Nauka

Pożyteczne mikroby

Jak inżynieria genetyczna przyczyniła się do rozwoju farmakologii

Paul Berg, laureat Nagrody Nobla za pierwszą rekombinację DNA. Paul Berg, laureat Nagrody Nobla za pierwszą rekombinację DNA. EAST NEWS
Dzięki biotechnologii powstaje ponad 20 proc. używanych obecnie leków. I mnóstwo produktów spożywczych.
Instalacja do produkcji insuliny odzwierzęcej, używanej w walce z cukrzycą w powojennych Niemczech.Chris Ware/Hulton Archive/Getty Images Instalacja do produkcji insuliny odzwierzęcej, używanej w walce z cukrzycą w powojennych Niemczech.
Komórka drożdży piekarskich (Saccharomyces cerevisiae) powiększona 30 tys. razy.Biophoto Associates/BEW Komórka drożdży piekarskich (Saccharomyces cerevisiae) powiększona 30 tys. razy.
Od lewej: Keiichi Itakura, Arthur D. Riggs, David V. Goeddel i Roberto Crea, naukowcy laboratorium badawczego Genetech, prezentują sposób wykorzystania bakterii E. coli do produkcji ludzkiej insuliny dzięki manipulacjom genetycznym.Bettmann Archive/Getty Images Od lewej: Keiichi Itakura, Arthur D. Riggs, David V. Goeddel i Roberto Crea, naukowcy laboratorium badawczego Genetech, prezentują sposób wykorzystania bakterii E. coli do produkcji ludzkiej insuliny dzięki manipulacjom genetycznym.

To była naukowa sensacja. Zespołowi amerykańskiego biochemika Paula Berga udało się włączyć fragment DNA bakteriofaga (wirusa atakującego bakterie) do materiału genetycznego małpiego wirusa SV40. W ten sposób powstała pierwsza tzw. rekombinowana cząsteczka DNA, czyli zmieniona narzędziami inżynierii genetycznej, co ogłoszono światu w 1972 r.

Hormon od świń i krów

Berg był równie podekscytowany, co zaniepokojony swoim osiągnięciem. Zdał sobie bowiem sprawę, że oto nadeszła era precyzyjnych modyfikacji genetycznych, kiedy będzie już można m.in. przenosić geny pomiędzy nawet odległymi ewolucyjnie organizmami. Dlatego w 1974 r. zaapelował do naukowców o powstrzymanie się od tego typu doświadczeń do czasu przedyskutowania ich konsekwencji, a rok później zaprosił do kalifornijskiej miejscowości Asilomar stu kilkudziesięciu naukowców, lekarzy, prawników i dziennikarzy. Ogólna konkluzja tego spotkania była następująca: potencjalne korzyści przewyższają ryzyko stosowania narzędzi inżynierii genetycznej.

Nie trzeba było długo czekać na potwierdzenie tego wniosku. Już dekadę po rewolucyjnych eksperymentach Paula Berga (za które otrzymał Nagrodę Nobla) amerykańska Agencja Żywności i Leków (FDA) wydała po raz pierwszy pozwolenie na sprzedaż w aptekach produktu inżynierii genetycznej: leku w postaci ludzkiej insuliny (czyli hormonu wytwarzanego przez trzustkę).

Substancję tę odkryto jeszcze na początku lat 20. ubiegłego wieku i po raz pierwszy zastosowano w leczeniu cukrzycy w 1922 r., co oznaczało prawdziwy przełom. Tyle że hormon ów przez długi czas pozyskiwano wyłącznie z trzustek świń i krów, ponieważ wytwarzana w ich organizmach insulina niewiele różniła się pod względem budowy chemicznej od produkowanej przez organizm człowieka. Wiązały się z tym jednak dwa poważne problemy. Po pierwsze, niektórzy pacjenci źle reagowali na zwierzęcą insulinę. Po drugie, jej pobieranie ze zwierzęcych organów było pracochłonne i kosztowne – żeby otrzymać kilogram insuliny, potrzeba było ponad 7 ton świńskich lub bydlęcych trzustek. Dlatego pojawiały się problemy z ich dostępnością – jak na początku lat 70. XX w. – co groziło ograniczeniem dostaw leku do aptek.

