Генетически модифицированные бактерии - Genetically modified bacteria

Часть серия на
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 сейчас используются для нескольких целей и особенно важны для производства больших количеств чистой человеческой белки для использования в медицине.[2]

История

Первый пример этого произошел в 1978 году, когда Герберт Бойер, работая в лаборатории Калифорнийского университета, взял версию человеческого инсулин ген и вставлен в бактерию кишечная палочка производить синтетический "человеческий" инсулин. Четыре года спустя он был одобрен Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.


Исследование

Оставили: Бактерии трансформировались pGLO при естественном освещенииПравильно: Бактерии, трансформированные pGLO, визуализируются в ультрафиолетовом свете

Бактерии были первыми организмами, генетически модифицированными 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 ​​в плазмида и вставлен в бактерии для хранения и модификации. Бактерии дешевы, их легко выращивать, клональный, быстро размножаются, относительно легко трансформируются и могут храниться при -80 ° C почти неограниченное время. После выделения гена его можно хранить 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 отличными инструментами для ученых, желающих изучить функции генов и эволюция. Большая часть манипуляций с ДНК происходит внутри бактериальных плазмид перед передачей другому хозяину. Бактерии самые простые модельный организм и большая часть нашего раннего понимания молекулярная биология приходит от учебы кишечная палочка.[6] Ученые могут легко манипулировать генами бактерий и комбинировать их для создания новых или нарушенных белков и наблюдать за тем, как это влияет на различные молекулярные системы. Исследователи объединили гены бактерий и археи, что привело к пониманию того, как эти двое расходились в прошлом.[7] В области синтетическая биология, они использовались для тестирования различных синтетических подходов, от синтеза геномов до создания новых нуклеотиды.[8][9][10]

Еда

Бактерии долгое время использовались в производстве продуктов питания, и были разработаны и отобраны определенные штаммы для этой работы в промышленных масштабах. Их можно использовать для производства ферменты, аминокислоты, ароматизаторы, и другие соединения, используемые в производстве продуктов питания. С появлением генной инженерии в эти бактерии можно легко внести новые генетические изменения. Большинство пищевых бактерий молочнокислые бактерии, и именно здесь было проведено большинство исследований в области генетической инженерии пищевых бактерий. Бактерии можно модифицировать, чтобы они работали более эффективно, уменьшали образование токсичных побочных продуктов, увеличивали производительность, создавали улучшенные соединения и удаляли ненужные. пути.[11] Пищевые продукты из генетически модифицированных бактерий включают: альфа-амилаза, который превращает крахмал в простые сахара, химозин, который сворачивает молочный белок для производства сыра, и пектинэстераза, который улучшает прозрачность фруктового сока.[12]


В сыре

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 нужно было забить телят, чтобы извлечь химозин из внутренней оболочки желудка. Также это предлагает вегетарианский способ приготовления сыра.[13] это зависит от того, что и как Бактрия делает процесс.

Промышленное

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

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 несколько способов лечения были получены из трупы или другие пожертвованные биологические жидкости и могут передавать заболевания.[17] Действительно, ранее переливание продуктов крови приводило к непреднамеренному инфицированию больных гемофилией ВИЧ или же гепатит С; аналогично лечение гормоном роста человека, полученным из гипофиза трупа, могло привести к вспышкам Болезнь Крейтцфельдта-Якоба.[17][18]

Первое медицинское применение ГМ-бактерий заключалось в производстве белка. инсулин лечить сахарный диабет.[19] Другие производимые лекарства включают факторы свертывания лечить гемофилия,[20] гормон роста человека лечить различные формы карликовость,[21][22] интерферон для лечения некоторых видов рака, эритропоэтин для пациентов с анемией и тканевый активатор плазминогена который растворяет тромбы.[14] Помимо медицины, они использовались для производства биотопливо.[23] Существует интерес к разработке системы внеклеточной экспрессии внутри бактерий, чтобы снизить затраты и сделать производство большего количества продуктов экономичным.[15]

