Bioteknologi har
fundet anvendelse i århundreder til fremstilling af øl, vin, ost, og brød.
Under den 2. verdenskrig blev der udviklet storskala produktion af penicillin,
der var den første bioteknologiske produktionsproces til fremstilling af et
lægemiddel. Efter krigen førte dette til udbredelse af gæringsprocesser til
fremstilling af en lang række forskellige antibiotika. I denne periode blev der
hele tiden udviklet nye stammer af produktionsorganismerne der gav højere
udbytter, og forbedringer af Penicillium chrysogenum, der anvendes til penicillinproduktion, har
ført til mere end en faktor 10.000 forøgelse i penicillinudbyttet. Disse
forbedringer blev opnået ved klassisk stammeudvikling der involverede mutagenisering og screening. Klassisk stammeudvikling har
tydeligvis været meget succesfyldt, men metoden er dog også meget
arbejdskrævende og den er ikke specielt målrettet. Herudover opstår der i mange
tilfælde uhensigtsmæssige mutationer der f.eks. giver forandrede egenskaber af
produktionsorganismen.
Med Cohen og Boyer’s
introduktion af gensplejsning af Escherichia coli i 1973 blev der åbnet op for en ny måde for forbedring
af gæringsprocesser og til udvikling af helt nye bioteknologiske processer.
Dette førte hurtigt til introduktion af en række nye processer til fremstilling
af farmaceutiske proteiner ved anvendelse af gensplejset E. coli.
Sådanne proteiner, f.eks. insulin og human
væksthormon, var tidligere blevet produceret ved ekstraktion fra dyrevæv men med produktion vhj. af gensplejsede mikroorganismer blev der åbnet op for en mere
reproducerbar produktionsmetode samt en metode der forhindrede overførsel af
f.eks. virus fra dyrevævet til patienter.
Anvendelse af
gensplejsning har ført til udvikling af produktionsprocesser for en lang række
proteiner, og i dag produceres der en lang række proteiner der finder
anvendelse som lægemidler ved hjælp af gæringsprocesser. Dette repræsenterer et
verdensmarked på mere end 30 milliarder US$, og markedet for rekombinante proteiner er i stærk vækst. Til produktion af rekombinante proteiner anvendes ikke kun mikroorganismer
men også højere eukaryoter såsom hybridoma celler, CHO celler (chinese hamster ovary celler), insektceller etc. Valg af produktionssystem
afhænger af en række faktorer såsom evnen til at foretage komplekse glykosyleringer, stabilitet af det producerede protein, og
størrelsen af markedet for produktet. Således produceres et simpelt ikke-glykosyleret protein som insulin i E. coli og i bagegæren Saccharomyces cerevisiae, idet
disse organismer giver mulighed for opnåelse af høje produktiviteter, mens mere
komplekse glykosylerede proteiner som tPA (tissue plasminogen activator) og erythropoeitin produceres i mammale celler (ofte CHO celler).
Det amerikanske
firma GlycoFi (for nylig købt af Merck) har dog
udviklet en gensplejset gærcelle der muliggør produktion af proteiner med human glykosylering i denne organisme, og dette forventes
at åbne op for fremtidig billigere produktion af en række lægemidler, f.eks.
antistoffer. Merck anvender allerede i dag gær til produktion af en række
forskellige vacciner (typisk i form af viruslignende partikler), og lancerede
for nylig en vaccine mod HPV. Med denne udvikling forventes det at mikrobielle
systemer vil finde stigende anvendelse til produktion af lægemidler i
fremtiden.
Introduktion af
gensplejsning har også ført til muligheden for anvendelse af en mere målrettet
forbedring af produktionstammer der anvendes til
fremstilling af klassiske bioteknologiske produkter, såsom antibiotika, sprit,
mælkesyre etc. Via introduktion af specifikke genetiske ændringer er det
således muligt at omdirigere kulstofsstrømmene i
cellerne, og hermed dirigere mere kulstof fra substratet (råvaren) til det
endelige produkt. Samtidig kan uønskede pathways fjernes, og dannelse af biprodukter kan hermed elimineres eller reduceres.
Anvendelse af gensplejsning til forbedring af produktionsstammer er blevet
betegnet metabolic engineering,
og denne strategi anvendes i dag til forbedring af en lang række ”klassiske”
fermenteringsprocesser til fremstilling af produkter som antibiotika
(penicillin, cephalosporiner, erythromycin, nystatin, vancomycin etc.),
primære metabolitter (ethanol,
citronsyre, mælkesyre, lysin, glutamat, phenylalanin etc.), polymere (xanthan gum, alginat, polyhydroxybutyrater etc.), og industrielle enzymer (chymosin, detergent enzymer, bageenzymer etc.).
Den totale
markedsværdi af disse produkter overstiger 45 milliarder US$, og der er en
kraftig vækst i markedet. Således er flere store kemikoncerner ved at etablere
nye bioteknologiske processer. Således har den amerikanske virksomhed Cargill (der er verdens største privatejede virksomhed)
etableret en ny til produktionen af mælkesyre med henblik på at producere polylaktat der er en attraktiv ny polymer (polylaktat har gode egenskaber som plastmateriale og er
samtidig bionedbrydelig). Med åbning af denne ene
fabrik blev verdensmarkedet for mælkesyre fordoblet (mælkesyre finder også
anvendelse til konservering af levnedsmidler og som kemikalie i en række
industrielle processer), hvilket illustrerer de vækstmuligheder der indenfor
industriel bioteknologi. Dupont, den næststørste amerikansk kemikoncern har
etableret en produktion af 1,3 propandiol, der kan
finde anvendelse som udgangsstof for syntese af en række forskellige produkter.
