9789127428744

INSIKT Bioteknik

Lena Brynhildsen • Henrik Brändén INSIKT Bioteknik är skriven för gymnasiekursen Bioteknik, 100 p.

Läroboken är ett starkt teoretiskt stöd inför kursens laborationer och ger eleverna god förståelse för bioteknikens betydelse och användning nu och i framtiden. Bokens text förstärks av många inspirerande foton och pedagogiska illustrationer. Eleverna uppmuntras till egen analys och reflektion som ger insikter.

Läromedlet INSIKT omfattas av läroböcker, lärarhandledningar och digitala produkter. För mer information, se www.nok.se/insikt

ISBN 978-91-27-42874-4

9 789127 428744

Insikt Bioteknik_Omslag.indd Alla sidor

Bioteknik 2015-12-17 16:00

Innehåll 1

Vad är bioteknik? 7

Växtceller och djurceller 44

Introduktion 8

Stamceller hos växter 45

Modern bioteknik 9

Kloning av växtceller 46

Genomik 10 Metagenomik 10 Transkriptomik 11 Proteomik 11 Ännu ett exempel på –omik: Metabolomik 12

Studier av celler och organismer 12 Modellorganismer 12 Systembiologi 14 Biobanker 14

Nu ger vi oss in i bioteknikens värld 15

2 Organismer i bioteknikens tjänst 17 Mikroorganismer 18 Eubakterier och arkéer 19

Celluppbyggnad hos bakterier och arkéer 20 Bakteriers och arkéers cellmembran 22 Cellmembranets olika funktioner 23

Bakteriers och arkéers cellvägg 24 Bakteriers cellvägg 24 Grampostiva bakterier 25 Gramnegativa bakterier 26 Gramfärgning 28 Endotoxiner och exotoxiner 28 Arkéers cellvägg 29

Metabolism 29 Vad behöver en bakterie eller en arké för att växa? 29

Bakteriers och arkéers tillväxt 33 Sporer 34

Däggdjursceller och stamceller 47 Primära cellkulturer 47 HeLa-celler 48 Cellinjer 49 Vuxna stamceller 49 Embryonala stamceller 51 Inducerade pluripotenta stamceller 52 Korsdifferentiering 52 Odlad hamburgare – ett hållbart alternativ? 53 Historien om Henrietta Lacks 53 Insikter och Fundera vidare 54

3

DNA och RNA 55

Samspel mellan molekyler ger liv 56 DNA 56 DNA-molekyler 56 Dubbelhelix 59 Hur man förstod att arvsmassan består av DNA 59 Griffiths transformationsprincip 60 Averys transformationsexperiment 60 Hershey-Chase-experimentet med fager 61 Informationen i DNA-molekylen 62

Kopiering och förändring av DNA 65 DNA-replikation 65 Replikationsgaffeln 67 DNA-replikationen är semikonservativ 69 Hur småskaliga mutationer kan uppkomma 70 Effekten av småskaliga mutationer 71

Dupliceringar och omstuvningar ger evolution 72

Att odla mikroorganismer 37

Homolog rekombination 73 Hur går homolog rekombination till? 74 Gener överförs mellan celler 74 Plasmider kan bära gener mellan bakterier 76 Gener som hoppar 78 Upptäckten av ”hoppande” gener 79

Eukaryoter 38

Arvsmassan hos bakterier och arkéer 80

Eukaryota mikroorganismer 39

Arvsmassan hos däggdjur 81

Variation utan sex – hur är det möjligt? 35 Konjugation 35 Transformation 36 Transduktion 36

Svampar 40 Protister 41 Slemsvampar 43

4

Däggdjursgenomets innehåll 82 Variationer i arvsmassan 82 Jämförelser mellan däggdjursarters arvsmassa 86

innehåll

00_Insikt Bioteknik Framvagn.indd 4

2015-12-15 15:07

RNA, transkription och translation 86

Proteinernas viktiga roll i biotekniken 137

RNAs byggnad 87 Tre typer av RNA 88 rRNA-molekyler hos bakterier och eukaryoter 88 Transkription 89 Så få gener – så många proteiner 92 Translation 93

Enzymer 137 Lock-and-key-modellen och induced-fit-modellen 138 Metanolförgiftning 141 Antikroppar 143

Reglering av proteiner 96 Reglering av transkription 96 Lac-operonet 101 Bakterier som pratar med varandra 102 Bioluminiscens och quorum sensing 103 Reglering av translation 104 Reglering av proteiners verksamhet 105

Grundläggande metoder inom genteknik 106 Att rena fram DNA och RNA 106 Masskopiering av DNA 107 Var får forskare som Mullis sina idéer ifrån? 107 Analysera och sekvensbestämma DNA eller RNA 110 Analys av mRNA-molekyler 115 ESTs – ett viktigt redskap inom molekylärbiologin 115 Sortera DNA-fragment 116 Southern blotting 117 Microarrays 118 Plasmiden pUC19 – en ofta använd kloningsvektor 121

Genmodifiering 122 Hur man får en bakterie att bilda insulin 122 Hur man genmodifierar växter 123 Hur man genmodifierar djur 124 Blanda människa och mus 124 Riktade mutationer 125 CRISPR-Cas9 126 Skapa knock-outdjur genom homolog rekombination 127 Insikter och Fundera vidare 128

4

Proteiner

Proteiners funktion 130 Livets molekyler samarbetar 130 Proteiner i ämnesomsättningen 130 Proteiner i signaler 131 Proteiner i immunförsvaret 131 Proteiner i transport 131 Proteiner och bioteknik hör ihop 131

Proteiners struktur 132 Polypeptider i olika ordning 132 Fler än 20 olika aminosyror i levande organismer 132 Proteiners olika strukturnivåer 134 Proteinveckningens mysterium 135

Att studera proteiner 145 Sönderdelning av vävnader och celler 145 Immunologiska metoder 149 Att ta reda på proteinets struktur 153 GFP 155 Hur det hela startade 156

Bioinformatik 157 Några molekylärbiologiska databaser 157 Caenorhabditis elegans – en liten rundmask med stor betydelse 157 Insikter och Fundera vidare 162

5

Bioteknik i samhället 163

Människan och biotekniken 164 Laga, lagra och förädla mat 164 Fermenteringsprocessen 165 Bröd jäser 166 Mjölkprodukter 168 Löpe 170 Kakao och choklad 171 Vin 172 Öl 173 Kött- och fiskprodukter 174 Surströmming 175 Konservering av grönsaker 175

Produktion av mat 176 Gentester i husdjursavel och växtförädling 177 Nyttigare livsmedel 177 Producera mjölk och kött utan djur 179 Bekämpa insektsangrepp 179 Monarkfjärilen och Bt 181 Stå emot virus- och svampangrepp 181 Klara torka och salt 182 Manipulerad receptor kan göra så att växter klarar torka 183 Konkurrera med ogräs 183 Kvävefixering 184 Kvävefixering genom genteknik 185 Mikroorganismer som föda 186 Historien om quorn 186 Spirulina 187

Biotekniken i hälsovården 187 Förebygga sjukdom 187 Var får forskare som Jenner sina idéer ifrån? 190

innehåll

00_Insikt Bioteknik Framvagn.indd 5

5

2015-12-15 15:07

Diagnosticera sjukdomar 194 Bota sjukdomar 196

Produktion av läkemedel 198 Ämnen från mikroorganismer och växter 199 Produktion av steroider 201 Växter mot malaria, HIV och Ebola 203 Transplantationer, genterapi och stamceller 203 Getter som producerar läkemedel 203 Stamceller för att odla organ 206

Miljö och hållbar utveckling 208 Förnyelsebara bränslen 208 Förnyelsebara råvaror 211 Skonsammare industriprocesser 212 Bakterier som gruvarbetare 212 Minska övergödning 213 Nedbrytning av avfall 214 Rening av avloppsvatten 214 Nedbrytning av olja och miljögifter 217

Framtiden 217 Insikter och Fundera vidare 218

Register 219 Källförteckning till bilderna 223

6

innehåll

00_Insikt Bioteknik Framvagn.indd 6

2015-12-15 15:07

1 Vad är bioteknik?

VAD HAR BANANFLUGOR OCH

ZEBRAFISKAR GEMENSAMT? VAD HAR BAGAREN OCH GENTEKNIKERN

GEMENSAMT?

