «Модификация эффекторного штамма для заместительной терапии кариеса зубов для проведения клинических испытаний безопасности» . Журнал прикладной микробиологии . 102 (5): 1209–19. DOI : 10.1111 / j.1365-2672.2007.03316.x . PMID 17448156 . 
  27. ^ Браат Х, Роттиерс П., Хоммес Д.В., Хюйгеберт Н., Ремоут Э, Ремон Дж. П., ван Девентер С.Дж., Нейринк С., Пеппеленбош МП, Стейдлер Л. «Испытание фазы I с трансгенными бактериями, экспрессирующими интерлейкин-10 при болезни Крона». Клиническая гастроэнтерология и гепатология . 4 (6): 754–9. DOI : 10.1016 / j.cgh.2006.03.028 . PMID 16716759 . 
  28. ^ Amarger N (ноябрь 2002). «Генетически модифицированные бактерии в сельском хозяйстве». Биохимия . 84 (11): 1061–72. DOI : 10.1016 / s0300-9084 (02) 00035-4 . PMID 12595134 . 
  29. Перейти ↑ Sharma B, Dangi AK, Shukla P (март 2018). «Современные ферментные технологии для биоремедиации: обзор». Журнал экологического менеджмента . 210 : 10–22. DOI : 10.1016 / j.jenvman.2017.12.075 . PMID 29329004 . 
  30. ^ Валды D, J Даулинг (10 декабря 2010). «Делаем микробы лучше шахтеров» . Журнал Business Chile . Архивировано из оригинала 17 декабря 2010 года . Проверено 21 марта 2012 года .
  31. Перейти ↑ Ruiz ON, Alvarez D, Gonzalez-Ruiz G, Torres C (август 2011). «Характеристика биоремедиации ртути трансгенными бактериями, экспрессирующими металлотионеин и полифосфаткиназу» . BMC Biotechnology . 11 : 82. DOI : 10,1186 / 1472-6750-11-82 . PMC 3180271 . PMID 21838857 .  
  32. ↑ Сандерсон К. (24 февраля 2012 г.). «Новый портативный комплект обнаруживает мышьяк в колодцах» . Новости химии и техники .
  33. ^ a b Йетисен АК, Дэвис Дж., Коскун А.Ф., Церковный GM, Юн Ш. (декабрь 2015 г.). «Биоарт». Тенденции в биотехнологии . 33 (12): 724–734. DOI : 10.1016 / j.tibtech.2015.09.011 . PMID 26617334 . 
  34. ^ Агапакис С. "Общение с инопланетянами через ДНК" . Сеть блогов Scientific American . Проверено 13 сентября 2018 .
  35. ^ Маджди, Мохаммад; Ашенгроф, Морахем; Абдоллахи, Мохаммад Реза (февраль 2016 г.). «Разработка сесквитерпенового лактона на микробных и растительных платформах: партенолид и артемизинин в качестве тематических исследований». Прикладная микробиология и биотехнология . 100 (3): 1041–1059. DOI : 10.1007 / s00253-015-7128-6 . ISSN 0175-7598 . PMID 26567019 . S2CID 9683430 .   
  36. ^ Макбрайд, Уильям Д .; Эль-Оста, Хишам С. (апрель 2002 г.). «Влияние использования генетически модифицированных культур на финансовые показатели хозяйств» (PDF) . Журнал сельскохозяйственной и прикладной экономики . 34 (1): 175–191. DOI : 10.1017 / s1074070800002224 . ISSN 1074-0708 .  
  37. ^ Жоли-Гийу, Мари-Лор; Кемпф, Мари; Кавалло, Жан-Дидье; Чомарат, Моник; Дюбрей, Люк; Моден, Жанна; Мюллер-Серия, Клодетт; Руссель-Дельваллес, Мишлен (18 марта 2010 г.). «Сравнительная активность меропенема, имипенема и пиперациллина / тазобактама in vitro против 1071 клинического изолята с использованием 2 различных методов: французское многоцентровое исследование» . BMC Инфекционные болезни . 10 (1): 72. DOI : 10,1186 / 1471-2334-10-72 . ISSN 1471-2334 . PMC 2845586 . PMID 20298555 .   

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Карл Дрлица (2004). Понимание ДНК и клонирования генов: Руководство для любопытных (4-е изд.). ISBN 978-0-471-43416-0.