Både forskere, medicinalindustrien og industrien generelt er interesserede i at få bakterier og svampe til at producere et overflødighedshorn af forskellige proteiner og enzymer. Det er bakterierne dog ikke altid med på, og forskere har nu kortlagt deres respons på at blive udnyttet bioteknologisk.
Bioteknologisk er der ingen tvivl om, at bakterier og svampe rummer et enormt potentiale, som indtil videre slet ikke udnyttes i det omfang, som er muligt.
Ligesom vi kender det fra gærsvampe, som producerer insulin, kan man forestille sig, at bakterier og svampe kan producere tusindvis af forskellige proteiner, der kan være interessante inden for alt fra forskning til lægemidler og i industrien generelt.
Tricket, uanset om man vil have lægemidler, proteiner fra kræftceller eller nye enzymer til at putte i vaskepulvere, er at finde ud af, hvordan man får bakterier eller svampe til at producere noget, som de slet ikke kan bruge selv.
Man kan indsætte generne, men det er langt fra altid, at bakterierne eller svampene makker ret og derfor spytter store mængder af det givne protein ud. I stedet stiller de sig ofte på bagbenene og stritter imod, med alt hvad de har.
Et nyt forskningsprojekt har nu identificeret de modsvar på at blive (mis)brugt bioteknologisk, som colibakterier disker op med.
"Dette studie drejer sig om hjertet af bioteknologi, nemlig hvordan vi bedst muligt får bakterier og svampe til at lave nogle fremmede proteiner, som de ikke selv kan bruge. Gærsvampe kan som eksempel ikke bruge insulin til noget, men vi vil alligevel have dem til at lave så meget som overhovedet muligt. For at det kan lade sig gøre, skal vi have en bedre forståelse af, hvad der sker inde i bakterierne eller svampene, når vi beder dem om at lave nogle proteiner, som er interessante for os, men ikke for dem," forklarer en af forskerne bag det nye studie, professor Bernhard Palsson, der er CEO på DTU BIOSUSTAIN, Novo Nordisk Foundation center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU).
Forskningsarbejdet er for nylig offentliggjort i Metabolic Engineering.
Store gevinster ved at gøre bakterier til bedre producenter af proteiner
Hvis man arbejder med bioteknologi, ved man, at bakterier og svampe kan reagere meget forskelligt på at skulle producere forskellige proteiner.
Ofte drejer det sig endda også om forskellige responser på forskellige proteiner.
Det kan være en udfordring, når man gerne vil have eksempelvis en colibakterie til at producere rigtig meget af et givent protein. Lad det som eksempel være BRCA1-proteiner, som kendes fra brystkræft, og som kan have stor forskningsmæssig interesse, fordi de",="" serif;="" font-size:="" 20px;"=""> er et mål for udvikling af medicin mod sygdommen.
I det tilfælde vil man gerne have colibakterierne til at lave så meget BRCA1-protein som muligt. Det vil man gerne af primært to årsager.
• Man skal bruge færre bakterier og mindre vækstmedie til at lave den nødvendige mængde proteiner.
• Oprensningsprocessen er meget lettere, hvis 40 pct. af proteinerne i en bakterie er BRCA1, fremfor hvis kun 2 pct. af proteinerne er BRCA1.
"Kan man øge produktiviteten eller forstå, hvorfor den er så lav, kan det få stor betydning for den måde, som man laver proteiner ved hjælp af bakterier og svampe på," forklarer Bernhard Palsson.
Som kun at lytte til andenviolinen i en symfoni
For at aflure, hvad der holder bakterierne fra at spytte enorme mængder proteiner ud i omgivelserne, har Bernhard Palsson med sine kollegaer udviklet en metode, som gør dem i stand til at finde ud af, hvad bakterierne laver, når de producerer proteiner, og hvad der afholder dem fra at gøre det, når de så alligevel ikke vil det.
Hele øvelsen er computerbaseret, men går i sin enkelthed ud på, at forskerne fodrer en computer med data vedrørende bakteriernes samlede proteinsyntese. Forskere kalder det for transskriptomet.
På computeren kan en algoritme af kunstig intelligens ekstrahere signaler fra transskriptomet og aflure de bagvedliggende mekanismer, der får det endelige proteinprodukt til at se ud, som det gør.
Algoritmen er baseret på det, som hedder en signal extraction algorithm, der i store træk kan analysere på de enkelte signaler i transskriptomet.