Pojawienie się narzędzi inżynierii genetycznej dawało nadzieję na radykalną zmianę tej sytuacji. Postanowiła je wykorzystać niewielka amerykańska firma biotechnologiczna Genentech współpracująca z dwiema placówkami naukowymi. Jej pomysł był następujący: zmusić do produkcji ludzkiej insuliny bakterie, kopiując do ich DNA gen człowieka odpowiedzialny za wytwarzanie hormonu w komórkach trzustki. Tak zmodyfikowane drobnoustroje należało następnie namnażać w kadziach fermentacyjnych (podobnych do tych, w których powstaje m.in. piwo) i pozyskiwać z nich, w procesie oczyszczania, insulinę (ponadto, dzięki modyfikacji samych ludzkich genów, istniała szansa na otrzymanie wersji hormonu szybko oraz dłużej działających). Oczywiście przeprowadzenie takich zmian genetycznych było proste tylko w teorii, ale eksperymenty zakończyły się sukcesem już w 1978 r.

Osiągnięcie Genentech zostało szybko dostrzeżone przez koncern farmaceutyczny Eli Lilly, który zakupił technologię wytwarzania ludzkiej insuliny i zajął się dalszymi badaniami klinicznymi oraz kosztowną procedurą dopuszczenia leku do aptek. Dzięki temu już w 1982 r. na rynku pojawił się pierwszy produkt pochodzący z genetycznie zmodyfikowanych organizmów, czyli słynnego i budzącego kontrowersje GMO.

Warto w tym miejscu dodać, że od 2001 r. spółka biotechnologiczna Bioton produkuje w Polsce insulinę pod nazwą Gensulin, wytwarzaną przez zmodyfikowane bakterie pałeczki okrężnicy (Escherichia coli), które uzyskano w Instytucie Biotechnologii i Antybiotyków w Warszawie.

Szczepionki i hormony

Sukces ludzkiej insuliny dał impuls do poszukiwania podobnych metod produkcji innych substancji leczniczych. I dziś trudno sobie wyobrazić farmację bez genetycznie zmodyfikowanych mikroorganizmów. Spośród wszystkich dostępnych obecnie produktów medycznych ponad 20 proc. stanowią leki powstałe właśnie dzięki biotechnologii. Wytwarzane są one nie tylko w komórkach bakterii, ale również mikroskopijnych przedstawicieli biologicznego królestwa grzybów (np. z pomocą jednokomórkowych drożdży).

Tak powstają m.in. hormony wzrostu, hormonalne leki na osteoporozę oraz niektóre formy niepłodności, interferony wykorzystywane w leczeniu zapalenia wątroby typu C, stwardnienia rozsianego i zapalenia stawów oraz leki przeciwzakrzepowe. W komórkach zmodyfikowanych genetycznie drobnoustrojów produkowany jest też materiał do szczepionek przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B, a konkretnie w grzybach gatunku Saccharomyces cerevisiae od dawna znanych z zastosowań w piekarnictwie i browarnictwie, a także do uzyskiwania szczepionek przeciw boreliozie.

W 2014 r. koncern farmaceutyczny Novartis wypuścił na rynek pierwszą szczepionkę przeciwko grypie, która powstaje w hodowlach zmodyfikowanych genetycznie komórek owadów. Produkują one pewne białka wirusa, które rozpoznaje ludzki układ odpornościowy i daje sygnał do ataku na groźnego intruza. Normalnie takie szczepionki wytwarzane są w kurzych jajkach, służących do namnażania wirusów (z fragmentów których później powstaje preparat do zastrzyków uodparniających na tę chorobę). To sprawia, że czas produkcji jest długi – do pół roku – i wymaga wykorzystania setek milionów jajek. Biotechnologia może więc przyspieszyć tworzenie szczepionki i zaoszczędzić żywność.