VAD ÄR EN BIOBANK? HUR KAN MAN

TA REDA PÅ VILKA GENER SOM UTTRYCKS I EN

VISS CELL? 1

01_Insikt Bioteknik_5 korr_U_AL_151207.indd 7

vad är bioteknik?

7

2015-12-15 15:10

Introduktion

Såväl bagaren som molekylärbiologen sysslar med bioteknik.

8

1

Begreppet bioteknologi eller bioteknik myntades år 1919 av den ungerske ingenjören Karl Ereky för de processer vars produkter framställdes med hjälp av mikroorganismer.

Slår man upp ordet bioteknik i Nationalencyklopedin eller andra lexikon står det att bioteknik i dag innebär tekniska tillämpningar av hela celler eller cellinnehåll, t.ex. enzymer.

Det kanske låter modernt men människan har använt bioteknik under en stor del av sin historia, bl.a. genom att utnyttja naturliga processer för att jäsa och syra livsmedel. Den tidigast kända ölen bryggdes i Mesopotamien (numera en del av Irak) för mellan 8 000 och 10 000 år sedan. Man tillverkade då en näringsrik brygd genom att blötlägga korn och en urtida typ av vete i vatten. De äldsta spåren efter vintillverkning har hittats i Kina och är ca 9 000 år gamla.

Brödbakande, i den form vi känner till det, uppkom troligtvis

vad är bioteknik?

01_Insikt Bioteknik_5 korr_U_AL_151207.indd 8

2015-12-15 15:10

lite senare. Den första typ av bröd man känner till var hårt och platt, medan mer luftiga bröd som bakats av deg som fått jäsa fanns i Egypten för 6 000 år sedan. Vi människor började alltså använda bioteknik för bortåt 10 000 år sedan. Med tiden har vi kommit på mängder av nya användningsområden, allt från livsmedels- och läkemedelstillverkning till oljesanering och utvinning av metaller.

Under de senaste århundradena har vi människor lärt oss att isolera och odla de bakterier, jästsvampar och andra mikroorganismer som vi använder inom bioteknik. Bland dessa odlade organismer kan vi dessutom välja ut de stammar som har önskvärda egenskaper. Under de senaste 80 åren har vi även lärt oss att använda kemikalier och strålCENTRALA DOGMAT ning för att mutera mikroorganismer, för att därefter kunna välja ut dem som genom genförändring blivit bättre på sin arbetsuppgift. På DNA det sättet har man t.ex. fått fram jäststammar som tål att frysas så att man numera kan sälja ogräddat djupfryst bröd, som fortsätter att jäsa när man sätter det i ugnen.

Sedan slutet av 1970-talet har människan dessutom kunnat föra in RNA specifika nya gener i olika mikroorganismer. Genom att lägga till eller förändra flera tiotals gener för olika enzymer kan man bygga upp helt nya system för ämnesomsättningen i bakterier eller jästsvampar. Det innebär att vi kan få mikroorganismerna att tillverka helt nya kemikaProtein lier, som kan användas som t.ex. smakämnen, läkemedel eller vitamintillskott. Teknikerna för att förändra generna hos mikroorganismer har blivit allt mer avancerade, och i dag kan genmodifierade bakterier tillverka mänskligt tillväxthormon och insulin som används som läkemedel.

Från genmodifierade mögelsvampar kan enzymer tillverkas i stor skala, och användas i allt från massaindustrin till tvättmedel.

Modern bioteknik Modern bioteknik är tvärvetenskaplig och innebär att forskare inom kemi, biologi, fysik, matematik och datavetenskap ofta har ett nära samarbete. Information från olika forskargrupper världen över samlas i stora databaser och har lett till den nya tvärvetenskapliga disciplinen bioinformatik, där alla dessa olika ämnen möts. En rad nya områden har också utvecklats inom biotekniken, t.ex. genomik, metagenomik, transkriptomik och proteomik.

Transkriptomik -allt RNA vid en viss tidpunkt i en viss vävnad

Proteomik -alla proteiner i en viss vävnad vid en viss tidpunkt

CENTRALA DOGMAT DNA

Genomik -hela arvsmassan

RNA

Transkriptomik -allt RNA vid en viss tidpunkt i en viss vävnad

Proteomik -alla proteiner i en viss vävnad vid en viss tidpunkt

Protein

1

01_Insikt Bioteknik_5 korr_U_AL_151207.indd 9

Genomik -hela arvsmassan

vad är bioteknik?

9

2015-12-15 15:10

Genomik

Metagenomik innebär att man sekvensbestämmer allt DNA i ett prov från en viss miljö.

Genomik innebär att man studerar alla de gener som finns hos en viss organism, d.v.s. hela dess genom. Det gör man genom att sekvensbestämma arvsmassan (sekvensering) och ta reda på vilka delar av DNA-molekylen som består av gener och vilka delar som består av s.k. icke-kodande DNA. Sekvensering av arvsmassan innebär att man tar reda på den inbördes ordningen av de fyra nukleotider som bygger upp DNA-molekylerna. Arvsmassans storlek kan variera från några hundratusen baspar som hos bakterien Mycoplasma genitalium, till flera miljarder baspar som hos människan. Sekvenseringen av människans genom startade år 1990 i det s.k. HUGO-projektet. Åtta år senare startade ett företag samma typ av projekt, som leddes av forskaren Craig Venter (f. 1946). Det blev en intensiv kapplöpning mellan HUGOprojektet och Venters företag och därmed tog det mycket kortare tid än beräknat att sekvensera människans genom. Det första preliminära resultatet publicerades år 2001 och två år senare publicerades den fullständiga versionen av människans arvsmassa. Sedan dess har många justeringar gjorts och uppskattningen av antalet gener som beskriver proteiner hos människan har hela tiden minskat.

Antalet fullständigt sekvensbestämda arvsmassor ökar ständigt och i dag finns tusentals olika virus, bakterier och arkéers arvsmassor sekvensbestämda liksom hundratals svampars, växters och djurs.

Kostnaden för att få ett helt genom sekvenserat sjunker hela tiden och ett amerikanskt företag hävdade i ett pressmeddelande år 2014 att de kan sekvensera ett helt genom för 1 000 dollar.

Genom att sekvensbestämma arvsmassan kan man kartlägga mutationer som bidrar till olika sjukdomar och på så sätt få ökad kunskap om hur vissa sjukdomar uppstår. Det kan förhoppningsvis leda till att vi tidigare kan upptäcka och behandla dessa sjukdomar och få en mer individanpassad läkemedelsbehandling.

