Bioteknologia
Näillä sivuilla kerrotaan bioteknologiassa käytetyistä biologisista molekyyleistä ja geenitekniikan perusperiaatteista. Tarkastelemme myös joitakin näihin liittyviä haasteita ja miten niihin voidaan vastata nykyaikaisilla menetelmillä.
Uusien lääkkeiden kehittäminen bioteknologisilla menetelmillä
Viime aikoina käyttöön tulleita beetainterferoneja kutsutaan yhdistelmäproteiineiksi, ja niitä tuotetaan bioteknologisilla menetelmillä.
Beetainterferonit kuuluvat siihen yhä kasvavaan bioteknologisten lääkevalmisteiden ryhmään, joka on osa jokapäiväistä elämäämme. Jotkut näistä lääkkeistä pelastavat potilaan hengen, ja toiset taas parantavat miljoonien ihmisten elämänlaatua.
Silti juuri nämä menetelmät, joilla tuotetaan näitä elintärkeitä lääkkeitä, herättävät joskus huolta geneettisen alkuperänsä vuoksi. Oletko koskaan miettinyt, miten yhdistelmälääkkeitä tehdään?
Bioteknologian syvällisempi ymmärtäminen saattaa poistaa pelkoja tai epäluuloja ja auttaa käsittämään, miksi se on niin arvokas menetelmä.
Bioteknologian määritelmä
Bioteknologia on lääkkeissä ja teollisuudessa tarvittavien aineiden tuotantoon sopivien biologisia prosesseja hyödyntävien menetelmien kehittämistä. Esimerkiksi monien antibioottien tuotanto perustuu erilaisten sienten ja bakteerien toimintaan. Viimeaikoina kehitetyt geeniteknologian menetelmät ovat tehneet mahdolliseksi hormonien, rokotteiden, interferonien ja muiden hyödyllisten tuotteiden laajamittaisen tuotannon.
Miksi valkuaisaineet ovat välttämättömiä
Valkuaisaineet eli proteiinit ovat elämälle välttämättömiä rakenne- ja säätelymolekyyleja. Jotkut niistä saattavat olla hyödyllisiä myös lääkkeinä. Esimerkiksi proteiininpuutoksesta johtuvia sairauksia voidaan hoitaa ihmisproteiinilla. Vaikka ihmisproteiinin merkitys sairauksien hoidossa on jo kauan ollut tiedossa, ihmiskudoksesta on valitettavasti mahdollista saada vain hyvin pieniä määriä proteiineja. Bioteknologian avulla on nykyään kuitenkin mahdollista tuottaa tarvittava määrä korkealaatuisia ihmisproteiineja lääkinnälliseen käyttöön.
Perusyhtälö on yksinkertainen: geenien DNA koodaa RNA:ksi kutsuttua mallia, joka vuorostaan koodaa proteiineja. Bioteknologiassa tätä yhtälöä käytetään laajassa mittakaavassa hoitoon tarvittavien lääkemäärien tuottamiseen.
Ensiaskeleet
Voidakseen ymmärtää, miten bioteknologiaa voidaan käyttää proteiinien valmistamiseen lääkkeeksi, on palattava ensin vuoteen 1944, jolloin keksittiin, että geneettinen tieto on varastoitu deoksiribonukleiinihappoon (DNA) solun tumaan eikä proteiineihin, kuten aiemmin uskottiin.
Tämä havainto oli merkittävä läpimurto, koska se oli ensimmäinen askel kohti bioteknologian tärkeintä yhtälöä: geeneissä on koodi proteiineja varten.
Vuonna 1953 Crick ja Watson osoittivat, miten tämä toimii. He avasivat DNA:n rakenteen koodin käyttämällä Maurice Wilkinsin ja Rosalind Franklinin hankkimia kokeellisia tietoja. He saivat työstään Nobel-palkinnon vuonna 1962.
Crick ja Watson osoittivat, että DNA koostuu kahdesta suunnattoman pitkästä kaksoiskierteisestä ketjusta, joissa on toistuvia osia. Kullakin ketjulla on selkäranka, josta erilaiset emäkset erkanevat sisäänpäin muodostaen ikään kuin kierteiset tikapuut. Emäksiä on neljä: adeniini, guaniini, tymiini ja sytosiini. Rakenne- ja sähkövaraussyistä adeniini muodostaa aina parin tymiinin kanssa ja sytosiini guaniinin kanssa.
Koodin selvittäminen
Crick ja Watson ymmärsivät täysin DNA-rakenteen merkityksen. Kun kaksoiskierre puretaan, syntyy kaksi erillistä ketjua. Koska emäkset muodostavat pareja vain tietyllä tavalla, kumpikin yksittäinen ketju muodostaa mallin, jonka avulla voidaan muodostaa täydellinen kopio alkuperäisestä molekyylistä.
Tämä on tärkeää sen vuoksi, että perinnöllisyys perustuu kopiointiin. Alla olevan kuvan mukaisesti voidaan nähdä, että tämä on luontaista DNA:lle.
