Ενώ η βιομηχανία βιοτεχνολογίας έχει δει τεράστια ανάπτυξη και διαφοροποίηση, ακόμη περισσότερο λόγω της πανδημίας, οι μεγαλύτερες εταιρείες στον κλάδο εξακολουθούν να κάνουν τα περισσότερα από τα κέρδη τους μέσω της παρασκευής μιας μοναδικής, μικρής πρωτεΐνης, της ινσουλίνης. Περισσότερο από το 5% και ένα συνεχώς αυξανόμενο ποσό του παγκόσμιου πληθυσμού εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα αυτού του φαρμακευτικού φαρμάκου και διαπιστώσαμε ότι είναι σημαντικό να αναφέρουμε τη σημασία του. Δεδομένου ότι είναι προϊόν της βιοτεχνολογίας, εμείς οι ομάδες IGEM πιστεύουμε πολύ στο τι έχει επιτευχθεί με την παραγωγή ινσουλίνης, αλλά και εδώ σκοπεύουμε να επισημάνουμε τα τρέχοντα προβλήματα με τον τρόπο παραγωγής της ινσουλίνης και ορισμένες ελπιδοφόρες λύσεις.
Τι είναι η ινσουλίνη;
Η ινσουλίνη είναι μια ορμόνη που ρυθμίζει το μεταβολισμό της γλυκόζης, των λιπιδίων και των πρωτεϊνών. Ονομάζεται «αποθηκευτική ορμόνη» επειδή η γλυκόλυση οδηγεί σε αποθήκευση ενέργειας ως τριγλυκερίδια.
Αυτή η ορμόνη παράγεται από το πάγκρεας, ένα μικρό όργανο πίσω από το στομάχι. Το πάγκρεας αποτελείται από εξειδικευμένες περιοχές που ονομάζονται νησίδες Langerhans: αυτές αποτελούνται από διαφορετικούς τύπους κυττάρων, όπως τα α και β-κύτταρα, που συνθέτουν, αποθηκεύουν και απελευθερώνουν ινσουλίνη.
Αυτή είναι μια πολυπεπτιδική δομή. Έτσι, παράγεται με μεταγραφή και μετάφραση. Πρώτον, το mRNA της ινσουλίνης μεταφράζεται σε προπροϊνσουλίνη. Στη συνέχεια, όταν το σηματοδοτικό πεπτίδιό του αφαιρείται κατά την εισαγωγή στο ενδοπλασματικό δίκτυο, παράγει προϊνσουλίνη. Τέλος, η προϊνσουλίνη εκτίθεται σε πολλές ενδοπεπτιδάσες στο ενδοπλασματικό δίκτυο για να σχηματίσει την ώριμη ινσουλίνη.
Η ινσουλίνη είναι ένας ανταγωνιστής της γλυκαγόνης, της «εφεδρικής ορμόνης κινητοποίησης», που παράγεται επίσης από το πάγκρεας. Καθώς η ινσουλίνη παράγεται από τα β-κύτταρα του παγκρέατος, η γλυκαγόνη παράγεται από τα ακύτταρα.
Η ινσουλίνη εκκρίνεται στην αιμοφόρα κυκλοφορία όταν η γλυκαιμία (δηλαδή η συγκέντρωση σακχάρου στο αίμα) είναι υψηλή, για παράδειγμα μετά από ένα γεύμα. Τόσο η ινσουλίνη, όσο και η γλυκαγόνη συνδέονται με υποδοχείς συζευγμένους με πρωτεΐνη G. Η μεταγωγή σήματος οδηγεί στην ενεργοποίηση πρωτεϊνών φωσφατάσης που αποφωσφορυλιώνουν άλλες πρωτεΐνες, προκαλώντας την ενεργοποίηση ή την αναστολή τους. Έχει ως αποτέλεσμα:
- Αύξηση της γλυκόλυσης (καταβολισμός γλυκόζης) και μείωση της γλυκονεογένεσης (παραγωγή γλυκόζης από μη υδατανθρακικά υποστρώματα) με την ενεργοποίηση δύο ενζύμων: φωσφοφρουκτοκινάση-2 και πυροσταφυλική κινάση, και με αδρανοποίηση της ενζυμικής φωσφατάσης.
Η ενεργοποίηση της γλυκόλυσης επιτρέπει τη μετατροπή του πυροσταφυλικού σε
ακετυλο-CoA. Ένα μέρος του ακετυλο-CoA χρησιμοποιείται για την παραγωγή
ενέργειας από τον κύκλο Krebs. Το υπόλοιπο μέρος αποθηκεύεται με τη μορφή
γλυκογόνου στους μυς και το ήπαρ ή χρησιμοποιείται για την παραγωγή
τριγλυκεριδίων που θα αποθηκευτούν στον λιπώδη ιστό.