Metagenomik Eftersom inte alla mikroorganismer kan odlas i laboratorium har det också varit omöjligt att artbestämma dem. För att ta reda på vilka arter av mikroorganismer som finns i ett visst ekosystem, kan man numera ta ett prov från deras miljö och sekvensbestämma allt DNA som finns i provet. Med hjälp av datorer pusslas sedan alla de olika sekvensbestämda DNA-bitarna samman och man får slutligen en uppfattning om vilka arter som finns i just detta ekosystem. Denna s.k.

10

1

vad är bioteknik?

01_Insikt Bioteknik_5 korr_U_AL_151207.indd 10

2015-12-15 15:10

metagenomik har man använt för att studera allt från prover från Östersjön till människans tarmar.

Forskare har också utvecklat matematiska modeller som används för att söka efter mikroorganismer vars gener kodar för molekyler som skulle kunna användas vid läkemedelsproduktion. Med hjälp av modellerna har man hittat tusentals sådana gener. I vaginans mikrobiom hittade man bl.a. genen för ett nytt antibiotikum, lactocilin i bakterien Lactobacillus gasseri.

Transkriptomik Transkription innebär att en gen uttrycks, d.v.s. ”proteinreceptet” skrivs av genom att nukleotider basparar med den ena DNA-strängen och ger upphov till en mRNA-molekyl som bär på receptet. I stället för att studera DNA-sekvensen kan man sekvensera de mRNA-molekyler som finns i en vävnad vid en viss tidpunkt. På så sätt kan man få fram ett transkriptom, d.v.s. de mRNA-molekyler som finns i en enda cell eller i en viss vävnad. Till skillnad från genomik får man här ett mått på vilka gener som uttrycks i en viss cell och i vilken grad.

Proteomik Vid s.k. proteomik tar man reda på vilka proteiner som finns i en vävnad vid en viss tidpunkt. Det kan finnas hundra tusen olika proteiner i en cell och vilka av dessa proteiner som är aktiva under en specifik tidpunkt påverkas av de speciella förhållanden som cellen, vävnaden eller organismen utsätts för just då. En fördel med proteomik jämfört med transkriptomik är att bara för att en gen skrivs av till en mRNA-molekyl innebär det inte att det protein den kodar för produceras. Det förekommer en rad post-transkriptionella processer som påverkar produktionen av ett visst protein. Proteiner kan också modifieras på olika sätt genom att kemiska grupper tillsätts eller tas bort och därför kan ett visst protein se olika ut och ha olika funktion under olika tidpunkter beroende på om en människa är frisk eller sjuk.

Man kan också jämföra släktskap mellan organismer med hjälp av proteomik. Man har t.ex. funnit att människans proteom, d.v.s. alla de proteiner som kan bildas utifrån de proteinkodande generna, innehåller proteiner som är homologa (lika) med 66 % av de proteiner som återfinns i bananflugans proteom, och 46 % av de proteiner som återfinns i jästsvampens proteom. Det är också en av orsakerna till att man kan använda dessa organismer som modellorganismer för att studera processer som sker även i oss människor.

1

01_Insikt Bioteknik_5 korr_U_AL_151207.indd 11

vad är bioteknik?

11

2015-12-15 15:10

Ännu ett exempel på -omik: Metabolomik Metabolomik innebär att man analyserar alla små molekyler, metaboliter, i t.ex. ett blodprov. Det kan bl.a. användas för att hitta biomarkörer för vissa sjukdomar.

Det har visat sig att det finns metabolitmönster som är typiska för sjukdomar som diabetes och hjärt-kärlsjukdomar. Den amerikanske forskaren Michael Snyder publicerade år 2012 resultaten av de analyser han gjort på sitt eget blod. Genom att utföra genomik-, transkriptomik-, proteomik- och metabolomikanalyser av blodprover tagna under en

14-månaders period kunde han skapa en genetisk och metabolisk profil av sig själv. Han kallade denna metod för iPOP (integrerad personlig omik-profil) och den innebär alltså att man kopplar samman en persons genomik, transkriptomik, proteomik och metatabolomik. Fördelen med iPOP är bl.a. att man kan följa förändringar som orsakas av en sjukdom och därmed få ökad kunskap om mekanismerna bakom sjukdomen och hur immunförsvaret reagerar på t.ex. en viss infektionssjukdom.

Studier av celler och organismer Mycket av den kunskap vi har i dag om hur celler och organsystem fungerar har vi fått genom att forskarna använder sig av s.k. modellorganismer. Forskare kan också använda biologiskt material, t.ex. vävnadsprover, från människor som samlats i olika typer av biobanker.

Genom att koppla samman kunskap från flera olika discipliner inom biovetenskapen kan man också förstå mer komplexa förhållanden.

Denna del inom biologi kallas för systembiologi.

Modellorganismer Det finns ett antal organismer som har och har haft enormt stor betydelse när det gäller förståelsen av hur celler, organ och hela organismer fungerar. Dessa innefattar förutom bakterier som Escherichia coli även eukaryota organismer som t.ex.: • jästsvamp (Saccharomyces cerevisiae) • växten backtrav (Arabidopsis thaliana) • bananfluga (Drosophila melanogaster) • rundmask (Caenorhabditis elegans) • zebrafisk (Danio rerio) • husmus (Mus musculus)

12

1

vad är bioteknik?

01_Insikt Bioteknik_5 korr_U_AL_151207.indd 12

2015-12-15 15:10

Gemensamt för alla dessa organismer är att de är lätta att hantera och att de har kort generationstid, d.v.s. de förökar sig snabbt. Genom att studera jästsvampen lär vi oss mycket om hur den eukaryota cellen fungerar, backtraven ger oss ökad förståelse för hur våra jordbruksväxter fungerar och på samma sätt är husmusen betydelsefull för vår förståelse av hur människokroppen fungerar. Zebrafiskar har en fosterutveckling som liknar den hos människor och används därför flitigt för att studera vad som händer under fosterutvecklingen och hur den kan störas av t.ex. läkemedel och miljögifter. Rundmasken C. elegans består av endast ca 1 000 celler och är dessutom genomskinlig vilket gör den lätt att studera. Genom genmodifiering har man också lyckats skapa sjukdomsmodeller, t.ex. bananflugor som lider av Alzheimers sjukdom.

Olika djur används till olika studier beroende på hur lika de genetiska mekanismerna och signalvägarna är vad gäller en viss sjukdom. Man tar också hänsyn till hur snabbt det går att få fram en modell och den kostnad det innebär. För att arbeta med försöksdjur som t.ex. zebrafiskar och möss krävs etiska tillstånd.

För att minska användningen av försöksdjur försöker man också använda cellkulturer i stället för hela organismer.

a

e

b

c

f

d

g

Modellorganismer i människans tjänst. a) E. coli-bakterien (Escherichia coli) b) jästsvampen (Saccharomyces cerevisiae) c) växten backtrav (Arabidopsis thaliana) d) bananflugan (Drosophila melanogaster) e) rundmasken (Caenorhabditis elegans) f) zebrafisken (Danio rerio) g) husmusen (Mus musculus) 1

01_Insikt Bioteknik_5 korr_U_AL_151207.indd 13

vad är bioteknik?

