Знаете, как скрестить мышь с медузой? Или, может быть, хотите научиться собирать конструктор из вируса, человека и быка? В нашем курсе мы расскажем вам о том, какие «пазлы» уже умеют складывать учёные и как трансгенные технологии влияют на нашу жизнь. ГМО — эти три буквы держат в страхе весь мир. Сегодня больше 80% россиян боятся генетически модифицированных организмов, не подозревая о том, что их собственные организмы в своё время уже подверглись генетической модификации. На протяжении миллионов лет вирусы, первые «генные инженеры», успешно меняли геном человека, и каждый из нас на целых 8% вирус. Из нашего курса вы узнаете, что же такое ГМО и зачем человек создал технологии трансгенеза, как работает трансгенная конструкция и какими способами её можно доставить в клетку. Мы познакомим вас с новейшими системами редактирования генома, расскажем о том, как трансгенные животные помогают исследователям в борьбе с наследственными заболеваниями и старением. Вы собственными глазами увидите светящихся рыбок и мышей и побываете в лаборатории, где из опаснейших вирусов делают безопасные для того, чтобы они служили на пользу человечеству. Добро пожаловать на курс «ГМО: технологии создания и применение». Мы научим вас делать из мухи слона!
2.9. Молочные биореакторы
Loading...
來自 Novosibirsk State University 的課程
ГМО: технологии создания и применение
170 個評分
從本節課中
Создание трансгенных организмов
Второй модуль делится на 2 части. В первой из них мы расскажем и покажем, как в лаборатории создаются трансгенные конструкции и какие методы позволяют генным инженерам объединять в трансгенной конструкции ДНК самых разных видов. Из второй части модуля вы узнаете о самом распространённом способе создания трансгенных животных. Например, о том, как обычную козу можно превратить в биофабрику по производству белков человека. Кроме того, мы разберём молекулярные механизмы, встраивающие чужеродную ДНК в геном.
與講師見面
Алексей Мензоровкандидат биологических наук, старший преподаватель
Кафедра цитологии и генетики факультета естественных наук НГУ
Нариман Баттулинкандидат биологических наук, старший преподаватель
Кафедра цитологии и генетики факультета естественных наук НГУ
Вениамин Фишманкандидат биологических наук, преподаватель
Кафедра молекулярной биологии факультета естественных наук НГУ
[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]
Сегодня мы опять вернемся
к теме наработки необходимых белков с помощью трансгенных организмов.
Я уже несколько раз упоминал о том, что трансгенные различные белки можно
нарабатывать с помощью трансгенных организмов, таких как дрожжи или бактерии.
Но это не совсем так.
Дело в том, что не все белки можно наработать в таких простых организмах.
И это происходит так, потому что многие белки, которые необходимы
человечеству, на самом деле являются не совсем белками.
Это только вот в диетах, когда рассказывают о том, как нужно правильно
питаться, часто говорят, сколько нужно потреблять белков, жиров и углеводов.
Но в жизни всё бывает намного сложнее,
и зачастую белки в организме являются смесью из нескольких этих компонентов.
Так, многие белки, особенно те, которые циркулируют в плазме крови,
являются на самом деле гликопротеинами.
Это соединения, которые являются белками,
но некоторые аминокислоты у этих белков содержат разветвленный
такой кустик сахаров.
Сахара могут объединяться в цепочки, которые могут ветвиться,
и вот такая вот модификация белков называется гликозилирование.
Это очень важная модификация, очень сильно влияющая на различные функции белков,
на стабильность, на выполнение конкретной функции.
И зачастую бывает так, что если белок имеет правильную аминокислотную
последовательность, но не содержит необходимых вот этих вот кустиков сахаров
в нужных местах, он просто оказывается нефункционален.
И проблема заключается в том, что бактерии не могут правильно гликозилировать
белки таких сложных организмов, как человек, например.
В некотором отношении с некоторыми белками всё хорошо, с такими, как инсулин,
и трансгенные бактерии действительно уже сейчас спасают миллионы жизни,
нарабатывая в своих клетках инсулин, но не все белки можно наработать в бактериях.