- Αυτή η αποθήκευση γλυκογόνου επιτρέπεται από την αύξηση της Γλυκογένεσης με την ενεργοποίηση της συνθάσης του γλυκογόνου, επιτρέποντας τον πολυμερισμό της Γλυκόζης σε Γλυκογόνο και τη μείωση της γλυκογονόλυσης με την απενεργοποίηση της φωσφορυλάσης κινάσης, του ενζύμου που ενεργοποιεί τη φωσφορυλάση του γλυκογόνου που καταβολίζει το πολυμερές γλυκογόνου.
- Αυτή η παραγωγή τριγλυκεριδίων επιτρέπεται από το γεγονός ότι η ινσουλίνη
προκαλεί αύξηση της σύνθεσης λιπαρών οξέων και μείωση της λιπόλυσης.
Αφού η ινσουλίνη δράσει στη θέση του υποδοχέα της, μπορεί να απελευθερωθεί πίσω στο εξωκυτταρικό περιβάλλον ή μπορεί να αποικοδομηθεί από το κύτταρο.
Θα μιλήσουμε τώρα για τον διαβήτη, που είναι μια ασθένεια που απαιτεί τις περισσότερες φορές τη χορήγηση συνθετικής ινσουλίνης.
Διαβήτης: ασθένεια που προκαλείται από ανεπάρκεια ινσουλίνης
Τον Ιανουάριο του 2020, περίπου 415 εκατομμύρια άνθρωποι παγκοσμίως ζούσαν με διαβήτη. 37,3 εκατομμύρια Αμερικανοί – περίπου 1 στους 10 – είχαν διαβήτη και 96 εκατομμύρια Αμερικανοί ενήλικες – περισσότεροι από 1 στους 3 – είχαν προδιαβήτη (δηλαδή υπεργλυκαιμία αλλά όχι επαρκής για τη διάγνωση διαβήτη).
Υπάρχουν δύο τύποι διαβήτη:
- Στον διαβήτη τύπου 1, τα λεμφοκύτταρα Τ αναγνωρίζουν τα κύτταρα 𝛽- παγκρέατος ως ξένα και τα επιτίθενται, οδηγώντας σε έλλειψη παραγωγής ινσουλίνης. Αυτός ο διαβήτης είναι θανατηφόρος εάν ο ασθενής δεν λαμβάνει ινσουλίνη κάθε μέρα. Πράγματι, η υπεργλυκαιμία που δεν αντιμετωπίζεται για μεγάλες χρονικές περιόδους μπορεί να βλάψει τα νεύρα, τα αιμοφόρα αγγεία, τους ιστούς και τα όργανα. Η βλάβη στα αιμοφόρα αγγεία μπορεί να αυξήσει τον κίνδυνο καρδιακής προσβολής και εγκεφαλικού επεισοδίου, ενώ η βλάβη των νεύρων μπορεί επίσης να οδηγήσει σε οφθαλμική βλάβη, νεφρική βλάβη και πληγές που δεν επουλώνονται.
- Στον διαβήτη τύπου 2, το σώμα δεν μπορεί να παράγει αρκετή ινσουλίνη ή το σώμα δεν τη χρησιμοποιεί καλά. Αυτός ο διαβήτης μπορεί να προληφθεί έχοντας μια υγιή ζωή: μπορεί να αντιμετωπιστεί με φάρμακα, άσκηση, δίαιτα αλλά και συνταγογράφηση ινσουλίνης.
Ποιές είναι οι τρέχουσες λύσεις για την παραγωγή ινσουλίνης;
Ήδη από τη δεκαετία του 1980, το Escherischa Coli έχει τροποποιηθεί γενετικά για να
παράγει ινσουλίνη για ανθρώπινη χρήση. Αυτό την καθιστά την πρώτη πρωτεΐνη που παράγεται με φαρμακευτικό σκοπό, χάρη στη γενετική μηχανική. Το πώς γίνεται αυτό μπορεί να περιγραφεί στο παρακάτω σχήμα.
Αυτό που είναι προβληματικό, είναι ότι η ινσουλίνη που χρειαζόμαστε, δεν βρίσκεται μόνο σε ένα γονίδιο, αλλά μάλλον το γονίδιο θα κάνει το κύτταρο να δημιουργήσει τη μη ενεργή προϊνσουλίνη. Προκειμένου να λυθεί αυτό το πρόβλημα, υπήρχε ανάγκη περαιτέρω τροποποίησης του ανθρώπινου γονιδίου ώστε να περιλαμβάνει μόνο τα απαραίτητα μέρη. Έχοντας μετασχηματίσει επιτυχώς τα βακτήρια και έχοντας παράγει ινσουλίνη, η ινσουλίνη στη συνέχεια συλλέγεται από τα κύτταρα και καθαρίζεται.
