En bioteknologisk revolution?

av Bjarne Nyman Forum 1982-14, sida 08-11, 22.09.1982

Taggar: Teman: biologi

Modern hybrid-DNA-teknik bäddar fö e Mänskligheten har sedan urminnes tider haft stor nytta av olika mikroorganismer för sitt eget välbefinnande. Tidigare var det främst fråga om matprodukter och jästa drycker.

Sedan kom den antibiotika-eran som innebar en explosionsartad höjning av antalet mikrobiska produkter både för medicinskt och industriellt bruk.

Under 1970-talet har den genetiska ingenjörskonsten vuxit fram. Med genetisk ingenjörskonst — eller genmanipulation — avses den teknik som forskarna föredrar att kalla hybridDNA-teknik. (Se inforum).

Under den korta tid hybrid-DNAtekniken har existerat har den redan hunnit bli en hel vetenskap. Forskningsresultaten avlöser varandra och praktiskt industriella tillämpningar syns vid horisonten. Förväntningarna som ställs på den nya tekniken har dock i någon mån avmattats. I många fall har det visat sig vara svårare att åstadkomma praktiska tillämpningar än man allmänt trodde då tekniken såg dagens ljus.

Finländskt gentekonolgiprojekt

Forskningen i hybrid-DNA-tekniken leds klart av USA. Där har också företag som enbart sysslar med hybridDNA-teknik vuxit fram som svampa ; 2 en — På lång sikt är hybrid-DNA-teknikens möjligheter stora och därför är det viktigt att forskningen får fortsätta också hos oss, betonar professor Tor-Magnus Enari vid biotekniska laboratoriet.

EN BIOTEKNOLOGISK

REVOLUTIO ur jorden. I detta nu finns i USA över 250 företag i branschen.

Hos oss i Finland tog hybrid-DNAtekniken fart via ett treårigt projekt finansierat av SITRA (3,2 Mmk). Projektet körde igång den första februari 1980 och kommer följaktligen att avslutas i början av nästa år. Projektet genomförs av en grupp forskare från Helsingfors universitetets biokemiska, sero-bakteriologiska och virologiska institutioner, från Statens tekniska forskningscentral (biotekniska Iaboratoriet) samt från Folkhälsoinstitutet.

Avsikten med SITRA-projektet var och är att skapa ett inhemskt kunnande på genteknologins område. Vid Statens tekniska forskningscentrals biotekniska laboratorium är professor Tor-Magnus Emari inkopplad på projektet. Biotekniska laboratoriets andel av SITRAprojektet är att med hjälp av hybridDNA-teknik ta fram bättre metoder för enzymproduktion.

— För vår del kommer den nya tekniken på ett lämpligt sätt med i bilden, säger professor Enari. Vi har länge sysslat med enzymteknologi, produktion och användning av enzymer industriellt.

Biotekniskt motorbränsle?

Biotekniska laboratoriet har inom ramen för SITRA-projektet forskat — Ett problem när de överföringen av gener från mögelsvamp till bakterier direkt eller via jästsvamp. Hittills har överföringen inte gett önskat resultat pga oförutsedda tekniska problem.

— Vi har nu isolerat budbärar-RNA från mögelsvamp och av det skall vi konstruera ett c-DNA i provrör, berättar professor Enari. Detta konstruerade DNA skall vi sedan överföra till en bakterie.

Professor Enari ser stora möligheter till industriella tillämpningar i framtiden — delvis tack vare den nya hybrid-DNA-tekniken — Med hjälp av genteknologi kan vi få kostnaderna för enzymtillverkning att gå ner betydligt och då kan det biokemiska produktionsalternativet bli ekonomiskt attraktivt på många områden.

Redan nu finns enzym — cellulaser — som bryter ner cellulosa och andra enzym — hemicellulaser — som bryter ner hemicellulosa. Då cellulosan nedbryts bildas socker som kan vidareförädlas till alkoholer för användning som motorbränsle på bioteknisk väg.

— Men i dagens läge kan enzymproducerat bränsle inte tävla med oljan. Enzymtillverkningen är alldeles för dyr.

En speciell möjlighet för den nya hybrid-DNA-tekniken yppar sig i fråga om nedbrytningen av hemicellulosa. Vid denna nedbrytning bildas främs att en stor del av den erhållna kunskapen finns hos kommersiella bolag — och förblir där, anser docent Ralf Pettersson vid hybrid-DNAlaboratoriet.

gäller hybrid-DNA-forskning

Forum 14/82

Kommer morgondagens kemiska industri att till stor del vara biokemisk? - Kommer man att kunna producera olika kemialier, enzymer, mediciner, näringsämnen, gödselmedel och flytande bränslen effektivare, billigare och mera energiekonomiskt med de metoder som den moderna hybrid-DNA-tekniken har i bakfickan? Förväntningarna är stora både bland experter och lekmän - men kanske inte så stora som för fem å sedan.