13

2015-12-15 15:10

Bananflugor och Alzheimers sjukdom Ann-Christin Brorsson, docent i molekylär bioteknik, Linköpings universitet I min forskning använder jag bananflugan (Drosophila melanogaster) som ett slags ”biologiskt provrör” för att utforska olika strategier i jakten på en effektiv medicinering av Alzheimers sjukdom. Alzheimers sjukdom är starkt kopplad till att A-betapeptiden ansamlas i hjärnan.

A-betapeptiden bildas när ett större membranprotein A-betaPP klyvs av två enzymer, beta-sekretas och gamma-sekretas. Ett sätt att förhindra uppkomsten av A-betapeptider i hjärnan är att blockera klyvningen av A-betaPP genom att stoppa klyvningsaktiviteten hos beta-sekretas eller gamma-sekretas. Ett syfte med min forskning är att hitta molekyler som kan motverka aktiviteten hos beta-sekretas. För att uppnå detta mål

använder jag genmodifierade bananflugor som kan bilda A-betapeptiden i det centrala nervsystemet.

Genom att använda genmodifierade bananflugor har jag och mina kollegor nyligen upptäckt att lysozym kan ha en positiv inverkan på Alzheimers sjukdom. Lysozym är ett protein som är aktivt i vårt immunförsvar och som även har antioxidanta och antiinflammatoriska egenskaper. Genom att producera lysozym tillsammans med A-betapeptiden i hjärnan på flugorna har vi kunnat studera hur lysozym skyddar nervcellerna från att angripas av giftiga A-betapeptider.

Arbete med Drosophila kräver inte någon etisk prövning eftersom bananflugor tillhör ryggradslösa djur, men vid användning av bananflugor som genmodifierats behövs ett tillstånd från Jordbruksverket för innesluten användning av genetiskt modifierade organismer.

Intervju med Lena Tibell

På vilket sätt använder du bioteknik i din forskning?

Professor i Biokemi, Visuellt lärande och kommunikation och Livsvetenskapernas didaktik, Linköpings universitet

Vad betyder ordet bioteknik för dig?

Som jag ser det är bioteknik i vid mening en mycket gammal verksamhet. Den första biotekniska verksamheten var när människan började bruka jorden, välja ut och odla användbara grödor, fånga djur, skaffa boskap, mjölka sin boskap, göra smör och ost och samla växter för att bota sjukdomar. Växt- och djurförädling innebär urval av individer med fördelaktiga egenskaper, som man sedan korsar och utvecklar målinriktat – detta är bioteknik där DNA är inblandat, även om man inte hade en aning om det när tekniken började utvecklas.

Växt- och djurförädling ser jag som rätt grov och till stor del oförutsägbar. De senaste årtiondenas kunskapsutveckling inom den molekylära genetiken har skaffat oss verktyg att identifiera gener som ligger bakom olika egenskaper och med stor förutsägbarhet använda dem.

Men modern bioteknik är så mycket mer än växtförädling. Den kan användas till så många saker, som att förstå sjukdomar, hitta sätt att diagnostisera dem, tillverka mediciner, för att rena vatten, tillverka biobränsle och mycket, mycket mer. Den ger fantastiska möjligheter och har stora fördelar, men just därför krävs stor eftertanke och ansvar av dem som använder tekniken.

16

1

Jag använder främst riktad mutagenes och rekombinant teknik för att ta reda på hur de proteiner som vi studerar är inblandade i sjukdomar, och hur de fungerar. Den här kunskapen kan sedan användas för att designa läkemedel mot exempelvis hjärtinfarkt och för att diagnostisera cancer.

Jag ägnar dock min mesta tid i dag åt att forska kring hur vi kan använda modern visualiseringsteknik för att på ett lättfattligt sätt kunna förklara hur livets molekylära processer och hur bioteknik fungerar.

Vad har bioteknik för betydelse i samhället?

Biotekniken har fått stor betydelse på många olika sätt i dagens samhälle och de flesta av oss måste ta beslut och ta ställning till frågor där bioteknik ingår.

Det gäller om vi blir sjuka och ska ta ställning till olika läkemedel och behandlingsmetoder, på vilket sätt vi ska rena avloppsvattnet, om vi ska tilllåta genmodifierade livsmedel m.m.

Då gäller det att ha lite kunskap om vad bioteknik är och vad den innebär i olika sammanhang. Det är viktigt att kunna förklara den så att alla kan förstå och det är därför jag nu forskar kring hur man ska kunna förklara hur vi själva, och allt liv, fungerar.

vad är bioteknik?

01_Insikt Bioteknik_5 korr_U_AL_151207.indd 16

2015-12-15 15:10

2 Organismer i bioteknikens tjänst KAN MAN

ODLA

ORGAN?

VARIATION UTAN SEX –

ÄR DET MÖJLIGT? HUR KLONAR MAN EN

VEM VAR HENRIETTA LACKS? VAD ÄR SKILLNADEN MELLAN EN BAKTERIE OCH EN ARKÉ?

VÄXT?

HUR KAN MAN SKILJA OLIKA BAKTERIER FRÅN VARANDRA? 2

02_Insikt Bioteknik_7 korr_U_AL_151207_CC14.indd 17

organismer i bioteknikens tjänst

17

2015-12-15 15:11

Gramnegativa bakterier Gramnegativa bakteriers cellvägg innehåller endast ett tunt lager av peptidoglykan, men utanför detta lager finns i stället ett yttre membran.

Det yttre membranet består av ett dubbelt lager fosfolipider som fäster till det underliggande skiktet av peptidoglykan med hjälp av lipoproteiner, vilka fungerar som ett sorts ankare. Det yttre membranet innehåller även en stor mängd lipopolysackarider, s.k. LPS-komplex.

Gramnegativa bakteriers cellhölje.

De har endast ett tunt lager av peptidoglykan utanför cellmembranet.

Utanför detta tunna peptidoglykanlager har de dessutom ett yttre membran. Det yttre membranet består av ett dubbelt lager av fosfolipider som fäster till peptidoglykanlagret med hjälp av lipoproteiner. Det yttre membranet innehåller även en stor mängd lipopolysackarider (LPS).

LPS-komplexets uppbyggnad

LPS-komplexet innehåller en lipiddel (lipid A) som sticker ner i det yttre membranets fosfolipidlager. Denna lipiddel är kopplad till en polysackarid. Den första delen av denna polysackarid är alltid densamma, medan den andra delen varierar mellan olika arter. Den andra delens

O-sidokedjor hos LPS

Porin Lipoprotein

Yttre membran Periplasmiskt utrymme + peptidoglykan Cellmembran

Peptidoglykan

Protein

Fosfolipid

O-antigen Konstant polysackaridkedja

Lipopolysackarid (LPS)

Lipid A LPS-komplexet innehåller en lipid A-del som sticker ner i det yttre membranets fosfolipidlager. Till lipid A-delen är en polysackarid kopplad. Den första delen av polysackariden är konstant, medan den andra delen varierar mellan olika arter och vars yttersta del (O-antigen) även kan variera mellan olika stammar.

26

2

organismer i bioteknikens tjänst

02_Insikt Bioteknik_7 korr_U_AL_151207_CC14.indd 26

2015-12-15 15:13

ena ände, den s.k. O-sidokedjan, är så pass variabel att den kan variera mellan olika stammar av samma bakterieart. För att särskilja olika stammar av en gramnegativ bakterieart analyserar man därför ofta O-sidokedjan. Man använder då antikroppar som kan känna igen olika varianter av kedjan. Av den anledningen kallas ibland O-sidokedjan för O-antigen.