Как выходить из этой проблемы?
В принципе, можно использовать для наработки культуры клеток млекопитающих.
Вениамин уже рассказывал вам о том,
какими способами можно доставить ДНК в культуру клеток.
И в принципе, есть способы,
как с помощью таких трансгенных культур клеток человека или других животных,
например, используя клетки китайского хомячка,
можно нарабатывать различные белки.
Дело в том, что поскольку это клетки млекопитающих, они могут правильно
навешивать вот эти самые кустики сахаров в нужные положения белков,
и таким образом белки, наработанные с помощью таких культур клеток,
они являются похожими на естественные белки,
и в принципе, их можно нарабатывать в больших количествах.
Вот так выглядят чашки с культурами клеток.
Тонким слоем на дне таких вот флаконов растут клетки и
нарабатывают необходимые нам белки.
И в принципе, даже существуют технологии, как...
Ну, вот эти небольшие флаконы — это так наращивают клетки в небольших количествах,
для исследователей.
Но существуют прямо настоящие биореакторы, сложные комплексы оборудования,
которые позволяют наращивать эти клетки в больших количествах и
соответственно производить большое количество белка.
Они позволяют очень тонко контролировать условия культивирования,
поддерживать температуру, состав газов — клетки дышат, им необходим кислород,
они выделяют CO2, его нужно отводить; позволяют автоматически добавлять
питательные вещества и выделять из культуральной среды необходимые белки.
Но оказывается, что такая система, такой биореактор оказывается очень дорогим.
По некоторым оценкам капитальные вложения в строительство такой
фабрики биореактора оцениваются в 250–500 миллионов долларов.
Полмиллиарда долларов США, для того чтобы построить вот такую фабрику
— это очень много, и на самом деле это не единственная альтернатива.
Существуют биореакторы, которые обходятся гораздо дешевле, например, такие.
Корова или любое другое домашнее животное,
которое производит достаточное количество молока, также можно назвать биореактором.
Дело в том, что в молоке содержатся, как мы уже говорили, белки, жиры и углеводы.
И белков там достаточно много.
Я думаю, что все представляют себе, как выглядит литр молока.
Так вот, в каждом литре молока содержится 35–40 грамм белков.
Просто чтобы наглядно представить, сколько это,
я принес с собой пробирку, в которую налил 40 грамм подкрашенной жидкости,
но 40 грамм белка занимают примерно столько же места.
Это очень много.
По некоторым оценкам одна трансгенная корова может в год
производить до 40 килограммов необходимого белка.
Это очень много, учитывая что зачастую, скажем,
терапевтически ценные белки человека, из которых производят лекарства,
их необходимо микрограммы или миллиграммы — это такие количества,
которые и глазом-то не очень сильно видно, а тут 40 грамм.
Это очень много, 40 килограмм.
И в этой лекции я хочу привести несколько конкретных примеров о том,
как животные молочные биореакторы уже сейчас применяются для производства
терапевтически ценных белков человека.
И первый пример связан с наработкой такого белка, как антитромбин 3.
Это вещество, которое препятствует образованию тромбов.
И его очень широко применяют в медицине, например, после операции,
когда после хирургического вмешательства есть риск образования тромбов,
это всегда очень плохо,
и в качестве такой профилактики в организм колят антитромбин человека.
В принципе, его можно добывать из донорской крови,
но гораздо удобнее добывать его из молочных биореакторов.
И сейчас на рынке уже есть препарат, коммерческое название которого атрин,
который производится с помощью трансгенных коз,
которые в молоко себе продуцируют вот этот антитромбин,
из которого — из этого молока — антитромбин добывается.
Вот, кстати, на этом рисунке хорошо видно,
что у антитромбина есть несколько сайтов — пять сайтов, по которым
происходит гликозилирование, то есть навешивание вот этих кустиков сахаров.
Бактерии не смогут такого сделать,
это могут сделать только какие-то высшие животные, такие, например, как коза.
И показательный пример о том,
насколько эффективны молочные животные биореакторы: одна трансгенная
коза способна заменить 90 тысяч донорских проб крови, из которых можно было
бы добыть антитромбин человека и сделать соответствующее количество лекарства.