PLASMID

HYBRID- RE LIGATION DNA EXONUKI — EXONUKLEAS

LIGATION

PO SS

I

TRANSFORMATION AV BACILLUS SUBTILIS

PROTEIN xylos (beroende på att hemicallulosan är uppbyggd av pentoser). Vanligt jäst kan inte bryta ner xylos. Men om xylosen får påverkas av enzymet xylosisomeras kan jästen bryta ner den resulterande produkten xylulos.

— Om vi kan överföra isomerasgenen till jästsvamp så får vi en jästart som också rår på hemicellulosan direkt, konstaterar professor Enari.

Industrin måste satsa

Några revolutionerande framgångar under den närmaste framtiden tror professor Enari inte på — Vi kan ha framgång med processer som bygger på överföring av en enda

Forum 14/82

Principen för produktion och sekretion av främmande protein i Bacillus subtilus. Efter transormation av Bacillus subtilus förökar sig hybridDNA-plasmiden så att varje cell innehåller ca 50 kopior. Den främmande genens produkt (protein x) syntetiseras i stora mängder och utsöndras ur cellen.

gen, men skräddarsydda mikroorganisamer får vi vänta länge på.

Professor Enari är samtidigt oroad för hur det skall gå med hybrid-DNAforskningens finansiering. Förväntningarna har legat på hög nivå, men de konkreta tillämpningarna av forskningen kommer inte så snabbt som man en gång trodde.

— Detta faktum kan minska forskningsanslagen från industrins sida. På lång sikt är dock genteknologins möjligheter stora och därför är det viktig att forskningen fortsätter, säger professor Enari.

— Också i Finland har vi goda möjligheter att hänga med i utvecklingen.

Hybrid-DNA-laboratorium

Centrum för SITRAs hybrid-DNAprojekt är hybrid-DNA-laboratoriet vid Helsingfors Universitet. Docent Ralf Pettersson som verkar vid detta laboratorium betonar projektets karaktär av grundforskning — Vår uppgift är att i detta skede skaffa grundläggande know how och sätta upp olika metoder som förutsättning för vidare forskning, säger docent Pettersson. Det finns ett uppenbart behov för detta inom virologin, bakteriologin och cellbiologin.

Vid hybrid-DNA-laboratoriet har man inte använt sig av den internationellt välkända E. coli-bakterien, utan i stället koncentrerat sig på Bacillus subtilis — en bakterie som har många fördelar som värdcell.

Ett experiment som lyckats bra går ut på att ersätta en del av den amylasbildande genen i en hybrid-DNAmolekyl med en proteinsyntetiserande gen och införa den erhållna hybridplasmiden i Bacillus subtilus.

I bakterien har man funnit att den införda genen kan producera sitt specifika protein tex människans interferon och att detsamma utsöndrar det ur cellen.

— I det här fallet kan man se att grundforskning och tillämpad forskning har mött varandra, säger docent Pettersson. Det faktum att produkten utsöndras ur cellen medför renare produkt och kraftigt minskade reningskostnader.

Genteknologiskt institut

Slut på hybrid-DNA-forskningen blir det inte i vårt land, trots att SITRAprojektet som bäst närmar sig sin slutpunkt. Helsingfors universitetet har nämligen nyligen beslutat inrätta ett genteknologiskt institut. Understöd har universitetet fårr från Neste Oy:s stiftelse, Neste-bolaget och Kemira Oy, som tillsammans har donerat medel för institutschefens avlöning under fem år.

Industrins hållning till den nya hybrid-DNA-tekniken har tillsvidar varit positivt avvaktande. Statsägda Oy Alko Ab, som redan nu har en omfattande enzymtillverkning, har dock visat intresse för den nya tekniken och också haft nära samarbete med SITRAS projektgrupp.

— Vi är intresserade av hybrid-D NA-tekniken främst med tanke på att kunna producera det stärkelsenedbrytande enzymet alfa-amylas med hjälp av Bacillus subtilus, säger FD Matti Korhola, chef för Alkos jäsningsteknis ka laboratorium. Vägen från laboratoriestadium till industriell produktion är rätt lång. Vi måste undersöka bakteriekulturens stabilitet, och produktionsförhållandena måste optimeras så att de är lämpliga för en manipulerad bakteriekultur.

Oy Alko Ab har producerat amylas med hjälp av bakterier allt sedan år 1977. Men kloning av alfa-amylasgenen i Bacillus Subtilus ger en renare produkt, som innehåller mera enzym per

Hybrid-DNA-tekniken i korthe e Hybrid-DNA-tekniken är en mångfacetterad och komplicerad teknik som väl kan jämföras med mikroelektroniken och dess tillämpningar. 1 korthet innebär denna teknik att man isolerar fragment av arvsmassan (DNA) från vitt skilda organismer, kopplar ihop dem på ett önskvärt sätt och överför de konstruerade hybrid-DNA-molekylerna till en ny värdeell — vanligtvis en bakterie. Denna procedur kallas också allmänt kloning av DNA-fragment.