LPS-komplexet gör oss sjuka

Om lipid A frigörs, t.ex. när gramnegativa bakterier dör, kan den aktivera kroppens immunförsvar mycket kraftigt. Det kan leda till så kraftiga reaktioner att den person det händer hos tar allvarlig skada eller dör. Man kallar därför ofta lipid A för ett endotoxin (endogent toxin), och när det lossnar från växande och döda bakterier kan det orsaka feber, kräkningar, diarré och diverse andra sjukdomssymptom. Bakterier tillhörande släkten som Shigella, Escherichia och Salmonella är exempel på bakterier vars endotoxin påverkar människor och djur. Endotoxiner är värmestabila, vilket innebär att man kan bli förgiftad av mat som innehåller E. coli-bakterier trots att maten har upphettats och bakterierna dött. Det är också väldigt viktigt att kontrollera eventuell förekomst av endotoxin i produkter som har framställts med hjälp av gramnegativa bakterier, något som vi återkommer till i kapitel 5.

Det yttre membranet som barriär

De gramnegativa bakteriernas yttre membran är relativt genomsläppligt för små molekyler eftersom där finns proteiner, s.k. poriner, som bildar kanaler i membranet. Vissa poriner är så specifika att endast ett visst ämne kan passera, medan andra är ospecifika.

Utrymmet mellan det yttre och inre membranet kallas för det periplasmiska rummet och vätskan i detta rum har en geléliknande konsistens eftersom det innehåller en stor mängd proteiner. Vissa av dessa proteiner binder ämnen som ska transporteras vidare in i cellen, eller fungerar som hydrolytiska enzymer som bryter ner större molekyler till mindre.

Eftersom det yttre membranet fungerar som en ytterligare barriär mot omgivningen kan infektioner av gramnegativa bakterier vara svåra att behandla på grund av att antibiotika kan hindras från att ta sig in i cellen. Det yttre membranet är nämligen mindre genomsläppligt för många molekyler jämfört med cellmembranet. Membranet kan även skydda mot immunsystemets attacker genom att LPS-lagret binder de antibakteriella peptider som de möter i och på människokroppen och därmed hindrar dessa från att ta sig in och förstöra bakteriens cellmembran.

2

02_Insikt Bioteknik_7 korr_U_AL_151207_CC14.indd 27

organismer i bioteknikens tjänst

27

2015-12-15 15:13

Gramfärgning Gramfärgningsmetoden uppfanns av Hans Christian Gram (1853–1938) och är en metod där man färgar in bakterierna med kristallviolett. Man tillsätter därefter Lugols lösning som innehåller jod. Tillsatsen av denna lösning ger ett större färgkomplex och gör att färgen stannar kvar i cellerna. Därefter tvättar man bakterierna med etanol. De grampositiva (Gr+) cellerna har ett tjockt peptidoglykanskikt som etanolen gör ännu mer kompakt genom dehydrering.

Färgen hålls därför kvar inne i cellerna och tvättas inte bort. De gramnegativa (Gr-) cellerna saknar peptidoglykanskiktet och har i stället ett yttre membran uppbyggt av fosfolipider som blir mer genomsläppligt av etanoltvättningen och färgen åker ut ur cellerna. Man avslutar med att färga cellerna med ett rött färgämne, safranin. Gr+-cellerna

behåller då sin violetta färg, medan Gr–-cellerna blir rödfärgade.

Gr + Gr + bakterier behåller den violetta färgen.

B

Bakterierna färgas med kristallviolett. Därefter tillsätts Lugols lösning.

B

Bakterierna tvättas med etanol och färgas sedan med safranin.

Gr Gr – bakterier avfärgas av etanolen och färgas sedan röda av safranin.

Endotoxiner och exotoxiner Toxiner är ett samlingsnamn för ämnen som bildas av bakterier, och kan åstadkomma skada för den som bakterien bosatt sig i. Man skiljer mellan endotoxiner och exotoxiner.

Endotoxiner kallas de LPS-komplex som lossnar från växande och döda gramnegativa bakterier.

Toxinet är alltså en del av bakterien och inte ett ämne som produceras för att utsöndras. Endotoxiner kan ge upphov till diarré, kräkningar, feber etc. De är värmestabila och förstörs alltså inte vid upphettning.

Exotoxiner är toxiska ämnen (oftast proteiner) som produceras och utsöndras av bakterien.

Vanligen tar de sig sedan in i kroppens celler och utför aktivt biokemiska reaktioner, som på olika sätt kan vara skadliga. Eftersom olika exotoxiner tar sig in i olika celler och där påverkar cellen på olika sätt, ger de upphov till vitt skilda symptom. Somliga åstadkommer liksom endotoxiner diarré, kräkningar o.s.v. Andra dödar sina målceller, och gör så att vävnad förstörs och att röda blodkroppar spricker (hemolysiner). Eftersom de flesta exotoxiner utgörs

28

2

av proteiner som måste behålla sin tredimensionella struktur för att förbli aktiva är de värmeinstabila, d.v.s. de förstörs vid upphettning. Både gramnegativa och grampositiva bakterier kan producera exotoxiner.

Beroende på vilken påverkan toxinet har delas exotoxiner in i olika grupper, t.ex. enterotoxiner (effekt på magtarmkanalen), neurotoxiner (effekter på nervsystemet) och hemolysiner.

Några exempel på exotoxiner är koleratoxinet (ett enterotoxin) som produceras av kolerabakterien (Vibrio cholerae), tetanustoxinet som produceras av stelkrampsbakterien (Clostridium tetani) samt ett av världens giftigaste ämnen, botulinumtoxinet (Clostridium botulinum) som är orsaken till s.k. botulism. De båda senare är exempel på neurotoxiner.

Ett enda milligram av botulinumtoxinet räcker för att döda 10 000 människor. Detta gift används nu bl.a. inom skönhetsindustrin för att förlama de muskler som leder till rynkbildning! TSS-toxinet som orsakar toxic-shock-syndromet (tampongsjukan) är ett exotoxin som produceras och utsöndras av Staphylococcus aureus.

organismer i bioteknikens tjänst

02_Insikt Bioteknik_7 korr_U_AL_151207_CC14.indd 28

2015-12-15 15:13

3 DNA och RNA KAN GENER HOPPA?

KODAR ALLT

DNA FÖR PROTEINER?

VARFÖR UTTRYCKS INTE

ALLA GENER I ALLA CELLER?

KAN MAN

KLONA MÄNNISKOR? HUR FÅR MAN

EN BAKTERIE

ATT TILLVERKA INSULIN? 3

03_Insikt Bioteknik_1 korr_U_NY_AL_151207.indd 55

dna och rna

55

2015-12-15 15:17

Jämförelser mellan däggdjursarters arvsmassa Jämför man uppsättningen gener mellan olika däggdjursarter finner man att alla däggdjur har ungefär 20 000 gener som beskriver proteiner, och de allra flesta av dessa är gemensamma hos de olika däggdjuren. Endast en handfull gener är unika för varje däggdjursart. I de flesta fall rör det sig då om unika varianter i några få kluster av gener som fångar upp lukter, bryter ner gifter eller hjälper immunförsvaret att gripa tag i sjukdomsframkallare. Hos sådana gener har det under evolutionens gång funnits ett starkt selektionstryck att bevara nya genvarianter som kan göra att individer överlever i nya miljöer. Det kan exempelvis gälla förmågan att bryta ner nya gifter i näringsrika rötter, känna nya lukter av rovdjur, att döda nya sjukdomsframkallare och att undvika onyttig mat.