Здоровье

С большим пониманием роли, которую микобиом играет важную роль в здоровье человека, есть возможность лечить заболевания путем генетического преобразования бактерий в терапевтические агенты. Идеи включают в себя изменение кишечных бактерий, чтобы они уничтожали вредные бактерии, или использование бактерий для замены или увеличения дефицитных бактерий. ферменты или белки. Одно из направлений исследований - изменить Лактобациллы, бактерии, которые естественным образом обеспечивают некоторую защиту от ВИЧ, с генами, которые еще больше усиливают эту защиту.[24] В бактерии которые обычно вызывают кариес были разработаны, чтобы больше не вызывать коррозию зубов молочная кислота.[25] Если позволить этим трансгенным бактериям колонизировать ротовую полость человека, возможно, они уменьшат образование полостей.[26] Трансгенные микробы также использовались в недавних исследованиях для уничтожения опухолей или предотвращения образования опухолей, а также для борьбы с ними. болезнь Крона.[27]

Если бактерии не образуются колонии внутри пациента человек должен неоднократно проглатывать модифицированные бактерии, чтобы получить необходимые дозы. Включение бактерий в колонию могло бы обеспечить более долгосрочное решение, но также могло бы вызвать проблемы безопасности, поскольку взаимодействие между бактериями и человеческим телом менее изучено, чем с традиционными лекарствами.

Один пример такого промежуточного продукта, который образует только краткосрочные колонии в желудочно-кишечный тракт, может быть Лактобациллы Acidophilus MPH734. Это используется как специфическое средство при лечении Непереносимость лактозы. Эта генетически модифицированная версия Lactobacillus acidophilus бактерии производят недостающие фермент называется лактаза который используется для переваривания лактозы, содержащейся в молочных продуктах или, чаще, в пище, приготовленной из молочных продуктов. Кратковременная колония индуцируется в течение одной недели курса лечения 21 таблеткой, после чего временная колония может производить лактаза в течение трех и 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 к другим бактериям может иметь неизвестные эффекты. По состоянию на 2018 год проводятся клинические испытания. эффективность и безопасность этих методов лечения.[24]

сельское хозяйство

Уже более века бактерии используются в сельском хозяйстве. Посевы были привитый с Ризобия (и совсем недавно Азоспириллы ), чтобы увеличить их производство или позволить выращивать их за пределами их первоначального среда обитания. Применение Bacillus thuringiensis (Bt) и другие бактерии могут помочь защитить урожай от заражения насекомыми и болезней растений. С достижениями 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 модифицированы, в некоторых случаях для экспрессии генов Bt, ответственных за устойчивость к вредителям. Псевдомонады штаммы бактерий вызывают повреждения от замерзания зарождение вода в кристаллы льда вокруг себя. Это привело к развитию ледяные бактерии, у которых 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 отображения 8 разных цветов флуоресцентные белки.

Другое использование

Другие применения генетически модифицированных бактерий включают: биоремедиация, где 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] очистить ртутное загрязнение[31] и обнаруживать мышьяк в питьевой воде.[32] Биоарт также был создан с использованием генетически модифицированных бактерий. В 80-е годы художник Джо Дэвис и генетик Дана Бойд преобразовал германский символ женственности (ᛉ) в двоичный код, а затем в последовательность ДНК, которая затем была выражена в кишечная палочка.[33] Это было сделано в 2012 году, когда целая книга была закодирована на ДНК.[34] Картины также создавались с использованием бактерий, трансформированных флуоресцентными белками.[33][35][36]