Crick ja Watson esittivät, että emästen järjestys DNA-molekyylissa koodaa jollakin tavalla proteiineja. Kaikkien proteiinien rakennuspalikoina toimivia erilaisia aminohappoja on 21. Proteiinissa aminohapot järjestäytyvät päästä toiseen pitkäksi nauhaksi, joka kiertyy monimutkaiseen kolmiulotteiseen muotoon. Aminohappojen täydellisen järjestyksen proteiinissa määrittävää DNA:n koodijärjestystä kutsutaan geeniksi. Tyypillisessä ihmissolun DNA:ssa on noin 100 000 geeniä.
Tutkijat selvittivät tämän geneettisen koodin 1960-luvun alussa. He osoittivat, että periytyvän tiedon perustan muodostaa kodoniksi kutsuttu kolmen peräkkäisen emäksen yhdistelmä. Kukin kodoni määrittää eri aminohapon.
Miten proteiinia valmistetaan
Proteiinia valmistettaessa DNA-kierre aukeaa yhden geenin pituudelta. Avaaminen paljastaa mallin, josta RNA-polymeraasiksi kutsuttu entsyymi voi muodostaa tytärnukleiinihapon eli ribonukleiinihapon (RNA).
Tätä kutsutaan kopioinniksi, koska geneettinen tieto kopioidaan eli kirjoitetaan uudelleen toiseen kohtaan (ks. kaaviota).
Kun RNA on valmis, se siirtyy tumasta solulimassa sijaitseviin suuriin proteiineja rakentaviin tuotantolaitoksiin – ribosomeihin – jotka tulkkaavat peräkkäiset kodonit tietyksi aminohappoketjuksi, ja niin muodostuu proteiini. Tätä voi verrata ohjeiden kääntämiseen toiselle kielelle.
Ribosomeista valmistuneet proteiinit siirtyvät pakkaustehtaaseen – solulimakalvostoon, jossa ne puetaan hiilihydraattiketjuihin toimivan proteiiniyhdistelmän muodostamiseksi. Tätä loppupakkausvaihetta kutsutaan glykosylaatioksi. Tällä on merkitystä bioteknologiassa, kuten myöhemmin selviää.
Bioteknologian kehitys
Kaikissa soluissa, jopa hyvin yksinkertaisissa bakteerien kaltaisissa soluissa, on samankaltainen mekanismi proteiinien valmistamiseksi DNA:sta. Bioteknologia ei itse asiassa ollut mahdollista ennen kuin bakteereista ja viruksista löydettiin tärkeitä proteiineja (entsyymejä) 1970-luvun alkupuolella. Näitä ovat
• rajaavat endonukleaasit (jotka pilkkovat DNA:ta tietyistä kohdista)
• DNA-ligaasit (jotka yhdistävät DNA-palaset päästä päähän)
• käänteiskopioija eli käänteistranskriptaasi (joka muuttaa RNA:n DNA:ksi).
Nämä entsyymit ovat bioteknologian työkaluja. Niitä voidaan käyttää tärkeiden ihmisgeenien pilkkomiseen ja yhdistämiseen bakteerin DNA:han.
Ihmisgeenien yhdistäminen bakteerin geeniin on bioteknologian perusperiaate, ja yhdistelmä-DNA-teknologia on saanut nimensä sen mukaan. Se on hyödyllistä, sillä bakteerit kahdentuvat hyvin nopeasti. Otollisissa olosuhteissa bakteerit kahdentuvat 20 minuutin välein. Tällä tavalla voidaan kasvattaa suuria määriä proteiinia lääkintäkäyttöön.
Nykyaikainen synteesi
Yhdistelmäproteiinin valmistamista varten eristetään ensin ihmisen DNA:ta, joka pilkotaan rajaavan endonukleaasin avulla. Näin saadaan runsaasti DNA-katkoksia, jotka sisältävät tiettyjä geenejä.
Tämän jälkeen sama tehdään bakteerin DNA:lle, josta osa on silmukkamaisissa plasmideissa. Jos käytetään oikeaa pilkkojaa, silmukka voidaan yleensä avata yhdestä paikasta. Seuraavaksi ihmisen DNA-katkos, jossa on tarvittava geeni, liitetään avattuun bakteeriplasmidiin.
Lopuksi ihmisen ja bakteerin DNA-katkokset yhdistetään DNA-ligaasilla, ja näin luodaan uusi ihmisen geeniä sisältävä plasmidi.
Kun yhdistelmä-DNA-plasmidi on valmis, se siirretään takaisin bakteeriin proteiinin valmistamista varten. Tätä tekniikkaa kutsutaan transfektioksi. Ihmisgeeniä sisältäviä bakteeria kasvatetaan soluviljelyn avulla plasmideissa, jotka alkavat tuottaa ihmisen yhdistelmäproteiinia oman solukoneistonsa avulla.
Suuri mittakaava
Yhdistelmäproteiinin valmistaminen lääkinnälliseen käyttöön tällä menetelmällä teollisessa mittakaavassa on teknisesti hyvin vaativaa, sillä tarvittavia aineita on käsiteltävä erityisen varovaisesti ja laadunvalvonnan on oltava monipuolista.