Przemysł farmaceutyczny próbuje również zmienić – dzięki inżynierii genetycznej – sposób pozyskiwania artemizyny, najskuteczniejszego dostępnego obecnie leku przeciw malarii. Otrzymuje się go z rośliny rosnącej głównie w Azji (Artemisia annua), tyle że wytwarza ona leczniczą substancję w małych ilościach i dlatego produkcja okazuje się mało efektywna, a co za tym idzie kosztowna. To ogranicza dostępność artemizyny, zwłaszcza tam, gdzie jest ona najbardziej potrzebna.

Najpierw próbowano więc wykorzystać genetycznie zmodyfikowane drożdże, do których DNA dodano roślinne geny odpowiedzialne za wytwarzanie artemizyny. Sukces był połowiczny. Udało się wprawdzie opracować szczep o odpowiedniej wydajności, ale kosztowny okazał się proces otrzymywania leku z drożdży w laboratoriach farmaceutycznych. W efekcie cena leku ze zmodyfikowanych grzybów była również wysoka. Dlatego niemieccy naukowcy od pewnego czasu starają się nakłonić tytoń, by wytwarzał w dużych ilościach artemizynę, i odnieśli na tym polu pierwsze sukcesy, aczkolwiek badania są na razie we wczesnej fazie eksperymentów.

Ser z grzybów

Wykorzystanie potencjału zmodyfikowanych genetycznie organizmów nie ogranicza się do farmacji. Niewiele osób zdaje sobie sprawę, że jedząc żółte sery, spożywają produkty powstałe z pomocą mikrobów GMO. Do ich wytwarzania od bardzo dawna używa się podpuszczki (chymozyny), czyli enzymu trawiennego obecnego w żołądkach cieląt. Na masową skalę zaczęto produkować ser z jego zastosowaniem w drugiej połowie XIX w. W 1916 r. w USA zużywano w tym celu 1,5 mln żołądków cielęcych.

Tu też postąpiono jak w przypadku insuliny – skopiowano bydlęce geny najpierw do DNA bakterii, a później do grzybów, które okazały się wydajniejsze. Dziś na świecie ok. 80 proc. twardych serów wytwarzanych jest z zastosowaniem podpuszczki produkowanej przez zmodyfikowane genetycznie mikroorganizmy, ponieważ wykazuje ona większą aktywność od zwierzęcej dzięki nieobecności zanieczyszczeń innymi enzymami i substancjami. Patent na jedną z najpopularniejszych wersji chymozyny posiada duńska firma Chr. Hansen.

Co ciekawe, to właśnie podpuszczka była pierwszym pochodzącym od zrekombinowanych mikroorganizmów dodatkiem do żywności zatwierdzonym przez rząd USA i dopuszczonym do stosowania w produkcji serów i innych wyrobów mleczarskich. Stało się to w 1990 r.

I podobnie jak w przypadku farmaceutyków zmodyfikowane mikroorganizmy zaczęły być wykorzystywane na dużą skalę w przemyśle spożywczym, wytwarzając przede wszystkim różne enzymy przydatne m.in. w browarnictwie, gorzelnictwie, produkcji soków i napojów oraz piekarnictwie (opóźniają czerstwienie pieczywa). Jednym z największych światowych dostawców tych substancji jest duńska firma Novozymes. Spośród ok. 600 produkowanych przez nią preparatów większość wytwarzają genetycznie zmodyfikowane drobnoustroje.

Trudno wskazać główną przyczynę, dla której zastosowanie w żywności substancji powstających dzięki GMO nie spotkało się z taką falą niechęci, jaka uderzyła w rośliny ulepszone metodami inżynierii genetycznej. Nie zmienił tego nawet tragiczny wypadek z aminokwasem L-tryptofan, sprzedawanym jako suplement diety. Do jego produkcji japońska firma Showa Denko K. K. zaprzęgła bakterie. W 1989 r. z powodu przyjmowania tego preparatu w USA zmarło 37 osób, a 1500 uległo trwałemu kalectwu. Sprawa nie jest do końca wyjaśniona do dziś, ale wiele wskazuje na to, że japońska firma nie dopilnowała czystości suplementu.

Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Ja My Oni

Gdy „my” staje się ważniejsze niż „ja”

Kiedy przywiązanie do firmy, organizacji czy narodu staje się chorobliwe.

Aleksandra Cisłak, Aleksandra Cichocka
22.11.2016
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną