stringtranslate.com

Генетически модифицированные бактерии

Генетически модифицированные бактерии были первыми организмами, модифицированными в лабораторных условиях, благодаря своей простой генетике. [1] Эти организмы теперь используются для различных целей и особенно важны для производства больших количеств чистых человеческих белков для использования в медицине. [2]

История

Первый пример этого произошел в 1978 году, когда Герберт Бойер , работая в лаборатории Калифорнийского университета, взял версию гена человеческого инсулина и вставил ее в бактерию Escherichia coli для получения синтетического «человеческого» инсулина . Четыре года спустя он был одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США .

Исследовать

Слева: Бактерии, трансформированные с помощью pGLO , под естественным светом. Справа: Бактерии, трансформированные с помощью pGLO, визуализированные под ультрафиолетовым светом.

Бактерии были первыми организмами, которые были генетически модифицированы в лаборатории из-за относительной простоты модификации их хромосом. [3] Эта простота сделала их важными инструментами для создания других ГМО. Гены и другая генетическая информация из широкого спектра организмов может быть добавлена ​​в плазмиду и вставлена ​​в бактерии для хранения и модификации. Бактерии дешевы, просты в выращивании, клонируются , быстро размножаются, относительно легко трансформируются и могут храниться при температуре -80 °C практически бесконечно. После того, как ген выделен, его можно хранить внутри бактерий, обеспечивая неограниченный запас для исследований. [4] Большое количество пользовательских плазмид делает манипуляции с ДНК, вырезанной из бактерий, относительно простыми. [5]

Их простота использования сделала их прекрасными инструментами для ученых, желающих изучить функцию генов и эволюцию . Большинство манипуляций с ДНК происходит внутри бактериальных плазмид перед переносом в другого хозяина. Бактерии являются простейшим модельным организмом , и большая часть нашего раннего понимания молекулярной биологии исходит из изучения Escherichia coli . [6] Ученые могут легко манипулировать и объединять гены внутри бактерий, чтобы создавать новые или нарушенные белки и наблюдать, какое влияние это оказывает на различные молекулярные системы. Исследователи объединили гены бактерий и архей , что привело к пониманию того, как эти два вида расходились в прошлом. [7] В области синтетической биологии они использовались для тестирования различных синтетических подходов, от синтеза геномов до создания новых нуклеотидов . [8] [9] [10]

Еда

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 вносить новые генетические изменения. Большинство бактерий, производящих продукты питания, являются молочнокислыми бактериями , и именно в этом направлении проводилось большинство исследований в области генной инженерии бактерий, производящих продукты питания. Бактерии можно модифицировать для более эффективной работы, снижения производства токсичных побочных продуктов, увеличения производительности, создания улучшенных соединений и удаления ненужных путей . [11] Пищевые продукты из генетически модифицированных бактерий включают альфа-амилазу , которая преобразует крахмал в простые сахара, химозин , который свертывает молочный белок для производства сыра, и пектинэстеразу , которая улучшает прозрачность фруктового сока. [12]

В сыре

Химозин — это фермент, вырабатываемый в желудке молодых жвачных млекопитающих для переваривания молока. Переваривание молочных белков с помощью ферментов имеет важное значение для сыроделия. Виды Escherichia coli и Bacillus subtilis могут быть генетически модифицированы для синтеза и выделения химозина, [13] обеспечивая более эффективные средства производства. Использование бактерий для синтеза химозина также обеспечивает вегетарианский метод сыроделия, поскольку ранее приходилось забивать молодых жвачных животных (обычно телят), чтобы извлечь фермент из слизистой оболочки желудка.

Промышленный

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

Фармацевтическое производство

Большинство промышленных продуктов из бактерий представляют собой человеческие белки для использования в медицине. [16] Многие из этих белков невозможно или трудно получить естественным путем, и они с меньшей вероятностью будут загрязнены патогенами, что делает их более безопасными. [14] До появления рекомбинантных белковых продуктов несколько методов лечения были получены из трупов или других донорских жидкостей организма и могли передавать заболевания. [17] Действительно, переливание продуктов крови ранее приводило к непреднамеренному заражению больных гемофилией ВИЧ или гепатитом С ; аналогично, лечение человеческим гормоном роста, полученным из гипофизов трупов, могло привести к вспышкам болезни Крейтцфельдта-Якоба . [17] [18]

Первым медицинским применением ГМ-бактерий было производство белка 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 активатор тканевого плазминогена , который растворяет тромбы. [14] За пределами медицины они использовались для производства биотоплива . [23] Существует интерес к разработке внеклеточной системы экспрессии внутри бактерий, чтобы снизить затраты и сделать производство большего количества продуктов экономичным. [15]

Здоровье

С более глубоким пониманием роли, которую микробиом играет в здоровье человека, существует потенциал для лечения заболеваний путем генетического изменения бактерий, чтобы они сами стали терапевтическими агентами. Идеи включают изменение кишечных бактерий, чтобы они уничтожали вредные бактерии, или использование бактерий для замены или увеличения дефицитных ферментов или белков. Одним из направлений исследований является модификация Lactobacillus , бактерий, которые естественным образом обеспечивают некоторую защиту от ВИЧ , генами, которые еще больше усилят эту защиту. [24] Бактерии , которые обычно вызывают кариес, были сконструированы так, чтобы больше не вырабатывать разъедающую зубы молочную кислоту . [25] Эти трансгенные бактерии , если им позволить колонизировать ротовую полость человека, возможно, могли бы уменьшить образование полостей. [26] Трансгенные микробы также использовались в недавних исследованиях для уничтожения или предотвращения опухолей и для борьбы с болезнью Крона . [27]

Если бактерии не образуют колонии внутри пациента, человек должен многократно принимать модифицированные бактерии, чтобы получить требуемые дозы. Предоставление возможности бактериям образовывать колонии может обеспечить более долгосрочное решение, но также может вызвать опасения по поводу безопасности, поскольку взаимодействие бактерий и организма человека изучено хуже, чем в случае с традиционными препаратами.

Одним из примеров такого промежуточного продукта, который образует только кратковременные колонии в желудочно-кишечном тракте , может быть Lactobacillus Acidophilus MPH734. Он используется в качестве специфического средства при лечении непереносимости лактозы . Эта генетически модифицированная версия бактерий Lactobacillus acidophilus производит недостающий фермент, называемый лактазой , который используется для переваривания лактозы, содержащейся в молочных продуктах или, что более распространено, в пище, приготовленной с использованием молочных продуктов. Краткосрочная колония индуцируется в течение недельного курса лечения из 21 таблетки, после чего временная колония может вырабатывать лактазу в течение трех месяцев или более, прежде чем она будет выведена из организма естественным путем. Режим индукции можно повторять так часто, как это необходимо для поддержания защиты от симптомов непереносимости лактозы, или прекращать его без каких-либо последствий, за исключением возвращения исходных симптомов.

Существуют опасения, что горизонтальный перенос генов в другие бактерии может иметь неизвестные эффекты. По состоянию на 2018 год проводятся клинические испытания, проверяющие эффективность и безопасность этих методов лечения. [24]

Сельское хозяйство

Бактерии использовались в сельском хозяйстве более века. Культуры были инокулированы Rhizobia (и совсем недавно Azospirillum ) для увеличения их продуктивности или для того, чтобы выращивать их за пределами их первоначальной среды обитания . Применение Bacillus thuringiensis (Bt) и других бактерий может помочь защитить культуры от нашествия насекомых и болезней растений. С достижениями в области генной инженерии эти бактерии были изменены для повышения эффективности и расширения круга хозяев. Также были добавлены маркеры для помощи в отслеживании распространения бактерий. Бактерии, которые естественным образом колонизируют определенные культуры, также были модифицированы, в некоторых случаях для экспрессии генов Bt, ответственных за устойчивость к вредителям. Штаммы бактерий Pseudomonas вызывают повреждение от заморозков, зарождая воду в кристаллы льда вокруг себя. Это привело к развитию бактерий ice-minus , у которых удалены гены, образующие лед. При применении к культурам они могут конкурировать с бактериями ice-plus и придавать некоторую устойчивость к заморозкам. [28]

Это произведение искусства создано с помощью бактерий, модифицированных для экспрессии 8 различных цветов флуоресцентных белков .

Другие применения

Другие области применения генетически модифицированных бактерий включают биоремедиацию , где бактерии используются для преобразования загрязняющих веществ в менее токсичную форму. Генная инженерия может увеличить уровни 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 ртутных загрязнений [31] и обнаружения мышьяка в питьевой воде. [32] Биоарт также был создан с использованием генетически модифицированных бактерий. В 1980-х годах художник Джо Дэвис и генетик Дана Бойд преобразовали германский символ женственности (ᛉ) в двоичный код, а затем в последовательность ДНК, которая затем была выражена в Escherichia coli . [33] Это было сделано на шаг дальше в 2012 году, когда целая книга была закодирована в ДНК. [34] Картины также были созданы с использованием бактерий, трансформированных флуоресцентными белками. [33] [35] [36]