I hybrid-DNA- tekniken utnyttjas en stor uppsättning enzymer, som på ett eller annat sätt har att göra med DNAmolekylen. De mest centrala av dessa enzymer är restriktionsenzymerna — i detta nu ca 300 kända — som utnyttja vid klyvningen av DNA-molekylen. De DNA-fragment som man önskar klona kopplas sedan ihop med en bärarmolekyl, som kallas vektor. Gemensamt för alla vektorer är att de kan föröka sig självständigt i cellerna oberoende av värdcellens kromosomer. Vanligtvis används för ändamålen modifierade plasmider (cirkulära DNA-molekyler utanför kromosomerna hos bakterier och jäst).

Då plasmiden förökar sig i värdcellen förökar sig också det till plasmiden kopplade DNA-fragmentet. Bakterien som upptagit en hybrid-DNA-molekyl kan renodlas (kionas) och samtidigt renas också DNA-fragmentet.

Om DNA-fragmentet i hybrid-DNAmolekylen innehåller en fullständig ge volymenhet.

— För att lyckas kommersiellt med enzymproduktion måste produkten vara ren och i detta avseende kan hybridDNA-tekniken ge uppenbara fördelar, säger dr Korhola.

Ett annat företag som börjat visa uppenbart intresse för genteknologi är läkemedelskoncernen Orion Oy. Helt nyligen har företaget startat sitt genteknologiprojekt, och tillsvidare har man mest sysslat med kartläggnings kan man genom lämpliga manipulationer få den att fungera i bakterien så att den börjar producera det protein (tex insulin eller interferon) som står skrivet i genens kod. Bakterien programmeras att syntetisera värdefulla proteiner i stora mängder.

I dag är det också möjligt att på kemisk väg syntetisera korta gener tex en fullständig interferongen (människans) har nyligen syntetiserats kemiskt. Dylika syntetiska gener kan sedan kopplas ihop med vektorer och överföras till olika slags — celler. - Hybrid-DNA-molekyler konstruerade i provrör kan på konstgjord väg föras in i vilken celltyp som helst: bakterier, jäst, djurceller, växteeller osv.

e För över tjugo år sedan lyckades vetenskapsmännen lösa den genetiska koden. De fann, att de gener som styr livsfunktionerna är uppbyggda på liknande sätt i alla levande organismer.

Generna består av deoxiribonukleinsyra (DNA) — en komplicerad polymer utformad som en dubbelspiral. Kromosomerna består av ett (ofta stort) antal gener kopplade till varandra.

Under 1970-talet gjordes enorma framsteg på genteknologins område. År 1972 upptäcktes, att det var möjligt att med hjälp av restriktionsenzymer skära av DNA-molekyler och på så sätt frigöra gener eller genblock.

Redan på 60-talet hade foskarna funnit ett enzym (DNA-ligas), med vars hjälp det var möjligt att sammanfoga DNAbitar.

År 1972 konstruerades den första hybrid-DNA-molekylen genom sammanfogning av olika DNA-bitar. Samma år lyckades man införa den konstrue rade hybrid-DNA-molekylen i en kolibakterie med hjälp av en plasmid som vektor.

Försöken med kolibakterien (Escherichia coli) innehöll också sammanfogning av två olika plasmider som man fann i densamma. Kort efter att man lyckats sammanfoga dessa kunde plasmidgener från obesläktade bakteriearter kombineras i provrör.

År 1976 upptäcktes att en bit DNA från jäst kunde utnyttja sin genetiska kod, när den infördes i en kromosom hos en viss bakterie.

År 1976 lyckades man också klona globingenen från en kanin i en E.colibakterie.

Är 1977 kunde insulingenen hos råtta klonas. Samtidigt klarlades också koden för det DNA som producerar råttans tillväxthormon.

Samma år syntetiserades på kemisk väg den gen som producerar människans somastotatin — ett tillväxtreglerande

Hybrid-DNA-teknikens historia i ett nötska bormon. När denna gen infördes i E.coli producerades stora mängder somastotatin.

År 1978 demonstrerades, att ovalbumin — äggvita — från höns och insulin från råttor kunde produceras i E.coli-bakterien.

År 1979 lyckades man producera människans tillväxthormon i en E-.coli-bakteriekultur.

Samma år kunde forskarna producer människans insulin i E.coli-bakterien från en på kemisk väg syntetiserad insulingen.