Huvuddelen av de betydelsefulla skillnaderna mellan olika däggdjursarters arvsmassa är därmed av samma slag som skillnaden mellan olika individer. De ligger i den exakta aminosyrasekvensen hos proteiner, vilket ger dem något olika funktion, samt i de styrsekvenser som avgör var, när och hur mycket ett protein ska tillverkas. Faktum är att en mycket liten förändring i en styrsekvens kan innebära en dramatisk förändring i ett djurs uppbyggnad och/eller sätt att fungera. Ett viktigt steg i utvecklingen från t.ex. marklevande mus till fladdermus var en mutation i styrsekvensen för genen för ett protein som under fosterutvecklingen sa åt ”fingrarna” att växa. Det gjorde ”fingrarna” dramatiskt mycket längre, och när hudveck uppkom mellan ”fingrarna” hade framtassarna utvecklats till vingar.

RNA, transkription och translation De flesta teorier om livets uppkomst och utveckling säger att det före dagens livsformer fanns en värld med RNA-liv, bestående av självkopierande RNA-molekyler eller aggregat av RNA-molekyler. Dessa RNA-molekyler kunde fungera både som förmedlare av information (om sin egen uppbyggnad) och som ett enzym vilket gjorde det möjligt att för dem kopiera sig själva. Även i dagens levande varelser har RNA-molekyler båda dessa funktioner. De kan dels vara bärare av information, som ligger linjärt i ordningsföljden av kvävebaser. Dels kan de linda ihop sig till en specifik tredimensionell form, vilket ger dem förmågan att katalysera kemiska reaktioner, d.v.s. att vara ett enzym. Dock utförs de allra flesta kemiska reaktioner som behöver katalyseras i de levande varelserna 86

3

dna och rna

03_Insikt Bioteknik_1 korr_U_NY_AL_151207.indd 86

2015-12-15 15:17

av proteiner, de allra flesta enzymer är alltså proteiner. Proteiner utför också en rad andra viktiga uppgifter i de levande varelserna.

Det mesta av allt RNA i en cell är på olika sätt inblandat i att tillverka proteiner och överföra information från DNA till proteiner.

Principen att information i levande varelser vandrar från DNA till RNA och därifrån vidare till proteiner är central i biologin, och kallas ibland för ”centrala dogmat”. Det är dock ett olyckligt namn, eftersom biologin, liksom alla andra vetenskaper, inte håller sig med dogmer utan med teorier. Det har också visat sig att denna princip inte är helt allmängiltig, och att det finns situationer då information i levande varelser vandrar åt det motsatta hållet. Med hjälp av ett enzym som kallas omvänt transkriptas kan t.ex. virus av samma typ som HIV göra en DNA-kopia från en RNA-mall.

DNA

Transkription

RNA

Translation

Protein

Centrala dogmat.

RNAs byggnad RNA är uppbyggt av byggstenar som kallas ribonukleotider, och som påminner mycket om de deoxyribonukleotider som DNA är uppbyggt av. De kemiska skillnaderna är att: • sockergruppen hos en ribonukleotid består av ribos i stället för deoxyribos (som hos deoxyribonukleotiden). Det innebär att ribonukleotiden har en –OH-grupp på ett ställe där deoxyribonukleotiden har ett väte.

• där DNA-molekyler har kvävebasen tymin (T) innehåller RNA en likartad kvävebas, som kallas uracil (U).

Det är värt att notera att en av dessa RNA-byggstenar är just den molekyl som spelar en nyckelroll som energipaket och energibärare i ämnesomsättningen, nämligen ATP. Övriga RNA-byggstenar kan beskrivas som ATP-molekyler som har bytt kvävebas.

DNA-nukleotid

RNA-nukleotid

Fosfat

Fosfat

Deoxiribos

Kvävebas A, T, G, C

Ribos

Kvävebas A, U, G, C

Skillnaden mellan DNA:s och RNA:s byggstenar är att RNA-byggstenar innehåller ribos istället för deoxiribos samt kvävebasen uracil i stället för tymin.

3

03_Insikt Bioteknik_1 korr_U_NY_AL_151207.indd 87

dna och rna

87

2015-12-15 15:17

Ribonukleotiderna är sammanfogade till kedjor på samma sätt som deoxyribonukleotider, men RNA-kedjor är nästan aldrig dubbelsträngade utan oftast enkelsträngade. Det händer dock ofta att olika delar av kedjan hos en RNA-molekyl basparar till varandra med hjälp av vätebindningar, vilket gör att en längre RNA-molekyl kan bilda en komplicerad struktur med dubbelsträngade stammar och enkelsträngade öglor.

Tre typer av RNA Det allra mesta av de levande varelsernas arvsmassa uttrycks, åtminstone ibland, i någon eller några av artens celltyper. Men olika gener uttrycks olika mycket, och RNA-molekylernas stabilitet skiljer sig åt i olika celler.

Ribosomalt RNA (rRNA)

I alla levande celler består runt 80 % av allt RNA av några långa RNAmolekyler, som bygger upp de ribosomer som fogar ihop aminosyror till proteiner, s.k. rRNA (tre RNA-molekyler per ribosom hos bakterier och fyra hos eukaryoter). Länge trodde man att detta RNA var till för att bilda en ställning, i vilken de proteiner sitter som utför ribosomens arbete.

I dag vet vi att själva RNA-molekylen är aktiv och fungerar som enzym.

Enzymet katalyserar flera av nyckelstegen i proteinsyntesen, däribland själva hopfogandet av en ny aminosyra till den växande kedjan.

Transfer-RNA (tRNA)

Ungefär 15 % av cellernas RNA är av ett slag som kallas transfer-RNA (tRNA), och fungerar som ”översättningsnycklar” vid proteinsyntesen.

I sin ena ände kan de binda en viss aminosyra, och i sin andra ände har de tre kvävebaser (kallat antikodon) som kan baspara till beskrivningen av den aminosyra de binder. tRNA-molekylerna är mellan 70 och 90 ribonukleotider långa.

rRNA-molekyler hos bakterier och eukaryoter Hos bakterier innehåller varje ribosom tre RNAmolekyler, som är 120, 1 542 respektive 2 906 ribonukleotider långa. De kallas 5S, 16S resp. 23S, där S är ett mått på molekylvikten uppkallat efter den svenske kemisten Theodor Svedberg (1884– 1971). (Svedberg utvecklade ett sätt att mäta stora molekylers storlek genom att studera var de placerade sig om de centrifugerades i hög hastighet

88

3

i en gradient av det tunga ämnet cesiumklorid.)

Ribosomerna i eukaryota celler består av fyra olika RNA-molekyler som är 121, 156, 1 869 respektive 5 070 ribonukleotider långa. De kallas för 5S; 5,8S; 18S och 28S. (Den uppmärksamme ser att den s.k. sedimentationskonstanten som mäts med S visserligen ökar med molekylens vikt, men inte proportionellt.)

dna och rna

03_Insikt Bioteknik_1 korr_U_NY_AL_151207.indd 88

2015-12-15 15:17

Budbärar-RNA (mRNA)

Endast någon procent av cellers RNA utgörs av RNA-molekyler som bär på ”recept” på proteiner. Dessa bildas som kopior av de gener som beskriver proteiner, och förmedlar information från gener till ribosomer. Man kallar därför de slutliga RNA-molekyler som når ribosomerna för budbärar -RNA (messenger-RNA, mRNA). Processen då mRNA tillverkas kan ses som en ”avskrift” av budskapet i DNA-molekylen, och kallas (med ett lån från engelska) för transkription.