Трансгенные продукты, синтезированные бактериями

Рекомендации

  1. ^ Мело Э. О., Канавесси А. М., Франко М. М., Румпф Р. (2007). «Трансгенез животных: современное состояние и приложения» (PDF). Журнал прикладной генетики. 48 (1): 47–61. Дои:10.1007 / BF03194657. PMID  17272861. S2CID  24578435. Архивировано из оригинал (PDF) 27 сентября 2009 г.
  2. ^ Лидер B, Бака QJ, Голан, DE (январь 2008 г.). «Белковая терапия: резюме и фармакологическая классификация». Обзоры природы. Открытие наркотиков. Руководство по открытию лекарств. 7 (1): 21–39. Дои:10.1038 / nrd2399. PMID  18097458. S2CID  3358528.
  3. ^ Мело Э. О., Канавесси А. М., Франко М. М., Румпф Р. (2007). «Трансгенез животных: современное состояние и приложения» (PDF). Журнал прикладной генетики. 48 (1): 47–61. Дои:10.1007 / BF03194657. PMID  17272861. S2CID  24578435. Архивировано из оригинал (PDF) 27 сентября 2009 г.
  4. ^ «Повторное открытие биологии - онлайн-учебник: раздел 13 Генетически модифицированные организмы». www.learner.org. Получено 2017-08-18.
  5. ^ Fan M, Tsai J, Chen B, Fan K, LaBaer J (март 2005 г.). «Центральное хранилище опубликованных плазмид». Наука. 307 (5717): 1877. Дои: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. ^ Патель П. (июнь 2018 г.). «Тайна микроба». Scientific American. 319 (1): 18. Дои:10.1038 / scientificamerican0718-18a. PMID  29924081.
  8. ^ Арпино Дж. А., Хэнкок Э. Дж., Андерсон Дж., Бараона М., Стэн Г. Б., Папахристодулу А., Полицци К. (июль 2013 г.). «Настройка циферблатов синтетической биологии». Микробиология. 159 (Пт 7): 1236–53. Дои:10.1099 / мик ..0.067975-0. ЧВК  3749727. PMID  23704788.
  9. ^ Поллак А (7 мая 2014 г.). «Исследователи сообщают о прорыве в создании искусственного генетического кода». Нью-Йорк Таймс. Получено 7 мая 2014.
  10. ^ Малышев Д.А., Дхами К., Лавернь 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:2014Натура.509..385M. Дои:10.1038 / природа13314. ЧВК  4058825. PMID  24805238.
  11. ^ Керенлампи С.О., фон Райт А.Дж. (01.01.2016). Энциклопедия еды и здоровья. С. 211–216. Дои:10.1016 / B978-0-12-384947-2.00356-1. ISBN  9780123849533.
  12. ^ Панесар, Памит и другие. (2010) Ферменты в пищевой промышленности: основы и возможности применения, Глава 10, Международный издательский дом I K, ISBN  978-93-80026-33-6
  13. ^ Бонэм, Кевин. "Есть ли проблемы с сыром у противников ГМО?". Сеть блогов Scientific American. Получено 2019-11-23.
  14. ^ а б c Джумба М (2009). Генетически модифицированные организмы - разгадка тайны. Дарем: красноречивые книги. С. 51–54. ISBN  9781609110819.
  15. ^ а б Чжоу Ю., 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. Дои:10.1007 / s00253-017-8700-z. PMID  29270732. S2CID  2694760.
  16. ^ Лидер B, Бака QJ, Голан, DE (январь 2008 г.). «Белковая терапия: резюме и фармакологическая классификация». Обзоры природы. Открытие наркотиков. Руководство по открытию лекарств. 7 (1): 21–39. Дои:10.1038 / nrd2399. PMID  18097458. S2CID  3358528.
  17. ^ а б Foster PR (октябрь 2000 г.). «Прионы и продукты крови». Анналы медицины. 32 (7): 501–13. Дои:10.3109/07853890009002026. PMID  11087171. S2CID  9331069.
  18. ^ Ключ Н.С., Негриер К. (август 2007 г.). «Концентраты факторов свертывания: прошлое, настоящее и будущее». Ланцет. 370 (9585): 439–48. Дои:10.1016 / S0140-6736 (07) 61199-4. PMID  17679021. S2CID  26527486.
  19. ^ Уолш Г. (апрель 2005 г.). «Лечебные инсулины и их серийное производство». Прикладная микробиология и биотехнология. 67 (2): 151–9. Дои: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. Дои:10.1160 / TH07-10-0593. PMID  18449413.
