Ved du hvad en ingeniør er? En ingeniør er en titel på en person, som arbejder med at løse virkelighedens tekniske problemstillinger. Det kan være problemstillinger indenfor f.eks. medicinal-, bygge-, elektro-, og kemiindustrien. Ingeniører bærer rundt på en værktøjskasse med viden fra både matematik, kemi, biologi og fysik, som de bruger, når de planlægger løsninger. En ingeniør bruger f.eks. matematik og fysik til at beregne, om en bro kan holde eller vil falde sammen, inden den bygges.
Kan andre organismer end mennesker være ingeniører? Man kan sige, at bakterierne i vores mikrobiom er bittesmå ingeniører, der løser opgaver i vores krop. På figur 1 kan du se en bakterie med sine forskellige ingeniørredskaber. Nogle bakterier har redskaber til at opbygge nye molekyler såsom vitaminer og fedtsyrer. Andre bakterier har redskaber til at nedrive molekyler såsom kostfibre. Tilsammen hjælper de små ingeniører kroppen med at fungere, og vi kan faktisk slet ikke leve uden dem.
Figur 1. Mikrobiomets bakterier som ingeniører. Mikrobiomets bakterier har en værktøjskasse fuld af redskaber, som de bruger til at hjælpe kroppen. Nogle har redskaber til at nedbryde molekyler til mindre dele. Andre har redskaber til at opbygge eller ombygge molekyler.
Du består af 1% menneskegener og 99% bakteriegener
Du har tidligere lært, at mikrobiomet består af ca. 40 billioner bakterier, som beskytter og hjælper vores krop. Samtidig er selve kroppen opbygget af ca. 30 billioner menneskeceller. Vi består altså af flere bakterieceller end menneskeceller.
Oven i det har man fundet ud af, at der er 100 gange flere slags bakteriegener end menneskegener i kroppen. En gennemsnitlig krop indeholder altså 1% menneskegener (ca. 20.000 forskellige gener) og 99% bakteriegener (ca. 2.000.000 forskellige gener). Denne fordeling kan du se på figur 2.
Figur 2. Fordelingen af menneske- og bakteriegener i en krop. En gennemsnitlig krop gemmer på omkring 20.000 forskellige gener fra menneskeceller og 2.000.000 forskellige gener fra bakterier. Man kan altså sige, at kroppen indeholder 1% menneskegener og 99% bakteriegener.
Menneskegenerne ligger gemt i vores egne menneskeceller. Generne er opskriften på alle vores egenskaber: Hvordan vi ser ud, hvordan vi tænker, hvilke sygdomme vi har risiko for at udvikle, og hvordan vores krop virker. Et gen er mere præcist en del af DNA’et, der ”koder” for en bestemt egenskab. Denne ”kode” er en opskrift på, hvordan kroppen laver egenskaben. En egenskab kan f.eks. være øjenfarve. Genet for øjenfarve er opskriften på, om man har blå, grønne eller brune øjne.
Mikrobiomets bakterier har selv 100 gange flere slags egenskaber end menneskecellernes egenskaber i en krop. Og heldigvis bruger bakterierne oftest egenskaberne til at hjælpe os. Nogle bakterier har den egenskab, at de kan nedbryde molekyler som kostfibre og dermed frigive lettere optagelige næringsstoffer til os. Andre bakterier er i stand til at opbygge molekyler som vitaminer, der er vigtige for kroppens funktioner.
En værktøjskasse fuld af enzymer
Bakteriernes gener koder for forskellige slags proteiner. Nogle af disse proteiner kaldes enzymer, og det er proteiner, der kan udføre arbejdsopgaver i bakterien. Enzymerne er altså bittesmå værktøjer indeni bakterien, der opbygger, nedriver eller ombygger molekyler. Når bakterien f.eks. ”spiser” kostfibre i tarmen, er der enzymer inde i bakterien, som kan klippe fibrene til mindre stykker og på den måde nedbryde dem til frie næringsstoffer. De frie næringsstoffer kan vores egne celler derefter optage og få energi af. Denne proces kan du se på figur 3. Menneskecellerne har ikke generne, som koder for disse enzymer, og derfor kan mennesket ikke selv nedbryde kostfibre uden bakterier.
