Tupakan soluviljelmä – tulevaisuuden vihreä lääketehdas

11.05.2012

Solujen rakennusaineina toimivia proteiineja voidaan käyttää moniin tarkoituksiin. Esimerkiksi hormonit ja rokotteet ovat hyvin tärkeitä biologisia lääkeproteiineja. Markkinoille tulevista uusista lääkeaineista noin 30 prosenttia on lääkeproteiineja. Hyödyllisten proteiinien tuotantoon on perinteisesti valjastettu bakteereja tai nisäkässoluja. Proteiinipohjaisten lääkkeiden tuottaminen on kuitenkin nykyisillä menetelmillä kallista ja hankalaa, joten uutta ratkaisua etsitään kasvien soluista.  VTT:n kasvibiotekniikan tutkijat paneutuvat erityisesti tupakan tarjoamiin mahdollisuuksiin.

Geeniteknologian avulla tuotetut lääkeproteiinit ovat ns. rekombinanttiproteiineja, jotka valmistetaan yhdistelmä-DNA-tekniikkaa hyödyntämällä. Menetelmässä kulloinkin kyseessä olevaa proteiinia koodaava geeni siirretään agrobakteerin avulla isäntäsoluun, jossa geeni ilmentyy tehokkaasti ja proteiinin tuotanto on mahdollista.
  


Laboratoriotyöskentely tehdään laminaari-ilmavirtakaapeissa. Kuvassa tehdään geeninsiirtoa kasvin lehtiin.

Geneettisesti muokattuja kasvisoluja kasvatetaan ravintoalustalla. Mittakaavaa voidaan nostaa tuhansiin litroihin käyttämällä bioreaktoreita. Lääkeproteiini eristetään sitten joko biomassasta tai ravintoliuoksesta, mikäli se on saatu erittymään.



Pullokasvatuksessa alusta on liuosmuodossa. Riittävän ilmansaannin takaamiseksi pulloja on ravisteltava koko ajan.

Pääasiassa lääkeproteiineihin liittyvää tutkimusta

”Rekombinanttiproteiinien etuna on massatuotannon kätevyys ja sitä kautta periaatteessa minkä tahansa proteiinin helppo saatavuus”, kertoo erikoistutkija Anneli Ritala-Nurmi VTT:ltä.

Tällä hetkellä yleisesti käytettyjä tuotanto-organismeja ovat esimerkiksi kolibakteeri ja leivinhiiva. Rekombinanttiproteiineja tuotetaan materiaaliksi perustutkimukseen, jossa selvitetään proteiinien rakenteita ja toimintaa sekä proteiinien välittämiä muita toimintoja. Tutkimustieto edistää käytännön sovellusten kehittämistä.

”Proteiinipohjaisten lääkkeiden käyttö lisääntyisi, jos niitä pystyttäisiin tuottamaan järkevällä tavalla. Tällä hetkellä kehittämistyö on kallista ja usein myös hankalaa tai mahdotonta bakteeri- tai nisäkässoluviljelmiä hyödyntämällä”, kertoo tutkija Lauri Reuter.

Edullisempaa tuotantotapaa on jo pitkään haettu kasveista. Lääkeproteiinien tuotanto kasvien avulla olisi edullista ja helppoa, jos päästäisiin pelto- ja kasvihuoneviljelyyn.

”Kasveissa ei ole eläinperäisiä vaaratekijöitä, kuten taudinaiheuttajia. Kasvit pystyvät tekemään monimutkaisia molekyylejä ja rakentamaan ne oikealla tavalla. Kasvit myös kestävät hyvin muokkaamista”, Ritala-Nurmi ja Reuter kertovat.



Kasvatusalustalla on kaikki tarvittava: mm. sokereita, mineraaleja ja hormoneja. Kuvan kasvatusalustoilla on marjojen solukkoviljelmiä.

Viime vuodet on markkinoille odotettu ihmiskäyttöön tarkoitettua kasveissa tuotettua lääkeproteiinia. Ritala-Nurmi mainitsee pari kiinnostavaa esimerkkiä.

”Kanadassa kehitetään insuliinin tuottamista väriohdakkeen siemenissä. Toinen hyvin pitkällä oleva molekyyli on harvinaiseen Gaucherin taudin hoitoon tarkoitettu glukoserebrosidaasi, jota israelilaiset tuottavat porkkanan solukkoviljelmissä. Entsyymi sai äskettäin Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeviraston FDA:n hyväksynnän ja tulee siis olemaan ensimmäinen markkinoille tuleva kasveissa tuotettu lääkeproteiini. Tämä on todella suuri edistysaskel kasvibiotekniikan saralla”.

Tupakalle uudenlaista käyttöä

Suomen Akatemian rahoittamassa hankkeessa VTT:n tutkijat pyrkivät tuottamaan proteiineja tupakan soluviljelmässä. Tavoitteena on löytää hallittu, suoraviivainen ja helppo tapa puhdistaa ja eristää kasvisolumassasta proteiineja, joita voitaisiin hyödyntää muun muassa vasta-aine- ja allergeenitutkimuksessa. Miksi juuri tupakka valittiin?

”Käytössämme oleva tupakan soluviljelmä on nopeakasvuinen, eräänlainen ’kasvimaailman E. coli-bakteeri’, joka pystyy satakertaistamaan biomassansa viikossa”, Reuter kuvaa.  ”Tarkoituksenamme on kehittää tästä mahdollisimman tehokas tuotantoisäntä”. Tie lääketuotantoon on Ritala-Nurmen ja Reuterin mukaan vielä pitkä, mutta tutkijat toivovat pääsevänsä laboratoriomittakaavasta mahdollisimman isoihin bioreaktoreihin. Tällä hetkellä VTT:ltä löytyy valmiudet 1500 litran bioreaktorikasvatuksiin.

Tutkijat ovat muokanneet tupakan soluviljelmän tuottamaan vihreänä fluoresoivaa GFP-malliproteiinia ja käyttävät sitä menetelmän kehitystyössä.

Toinen mahdollinen menetelmä on kokonaisten tupakkakasvien hyödyntäminen lääketuotannossa siten, ettei tuoteta geneettisesti muokattuja tupakkakasveja, vaan tupakan lehti valjastetaan suljetuissa olosuhteissa kohdeproteiinin tuotantoon.

”Tulevaisuudessa pellolla kasvatettu tupakka siirretään sadon korjaamisen jälkeen bioreaktoriin. Kasvi saadaan agrobakteerin avulla tuottamaan lääkeproteiinia muutamassa päivässä. Tämä on yksi lupaavimmista tavoista reagoida esimerkiksi nopeisiin rokotetarpeisiin”, tutkijat kiteyttävät vision mahdollisesta tulevaisuudesta.

Teksti ja kuvat: Risto Alatarvas