Här fäster aminosyran, i detta fall metionin.

Nukleotider

Vätebindningar

Transkription Transkriptionen börjar med att ett enzym, kallat RNA-polymeras, känner igen en sekvens på DNA-molekylen som säger ”påbörja avläsning här”. RNA-polymeras binder då till DNA:t och börjar sära kedjorna från varandra. En öppning som är ungefär 18 baspar lång bildas, och den ena av de två kedjorna viks ut mot omgivningen så att fria RNA-byggstenar kan baspara med kvävebaserna på DNA-kedjan. RNA-polymeraset kan sedan foga ihop byggstenarna med varandra (även här genom att klippa bort två fosfatgrupper och länka ihop den återstående med OHgruppen) till en växande kedja. Till skillnad från DNA-polymeras kan dock RNA-polymeras börja från noll, och foga ihop två enkla RNAbyggstenar med varandra.

I takt med att nya baser fogas till den växande RNA-molekylen flyttar sig RNA-polymeras längs DNA-molekylen och öppnar nya baspar, samtidigt som DNA-kedjan sluter sig där enzymet har passerat, så att de bakre delarna av den omogna mRNA-molekylen släpper från DNA och hänger ut från enzymet likt en svans. Transkriptionen avslutas när RNA-polymeras stöter på en speciell DNA-sekvens som signalerar stopp. Ibland hjälper också speciella proteiner till genom att binda till RNA-molekylen och koppla loss den från RNA-polymeras.

U

A C

Antikodon (UAC basparar med AUG på mRNA = Kodonen för metionin)

RNA-polymeras

5’

DNA

5’

3’

3’ RNA-nukleotider RNA

Transkriptionsriktning

RNA-polymeras särar på DNA-molekylens kedjor så att RNA-byggstenar kommer åt att baspara till den ena kedjan. RNA-byggstenarna länkas sedan samman till en RNA-molekyl.

3

03_Insikt Bioteknik_1 korr_U_NY_AL_151207.indd 89

dna och rna

89

2015-12-15 15:17

Bakterier som pratar med varandra Bakterier kan faktiskt prata med varandra, men eftersom bakterier inte kan använda akustiska signaler som vi människor gör, använder bakterier i stället kemiska signaler. Bakterier som pratar har genregleringsmekanismer som kontrolleras av celltätheten, d.v.s. antal celler. Denna mekanism kallas för quorum sensing och innebär att bakterierna bildar en speciell signalmolekyl, en s.k. autoinducer, som transporteras ut ur bakteriecellen och vars koncentration ökar med celltätheten. Allt eftersom bakteriepopulationen tillväxer, sänder fler och fler bakterier ut denna molekyl. När koncentrationen nått en viss nivå transporteras de i vissa fall in i cellerna där de binder till ett reglerande protein, vilket i sin tur binder till en specifik DNA-sekvens på bakteriekromosomen och genen uttrycks. I andra fall binder autoinducern till ett receptorprotein i cellmembranet. Det leder till att proteinet fosforyleras (en fosfatgrupp sätts på) och i sin tur fosforylerar ett reglerande protein, som på samma sätt binder till bakteriekromosomen och startar transkriptionen av en viss gen.

Vilken fördel har då bakterierna av att kunna ”prata” med varandra? För patogena (sjukdomsalstrande) bakterier kan det exempelvis innebära att de proteiner som behövs för att invadera en kropp (s.k. virulensfaktorer) bildas först då bakterierna är tillräckligt många för att lyckas med invasionen. På så sätt slösar bakterien inte energi på att producera något som är verkningslöst. Quorum sensing används också vid symbiotiska processer, för att konkurrera med andra bakterier, vid sporbildning och vid bildande av biofilm. Det har också visat sig vara anledningen till att bioluminiscerande bakterier endast sänder ut ljus vid hög celltäthet.

Bakterier som använder quorum sensing kan alltså samordna genuttryck och därför beteendet hos hela populationen. Uppkomsten av denna förmåga hos bakterier kan också ha varit ett av de första stegen när det gäller uppkomsten av flercelliga organismer.

Bakteriecell

Bakterieceller av samma art

Reglerande protein

Genuttryck

autoinducer

102

3

dna och rna

03_Insikt Bioteknik_1 korr_U_NY_AL_151207.indd 102

2015-12-15 15:17

5 Bioteknik i samhället KONSERVERING

KAN FRAMTIDENS

BRÄNSLEN

AV LIVSMEDEL MED HJÄLP AV BAKTERIER

– HUR FUNKAR DET?

VAD HAR IDEGRANAR MED BRÖSTCANCER ATT GÖRA?

GRISAR SOM ORGANDONATORER?

PRODUCERAS AV

MIKROORGANISMER?

KAN MAN VACCINERA MOT CANCER? 5

05_Insikt Bioteknik_4 korr_U_AL_151207.indd 163

bioteknik i samhället

163

2015-12-15 15:22

Produktion av cytostatika

Ett av de mest potenta cellgifterna (cytostatika) mot bröst- och äggstockscancer är taxol, som hindrar celler från att dela sig och i stället tvingar celler som försöker dela sig att begå självmord (apoptos) genom att binda till mikrotubuli och hindra dessa från att brytas ner. Det gör det omöjligt för mikrotubuli att arrangera sig så att de kan dra isär kromosomerna från varandra vid celldelningen. Det verksamma ämnet (paclitaxel) i detta cellgift finns i små mängder i barken på idegran. Det faktum att bröstcancer är en av de vanligaste cancerformerna, och att det krävs flera gram av detta ämne för att behandla en enda cancerpatient, ledde till att idegranen blev i det närmaste utrotad i USA under 1990-talet. Gamla träd innehåller dessutom betydligt högre halter av ämnet jämfört med unga, vilket resulterade i att man högg ner massor av träd som stått i ett par hundra år. År 1993 beslöt man att inga fler idegranar fick huggas ner i USA:s nationalparker. Det intensifierade jakten på att försöka framställa taxol på syntetisk väg i laboratorier, vilket ett forskarlag i Florida lyckades med senare samma år. Processen var dock mycket komplicerad och för att göra det som idegranens celler klarar av, krävdes 40 olika kemiska syntessteg på laboratoriet. Numera produceras taxol i stället från cellkulturer av idegran som odlas i stora fermentatorer.

Några andra mycket viktiga cytostatika består av sekundära metaboliter från mikroorganismer.

O H3C

O H N

H3C O

Idegranen blev nästan utrotad i USA under 1990-talet.