"Algoritmen kan ekstrahere og udvælge enkelte signaler fra noget kompliceret. Det svarer lidt til, at algoritmen kan lytte til en hel symfonikoncert og alligevel være i stand til kun at zoome ind på signalet fra andenviolinen," forklarer Bernhard Palsson.
Kan finde stresssignaler i transskriptomet
Når det gælder bioteknologi, har forskerne ikke brugt algoritmen til at lytte til violiner, celloer eller tamburiner, men i stedet bedt algoritmen om at lytte til stresssignaler i colibakterierne.
Det kan som eksempel dreje sig om stresssignaler relateret til ændringer i pH, oxidativt stress eller temperaturændringer.
"På den måde kan vi se, hvilke stresssignaler der forstærkes, når vi forsøger at få bakterier til at udtrykke fremmede proteiner," forklarer Bernhard Palsson.
Forskellige stopklodser afholder bakterier fra at lave fremmede proteiner
I forskningsarbejdet indsatte forskerne 45 forskellige gener i colibakterier og fik på den måde bakterierne til at producere 45 forskellige slags proteiner, som de ikke var vant til at producere.
Samtidig analyserede forskerne på transskriptomet og kunne på den måde se, at bakterierne over en bred kam havde fem forskellige reaktionsmønstre på at blive forsøgt udnyttet bioteknologisk.
De fem reaktionsmønstre er:
• Grådighed/frygt. Dette respons er kendt på tværs af biologien, og her gjorde bakterierne det, at de lukkede ned for en masse biologiske processer som modsvar på at blive bedt om at skulle producere proteiner, som ikke var dens egne. Det gør også, at der ikke bliver produceret særligt meget af det ønskede produkt.
• Beskyttelse af metalloproteiner. Et andet respons fra bakteriernes side var at være hyper-protektionistiske omkring sine proteiner med metaller i. Mange proteiner skal bruge metaller for at fungere, eksempelvis hæmoglobin, så hvis bakterier oplever, at de bliver tvunget til at lave proteiner med metaller i, kan deres modsvar være at holde godt fast i metallerne i sine egne proteiner fremfor at dele ud af dem til de proteiner, som vi mennesker gerne vil have dem til at lave.
• Dysregulering af chaperoner. For at proteiner kan fungere ordentligt, skal mange af dem foldes af såkaldte chaperoner, der er proteiner med den specielle funktion, at de hjælper andre proteiner med at blive funktionelle. Forskerne kunne dog se, at colibakterierne ofte reagerede på introduktionen af fremmede proteiner ved at sætte chaperonerne ud af spillet, så de ikke kunne folde de uønskede proteiner, som de burde blive foldet.
• Dysregulering fa biosyntesen af aminosyrer. For at lave proteiner skal colibakterierne bruge aminosyrer, og mange gange skal de ved indsættelse af gener for fremmede proteiner bruge aminosyrer, som de ikke selv producerer så mange af. Derfor skal de ændre på deres biosyntese af aminosyrer. Her kan cellens respons på kravet om at lave fremmede proteiner enten være at producere flere eller færre af de ønskede aminosyrer.
• Ikke-karakteriseret respons. Ikke alle colibakteriernes reaktionsmønstre kunne sættes i bås, og for en stor dels vedkommende var det ikke til at karakterisere deres respons, så de faldt i den sidste af de fem grupper.
"Det er klart, at denne sidste gruppe kan blive et helt forskningsfelt i sig selv," siger Bernhard Palsson.
Stort bioteknologisk potentiale
Bernhard Palsson fortæller, at den nye indsigt kan åbne op for markante forbedringer i bioproduktionen af proteiner til en lang række formål.
Det største problem er at få bakterierne til at producere proteiner effektivt, fordi der eksisterer forskellige barrierer, som forhindrer dem i at gøre det.
Men kan forskere forstå disse barrierer bedre og modulere dem, kan de få colibakterier til at gå fra at være dårlige udtrykkere af givne proteiner til at være storproducenter.
"Der kan være både genetiske måder at ændre på deres respons eller ved at ændre noget i det medie, som de vokser i. Selv hvis man kan narre bakterierne til blot at producere 10 pct. mere, vil det i mange tilfælde være en kæmpe gevinst," siger Bernhard Palsson.
”Independent component analysis of E. coli's transcriptome reveals the cellular processes that respond to heterologous gene expression” er udgivet i Metabolic Engineering. Medforfatter Bernhard Palsson er CEO på Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Danmarks Tekniske Universitet, Kongens Lyngby.
