Дневник Биотехнолога. Краткий экскурс
Автор: биотехнолог сообщества Фанерозой, Людмила Хигерович. Художник сообщества Фанерозой Deus. exe.
Повелитель микромира! Рисунок Deus.exe
Доброго времени суток друзья!
Сегодня проведём небольшой экскурс в работу инженера-биотехнолога. Но не всякого, а того, который работает с микроорганизмами. Заодно выясним, чем его работа отличается от работы рядового лаборанта. Итак, начнём с того, что биотехнология — весьма обширная область человеческой деятельности. Обширная, наукоемкая и… загадочная.
! НЕ СООТВЕТСТВУЕТ ТЕМАТИКЕ ХАБРА_НИЗКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ!
Просим всех тех, кто так считает: пожалуйста не тратьте своё время на прочтение данной статьи соответствующей тематике тех хабов, в которых эта статья находится и той сложности технического материала, которую требуют от статьи данные хабы. Лучше переходите сразу к прочтению других материалов, которые соответствуют вашим потребительским предпочтениям. Не портите себе настроения, уважайте мнение других и хорошего Вам дня! живите дружно!
Сами посудите, что первым приходит на ум при словах «биотехнология», «биоинженерия», «микробиология» и подобных? Я вам помогу, составив основной список ассоциаций:
Вирусы и биооружие
Чужой (куда ж мы без ксеноморфов)
ГМО и томаты с генами скорпионов
Биороботы на Марсе
Борьба с раком
Супер-вакцины (это что-то новое)
В общем и целом, о биотехнологии и биотехнологах ходят множество мифов, и в целом отношение к ним варьируется от навеянного киношными образами учёных настороженно-недоверчивого (нас травят генно-модифицированной кукурузой, чтобы мы оглупели и стали рабами системы!) до слишком уж оптимистического (скоро мы посадим себе водоросли под кожу и полетим на Марс). Немало и скептиков, которые в принципе не очень верят ни в одну из этих позиций, да и вообще не очень понимают, чем занимаются биотехнологи.
Что ж, сегодня я приоткрою завесу тайны.
Как я уже говорила, биотехнология весьма обширна. Если вы решите хоть немного погрузиться в неё, то будьте готовы к совершенно противоположным занятиям и подходам. Но для начала стоит немного прояснить, что же такое биотехнология. Не волнуйтесь, я кратенько.
Биотехнология — междисциплинарная отрасль деятельности, находящаяся на стыке биологии и технологии. Причём говоря о биологии, я имею в виду не только общую биологию с её подразделами (физиологию, микробиологию, ботанику, зоологию, гистологию, генетику и т.п.), но и все, что так или иначе касается её, включая медицину, сельское хозяйство и даже органическую и биологическую химию.
А упоминая технологии, я включаю туда не только электромеханику и использование современных технических средств, но и технологию как алгоритм: последовательность выверенных и точных действий и манипуляций над этой техникой или биологически объектом, направленную на достижение четко поставленной цели.
Это далеко не полный список связей различных дисциплин
Другими словами, биотехнология — технология управления биосистемами для достижения цели. Причём биосистемы — тоже мультиплицированный термин, он включает как целые организмы (человеческий, птичий, инфузории или бактерии), так и колонии организмов (бактерий, губок, кораллов), части организмов (культура клеток организма) или даже части клеток (например, генетический аппарат клетки, или синтетическая система ферментов).
Области применения биотехнологии. Список также не полон.
При этом совсем необязательно, что вы будете работать непосредственно с этими биосистемами — было бы очень сложно достичь нынешнего уровня в науках без техники.
Так, биотехнологи, в том числе создают приборы и проектируют биореакторы (огромные системы для оптимальной обработки сырья или культивирования клеток), а также работают с… базами данных.
Один из самых популярных инструментов поиска соответствий нуклеотидных и аминокислотных последовательностей. Не бейте за рекламу — ее тут нет)))
Например, при исследовании какого-либо организма важным этапом является секвенирование его генома и выявление сущностных отличий. Для этого приходится во-первых, проанализировать и перебрать сам исследуемый геном, определить кодирующие и некодирующие участки, и с какой функцией они связаны, а во-вторых, сравнить его с миллионами других геномов. К счастью, успехи генетиков сильно преуменьшены в этом плане — за последние 50 лет человечество полностью секвенировало огромное количество генов, многие из которых ещё и расшифровало (в плане выяснило, какие белки в них закодированы). Все это занесено в огромные базы данных, проиндексировано и систематизировано по биологическим видам и функциям. Так что, если у вас талант к работе с программным кодом, есть шанс, что вам достанется «сухая» биотехнология — т.е. часы и недели работы с цифрами и буквами алфавита жизни.
Мне повезло (в прямом или переносном смысле — решайте сами)), и я работаю инженером-исследователем в «мокрой» биотехнологии — непосредственно с биообъектами. Цены на труд здесь на порядок ниже, но насиловать свою нервную систему, совершенно не способную произвести кодинг и поработать с этим хотя бы пару часов, я не буду. Да и должен же кто-то и этим заниматься))
Что я делаю? Я занимаюсь тем, что создаю и тестирую биопрепарат. Разумеется, я делаю это не одна, и часто прибегают к услугам соседних лабораторий, но я относительно автономна в этом плане. Мне дают образец культуры микроорганизмов и ставят задачу — проверить сущностные характеристики, вывести более эффективный штамм, проверить активность, подобрать условия и т.п. На первый взгляд выглядит сложно, но на самом деле все намного проще, чем кажется.
Поддерживать 100 изолятов дочерних колоний, на каждую минимум 2 повторности (дубликат), на одной и той же среде, разлитой в один день. И посеяно все должно быть в один день. Итого… минимум 200 чашек. А еще другие среды для других микроорганизмов…Мммилота.
В процессе работы самую большую часть времени занимает… ожидание. Приготовив стеклянную посуду, относишь её в стерилизацию и ждёшь, когда её простерилизуют — очередь длинная, и пустая посуда всегда идёт после питательных сред. Приготовив среду, ты ждёшь, когда она простерилизуется и разливаешь. Потом ждёшь, когда она застынет и остынет. Посеяв культуру, ждёшь, пока она вырастет, не забывая измерять скорость прироста. Посеяв две культуры вместе, ждёшь, пока они вырастут и смотришь, кто кого пересилит. А потом пишешь громадный отчёт со сравнением твоих результатов и чьих-то ещё, и ждёшь, когда его одобрят или не одобрят. В перерывах между ожиданиями я выполняю много всякой побочной работы — основном, занимаюсь приготовлением сред и помывкой освободившейся от неё тары и инструментов. Самая неблагодарная работа, которую в крупных лабораториях поручают лаборантам и практикантам. У нас лаборатория не крупная, а практиканты приходят не так часто (вернее сказать, не постоянно и набегами в стиле «язабылпропрактикупамагити»), да и принуждать студентов работать вроде как нельзя, поэтому всей возможной тряхомудией инженеры-исследователи и научные сотрудники занимаются сами.
Эти желейные медузы — настоящий бич лабораторий, где бывают студенты. Прежде, чем мыть пробирки, колбы и чашки, следует удалить агаризованную среду, особенно, если на ней что-то росло. Проще всего это сделать… сварив посуду. Да, просто берем большую кастрюлю с водой, кладем в нее наши чашки, добавляем соли. ой, то есть, моющее средство, вдобавок можно докинуть кислоту — если патоген на чашке был опасен. Варить не менее получаса: агар растворится, а большая часть микробов погибнет. И трубы не засорятся!
Кроме того, относительно несложной кажется работа с посевами. Ну, чего сложного в том, чтобы по инструкции выполнить несколько простых действий: при открыть чашку, мазнуть инструментом, закрыть чашку. С этим кто угодно может справиться.
Так да не так.
Выполнять все пункты инструкции несложно. Сложно не забыть, что эти пункты значат и не пренебречь ими в какой-то момент. Биотехнологи обладают (должны, во всяком случае) определёнными компетенциями, не позволяющими им просто так нарушить порядок. Рядовому же человеку кажется, что если он не протрет стол спиртом вон в том углу, то ничего не случится. Что можно подержать иглу в пламени не пару секунд после раскаления, а просто докрасна — это нормально. Что микроорганизмы якобы неживучие, а потому выжить на раскаленной игле и уж тем более на грязном столе с обилием пропитания они не смогут. На самом же деле сюжета фильма «Нечто» конечно не произойдёт, но если работа ведётся с опасными патогенами, то соблюдение этих казалось бы простых правил поможет биотехнологу не помереть раньше времени.
Что ж, наличие знаний ещё не означает, что они глубоки достаточно для ответственной и эффективной работы. Но к этому мы вернемся позднее.
При этом стоит отметить, что и выполнение всех пунктов не гарантирует хороший результат. Поскольку работаем мы с биосистемами, а биосистемы обладают высокой изменчивостью и вариативностью, к тому же весьма привередливы.
Изменчивость заключается в том, что хорошо изученные культуры после длительного хранения или множества пересевов могут приобретать или терять некоторые свойства. Так раз в несколько лет (порой чаще) проводится «переаттестация» и перелицензирование биопрепаратов, включающие проверку их активности и «силы роста». Изменчивость также ответственна и за получение новых штаммов — более активных, более стойких или имеющих особые отличительные свойства.
А ведь помимо изменчивости в процессе деления и рекомбинации, у бактерий существует еще и половой процесс. Конечно, он не очень похож на привычный нам, но результат такой же — обмен генами и создание новых качественно отличных организмов. Рисунок Deus.exe
Вариативность — способность в разных условиях по-разному проявлять свои свойства. Так, в природе Bacillus subtilis всего лишь сапрофитная бактерия, участвующая в разложение растительных остатков. Однако её способность продуцировать антибиотики сделала её популярной основой биопрепаратов для защиты растений от вредителей и болезней, а продукция фитогормонов вроде ауксинов и гиббереллинов — полезным биоудобрением и стимулятором роста растений.