Трансгенные продукты, синтезированные бактериями

Ссылки

  1. ^ Melo EO, Canavessi AM, Franco MM, Rumpf R (2007). "Трансгенез животных: современное состояние и применение" (PDF) . Journal of Applied Genetics . 48 (1): 47–61. doi :10.1007/BF03194657. PMID  17272861. S2CID  24578435. Архивировано из оригинала (PDF) 6 ноября 2009 г.
  2. ^ Leader B, Baca QJ, Golan DE (январь 2008 г.). «Протеиновая терапия: резюме и фармакологическая классификация». Nature Reviews. Drug Discovery . Руководство по открытию лекарств. 7 (1): 21–39. doi :10.1038/nrd2399. PMID  18097458. S2CID  3358528.
  3. ^ Melo EO, Canavessi AM, Franco MM, Rumpf R (2007). "Трансгенез животных: современное состояние и применение" (PDF) . Journal of Applied Genetics . 48 (1): 47–61. doi :10.1007/BF03194657. PMID  17272861. S2CID  24578435. Архивировано из оригинала (PDF) 6 ноября 2009 г.
  4. ^ "Rediscovering Biology - Online Textbook: Unit 13 Genetically Modified Organisms". www.learner.org . Архивировано из оригинала 2019-12-03 . Получено 2017-08-18 .
  5. ^ Fan M, Tsai J, Chen B, Fan K, LaBaer J (март 2005 г.). "Центральный репозиторий опубликованных плазмид". Science . 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. ^ Patel P (июнь 2018 г.). «Тайна микроба». Scientific American . 319 (1): 18. Bibcode : 2018SciAm.319a..18P. doi : 10.1038/scientificamerican0718-18a. PMID  29924081. S2CID  49310760.
  8. ^ Arpino JA, Hancock EJ, Anderson J, Barahona M, Stan GB, Papachristodoulou A, Polizzi K (июль 2013 г.). «Настройка циферблатов синтетической биологии». Микробиология . 159 (ч. 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». The New York Times . Получено 7 мая 2014 г.
  10. ^ Малышев DA, ​​Дхами K, Лавернь T, Чен T, Дай N, Фостер JM, Корреа IR, Ромесберг FE (май 2014). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом». Nature . 509 (7500): 385–8. Bibcode :2014Natur.509..385M. doi :10.1038/nature13314. PMC 4058825 . PMID  24805238. 
  11. ^ Kärenlampi SO, von Wright AJ (01.01.2016). Энциклопедия продуктов питания 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 потенциальное применение , Глава 10, IK International Publishing House, ISBN 978-93-80026-33-6 
  13. ^ Luerce, TD; Azevedo, MS; LeBlanc, JG; Azevedo, V.; Miyoshi, A.; Pontes, DS (ноябрь–декабрь 2014 г.). «Рекомбинантный Lactococcus lactis не секретирует бычий химозин». Bioengineered . 5 (6): 363–370. doi :10.4161/bioe.36327. PMC 4601287 . PMID  25482140. 
  14. ^ abc Jumba M (2009). Генетически модифицированные организмы: тайна раскрыта . Дарем: Eloquent Books. стр. 51–54. ISBN 9781609110819.
  15. ^ ab Zhou Y, Lu Z, Wang X, Selvaraj JN, Zhang G (февраль 2018 г.). «Генетическая инженерная модификация 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. ^ Leader B, Baca QJ, Golan DE (январь 2008 г.). «Протеиновая терапия: резюме и фармакологическая классификация». Nature Reviews. Drug Discovery . Руководство по открытию лекарств. 7 (1): 21–39. doi :10.1038/nrd2399. PMID  18097458. S2CID  3358528.
  17. ^ ab Foster PR (октябрь 2000 г.). «Прионы и продукты крови». Annals of Medicine . 32 (7): 501–13. doi :10.3109/07853890009002026. PMID  11087171. S2CID  9331069.
  18. ^ Key NS, Negrier C (август 2007). «Концентраты факторов свертывания: прошлое, настоящее и будущее». Lancet . 370 (9585): 439–48. doi :10.1016/S0140-6736(07)61199-4. PMID  17679021. S2CID  26527486.
  19. ^ Уолш Г. (апрель 2005 г.). «Терапевтические инсулины и их крупномасштабное производство». Прикладная микробиология и биотехнология . 67 (2): 151–9. doi :10.1007/s00253-004-1809-x. PMID  15580495. S2CID  5986035.
