Bioproduktion, som anvender levende celler til at fremstille livreddende medicin, står over for en stor udfordring: ophobning af mælkesyre. Dette affaldsprodukt begrænser cellevæksten og reducerer produktionseffektiviteten. Nu har forskere udviklet en banebrydende genetisk teknik, der stopper celler fra at producere mælkesyre, hvilket forbedrer hastighed, omkostninger og effektivitet i lægemiddelproduktionen. Denne innovation åbner nye døre for videnskabelig udforskning med potentiale til at revolutionere sundhedssektoren og vores forståelse af cellulære processer.
Forestil dig, at livreddende medicin kan fremstilles hurtigere, billigere og mere effektivt. Bioproduktion, der bruger levende celler til at skabe medicin som vacciner og terapeutiske proteiner, er en hjørnesten i moderne sundhedspleje. Men en stor udfordring i denne proces er mælkesyre – et affaldsprodukt, som cellerne producerer, når de skaber energi. Ophobningen af mælkesyre hæmmer cellevæksten og reducerer mængden af medicin, de kan producere.
De mest almindeligt anvendte celler i bioproduktion, kaldet kinesiske hamsterovarieceller (CHO-celler), producerer naturligt mælkesyre, hvilket gør processen mindre effektiv og mere kompleks. Nu har forskere udviklet en banebrydende genetisk teknik, der fuldstændigt stopper disse celler fra at producere mælkesyre. Denne innovation kan gøre lægemiddelproduktion hurtigere, enklere og meget mere omkostningseffektiv.
"Dette er et stort skridt fremad for bioproduktion og mere end det. Ved at fjerne produktionen af mælkesyre gennem genetisk redigering har vi givet celler større frihed til at arbejde på forskellige måder uden at påvirke deres vækst eller produktivitet. Dette forbedrer ikke blot måden, vi producerer medicin på; det giver os også mulighed for at udforske nye videnskabelige spørgsmål. Vi kan nu bedre forstå, hvordan celler interagerer med deres omgivelser, hvad enten det drejer sig om immunreaktioner, kræft eller andre biologiske systemer. Potentialet for nye opdagelser er enormt," siger førsteforfatteren på studiet, Hooman Hefzi, lektor ved DTU Bioengineering på Danmarks Tekniske Universitet.
Ineffektiv og spildfuld proces
Bioproduktion, som anvender levende celler til at fremstille medicin som vacciner, antistoffer og terapeutiske proteiner, er afgørende for moderne sundhedspleje. Pattedyrsceller, især kinesiske hamsterovarieceller (CHO-celler), anvendes bredt på grund af deres evne til at producere komplekse, højtkvalitetsproteiner til terapeutisk brug. Dog er en vedvarende udfordring i bioproduktion at håndtere cellevækst og næringsstofomsætning, især ophobningen af mælkesyre, som er et biprodukt af cellernes stofskifte.
"Problemet skyldes den måde, celler håndterer energi på, og det er et emne, der er centralt for forståelsen af denne metaboliske flaskehals. Et nøgleproblem har været mælkesyre – cellerne producerer for meget af det, og det har hæmmet væksten i årtier," forklarer Nathan Lewis, GRA Eminent Scholar og professor ved University of Georgia, USA, samt professor ved DTU Bioengineering på Danmarks Tekniske Universitet i Kongens Lyngby.
Mens denne proces understøtter hurtig vækst i nogle biologiske sammenhænge, skaber den betydelige udfordringer for produktionsprocesser, hvor effektivitet og konsistens er afgørende.
"Mælkesyreproduktion er ikke unik for bioproduktion; det afspejler en bredere metabolisk strategi, som observeres i hurtigt voksende celler på tværs af biologiske systemer – herunder i embryoner, immunreaktioner og endda tumorer," uddyber Nathan Lewis.
I stedet for at forarbejde sukker fuldt ud til energi ved hjælp af ilt, omdanner disse celler det til mælkesyre, selv når der er ilt til rådighed. Denne tilgang muliggør hurtig forbrænding af sukker og understøtter vækst, men processen er ineffektiv og producerer overskydende affald.
