Обогащение с помощью биотехнологии растений

Обновление

Сельскохозяйственная биотехнология достигла еще в течение нескольких десятилетий, чем фермеры добились в веках - повышение наличие продовольствия в некоторых частях мира, которые не могут поддерживать своего населения, развивающиеся растения и семена с улучшенными питательную ценность для человека и животных, а также повышение устойчивости сельскохозяйственных культур к неблагоприятным условиям окружающей среды и насекомых. Более того, прогресс в области биотехнологий позволили использовать растения в качестве "зеленых" заводов на наличие антител, ферментов и других терапевтических белков. В США и за рубежом, то какую-то суету окружающего новых методов, которые могут повысить и контроль экспрессии генов в растениях (я, е. появление признака, или фенотип, обусловлено тем, что ген.). И, несмотря на определенную степень неопределенности в отношении безопасности и долгосрочного воздействия трансгенных модификации, компании продолжают вкладывать миллионы долларов в R

В трансгенных подход к Завод модификации определенного гена, который контролирует признак интереса identifled, реинжиниринга с использованием молекулярных инструментов и введены в растение так как оно становится частью генома, в которых растения (рис. 1). "Этот метод может сократить время, необходимое для внедрения новых сортов культур от 10-15 лет, менее половины этого времени", говорит Autar Матт, руководитель лаборатории растительное (Beltsville, MD) на Департамент США по вопросам сельского хозяйства (USDA, Вашингтон, округ Колумбия, <a target="_blank" href="http://www.usda.gov" rel="nofollow"> www.usda.gov </ A>) Службы сельскохозяйственных исследований (ARS). Наиболее значимых новых продуктов введение в этой области будут генетически модифицированных (ГМ) риса, согласно недавнему докладу по исследованию рынка, Фридония Group, Inc (Кливленд, Огайо; WWW freedoniagroup.com).

"Почти 6 миллиардов людей живут сегодня в мире, и эта цифра, как ожидается, вырастет до 8 млрд в 2025 году", говорит Робб Фрали, старший научный сотрудник в компании Монсанто Ко (St. Louis, MO; <A HREF = "http://www.monsanto.com" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.monsanto.com </ A>). Компании продвигаются вперед, чтобы соответствовать мировым требованиям. Так, например, "Монсанто" производит рапсовое и горчичное богата бета-каротин, вещества, которые могут быть преобразованы телом в витамин А, а ученых финансируемого Фондом Рокфеллера недавно выпустила штамм риса, ГМ, называли "золотой рис", , который содержит высокий уровень этого нутрицевтиков. "ГМ-культур, таких как золотой рис окажется экономически эффективным, удобные средства для расширения доступа к питательных веществ, люди должны улучшить их качество жизни. Но некоторые препятствия должны быть преодолены до золотого риса или его варианты могут иметь эффект" Фрали говорит. К ним относятся способность расти в суровых условиях в странах с витаминно-дефицитный населения, эффективности и стоимости биодоступность betacarotene, которая зависит от его концентрации в рис (в настоящее время 1,6 пг / г риса), матрицы которых он является связаны, влияние традиционных методов приготовления пищи и количество потребляемых. "Например, три порции 0,5 фунта приготовленного золотого риса в день даст только 10% суточного витамина взрослых требования.

В течение следующих 10 лет, BASF корпорации, базирующейся в Людвигсхафене, немецкий (<a target="_blank" href="http://www.basf.de" <rel="nofollow"> www.basf.de / >), в основном через свою дочернюю компанию, BASF завод науки GmbH (Limburgerhof, Германия; <a target="_blank" href="http://www.basfag.de" <rel="nofollow"> www.basfag.de / >), будет инвестировать оценкам EU700 млн. в расширение биотехнологии растений, развивающиеся растения с улучшенными свойствами культивирования, а также повышенный уровни витаминов, аминокислот, ферментов и тонкого органического синтеза. BASF завод науки недавно создала совместное предприятие с Институтом генетики растений и растениеводства завод исследований (Gatersleben, Германия, <A HREF = "http://www.ipk-gatersleben.de" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW "> www.ipk-gatersleben.de </ A>) называется SunGene GmbH (Gatersleben; <a target="_blank" href="http://www.sungene.de" rel="nofollow"> www.sungene. де </ A>), чтобы изучить метаболической инженерии (генетические манипуляции комплекс метаболических путей, участвующих в синтезе составляющих) в качестве средства повышения содержания витамина E масличных растений. "За счет укрепления активности фермента для конкретного шага в биосинтезе витамина E обмена (также известный как чрезмерная экспрессия гена, кодирующего фермент, что) в установленном шикимовой пути кислоты с витамином E, ученые подняли уровни витамина Е в листьях модели растений табака, в три раза ", говорит Харальд Seulberger, управляющий директор SunGene.