  20. ^ Pipe SW (май 2008). «Рекомбинантные факторы свертывания крови». Тромбоз и гемостаз . 99 (5): 840–50. doi :10.1160/TH07-10-0593. PMID  18449413. S2CID  2701961.
  21. ^ Брайант Дж., Бакстер Л., Кейв К.Б., Милн Р. (июль 2007 г.). Брайант Дж. (ред.). «Рекомбинантный гормон роста при идиопатической низкорослости у детей и подростков» (PDF) . База данных систематических обзоров Кокрейна (3): CD004440. doi :10.1002/14651858.CD004440.pub2. PMID  17636758.
  22. ^ Baxter L, Bryant J, Cave CB, Milne R (январь 2007 г.). Bryant J (ред.). "Рекомбинантный гормон роста для детей и подростков с синдромом Тернера" ​​(PDF) . База данных систематических обзоров Cochrane (1): CD003887. doi :10.1002/14651858.CD003887.pub2. PMID  17253498.
  23. ↑ Саммерс, Ребекка (24 апреля 2013 г.) «Бактерии производят первое в истории биотопливо, похожее на бензин» New Scientist , получено 27 апреля 2013 г.
  24. ^ ab Reardon S (июнь 2018 г.). «Генетически модифицированные бактерии включены в борьбу с болезнями». Nature . 558 (7711): 497–498. Bibcode :2018Natur.558..497R. 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 обеспечения клинических испытаний безопасности». Журнал прикладной микробиологии . 102 (5): 1209–19. doi :10.1111/j.1365-2672.2007.03316.x. PMID  17448156.
  27. ^ Браат Х., Роттьерс П., Хоммес Д.В., Хайгебарт Н., Ремаут Э., Ремон Дж.П., ван Девентер С.Дж., Нейринк С., Пеппеленбош М.П., ​​Штайдлер Л. (июнь 2006 г.). «Испытание I фазы трансгенных бактерий, экспрессирующих интерлейкин-10, при болезни Крона». Клиническая гастроэнтерология и гепатология . 4 (6): 754–9. дои : 10.1016/j.cgh.2006.03.028. ПМИД  16716759.
  28. ^ Амаргер Н. (ноябрь 2002 г.). «Генетически модифицированные бактерии в сельском хозяйстве». Biochimie . 84 (11): 1061–72. doi :10.1016/s0300-9084(02)00035-4. PMID  12595134.
  29. ^ Шарма Б., Данги АК., Шукла П. (март 2018 г.). «Современные технологии на основе ферментов для биоремедиации: обзор». Журнал управления окружающей средой . 210 : 10–22. Bibcode : 2018JEnvM.210...10S. doi : 10.1016/j.jenvman.2017.12.075. PMID  29329004.
  30. ^ Valda D, Dowling J (10 декабря 2010 г.). «Making Microbes Better Miners». Business Chile Magazine . Архивировано из оригинала 17 декабря 2010 г. Получено 21 марта 2012 г.
  31. ^ Ruiz ON, Alvarez D, Gonzalez-Ruiz G, Torres C (август 2011 г.). «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 машиностроения .
  33. ^ ab Йетисен А.К., Дэвис Дж., Коскун А.Ф., генеральный директор Черча, Юн Ш. (декабрь 2015 г.). «Биоарт». Тенденции в биотехнологии . 33 (12): 724–734. doi :10.1016/j.tibtech.2015.09.011. ПМИД  26617334.
  34. ^ Агапакис К. «Общение с инопланетянами через ДНК». Scientific American Blog Network . Получено 13 сентября 2018 г.
  35. ^ Маджди, Мохаммад; Ашенгроф, Морахем; Абдоллахи, Мохаммад Реза (февраль 2016 г.). «Инженерия сесквитерпеновых лактонов на микробных и растительных платформах: партенолид и артемизинин в качестве примеров». 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 внедрения генетически модифицированных культур на финансовые показатели фермы» (PDF) . Журнал сельскохозяйственной и прикладной экономики . 34 (1): 175–191. doi :10.1017/s1074070800002224. ISSN  1074-0708. S2CID  54910535.
  37. ^ Joly-Guillou, Marie-Laure; Kempf, Marie; Cavallo, Jean-Didier; Chomarat, Monique; Dubreuil, Luc; Maugein, Jeanne; Muller-Serieys, Claudette; Roussel-Delvallez, Micheline (2010-03-18). "Сравнительная активность in vitro меропенема, имипенема и пиперациллина/тазобактама против 1071 клинического изолята с использованием 2 различных методов: французское многоцентровое исследование". BMC Infectious Diseases . 10 (1): 72. doi : 10.1186/1471-2334-10-72 . ISSN  1471-2334. PMC 2845586 . PMID  20298555. 

Дальнейшее чтение