Это очень выгодно, эффективно и позволяет сэкономить донорскую кровь,
которая является очень ценным ресурсом для каких-то других целей.
Второй пример — это наработка белка,
которая называется C1-ингибитор системы комплемента.
Этот белок является элементом иммунной системы нашего организма,
и он является тормозами для этой иммунной системы.
поскольку он препятствует неспецифической активации, когда в ответ не на инфекцию,
а скажем, на стресс или какие-то другие воздействия организм вдруг
начинает защищаться непонятно от чего, и это всегда очень плохо.
Вот в качестве такого тормоза для иммунной системы
выступает белок C1- ингибитор системы комплемента.
При его недостатке, оказывается, развивается серьезное заболевание,
которое называется наследственный ангионевротический отек.
В ответ на стресс или какое-то неспецифическое воздействие начинают
отекать конечности, органы брюшной полости,
и часто отек затрагивает дыхательные пути.
И практически неминуема смерть, если не оказывать лечение таким пациентам.
А лечение заключается в инъекции вот этого самого белка — C1-ингибитора.
Так вот, сейчас на рынке появился препарат,
который производится с помощью молочных биореакторов.
Вот так выглядит молекула белка
C1-ингибитора, и она как раз очень сильно гликозилирована.
Настолько сильно,
что в реальности каждая молекула на 26 % ее массы состоит из сахаров.
Вот и сами решайте — белок это или сахар.
Практически четверть молекулы составляют сахара.
И вот такое сильное гликозилирование опять же возможно только в
каких-то сложных системах, в таких как организм млекопитающего.
Интересно, что нарабатывают его не самые молочные животные — кролики.
Но хотя они дают не так много молока, но оказывается, его достаточно,
для того чтобы выпустить на рынок препарат и лечить людей.
Похожая система с наработкой ценных белков была разработана и у нас,
в России, в сотрудничестве с белорусскими исследователями.
Была получена трансгенная коза,
которая в молоко продуцирует ценный белок — лактоферин человека.
Это белок, который продуцируется с молоком матери и обеспечивает
антимикробную защиту на самых ранних этапах нашего развития,
а также является регулятором потребления железа для младенчиков.
И сейчас производятся такие козы,
которые производят человеческий лактоферин в молоко.
Его можно, даже не добывая, и как препарат употреблять в пищу,
и это тоже будет достаточно полезно.
На сегодняшний день в мире уже больше десятка различных проектов
по производству самых разных белков человека, в том числе нужных белков,
терапевтически ценных белков, с помощью животных молочных биореакторов.
Ну а завершить эту лекцию я хотел бы еще одним примером, достаточно забавным,
на мой взгляд, использования вот таких животных
биореакторов для производства различных белков человека.
И пример заключается в том, что была создана коза, трансгенная коза,
которая продуцирует в молоко белки шелка паука.
Дело в том, что паучий шелк — он является очень прочным материалом.
Оказывается, он гораздо прочнее, чем тех же размеров стальная нить.
И по задумке авторов проекта этого можно использовать паучий шелк для производства,
например, бронежилетов или для производства нитей для
зашивания хирургических разрезов.
В принципе, можно было бы построить ферму,
на которой разводить большое количество — миллионы и миллионы — пауков, но,
к сожалению, эти пауки являются каннибалами, и они друг друга едят.
Поэтому было принято решение использовать трансгенных коз.
В отличие от пауков козы друг друга не едят и могут производить большое
количество белка в молоко.
И в принципе, такие козы были созданы, и даже налажено было
производство нитей из выделенного белка,
из молока, но в целом проект оказался экономически невыгодным.
Фирма, которая разрабатывала эту модель, стартап, разорилась в конце концов,
обанкротилась и передала своих коз уже в музей в Канаде.
И теперь посетители могут наблюдать вот таких необычных трансгенных животных,
которые могут производить паучий шелк в молоке.
Ну а в следующей лекции я расскажу еще об одном примере использования трансгенных
животных — биореакторов для производства терапевтически ценных белков человека.