"I forbindelse med bioproduktion har ophobningen af mælkesyre betydelige ulemper. Forbedringer er primært kommet fra at justere, hvordan cellerne dyrkes, hvad de fodres med, eller hvilket udstyr der bruges. Disse ændringer har reduceret mælkesyreproduktionen en smule og øget proteinproduktionen," beskriver Nathan Lewis.
En delikat balancegang
For at modvirke ophobningen af mælkesyre tilsættes bufferstoffer til cellekulturen, men dette øger osmolariteten, hvilket yderligere belaster cellerne. Denne dobbelte udfordring reducerer mængden af produceret protein og kan kompromittere kvaliteten af det endelige terapeutiske produkt. Håndtering og minimering af mælkesyreproduktionen har derfor været et centralt fokus i optimeringen af bioproduktionsprocesser.
"Produktionen af mælkesyre er tæt forbundet med, hvordan celler prioriterer deres energiveje. Når celler forbrænder sukker, producerer de pyruvat, som enten kan forarbejdes effektivt i mitokondrierne for at generere maksimal energi eller omdannes til mælkesyre gennem en mindre effektiv proces," forklarer Hooman Hefzi.
"Valget mellem disse veje reguleres af cellernes energiniveauer og signalmolekyler. I hurtigt voksende celler fungerer mælkesyrevejen som en slags 'sikkerhedsventil', der gør det muligt hurtigt at behandle sukker uden at overbelaste energisystemerne. Man ser det også i gær og bakterier, hvor lignende veje ofte giver en vækstfordel – de vokser hurtigere, selvom det er mindre effektivt."
Denne proces, som er fordelagtig i naturlige sammenhænge som hurtige immunreaktioner eller embryonal udvikling, skaber udfordringer i kontrollerede miljøer som bioproduktion. Dette skaber en delikat balancegang for forskere og producenter.
"I løbet af årtier er der sket forbedringer i, hvordan celler dyrkes – såsom ændringer i næringsstoffer, fodringsstrategier og miljøkontrol – der har reduceret mælkesyreniveauet og tilladt højere celletætheder og bedre proteinafkast. Men disse strategier adresserer ofte symptomer frem for den grundlæggende årsag til mælkesyreproduktionen," uddyber Hooman Hefzi.
Høj risiko
Mange af de gennembrud inden for bioproduktion er kommet fra at justere eksterne faktorer – som hvordan cellerne dyrkes, hvad de fodres med, og hvordan bioreaktorerne opsættes. Disse ændringer har hjulpet med at reducere mælkesyreproduktionen en smule og gjort det muligt for cellerne at vokse i større antal, hvilket betød, at der kunne produceres mere protein.
"I årenes løb har forskere bemærket, at når CHO-celler kunne vokse tættere, producerede de mere protein. Denne tendens fulgte et klart mønster, men den begyndte at flade ud. Det var der, hvor vi, ved vores Center for Biosustainability og National Biologics Facility, besluttede at tage fat på cellernes stofskifte som et nøgleområde for forbedring," fremhæver Nathan Lewis.
På det tidspunkt påtog en studerende ved navn Hooman Hefzi sig et projekt, hvor han kortlagde alle energi- og kemiske veje i CHO-celler. Under dette arbejde identificerede han en potentiel flaskehals i produktionen af mælkesyre. Han foreslog en dristig idé: At slå fem specifikke gener fra på samme tid kunne potentielt stoppe cellerne i at producere mælkesyre helt.
"Hoomans idé var højrisiko. Tidligere forsøg på at stoppe mælkesyreproduktionen ved at målrette et nøgleenzym, laktatdehydrogenase, var mislykkedes, fordi det dræbte cellerne. Men Hooman mente, at vi ved at målrette flere dele af systemet samtidigt kunne løse problemet rent uden at skade cellerne," siger Nathan Lewis.
Er cellerne stadig i live?