Первые генетически модифицированные растения с BASF, как ожидается, вступит на рынок в 2005 году. Центральное место в этом плане является партнерство с Svalof Вейбулла AB (Свалов, Швеция; <a target="_blank" href="http://www.swseed.se" <rel="nofollow"> www.swseed.se / >), из которых BASF завод науки безопасного доступа к семенам и опыта в растениеводстве - "важнейшее требование для сбыта будущем трансгенных растений и подбор подходящих видов на ранней стадии развития", говорит Ханс Каст, президент BASF завод GmbH наук ..

Семена получить повышение питательной

Генетическая модификация растений на улучшение питания, нашла свой путь в хозяйство - в буквальном смысле. В кукурузы и соевых бобов, есть достаточное количество фосфора, необходимых питательных веществ для здоровья животных, в кормах, но это связано в виде фитиновой кислоты, которые плохо усваиваются. Syngenta биотехнологии, Inc (Research Triangle Park, NC; <a target="_blank" href="http://www.syngenta.com" rel="nofollow"> www.syngenta.com </ A>), через R

Дюпон корпорации (Уилмингтон, DE; <a target="_blank" href="http://www.dupont.com" rel="nofollow"> www.dupont.com </ A>) выявила гены, кодирующие ферментов, ответственных за биосинтез фитиновой кислоты в семенах и использовать совместно пресечения для блокировки этих генов выражается. В сотрудничестве подавления, завод спроектирован с ген, который делает РНК (мРНК) с аналогичной генетической последовательности этого гена, что делает фитиновой кислоты. Но этот новый ген снижает мРНК гена, кодирующего фермент, который строит фитиновой кислоты. "В результате зерно с 50% ниже, фитиновой кислоты и значительное увеличение уровня свободного фосфата в семени", говорит Пол Андерсен, директор исследований зерна на улучшение DuPont. Эта технология может быть внедрена в промышленность на ближайшие пять лет на выращивании кукурузы, отмечает он. Дюпон разработал также семян кукурузы на 50% больше лизина, аминокислоты, которые обычно накапливаются в цитоплазме клеток и в хлоропластах. Это было достигнуто путем и инженерных белок, который находится высоко в лизин в эндосперм (рис. 2), а, наоборот, путем изменения метаболизма лизина. Компания готовится к началу испытаний, чтобы определить, имеет конкурентоспособную зерна урожаев полевых условиях ..

В то же время полевые испытания продолжаются на "Монсанто" на кукурузу, которая выражает высокий уровень аминокислот в белке (рис. 2) разница в питательных качеств может привести к увеличению стоимости продукта, для фермеров на $ 15-32/mt, при одновременном снижении величины / Стоимость животного кормовых рационов, говорит Фрали. "Монсанто" также испытывает повышенный уровень триптофана в различных линий сои, которые добавят $ 24-50/mt к стоимости продукта.

Ventria Bioscience, Inc (Sacramento, CA; <a target="_blank" href="http://www.ventriabio.com" rel="nofollow"> www.ventriabio.com </ A>) использует свою запатентованную выражение технологии производства метрических тонн количества белков, которые находят применение в здоровья человека и животных. К ним относятся лизоцим, который расщепляет важный полимер клеточной стенки многих бактерий, а сначала будет запущен в отрасли здравоохранения животных, как альтернатива антибиотикам и лактоферрин, железо-связывающий белок с противогрибковыми, антибактериальными и противовирусными свойствами, которые будут использованы для здоровья человека. "Эти белки оказались дорогостоящими и трудно производить в традиционных системах производства, как бактерии, грибки и культуре клеток", говорит президент Ventria, Скотт Дитер.

Помощью процесса, называемого кодона оптимизации ("вырезания и вставки" генетический материал) и ряд семян конкретных промоутеров, Ventria создает ген, который оптимизирован для выражения протеина интереса на заводе - такие, как рис или ячмень - который включены в корма для животных. "Мы достигли около 1% от веса зерна в качестве активных белков. Зерно может храниться в течение двух лет при сохранении биологической активности", говорит Дитер. Компания надеется, что ее первым коммерческим продуктом, порошок, содержащий около 10% лизоцима, будет заменить антибиотики, используемые в области ветеринарии, в частности, свиней и птицы. "Сегодня, антибиотиков, используемых в свиноводческих себестоимости владельцам до $ 2,50 на одно животное", Дитер указывает. Ventria объединил свои усилия с Sigma Олдрич (St. Louis, MO; <a target="_blank" href="http://www.sigma-aldrich.com" rel="nofollow"> www.sigma-aldrich.com < />), чтобы разработать переработка и очистка протоколов за его белков. Его лактоферрина продукт, который будет 95% чистого металла, будет на рынке в течение 5 лет.