Все это — варианты, полученные из одной исходной культуры и посеянные в одно время. Однако взгляните, как они отличаются по размеру, форме, структуре колоний и скорости роста!
Привередливость же — очень большая проблема. Если вышеупомянутая сенная палочка «всеядна» и способна расти чуть ли не на голом агаре (хотя почему чуть ли? На голом агаре и растёт), как и практически на любой другой питательной среде с рН от 4,5 до 8,5, то некоторые другие организмы так не могут.
Например, я сейчас мучаюсь с одним из весьма опасных фитопатогенов, и в прошлом даже карантинным объектом — бактериями семейства ксантомонад. И на полях эта зараза губит более 30% урожая капусты ежегодно, распространять с землёй, водой и гниющими листьями.
Но в лаборатории ксантомонады расти отказываются напрочь, какую бы среду им ни подобрали. Универсальная для всех бактерий среда СПА (сухой питательный агар, основа которого — гидролизат печени кильки и рыбная мука) им не по вкусу, разработанная специально для подобных случаев среда Кинга и органические среды вроде УДС (на основе дрожжевого экстракта) и кукурузно-мелассная среда (отходы производства кукурузы и сахарной свёклы) требуют внимания к рН и наличию осадка, чуть что отличается в пределах нормы по ГОСТ — и ксантомонас опять не растёт. Приходится подбирать среду индивидуально, основываясь на известных биологических свойствах. Порой приходится варить капустные листья и картофель (естественно, без приправ) для того, чтобы приготовить вытяжку на питательную среду.
Но не только биологическая природа объектов, с которыми приходится работать, создаёт проблемы. Есть ещё и фактор случая. Особенно болезненно он проявляется вместе со случаем из предыдущего абзаца.
Дно пробито! Стол залит бактериями! Ужас, буря, безумие! Бывает, что попадается заводской брак. После стерилизаций, перемешиваний, нагревов и прочего стеклянные пробирки и колбы могут треснуть из-за накопившегося напряжения или случайного резонанса. Забавный факт — в тот день дно вылетело не только у меня, но и у пары других сотрудников.
Например, вы идеально приготовили среду. Идеально простерилизовали бокс ультрафиолетом, прожаривая его целый час. Идеально протерли стол. Идеально разлили среду, приоткрыв чашку ровно настолько, чтобы прошла струйка расплавленного агара. И через сутки, приходя забрать застывшую среду, вы обнаруживаете постороннего.
Как же это случилось?
Все очень просто. Остывая, агар передает свое тепло чашке и воздуху в ней. Воздух расширяется, а после остывания сжимается, как бы засасывая атмосферу в чашку. Вместе с ней порой залетают и споры посторонней флоры, вызывая контаминацию (загрязнение или заражение).
Откуда берется посторонняя флора в стерильном помещении?
С Вас. Она прилетает вместе с Вами в комнату с током воздуха, когда вы проходите по коридору. Она цепляется за ваши волосы и кожу. Да даже ваши собственные симбиотические бактерии на коже могут вызвать контаминацию — поэтому необходимо протирать руки спиртом (особенно потливым людям) или еще лучше — носить перчатки. Да и маска не помешает — меньше спор вдохнете, меньше выдохните, и протереть ее несложно.
Пример роковой случайности — в стерилизации разгерметизировался автоклав. Все среды, сданные в тот день, позднее заросли. Очередь из сотрудников лаборатории штурмовала двери стерилизации еще несколько дней.
Но даже при соблюдении всех пунктов необходимо быть внимательным. Очень внимательным — одна маленькая колония контаминанта, одна ошибка, один непрофессиональный шаг может загубить месяцы работы.
Еще один пример: некоторые среды при стерилизации могут «подниматься» или давать пену. После этого лучше сменить верхний слой пробки или вовсе поменять пробку.
В противном случае, это чревато горением пробки прямо в автоклаве или заражением среды через плохо простерилизованную пробку.
Поверьте, я знаю, о чем говорю.
У нас часто практику проходят студенты, но далеко не все из них хотят связать свою жизнь именно с практической микробиологией. А некоторые и вовсе делают «на отвяжись».
Посторонняя флора — черные и желтые грибы поверх культуры.
Одна из таких студенток поставила в термостат переувлаженные чашки с семенами, которые надо было прорастить для теста препарата. В тот же термостат, в котором стояли чашки с тестируемым биопрепаратом. Выходные выдались жаркими, и чашки с растениями «потекли» — и без того сильно испаряющие влагу растения в тепле начали делать это в два раза сильнее. Как итог — вместе с влагой в стерильный термостат попали споры стрептомицетов и аспергиллов, пара спор заселила одну из чашек, и быстро выросла, произведя пару тысяч спор. К понедельнику весь термостат был мокрый, а все чашки заросли. Пришлось мыть и стерилизовать все по новой, а образцы основы биопрепарата — размораживать и размножать по-новой.
Вот такой краткий экскурс в работу биотехнолога.
Если понравилось, в следующий раз расскажу подробнее о том, что и как делают, чтобы получить биопрепарат из обычной бациллы.
Всего хорошего и не болейте!