"I stedet for at sigte efter en lille forbedring, som en 30 % reduktion, besluttede vi os for at gå all-in og fuldstændig fjerne feedback-loopet. Dette ville give os et klart svar på, om en fuldstændig eliminering ville løse problemet – og det gjorde det," forklarer Hooman Hefzi.
Der blev etableret et samarbejde med Bjørn Voldborg, der ledede CHO-celleingeniørteamet ved Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability. Han påtog sig den komplekse opgave at slå alle fem gener fra på én gang, et kritisk skridt for at teste idéens gennemførlighed.
"CRISPR har revolutioneret genetisk engineering. Opgaver, der tidligere tog år – som at slå fem gener fra på én gang – kan nu gøres på få måneder. For tyve år siden ville folk have grinet af ideen, men nu er det så meget hurtigere og enklere, hvilket gør det muligt for os at tackle større udfordringer hurtigt," siger Hooman Hefzi.
I dette projekt blev CRISPR-teknologi brugt som præcise molekylære sakse til at skære specifikke dele af DNA’et ud. Ved at målrette fem gener samtidigt blev cellerne omprogrammeret til at stoppe med at producere mælkesyre.
"Vi var ikke sikre på, om eksperimentet ville virke, men blot et par måneder senere sendte Bjørn os dataene: Vildtypecellerne producerede som forventet meget mælkesyre, men de modificerede celler producerede slet ikke noget – nul! Vi spøgte endda: 'Er cellerne stadig i live?' Men han bekræftede, at de var i live og voksede helt fint," fortæller Nathan Lewis.
"Da Bjørn bekræftede, at det virkede, var vi forbløffede. Vi var bekymrede for, at fjernelsen af mælkesyreproduktionen kunne skade cellevæksten eller proteinproduktionen, men de modificerede celler voksede lige så godt – eller endda bedre – da de ikke længere forsurede deres omgivelser. Fraværet af mælkesyre forhindrede ikke blot skade, men forbedrede i nogle tilfælde også cellernes præstation. De producerede lige så meget protein som de oprindelige celler og i nogle tilfælde endda mere," beskriver Hooman Hefzi.
Et stort gennembrud
Elimineringen af mælkesyreproduktionen så ud til indirekte at forbedre cellernes præstation. For at afgøre, om denne tilgang kunne anvendes på andre celletype, testede forskerne metoden på en menneskecellelinje, der almindeligvis bruges til fremstilling af genterapier og grundforskning. Den samme genetiske ingeniørstrategi stoppede med succes produktionen af mælkesyre uden at skade cellerne, hvilket demonstrerede, at metoden potentielt kunne være effektiv på tværs af forskellige celletype.
"Kontrollen af mælkesyreproduktionen er en stor udfordring i biofarmaceutisk fremstilling. Nogle virksomheder håndterer det godt, mens andre kæmper med det. Ved helt at eliminere mælkesyre kan vi omgå dette problem, lade processerne køre mere effektivt og fokusere på de næste udfordringer i lægemiddelproduktionen," fastslår Hooman Hefzi.
"Dette forskningsarbejde kan spare virksomheder for mange penge. For eksempel arbejdede jeg med en virksomhed, der udviklede et dyrt system – til en pris på omkring en million dollars pr. reaktor – for at håndtere, hvordan celler producerer mælkesyre," fortæller Nathan Lewis.
Ved at fjerne nogle få gener kan forskerne opnå den samme effekt uden at skulle stole på kostbare systemer, hvilket gør cellevækst og produktion langt mere effektiv.
"Dette er et enormt gennembrud, fordi vi med succes slog et essentielt gen fra – noget, der burde have dræbt cellerne. I stedet fjernede vi en del af cellernes interne system, hvilket eliminerede mælkesyreproduktionen helt. Dette var aldrig tidligere opnået genetisk. Denne succes åbner ikke kun nye muligheder for bioproduktion, men giver også frihed til at optimere processer på måder, der ikke tidligere var mulige," understreger Nathan Lewis.