Pääasialliset tuotantovaiheet:
• viljely (fermentation) – bakteerit viljellään peräkkäisissä suljetuissa altaissa, jotka sisältävät ravintolientä
• talteenotto (harvesting) – kasvatetut solut lingotaan proteiinien talteen ottamiseksi solujen sisältä
• puhdistus (purification) – haluttu proteiini eristetään noin 5000 normaalista bakteeriproteiinista esimerkiksi kemiallisesti saostamalla tai kromatografian avulla
• lääkemuodon kehitys (formulation) – tarvittava proteiini muokataan pysyvään steriiliin muotoon, jota voidaan käyttää lääkkeenä; on muistettava, ettei proteiineja voida käyttää tabletteina, koska ne pilkkoutuvat mahalaukussa.
Laboratorion koeputkesta teolliseen viljelyyn siirtyminen ei ole useinkaan kovin suoraviivainen tapahtuma. Kussakin tuotantovaiheessa on tehtävä säätöjä, jotta lääkettä saadaan mahdollisimman paljon ja jotta se olisi mahdollisimman puhdasta, tehokasta ja hyvin säilyvää.
Joidenkin yhdisteiden kohdalla tämä on helppoa ja menetelmä ei vaadi paljon säätämistä. Toisinaan taas tarvitaan paljon aikaa ja työtä. Tämä puolestaan saattaa lisätä lopputuotteen hintaa. Se ei kuitenkaan tule niin kalliiksi kuin yhdisteen eristäminen alkuperäisestä lähteestä lääkinnällisessä mittakaavassa, jos se edes olisi mahdollista.
Bakteeri vai virus?
Kun tuotetaan yhdistelmäproteiineja lääkekäyttöön, tuotteen puhtaus, määrä, biologinen vaikutus ja säilyvyys riippuvat myös proteiinin kasvattamiseen käytetystä solutyypistä.
Nykyään voidaan käyttää monenlaisia soluja sekä bakteereja. Virusta voidaan käyttää esimerkiksi ihmisen geenien siirtämiseen nisäkkäiden tai hyönteisten soluihin, ja niitä voidaan sitten viljellä.
Jotkut solut eivät kuitenkaan kasva hyvin viljeltyinä ja useimmat niistä (kuten bakteerit) tuottavat hieman muunneltuja proteiineja, jotka eivät ole lääkkeinä yhtä tehokkaita kuin luonnollinen ihmisproteiini.
Vaikea pulma
Ilmeinen ratkaisu mainittuun ongelmaan olisi tietysti proteiinien kasvattaminen ihmisen soluissa.
Valitettavasti ihmisen soluja ei voi kasvattaa teollisissa fermentointiolosuhteissa, ja pienessäkään mittakaavassa kasvatettuina ne eivät tuota kovin paljon proteiinia. Pulmaan on kuitenkin ratkaisu, joka perustuu DNA-koodin luonteeseen.
Kuten aiemmin mainittiin, kolme emästä muodostaa aminohapon. Proteiinin aminohappojärjestys voidaan muuttaa vaihtamalla DNA:n yksi kodoni. Tämä voidaan tehdä bioteknologisilla työkaluilla, samaan tapaan kuin lajinkehitys tapahtuu luonnollisen valinnan kautta.
Kuten lajinkehityksessäkin, useimmat aminohapon proteiinien järjestyksen muutokset ovat haitallisia, mutta joskus muutos voi saada aikaan parannuksen alkuperäisestä versiosta. Joskus yksittäisen aminohapon muuttaminen voi tehdä proteiinista niin paljon paremman, että se vastaa hoitovaikutukseltaan ja säilyvyydeltään luonnollista ihmisproteiinia.
Katse eteenpäin
Geenien muuntaminen niin että saadaan proteiini, jonka aminohappojärjestys on hieman erilainen, ei vaaranna saatavan proteiinin määrää, koska uusi yhdistelmäproteiini voidaan edelleen kasvattaa bakteereissa, joka kahdentuvat muita solutyyppejä nopeammin.
Lääkekäyttöön on jo saatavana kokonainen valikoima muunneltuja (toisen sukupolven) yhdistelmäproteiineja, kuten uudentyyppinen insuliini, kasvuhormoni, kudoksen plasminogeenin aktivaattori, hyytymistekijä VIII ja beetainterferoni 1b.
Tämä antaa uskoa tulevaisuuteen. Viimeinkin on mahdollista vaikuttaa MS-taudin kaltaisten sairauksien etenemiseen.
Tehokkaat lääkkeet, kuten beetainterferoni, ovat nykyään niitä tarvitsevien ulottuvilla, kun suuria määriä aktiivisia lääkeproteiineja voidaan tuottaa uusilla bioteknologian menetelmillä.
Viite
Tienari P. MS ja ihmisperimä. Avain 2005;3:6-11.
Artikkeli luettavissa Internetissä:
http://www.ms-liitto.fi/files/3409/tienari.pdf