Изменение структуры зерна крахмала стал привлекательным средством улучшения пшеницы для производителей зерна. В Национальный совет по исследованиям в области биотехнологии растений Института (PBI; Саскатун, Саскачеван, Канада; <a target="_blank" href="http://www.nrc.ca" rel="nofollow"> www.nrc.ca </ >), ученые в отдел биотехнологии зерновых дали сортов с измененным составом крахмала и гранулы размером дистрибутива. "Мы выделили несколько пшеничный крахмал биосинтетических генов, которые изменяют качество крахмала, тем самым влияют на конечное использование зерна пшеницы и, возможно, создание нишевых рынков для пшеницы", говорит Ravindra Chibbar, старший научный сотрудник зерновых биотехнологии на PBI.

Вместе с урожая Центр развития Univ. Саскачеван (<a target="_blank" href="http://www.usask.ca" rel="nofollow"> www.usask.ca </ A>), команда Chibbar имеет генетически модифицированных деятельности зерно- связанных синтазы крахмала I, который отвечает за синтез амилозы, чтобы создать амилозы свободного (или "восковой") линий пшеницы. "Кухонные комбайны предпочитают восковой пшеничный крахмал в качестве ингредиента, поскольку он имеет более низкую температуру гелеобразования, более светлый цвет и более мягкой текстуры по сравнению с восковой крахмал кукурузы", говорит Chibbar. Кроме того, восковой крахмал пшеницы увеличивается замораживания / оттаивания стабильность теста и может повысить срок хранения хлебобулочных изделий. Мука из пшеницы восковой линии в настоящее время тестируется некоторыми мукомольных и зерна процессоров в Северной Америке и Европе.

Исследователи PBI также получили международное признание за свои успехи в увеличении содержания масла рапса в результате генетической модификации triacylglycerol (TAG) bioassembly пути. Изменение биосинтеза TAG могут быть использованы для затрагивают несколько содержание растительного масла и соотношение конкретных жирных кислот, таких, как эруковой кислоты, в тегах. "Эруковой кислоты является важным промышленным сырьем в ряде приложений, таких как пластиковые производство фильма, синтез нейлона 13,13 и смазки и смягчающее промышленности", говорит руководитель проекта Дэвид Тейлор. "По генетически изменения биохимических путей, участвующих в добыче нефти в рапса, мы увеличили общее содержание нефти до 8% при одновременном повышении уровня эруковой кислоты", добавляет он.

Metabolix, Inc (Cambridge, MA; <a target="_blank" href="http://www.metabolix.com" rel="nofollow"> www.metabolix.com </ A>) вносит значительный прогресс в расширяем границы метаболической инженерии для производства полигидроксиалканоатов (фазовая) - семейство аморфно-кристаллического термопластов - в определенных тканях растений, таких, как семена и листья, непродовольственных, промышленных предприятий культур. "Фазовая производится таким образом будет не только дешевой альтернативы для многих больших объемов пластмассы, такие, как полиэтилен, полистирол и полипропилен в настоящее время используются, но и быть устойчивым сырья для ряда важных химических веществ в настоящее время на основе нефтехимического источников, в том числе C ^ 3 ^ к югу химических веществ, таких как акриловая кислота и 1,3-пропандиола и C ^ ^ 4 югу химических веществ, таких, как 1,4-бутандиол и N-винилпирролидона ", говорит президент компании, Джим Барбер.

Растения справиться со стрессом

Растения создали различные механизмы для управления стрессом в ходе эволюционного процесса. "Очевидной задачей является понимание основных механизмов, и передавать их на наших культурных растений", говорит Юрген Schweden, управляющий директор BASF завод науки (Research Triangle Park, NC). Например, растения имеют ряд мастер-переключатели, которые можно активировать и деактивировать целые батареи генов адаптации метаболизм и свести к минимуму ущерб (рис. 3). толерантности "Интеграция активатора из мха завод в Thaliana Arabidopsis (В), мы улучшили растений к низким температурам и засухе, говорит Schweden. Подлинные На заводах умерли в течение 13 дней засухи, в то время как трансгенных растений выжили и продолжали расти как правило, после их водоснабжения был восстановлен. Schweden говорит, что модифицированные растения не будут доступны для фермеров, по крайней мере пять лет, в течение которых завод BASF науки будет строить коммерческие линии разведения и подать заявление на разрешение на продажу.

