Betydningen af systembiologi for industriel bioteknologi

Publiceret April 2007

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.