Andre bakterier har enzymer, som gør, at de kan opbygge vitaminer som K, B1, B9 og B12 vitamin. Og en tredje slags bakterier har enzymer, der kan omdanne glukose (sukkerstof) til mælkesyre – vi kalder dem for mælkesyrebakterier.
Figur 3. Bakteriers gener koder for ”fiberspisende” enzymer. Nogle tarmbakterier har gener, som koder for særlige enzymer, der kan nedbryde fibre. Når enzymerne nedbryder fibre, bliver fibrene omdannet til mindre næringsstoffer, og vi kan derefter selv optage næringsstofferne og få energi.
Bakterier i industrien
Bakterierne i mikrobiomet bærer rundt på en enorm værktøjskasse af enzymer, så de kan opbygge, nedrive eller ombygge molekyler. Mon vi kan bruge denne smarte værktøjskasse til andre ting i den virkelige verden? Netop det spørgsmål stiller mange forskere sig selv.
Tænk hvis man kunne udvælge en bakterie med et bestemt enzym, tage den ud af kroppen og få den til at fremstille enzymet, som genet koder for. Man kunne f.eks. udvælge en bakterie med genet, som koder for enzymet, der danner B12 vitamin. Ved at dyrke en masse af disse bakterier, ender man med en stor mængde B12 vitamin, der kan bruges i kosttilskud.
Man kunne også udvælge en bakterie, som har enzymer, der kan nedbryde fedtstoffer ved 30°C. Dyrker man et stort antal af disse bakterier, vil man kunne anvende enzymerne i vaskepulver til at fjerne fedtpletter.
Ekstreme bakterier
Forskere må være taktiske, når de skal finde bakterier med særlige enzymer. Vil man have et enzym, som skal kunne tåle meget høje temperaturer, kan man lede efter bakterier, som lever i varme kilder og gejsere. Søger man et enzym, der kan nedbryde græspletter på tøj, kan man lede efter bakterier i køers maver. Skal man bruge et enzym, som fungerer ved minusgrader, må man lede i indlandsisen. Og kigger man ned i vores egen mavesæk, kan man finde enzymer, der trives i ætsende saltsyre.
Der findes bakterier overalt i verden – både på toppen af Mount Everest, 10 km nede på havets dybe bund, i millioner år gamle gletsjere, i radioaktivt affald og i stinkende svovlsøer. Det gælder om at lede nogle ekstreme steder for at finde bakterier med særlige enzymer, vi kan bruge. Nogle af disse ekstreme miljøer kan du se på figur 4.
Figur 4. Bakterier i ekstreme miljøer. Bakterier lever overalt på Jorden – også i ekstreme miljøer, hvor ingen andre organismer kan overleve. Bakterierne har gennem milliarder af år tilpasset sig miljøet, og derfor trives de her. Nogle bakterier kan f.eks. tåle meget høje eller meget lave temperaturer. Andre kan leve i højradioaktiv stråling. Nogle kan overleve i syre og andre i giftige svovlsøer. Man finder også bakterier i andre dyr, og de lever af at nedbryde den mad, som dyret selv spiser – f.eks. kan bakterierne i koens mave nedbryde græs.
Cellefabrikker
En smart måde at udnytte bakteriernes værktøjskasser af enzymer er gennem cellefabrikker. En cellefabrik er en celle, som optimeres til at producere et ønsket produkt. En cellefabrik kan f.eks. være en celle, som er rigtig god til at producere insulin i store mængder.
Cellefabrikker bruges i dag til at fremstille b.la. medicin (f.eks. insulin), vitaminer (f.eks. B12), antibiotika (f.eks. penicillin), pesticider, sundhedsfremmende stoffer, biokemikalier og biobrændsel.
Sådan fungerer en cellefabrik
Man kan forestille sig en cellefabrik som en rugemor. En rugemor er en kvinde, som har fået opsat et befrugtet æg. Det befrugtede æg kommer fra et andet menneske, og det er derfor ikke rugemoderens egne gener, som fosteret er dannet ud fra. Gennem 9 måneder ”ruger” hun på fosteret i sin mave, mens det vokser sig større og større. Efter babyen er født, overgår den til de biologiske forældre.
