Biotekindustrien og evolution
Enzymets vej fra naturen til brug i den moderne bioteknologi-industri
Novozymes er verdens største producent af industrielle enzymer, der benyttes i alt fra vaskepulver til energiproduktion. At finde nye industrielle enzymer kræver blandt andet held, hårdt arbejde og forskning inden for biodiversitet. Ved denne forskning kan man finde organismer, som producerer enzymer med de egenskaber, man søger.
På grund af de mange forskellige anvendelsesmuligheder for enzymer er det nødvendigt også at finde enzymer med forskellige egenskaber. Derfor isolerer Novozymes enzymer fra bakterier og svampe, der lever under vidt forskellige forhold som på bunden af havet, i vulkaner og i ørkener. Alle disse steder er ekstremt forskellige, og derfor har naturen ved hjælp af evolution, gennem mutationer og naturlig selektion, skabt en stor biologisk diversitet.
Bioethanol
Bioethanol kan bruges som brændstof i biler og er derfor et alternativ til fossile brændstoffer. Bioethanol deles op i 1. og 2. generation.
Figur 1. Forskellige forhold i naturen er hjemsted for vidt forskellige mikroorganismer [Foto: Colourbox].
1. generations bioethanol produceres ud fra sukker og stivelse fra blandt andet majs og korn. Dette har været en meget omdiskuteret metode, da produktionen af bioethanol bruger nyttige fødevarer, og derved får prisen på majs og brød til at stige, hvilket er et problem for især udviklingslandene.
Man forsøger derfor at skabe 2. generations bioethanol som produceres ud fra cellulose i f.eks. halm og træflis. Herved bliver prisen på fødevarer ikke direkte påvirket.
Cellulose er en lang kæde af glukosemolekyler bundet sammen af β-1,4-glycosidbindinger. Cellulose udgør hovedbestanddelen af cellevæggen i planter. Mennesker og de fleste dyr kan ikke nedbryde cellulose, da det kræver cellulosenedbrydende enzymer, cellulaser, i fordøjelsessystemet. Cellulaser kan bryde bindingerne mellem glukoseenhederne i cellulose, og dermed nedbryde cellulosen til glukose. Glukose kan bruges direkte af de mikroorganismer som producerer ethanolen.
I forbindelse med produktion af 2. generations bioethanol er der altså brug for cellulaser der kan nedbryde cellulosen. Novozymes forsøger at finde mere effektive cellulaser ved at søge efter cellulaseproducerende mikroorganismer i naturen.
Opdagelse af nyt enzym
Opdagelsen af nye enzymer starter med, at forskere går ud i naturen og indsamler prøver, hvorfra der isoleres mikroorganismer. Det giver mange forskellige isolater med bakterier, som har forskellige fysiologiske egenskaber. Organismernes optimale levevilkår afhænger bl.a. af pH’en og temperaturen fra deres naturlige habitat. Forud for forskernes søgen efter bestemte organismer vil de gøre sig overvejelser, omkring hvor de søgte mikroorganismer kunne tænkes at leve. For eksempel vil cellulosenedbrydende bakterier formentlig befinde sig i nicher, hvor der regelmæssigt er cellulose til stede. For at få fat i mange bakterier kan det dog være en fordel at tage prøver fra steder, hvor der er rigtig mange bakterier. For at bakterier kan leve, skal de have en vis mængde fugt og næring. Det kan de få mange forskellige steder, men for eksempel er der op til 2 milliarder levende bakterier i et helt almindeligt gram jord.
I laboratoriet screenes isolaterne først for den ønskede enzymaktivitet. Hvis der ledes efter cellulaseaktivitet, kan det ske ved at dyrke de forskellige mikroorganismer på specielle screeningsagarplader. Pladerne indeholder blå korn som består af et azofarvestof, som er kovalent bundet til modificeret cellulose. Kornene opløses af cellulaser og den blå farve diffunderer ud i agaren. Hvis mikroorganismerne producerer cellulaser, vil der opstå en blå zone rundt om disse kolonier. Efter screeningen vil de mikroorganismer, der viser cellulaseaktivitet blive nærmere undersøgt.
De mikroorganismer der ikke viser cellulaseaktivitet, vil alle blive gemt i et stammebibliotek. Forskerne kan senere teste dem for andre egenskaber i forsøget på at finde nye enzymer, der kan bruges i andre sammenhænge.
Moderne genteknologi
Ud over at lede efter nye enzymer, anvender man i dag også genteknologi for at forbedre allerede kendte enzymer. Det kan være en cellulase som man forsøger at effektivisere ved at ændre nogle af aminosyrerne i proteinsekvensen.
Fordelen ved at finde nye enzymer i eksisterende bakterier, er at man kan udnytte det arbejde som naturen, gennem evolution i milliarder af år, har gjort for en. Evolutionen har skabt stor diversitet og selekteret for optimale enzymer i den sammenhæng de bruges i. Alt det arbejde er svært bare lige at efterligne i laboratoriet.