I de fleste af disse processer er der foretaget en række genetiske ændringer i
produktionsstammerne, og i flere tilfælde er der rekruteret enzymer fra andre organismer med henblik på etablering af helt nye pathways.
Succesfyldt
anvendelse af metabolic engineering kræver en detaljeret analyse af cellernes metabolisme for at identificere
hvilke genetiske ændringer der skal introduceres og for at evaluere konsekvenserne
af introducerede mutationer. Hertil er der udviklet nye metoder, hvor
matematiske modeller for cellens metabolske netværk
kombineres med målinger af strømme ind og ud af cellen muligør beregning af kulstofstrømmene (eller fluxene) igennem
de forskellige grene af det metabolske netværk.
Således kan aktiviteten af de forskellige pathways kortlægges, og dette kan give værdifuld information hvis forskellige mutanter
sammenlignes, f.eks. sammenligning af en vild-type stamme og en stamme hvor et
specifikt gen er fjernet.
I denne analyse af
cellerne er det vigtigt der foretages en system betragtning, dvs. hele cellens metabolske og regulatoriske netværk betragtes. Dette er vigtigt idet over-udtrykkelse af et bestemt gen ofte ikke har den ønskede effekt fordi regulatoriske netværk i cellen fører til en nedregulering af andre gener der også spiller en
vigtig rolle. Anvendelse af en system-betragtning er derfor afgørende for
succes i metabolic engineering,
og der er derfor en klar interaktion med system biologi som diskuteret mere i
det følgende.
Inden for de senere
år er der sket en revolution inden for biologien. Denne revolution er
hovedsagelig drevet af det faktum, at genomerne af en række organismer er
blevet fuldstændig sekventeret. På nuværende tidspunkt
er genomet af tæt ved 1000 mikroorganismer sekventeret (en række genomer er ikke offentlig tilgængelige), inklusiv flere
sygdomsfremkaldende bakterier såsom Haemophilus influenzae (meningitis), Mycoplasma pneumonia (lungebetændelse) samt mange industrielt
vigtige organismer såsom Saccharomyces cerevisiae, Bacillus subtilis og Escherichia coli. For de fleste genomer, der er sekventeret,
har kun omtrent 60% af generne en kendt funktion, og
dette har resulteret i en række initiativer til at tilskrive gener med ukendt
funktion en given funktion i cellen – et forskningsområde der normalt referes til som functional genomics.
Forskning inden for functional genomics repræsenterede et paragdigmeskift i biologisk
forskning, idet man traditionelt har arbejdet ud fra en given funktion og
herefter har identificeret det tilhørende gen, hvorimod adgang til information
om hele genomet har ført til en system betragtning af
cellers funktion. Functional genomics betegnes derfor også ofte som systembiologi, og udfra ovenstående
diskussion er det klart der er et stort interessefælleskab med metabolic engineering.
I functional genomics og
systembiologi arbejdes der ofte med karakterisering af mutanter hvori de
enkelte gener er deleteret. Således er der igennem et
stort EU-financieret forskningsprojekt (EUROFAN), som
kørte i samarbejde med amerikanske, canadiske og japanske universiteter
konstrueret et stort antal mutanter af bagegæren S. cerevisiae, hvor hver enkelt mutant er karakteriseret ved
at et specifikt gen er blevet deleteret. Målet er
herefter at identificere en eventuel fænotype for hver enkel af disse mutanter.
Et problem i
forbindelse med denne angrebsvinkel er imidlertid, at der er stor grad af
redundans i de sekventerede gener, dvs. mange gener
har redundant funktion, og deletion af en lang række
gener resulterer ikke i en mutant med en bestemt fænotype. Med udvikling af en
række nye eksperimentelle teknikker vil det dog være muligt at anvende en mere
holistisk (eller system baseret) angrebsvinkel. Disse eksperimentelle teknikker
muliggør analyse på forskellige niveauer i det centrale dogme i biologien (fra
gen til mRNA og videre til protein). Disse teknikker
omfatter DNA arrays til måling af transcriptomet, massespektrometri til måling af proteomet og metabolomet.
Generelt for disse
teknikker er, at de giver information om interaktionen imellem mange
forskellige pathways i cellen, og derfor giver
information om hele systemet i cellen. De er derfor centrale eksperimentelle
metoder i systembiologi. Metoderne giver dog også et meget stort antal data, og
det er afgørende for succes i anvendelse af disse teknikker at der anvendes bioinformatik.
Der findes en række tilgængelige bioinformatiske metoder til behandling af denne type data, men ofte er det værdifuldt at udvikle
nye metoder, f.eks. hvor forskellige ome-data knyttes
sammen eventuelt sammen med anvendelse af matematiske modeller.
De ovenfor
beskrevne eksperimentelle metoder finder bred anvendelse indenfor basale
studier af cellefunktion. Således anvendes DNA chips og proteomics i stor udstrækning til studier af de grundlæggende mekanismer bag en række
sygdomme. Som ovenfor beskrevet er det dog også klart, at disse metoder er
meget værdifulde i studier af bioteknologiske processer. Dette illustrerer den
tendens der i øjeblikket er indenfor forskning – en tæt interaktion imellem
grundforskning i studier af mekanismer og anvendt forskning. Metoder udviklet
indenfor det ene felt kan finde anvendelse i det andet felt, og opdagelser i
grundforskning omsættes i dag hurtigt til konkrete anvendelser. |