På samme måde er en cellefabrik en slags rugemor. Cellefabrikken er rigtig god til at fremstille produkter, men den har ikke selv naturligt generne for det ønskede produkt. Den mangler altså opskriften (genet) for at lave produktet. Forskere har udviklet gensplejsning, som netop er den teknik, hvor genet fra én organisme tages ud og sættes over i en anden organisme.
På den måde kan man indsætte et ønsket gen i en cellefabrik – som at indsætte et befrugtet æg i en rugemor. Denne proces kan du se på figur 5, hvor genet koder for et bestemt enzym.
Det næste trin er at få cellefabrikken til at formere sig og producere store mængder af det ønskede produkt (enzymet i dette eksempel).
Figur 5. Cellefabrik. En cellefabrik er en slags rugemor, der er rigtig god til at formere sig og fremstille et produkt. Dog mangler cellefabrikken selv genet for det ønskede produkt. Produktet er i dette tilfælde et enzym. Man kan derfor finde en bakterie, som naturligt har genet for enzymet, og derefter ”klippe” genet ud af bakterien og indsætte det i cellefabrikken ved hjælp af gensplejsning. Nu kan cellefabrikken selv producere en masse enzymer, som kan udnyttes i industrien.
Pektinase: Et vigtigt redskab i juiceindustrien
Et eksempel kan være, at man har fundet en bakterie, som kan nedbryde frugtkød (også kaldet pulp). Bakterien danner nemlig et enzym, som hedder pektinase. Enzymet pektinase kan nedbryde sukkerstoffet pektin, som findes i planteceller – altså i de celler som frugt er opbygget af. Når pektin nedbrydes, opløses frugtkødet, og man står tilbage med saften fra frugten. På figur 6 kan du se pektinases egenskab.
En stor juiceproducent har hørt om denne bakterie og ønsker at bruge pektinases egenskaber til at gøre det lettere at lave juice. Normalt bruger juiceproducenten store maskiner til at findele og presse frugten til juice, men med pektinase behøves denne proces ikke nær så meget. Dette gør, at virksomheden sparer tid og strøm.
Juiceproducenten ansætter en forsker til at gensplejse bakteriens gen for pektinase-enzymet over i en cellefabrik. Cellefabrikken formerer sig til milliarder af cellefabrikker, der alle fremstiller pektinase. Nu kan juiceproducenten udnytte pektinase til at udvinde juice fra frugten på en billigere og mindre energikrævende måde.
Figur 6. Pektinase. Pektinase er et enzym, som kan nedbryde frugtkød til frugtjuice. Dette kan juiceproducenter udnytte, ved at overføre genet for pektinase over i en cellefabrik og på den måde lave juice på en billig og effektiv måde.
Gæringstanke er hjemstedet for cellefabrikker
Efter forskeren har overført genet fra en bakterie over i en cellefabrik, skal cellefabrikken have tid til at vokse og formere sig til flere cellefabrikker og producere store mængder af produktet. Det gør cellefabrikken i en stor metalbeholder, som kaldes en fermenteringstank eller bioreaktor. Tanken fyldes med vækstmedie og cellefabrikken. Vækstmedie er en væske, som indeholder alle de næringsstoffer og salte, som cellefabrikken har brug for. Cellefabrikken bruger vækstmediets næringsstoffer til at lave en ”fermentering” (også kaldet ”gæring”). Fermentering er processen, hvor cellefabrikken omdanner næringsstof til produkt. Netop derfor kalder man tanken for en ”fermenteringstank”.
Forholdene i fermenteringstanken styres meget nøje. Tanken holdes ved en bestemt temperatur, tryk, pH-værdi og iltniveau, som passer perfekt til cellefabrikkens vækstkrav.
Cellefabrikken ”svømmer” altså rundt i en kæmpe tank med masser af mad og perfekte forhold, og det får den til at vokse og formere sig til massevis af cellefabrikker på kort tid.