202

5

O

CH3

OH

CH3 H3C

O OH

O

OH

O

H

O O

O

CH3 O

Taxol är ett av de mest potenta cellgifterna mot bröst- och äggstockscancer.

bioteknik i samhället

05_Insikt Bioteknik_4 korr_U_AL_151207.indd 202

2015-12-15 15:22

Växter mot malaria, HIV och Ebola

Nobelpristagare i medicin

I Kina har man länge använt blad från malört (Artemisia annua) för att behandla malaria och i dag är det verksamma ämnet i växten, artemisinin, en viktig beståndsdel i ett av de mest effektiva läkemedlen mot malariainfektioner. Det är dock väldigt dyrt att framställa artemisinin, både naturligt och på syntetisk väg. Man har därför länge försökt få bakterier och svampar att producera detta ämne, men det har inte varit speciellt lyckosamt. Hoppet har dock tänts vad gäller att nå en hållbar produktion av läkemedlet efter att forskare lyckats få tobaksplantor att producera artemisinin genom att föra in gener från malörtväxten samt en gen från en jästsvamp. Kanske kan man i framtiden på så sätt få ett växtbaserat system för produktion av läkemedlet.

I dag används främst mikroorganismer och däggdjursceller för att producera det hundratal olika proteiner som används som läkemedel.

På senare år har dock intresset för att använda växter som proteinfabriker ökat eftersom det bl.a. anses vara mer kostnadseffektivt och för att de inte innehåller humana patogener, vilket annars innebär en risk.

I Kina har forskare framställt genmodifierade risplantor som producerar humant serumalbumin som används för att behandla svåra brännskador. Även antikroppar mot HIV och ebolaviruset kan numera produceras av tobaksplantor, och kanske kan det leda till storskalig produktion av dessa läkemedel i framtiden.

Antikropparna mot ebola har framställts av en växt, som tillhör samma släkte som den vanliga tobaksplantan, genom att infektera den med en bakterie (Agrobacterium tumefaciens) som genmodifierats så att den innehåller de gener som behövs för produktionen av dessa antikroppar.

Youyou Tu (f. 1930) var en av tre forskare som tilldelades Nobelpriset i medicin år 2015.

Hon fick priset för sin upptäckt och renframställning av den verksamma substansen artemisinin i växten Artemisia annua, något som senare ledde till framställningen av malarialäkemedlet Artimisinin.

I sina försök att utveckla nya terapier mot malaria upptäckte Youyou Tu att man inom kinesisk örtmedicin under århundraden hade använt sig av blad från Artemisia annua för att behandla malaria. Efter att först ha utvecklat den reningsmetod som ledde till att hon kunde identifiera den aktiva substansen i bladen, påvisade hon sedan att substansen var mycket effektiv när det gällde att bekämpa malariaparasiten.

Artemisinin har revolutionerat kampen mot malaria och räddat många av de 200 miljoner människor som årligen infekteras av malaria. Artemisinin används numera som kombinationsterapi i malariadrabbade områden och bara i Afrika har detta räddat livet på fler än 100 000 människor.

Transplantationer, genterapi och stamceller Biotekniken har också öppnat många vägar till helt andra behandlingssätt av sjukdomar än läkemedel.

Getter som producerar läkemedel Brist på antitrombin i kroppen leder till en ökad risk för blodproppsbildning vid förlossningar och kirurgiska ingrepp.

Det kommersiella namnet på detta ämne är ATryn och det har framställts med hjälp av genmodifierade getter som producerar ämnet i mjölkkörtlarna. Den mjölk som dessa transgena getter producerar innehåller därmed läkemedlet.

5

05_Insikt Bioteknik_4 korr_U_AL_151207.indd 203

bioteknik i samhället

203

2015-12-15 15:23

INSIKTER Bioteknik innefattar allt från brödbak till modern genteknik och är något som människan använt sig av under tusentals år. Otaliga exempel finns när det gäller bioteknikens betydelse i samhället och ständigt nya användningsområden hittas.

Genom att använda hela celler eller cellkomponenter som t.ex. enzymer kan vi tillverka livsmedel och läkemedel, producera gödsel- och drivmedel samt rena vatten och jord. Genom genteknik kan vi numera även modifiera de organismer som vi använder i olika processer så att de ännu mer effektivt kan utföra den aktuella processen.

Vi kan också få organismer att producera för dem helt nya ämnen genom att föra in nya, främmande gener. Därmed kan exempelvis grödor och livsmedel göras nyttigare genom att de får ökat innehåll av viktiga näringsämnen, och bakterier kan producera ämnen som insulin.

Genom bioteknik (t.ex. vaccinationer och gentester) kan vi förebygga, diagnosticera och behandla olika sjukdomar.

Många försök pågår när det gäller att behandla vissa sjukdomar med genterapi och stamcellstransplantationer och man hoppas även att den nya CRISP- och ZFN-tekniken ska ha stor betydelse i framtiden. Kanske kommer vi i framtiden också att snabbt kunna få fram en patients genetiska

profil och därmed skräddarsy en läkemedelsbehandling som passar just den individen. Biotekniken leder också till svåra etiska ställningstaganden. Vem äger rätt till den information som fås fram med de nya teknikerna?

Kan informationen komma att användas inte bara inom sjukvården utan även av försäkringsbolag och arbetsgivare? Kommer vi att kunna designa våra barn? Även i arbetet med att nå en hållbar utveckling är bioteknik ett viktigt redskap. Miljöstörande industriprocesser kan ersättas av skonsammare processer, förnyelsebara råvaror och bränslen kan produceras, användningen av bekämpningsmedel inom jordbruk minskas och i länder med vattenbrist kan grödor odlas där det tidigare inte varit möjligt. Införandet av genmodifierade organismer i naturen kan också innebära risker, t.ex. minskad biodiversitet, d.v.s. biologisk mångfald, eftersom naturligt förekommande organismer kan komma att påverkas negativt. Kanske kommer också GMO att påverka makten över världens mat på ett negativt sätt. Kommer fattiga bönder att ha råd att köpa nytt utsäde varje år, vilket kanske krävs om växtförädlingsföretagen sätter in s.k. terminatorgener som hindrar att man kan använda frön från skörden som utsäde påföljande år?

FUNDERA VIDARE 1. Virus och bakterier är ibland ett hot mot människan men är också viktiga inom bioteknik.

Motivera detta påstående och ge exempel på när virus och bakterier används inom biotekniken.

2. Ge ett exempel på hur bioteknik kan användas för att göra miljön bättre.

5. Är en organism som förändrats med hjälp av riktade mutationer att betrakta som GMO? Diskutera!

6. Hur tror du att den moderna gentekniken kommer att påverka evolutionen i framtiden?

3. Ge ett exempel på hur bioteknik skulle kunna försämra vår miljö.

4. Föreställ dig att ett nytt virus som ger svåra, influensaliknande symptom börjar sprida sig i världen. Hur skulle du gå till väga för att ta reda på om det är ett helt nytt virus eller om det är besläktat med tidigare kända influensavirus?

218

5

bioteknik i samhället

05_Insikt Bioteknik_4 korr_U_AL_151207.indd 218

2015-12-15 15:23

INSIKT Bioteknik

Lena Brynhildsen • Henrik Brändén INSIKT Bioteknik är skriven för gymnasiekursen Bioteknik, 100 p.

Läroboken är ett starkt teoretiskt stöd inför kursens laborationer och ger eleverna god förståelse för bioteknikens betydelse och användning nu och i framtiden. Bokens text förstärks av många inspirerande foton och pedagogiska illustrationer. Eleverna uppmuntras till egen analys och reflektion som ger insikter.

Läromedlet INSIKT omfattas av läroböcker, lärarhandledningar och digitala produkter. För mer information, se www.nok.se/insikt

ISBN 978-91-27-42874-4

9 789127 428744

Insikt Bioteknik_Omslag.indd Alla sidor

Bioteknik 2015-12-17 16:00