Между тем, DuPont работает на улучшение засухи проблематику гибридной кукурузы, которые могут использовать существующие влаги в почве более эффективно, чтобы выжить периодов засухи и до сих пор производят высокие урожаи. И Монсанто обнаружила ген, называемый Plus гена B, что увеличивает корневой рост волос у растений кукурузы, что привело к повышению эффективности использования азота, улучшение поглощения воды, и 10%-ное увеличение доходности, которую можно добавить значение $ 36/acre для фермера, а также уменьшить потребность в удобрениях.

Биотехнология инструментов

Хотя генетики смотрит на одного гена, по одному за раз, геномика смотрит на все гены, как динамическая система с течением времени, чтобы определить, как они взаимодействуют и влияют биологические пути. И рассчитывать на интеграцию инструментов, таких как высокопроизводительного скрининга, добыча данных и биоинформатики, не только для разработки новых атрибутов, но и для оптимального выражения этих черт в конкретных частях растений и ускорить время выхода на рынок для этих признаков. интеграции компании Монсанто скрининга highthroughput и молекулярной генетики привело культур с более высокой урожайности. За 5-летний период, дает генетически модифицированной кукурузы увеличился примерно на 11% (по сравнению с 145 млн. т) против около 7% при использовании традиционной селекции, в соответствии с "Монсанто" ученых. В настоящее время на открытие этап в их лаборатории ген, который может повысить урожайность сои на 10%, который переводит на добавленную стоимость в размере фермеров 24/acre.

Молекулярная инструментов metanomics GmbH (Берлин, Германия; WWW. Metanomics.de) в настоящее время используются для выявления и контроля фрагменты генетического кода, который может активировать набор генов. Эти средства затем упаковываются в транспортно - так называемый вектор - и вводится в модель завода. Важной вехой достигается уже при metanomics является производство коллекция из более чем 100 000 различных линий (например, генетические типы) At. "Уникальность этого достижения является тот факт, что только один ген, изменяется в каждой строке, говорит Арно Krotzky, управляющий директор metanomics. Результаты исследования линии завода может показать, что уровень частности жирных кислот в растениях резко сократилось. Если какой-то ген на этом заводе был выключен, то, что ген может быть определены в качестве ответственных за производство, что жирные кислоты.

Мендель биотехнологии (Hayward, CA; <a target="_blank" href="http://www.mendelbio.com" rel="nofollow"> www.mendelbio.com </ A>), функциональных геномных компании, основное внимание на небольшой набор регуляторных генов называется завод транскрипционных факторов (ТФ) генов, которые происходят в растениях и работы, включив другие наборы генов (часто участвуют в метаболических путей), которые контролируют завод черты, такие, как способность производить белка в семенах, или распространять новые характеристики, такие, как устойчивость к засухе или насекомых (см. Рисунок 3). "При изменении уровня экспрессии генов транскрипционных факторов, ученые могут повысить естественную способность растения к росту производства и полезных продуктов", говорит Билл Goure, вице-президент Менделя о коммерческой застройки.

В конце 2001 года компания подписала новый 5-год, $ 20 млн R

Глядя в будущее ответственно

По данным Freedonia Group, США продажи сельскохозяйственных продуктов биотехнологии, по прогнозам, до 5,8% в год до $ 2,8 млрд. в 2006 году. Одновременно трансгенных культур площадей увеличится 1,8% в год в общей сложности 102 млн акров, большинство из которых будет состоять из насекомых - в защищенных условиях и устойчивых к гербицидам кукурузы и соевых бобов. Значение приобрели семена выиграют от более широкого использования семян, содержащих несколько агрономических признаков. Например, Dow AgroSciences, Inc (Indianapolis, IN; <a target="_blank" href="http://www.dowagro.com" rel="nofollow"> www.dowagro.com </ A>) и Pioneer HiBred International (Des Moines, IA; <a target="_blank" href="http://www.pioneer.com" rel="nofollow"> www.pioneer.com </ A>) работают над rootworm устойчивостью кукурузы черта, которые будут забиты системы защиты Dow AgroSciences 'Herculex я насекомых предоставлять "широкий спектр inplant насекомых вариант защиты, доступные в кукурузном рынке", говорит Рон Meeusen, мировой лидер Dow AgroSciences "для R

"Ответственного использования текущим результатом биотехнологии, полученных культур в экологических выгод и может быть важным компонентом охраны окружающей среды в сельском хозяйстве", говорит Маргарет Гадсби, директор по глобальным и связям с общественностью руководство в Bayer CropScience (Лион, Франция; <A HREF = "http://www.bayercropscience.com" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.bayercropscience.com </ A>) - компания, которая дебютировала в июне в результате приобретения Bayer AG о Авентис CropScience. Белки используются для контроля популяции насекомых вредителей сельскохозяйственных культур были выбраны, чтобы избежать нежелательных эффектов нецелевое организмов.