Efter et par dage er tanken fyldt med en ”suppe” af milliarder af cellefabrikker. Hver cellefabrik indeholder genet, der koder for enzymet, som kan fremstille det ønskede produkt og blive brugt i industrien. Figur 7 viser et eksempel på en fermenteringstank med cellefabrikker i vækstmediet.
Figur 7. Fermenteringstank med cellefabrikker. Fermenteringstanken består af vækstmediet og cellefabrikken. Når tanken når den rigtige pH-værdi, temperatur og tryk, vil der på meget kort tid dannes mange nye cellefabrikker. De nye cellefabrikker indeholder alle det samme gen, som den oprindelige cellefabrik – de er nemlig kloner af den.
Fordele ved cellefabrikker
En af de ældste måder at fremstille stoffer til f.eks. medicin og fødevarer på er ved at udvinde stoffet direkte fra sin naturlige kilde. Før i tiden brugte man f.eks. bugspytkirtlen fra slagtesvin til at udvinde insulin til diabetikere. Det er desværre en langsommelig, besværlig og dyr proces at udvinde et stof direkte fra sin naturlige kilde. Produktet er sjældent rent, så der skal bruges tid og energi på at fjerne urenheder.
Man kan også bruge kemisk syntese til at fremstille et ønsket stof. Desværre bruges der ofte giftige opløsningsmidler i de kemiske reaktioner, som kan være skadelige for miljøet. Og hvis det ønskede stof er meget komplekst, kan det kræve mange besværlige trin at nå frem til det.
At udvinde et stof fra sin naturlige kilde eller bruge kemisk syntese til at fremstille et stof kaldes konventionelle produktionsmetoder. Cellefabrikker har mange fordele frem for konventionelle produktionsmetoder. F.eks. kan man optimere cellefabrikkerne, så de stort set kun producerer det ønskede stof. På den måde mindsker man mængden af affaldsprodukter og ender med et meget rent produkt. Cellefabrikker er også en billig produktionsmetode, og man kan let fremstille enorme mængder af produktet. Desuden vokser cellefabrikker under miljøvenlige forhold såsom lun temperatur, neutral pH og uden kemikalier.
De tre metoder til at producere et stof på er illustreret på figur 8.
Figur 8. Forskellige teknikker til at producere et stof. Den ældste metode til at fremstille et ønsket stof er ved at udvinde stoffet direkte fra sin naturlige kilde – såsom et protein fra en plante. Denne proces er tidskrævende og dyr, da man skal fjerne alle de andre molekyler, som bladet også indeholder for at få et rent produkt. Gennem kemiske reaktioner kan man også fremstille et ønsket stof. Men er stoffet meget komplekst, kan mange tidskrævende og dyre trin være nødvendige. Desuden bruges der ofte miljøbelastende opløsningsmidler ved kemisk syntese. Cellefabrikker udnytter særlige celler til at producere store mængder af et ønsket stof i en tank fyldt med vækstmedie. Cellefabrikker er billige at arbejde med, man opnår et meget rent produkt, og generelt er processen miljøvenlig.
Valg af cellefabrik
Cellefabrikker er ofte svampeceller eller bakterier. Svampen Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae), som faktisk er bagegær, du kan købe i supermarkedet, bruges bl.a. som cellefabrik til at producere insulin. Det er sådan Novo Nordisk laver insulin. Her har man taget menneskegenet for insulin og sat det ind i gærcellen. Gærcellen er altså cellefabrik (eller rugemor), der fremstiller store mængder insulin til diabetikere.
Bakterien Escherichia coli (E. coli) bruges også ofte som cellefabrik. Du har tidligere lært, at E. coli også lever i vores tyktarm. Der findes mange forskellige stammer af E. coli, og det er derfor en anden stamme, der bruges som cellefabrik end den i tyktarmen.
Fordelen ved E. coli er, at den har simple vækstkrav, vokser hurtigt og er billig at holde i live. Dens gener er velstuderede, og det er derfor en fordel for forskere at bruge en bakterie, som de kender rigtig godt og ved, hvordan opfører sig under forskellige forhold.