År 1980 beskrev de ledande forskarna hur människans interferon kunde produceras med hjälp av E-.coli-bakterien via hybrid-DNA-teknik.

Under 1980-talet har forskningen gått om möjligt ännu snabbare framåt men industriell produktion utnyttjande hybrid-DNA-teknik har tillsvidare inte kommit igång.

10

Forum 14/8 och planeringsfrågor. I det första skedet är man på Orion intresserad av att producera reagenser för mikrobiologisk snabbdiagnostik med hjälp av hybridDNA-teknik.

Bland potentiella intressenter kan ytterligare nämnas Valio, Neste, Kemira, Metsäliitto och Finska Socker Ab.

Mikroberna är våra vänner

Hur kommer hybrid-DNA-tekniken att hävda sig i framtiden? — Som tidigare nämndes var förväntningarna på den genetiska ingenjörskonsten mycket höga, men i brist på industriella tillämpningar har de största optimisterna blivit tvungna att lungna ner sig.

Mycket är dock i antågande. Människans tillväxthormon, insulin och interferon — allting producerat i industriell skala — kan komma ut på marknaden inom något år.

På längre sikt kommer det att finnas ett behov — påkallat av nedsmutsning och energibrist — att ersätta vissa kemiska processer med enzymatiska. Kemikalier kan redan produceras från växtmaterial med hjälp av bakteriefamiljen Costridium. Etanol, mjölksyra, ättiksyra, aceton och butanol är typiska produkter som behärskas av denna bakteriefamilj.

Industriell tillämpning med utnyttjande av Clostridia-bakterierna finns emellertid inte eftersom de inte kan leva av cellulosa och hemicellulosa. Också här erbjuder hybrid-DNA-tekniken möjligheter att ta fram för ändamålet lämpliga kulturer.

Jordbrukets gödselproblem kan också erhålla nya lösningar med hjälp av genteknologi. Konstgödseln kan eventuellt ersättas genom förbättrad kvävefixering hos spannmålsväxter. Försöken att överföra de kvävefixerande generna — nästan 20 till antalet — till spannmålsarter har dock tillsvidare misslyckats. Men det finns andra vägar att gå.

Ett sätt är att utveckla den symbiotiska relation mellan en fritt levande kvävefixerande bakterier och spannmålsväxter. Ammoniakavsöndrande bakterier förser växten med kväve och växten förser bakterierna med kol. Beträffande denna metodik har en del resultat kunnat åstadkommas. Åven SITRA har satsat medel på dylik forskning.

Bioteknologisk revolution? — Kalla det vad som helst, men stora möligheter till nya produktionsmetoder inom vitt skilda områden kommer den nya tekniken förr eller senare att medföra.

Eller med D Perlmans ord: ”Om du tar hand om dina mikrobiska vänner, så kommer de att ta hand om din framtid”. Bjarne Nyman O

Docent Björn Holmström vid KabiVitrum Ab anser att det finns all anledning att satsa på hybrid-DNA-forskning. Som läget nu är kan inte alla läkemedel tillverkas i tillräckligt stor skala pg a råvarubrist.

KabiVitrum Ab, Stockholm:

Bakterieproducerat tillväxthormon på marknade 198 — Det är inte speciellt revolutionerande att använda sig av bakterier vid industriell framställning av tex läkemedel. Hybrid-DNA-teknik innebär i princip att man lär bakterierna producera kemiska substanser — framför allt sådana som är svåra eller näst intill omöjliga att få fram med traditionella metoder, säger Nils Olof Johansson, läkare och chef för central product management vi det statsägda svenska läkemedelsföretaget KabiVitrum

Ab i Stockholm.

KabiVitrum hoppas på att år 1984 kunna registrera bakterietillverkat mänskligt tillväxthormon.

e Ur såväl nordisk som internationell synvinkel är KabiVitrum Ab en föregångare när det gäller att begagna sig av hydrid-DNA-teknik.

— Vi var faktiskt först i världen på att teckna ett industriellt avtal för framställning av klonade bakterier, berättar informationschef Sten Nyqvist. — Det skedde i september 1978 då vi beställde bakteriestam som kunde framställa mänskligt tillväxthormon hGH av amerikanska Genentech.

Köpesumman skrevs till sju miljoner SEK och sju månader senare hade det amerikanska företaget lyckats framstäl la en bakterie som uppfyllde KabiVitrums förhoppningar.

Efter leveransen har KabiVitrum spenderat ytterligare tiotals miljoner kronor på att utveckla sin produktionsprocess, men än lär det dröja ett bra tag innan bakterietillverkat, mänskligt tillväxthormon återfinns på marknaden.

— Enligt våra mest optimistiska kalkyler skall vi ha ett preparat registrerat någonstans i världen under 1984, gissar docent Björn Holmström, chef för företagets mikrobiologiska laborato Tum. >

LL