Возьмем, например, насекомые-охраняемых культур инженерии с инсектицидных белков кристалла (ПМС) генов Bacillus thuringiensis (Bt). Американской академии микробиологии (AAM, Вашингтон, округ Колумбия, <a target="_blank" href="http://www.asmusa.org" rel="nofollow"> www.asmusa.org </ A>) считает, что около 30 миллионов гектаров сельскохозяйственных культур Bt (в основном кукуруза и хлопок) высаживают во всем мире каждый год. Не случайно, Национальный центр Продовольственной и сельскохозяйственной политики (NCFAP, Вашингтон, округ Колумбия, <a target="_blank" href="http://www.ncfap.org" rel="nofollow"> www.ncfap.org < />) сообщила, что восемь сортов биотехнологии культур в настоящее время выращивается в США сократили использование пестицидов на 46 млн фунтов в 2001 году, влияющие безопасности труда и охраны окружающей среды в самом позитивном смысле.

"Однако, если эффективный контроль за меняющейся сопротивление насекомых на эти культуры не представил, урожай эффективность будет уменьшаться с течением времени, не оставляя никаких стимулов для покупки семян биоинженерии", указывает Джон Глейзер, руководитель группы по устойчивому технологии, США по охране окружающей среды (Вашингтон, округ Колумбия, <a target="_blank" href="http://www.epa.gov" rel="nofollow"> www.epa.gov </ A>) Национальное управление рисками Научно-исследовательская лаборатория (Цинциннати, Огайо; <a target="_blank" href="http://www.epa.gov" rel="nofollow"> www.epa.gov </ A>). Один из подходов к предотвращению сопротивления иметь "убежище" - области обычных культур посажено около полумили от биоинженерных культур, которая обеспечивает население насекомых, которые не являются устойчивыми к пестицидам контроля спариваться с населением ближайшие от биоинженерных полевых культур, тем самым ослабляет сопротивление гена ", объясняет Глазер.

"Долгосрочная предсказуемости и полезность трансгенов и трансгенных растений зависит от глубокого понимания экспрессии трансгена, стабильности, глушителей, генетических взаимодействий и поведения в различных средах", говорит Филипп объясняет Дейл, профессор генетики культур Джона Иннеса центр ( JIC; Norwich, UK; <a target="_blank" href="http://www.bbsrc.ac.uk" rel="nofollow"> www.bbsrc.ac.uk </ A>). Основной сферой интересов в JIC является изменение генотипа / фенотип трансгенных растений для обеспечения биобезопасности и положительные экологические последствия. Цель состоит в том, чтобы позволить ученым контроль - по желанию - экспрессии генов, они инженером в растения. "Наша нынешняя работа связана с вспять устойчивость к гербицидам из рапса завод", объясняет Дейл. "По заражении растений с геном, который происходит от того же вируса, которая поставляла экспрессии генов, мы можем сделать завод восприимчивы к гербицидам снова".

Там были некоторые опасения, что доходы владельцев генов можно пройти к диким сородичам. Технологии защиты System (TPS; ака, "Терминатор"), разработанные в рамках усилий министерства сельского хозяйства США ARS и "Дельта" и Пайн-Ленд ° (D

Будь исследований сегодня проекты стали продукты завтра зависит не только на продолжение научно-технического прогресса, а также на вопросах по поводу экологических последствий и другие риски, конференц-нормативных требований, и общаться с реалий рынка. В этой связи, понимание возможностей использования генетической модификации и техники является одним важнейшим элементом процесс принятия решений общественности в отношении биотехнологической продукции не будет.

Критические вопросы серии, динамичным компонентом Айше ежегодное совещание (ноябрь 3-8, 2002; Indianapolis, IN), будут рассмотрены заявления, выгод и рисков генной инженерии, в ходе сессии по 3 ноября в 3:15 вечера Посетите <a target="_blank" href="http://www.aiche.or" <rel="nofollow"> www.aiche.or />, / годовые для получения дополнительной информации.