  21. ^ Брайант Дж., Бакстер Л., Кейв CB, Милн Р. (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. Дои:10.1002 / 14651858.CD004440.pub2. PMID  17636758.
  22. ^ Бакстер Л., Брайант Дж., Кейв CB, Милн Р. (январь 2007 г.). Брайант Дж (ред.). «Рекомбинантный гормон роста для детей и подростков с синдромом Тернера» (PDF). Кокрановская база данных систематических обзоров (1): CD003887. Дои:10.1002 / 14651858.CD003887.pub2. PMID  17253498.
  23. ^ Саммерс, Ребекка (24 апреля 2013 г.) "Бактерии производят первое в мире биотопливо, подобное бензину " Новый ученый, Проверено 27 апреля 2013 г.
  24. ^ а б Рирдон С. (июнь 2018 г.). «Генетически модифицированные бактерии участвуют в борьбе с болезнями». Природа. 558 (7711): 497–498. Дои:10.1038 / d41586-018-05476-4. PMID  29946090.
  25. ^ Хиллман Дж. Д. (август 2002 г.). «Генетически модифицированный Streptococcus mutans для профилактики кариеса зубов». Антони ван Левенгук. 82 (1–4): 361–6. Дои:10.1023 / А: 1020695902160. PMID  12369203. S2CID  11066428.
  26. ^ Хиллман Дж. Д., Мо Дж, МакДонелл Э, Цвиткович Д., Хиллман СН (май 2007 г.). «Модификация эффекторного штамма для заместительной терапии кариеса зубов для проведения клинических испытаний безопасности». Журнал прикладной микробиологии. 102 (5): 1209–19. Дои: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 М.П., ​​Стейдлер Л. (июнь 2006 г.). «Испытание фазы I с трансгенными бактериями, экспрессирующими интерлейкин-10 при болезни Крона». Клиническая гастроэнтерология и гепатология. 4 (6): 754–9. Дои:10.1016 / j.cgh.2006.03.028. PMID  16716759.
  28. ^ Amarger N (ноябрь 2002 г.). «Генетически модифицированные бактерии в сельском хозяйстве». Биохимия. 84 (11): 1061–72. Дои:10.1016 / s0300-9084 (02) 00035-4. PMID  12595134.
  29. ^ Шарма Б., Данги А. К., Шукла П. (март 2018 г.). «Современные ферментные технологии для биоремедиации: обзор». Журнал экологического менеджмента. 210: 10–22. Дои:10.1016 / j.jenvman.2017.12.075. PMID  29329004.
  30. ^ Валда Д., Доулинг Дж. (10 декабря 2010 г.). «Делаем микробы лучше шахтеров». Журнал Business Chile. Архивировано из оригинал 17 декабря 2010 г.. Получено 21 марта 2012.
  31. ^ Руис О.Н., Альварес Д., Гонсалес-Руис Дж., Торрес С. (август 2011 г.). «Характеристика биоремедиации ртути трансгенными бактериями, экспрессирующими металлотионеин и полифосфаткиназу». BMC Biotechnology. 11: 82. Дои:10.1186/1472-6750-11-82. ЧВК  3180271. PMID  21838857.
  32. ^ Сандерсон К. (24 февраля 2012 г.). «Новый портативный комплект обнаруживает мышьяк в скважинах». Новости химии и техники.
  33. ^ а б Йетисен А.К., Дэвис Дж., Коскун А.Ф., генеральный менеджер церкви, Юнь Ш. (декабрь 2015 г.). «Биоарт». Тенденции в биотехнологии. 33 (12): 724–734. Дои:10.1016 / j.tibtech.2015.09.011. PMID  26617334.
  34. ^ Агапакис К. «Общение с инопланетянами через ДНК». Сеть блогов Scientific American. Получено 2018-09-13.
  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. Дои: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. Дои:10,1017 / с1074070800002224. ISSN  1074-0708.
  37. ^ Жоли-Гийу, Мари-Лор; Кемпф, Мари; Кавалло, Жан-Дидье; Чомарат, Моник; Дюбрей, Люк; Моден, Жанна; Muller-Serieys, Claudette; Руссель-Дельваллес, Мишлен (18 марта 2010 г.). «Сравнительная активность меропенема, имипенема и пиперациллина / тазобактама in vitro в отношении 1071 клинического изолята с использованием 2 различных методов: французское многоцентровое исследование». BMC Инфекционные болезни. 10 (1): 72. Дои:10.1186/1471-2334-10-72. ISSN  1471-2334. ЧВК  2845586. PMID  20298555.

дальнейшее чтение