Når man løser ét problem, dukker et andet op
Forskerne undersøger nu, hvad der sker, når celler stopper med at producere mælkesyre, ved at se på, hvordan deres interne processer ændrer sig. For eksempel: Skifter cellerne til nye genetiske programmer, eller omdirigerer de deres metaboliske veje?
"Omdirigerer de deres indsats til andre metaboliske veje? Vi har bemærket, at nogle nøglemolekyler, der er involveret i stofskiftet, øges, når mælkesyreproduktionen stopper, hvilket kan have vidtrækkende konsekvenser. Når man løser ét problem, dukker et andet op. Men overordnet set har vi set en stor forbedring i, hvordan cellerne præsterer," uddyber Hooman Hefzi.
Forskere har debatteret, hvorfor celler er afhængige af mælkesyreproduktion. Nogle hævder, at det hjælper celler med hurtigt at producere energi, som et kort kraftudbrud. Andre mener, at processen hjælper med at skabe de byggesten, cellerne har brug for til at vokse.
"Dette arbejde forbedrer ikke kun, hvordan vi dyrker celler til bioproduktion – det hjælper os også med at forstå, hvordan celler interagerer i områder som udviklingsbiologi, immunreaktioner og vævsfunktion. Udforskning af disse kommunikationsveje kan føre til gennembrud på mange områder," siger Nathan Lewis.
"Ved at stoppe mælkesyreproduktionen har vi givet cellerne større fleksibilitet til at udforske forskellige tilstande. Cellerne finder naturligt en tilstand, der fungerer for dem, men dette åbner op for nye muligheder for at forbedre deres præstation og forstå deres biologi," forklarer Hooman Hefzi.
Medicin hurtigere og mere effektivt
Celler "taler" naturligt med hinanden, mens de vokser, idet de opfatter deres omgivelser og tilpasser deres adfærd derefter. Ved at målrette signaler som mælkesyre, der begrænser væksten, kan forskere fundamentalt ændre, hvordan celler kommunikerer og reagerer på deres omgivelser.
"Nu kan vi stille langt dybere spørgsmål om, hvordan celler opfører sig i forskellige situationer, som i embryoner, tumorer eller immunsystemer. For eksempel kan vi undersøge, hvordan celler interagerer med deres miljø eller gør det mere surt, hvilket kan påvirke deres bevægelse. Denne dybere forståelse kan give nye svar på, hvordan celler fungerer og interagerer," forklarer Nathan Lewis.
De nye opdagelser åbner spændende muligheder. Ved at fjerne nøglesignalmolekyler fra celler kan forskerne undersøge, hvordan disse ændringer påvirker cellernes interaktion og kommunikation med hinanden og deres omgivelser.
"Vi tror – eller håber – at dette viser sig at være en generaliserbar strategi til at eliminere Warburg-effekten. Med denne tilgang kan vi virkelig begynde at udforske nogle fundamentale biologiske spørgsmål direkte: Hvad er det egentlige formål med Warburg-effekten? Hvordan påvirker den cellens tilstand og fysiologi? Og nu har vi en ren sammenligning – en cellelinje, der vokser lige så godt, men ikke producerer laktat," fortolker Hooman Hefzi.
Den nuværende formodning er, at fjernelse af mælkesyreproduktionen skaber en metabolisk ripple-effekt. Det omdirigerer cellens indsats, hvilket fører til øget produktion af nøglemolekyler som acetyl-CoA. Disse ændringer kan påvirke genregulering og proteinadfærd og potentielt give os ny indsigt i, hvordan celler fungerer og tilpasser sig.
"Fjernelsen af mælkesyreproduktionen betyder ikke, at cellerne vil vokse for evigt – det fjerner blot den første barriere i processen. Dette giver mulighed for mere intense produktionsmetoder, hvilket gør det muligt at fremstille medicin hurtigere og mere effektivt, selvom det også introducerer nye udfordringer, der skal overvindes," afslutter Hooman Hefzi.