Πώς η βιοτεχνολογία θα βελτιώσει την παραγωγή ινσουλίνης
Αυτή η διαδικασία που περιγράφεται παρέμεινε παρόμοια μέχρι σήμερα, αλλά ο διαβήτης επηρεάζει όλο και περισσότερους ανθρώπους, πράγμα που σημαίνει ότι η παραγωγή πρέπει να κλιμακωθεί δραστικά για να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις. Δυστυχώς, η κλιμάκωση δεν είναι πάντα απλή, καθώς οι βιολογικές διεργασίες δεν είναι τόσο προβλέψιμες όσο, για παράδειγμα, οι χημικές. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να αναπτυχθούν νέες διαδικασίες για να διασφαλιστεί η επιβίωση των διαβητικών σε όλο τον κόσμο. Μερικές πολλά υποσχόμενες μέθοδοι παρατίθενται παρακάτω και περιγράφονται εν συντομία.
1. Κάνοντας το E.Coli έναν πιο σταθερό ξενιστή έκφρασης.
Κατά την τροποποίηση του E.coli, το πλασμίδιο συνήθως παραμένει όχι περισσότερο από 100 γενιές έως ότου είτε χαθεί από τον οργανισμό είτε μεταβληθεί η λειτουργία του πλασμιδίου. Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να δημιουργήσουμε μια εξάρτηση από το δημιουργημένο προϊόν, που εξηγείται με περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο των Rugbjerg P κ.ά.. Ο εθισμός στα συνθετικά επεκτείνει τον παραγωγικό χρόνο ζωής των κατασκευασμένων πληθυσμών Escherichia coli.
2. Χρησιμοποιώντας διαφορετικό ξενιστή έκφρασης που είναι πιο σταθερός.
Διαφορετικοί ξενιστές έκφρασης όπως ακόμη και φυτά προτείνονται από τους Baeshen, Ν. Α κ.ά. στο Cell factories for insulin production. Λέγεται ότι τα φυτά έχουν τη δυνατότητα να έχουν υψηλές αποδόσεις και να είναι οικονομικά αποδοτικά, ενώ παράλληλα παράγουν την ινσουλίνη σε πιο σταθερά δοχεία, όπως οι σπόροι και τα φύλλα του φυτού.
3. Αναζωογόνηση των τρόπων παραγωγής ινσουλίνης του ίδιου του σώματος
μέσω γονιδιακής θεραπείας.
Υπάρχουν ελπίδες να αποκατασταθούν οι λειτουργίες των φθαρμένων ή κατεστραμμένων νησίδων Langerhans ή να δημιουργηθούν νέα κύτταρα που δημιουργούν ινσουλίνη μέσω της επεξεργασίας του ανθρώπινου γονιδιώματος. Οι δυνατότητες τέτοιων θεραπειών και οι τρέχοντες περιορισμοί τους συζητούνται από τους Chellappan DK κ.ά. στο Gene therapy and type 1 diabetes mellitus, το οποίο προς το παρόν συμπεραίνει ότι χρειάζεται ακόμη περισσότερη έρευνα. Ωστόσο, στο μέλλον ενδέχεται να δούμε την πλήρη εξάλειψη του διαβήτη τύπου 1 μέσω μεθόδων όπως αυτές.
Συμπέρασμα
Αυτό ολοκληρώνει την ανάρτηση ιστολογίου αυτής της εβδομάδας και ελπίζουμε να έχετε μάθει ξανά κάτι νέο και συναρπαστικό ή να έχετε κερδίσει την εκτίμηση για τις καταπληκτικές ιδέες που ερευνώνται αυτήν τη στιγμή!
Πηγές
Reiff, N. R. (2020, June 30). 10 biggest biotechnology companies. Investopedia. Retrieved August 30, 2022, from https://www.investopedia.com/articles/markets/122215/worlds-top-10-biotechnology-companies-jnj-rogvx.asp
A.M. (2019, June 4). Insulin synthesis. News-Medical.Net. Retrieved August 29, 2022, from https://www.news-medical.net/health/Insulin-Synthesis.aspx#:~:text=Insulin%20is%20synthesized%20in%20significant,acid%20chains%20or%20polypeptide%20chains
Centers for Disease Control and Prevention. (2020, January 2). CDC Global Health – Infographics – World Diabetes Day. Retrieved August 29, 2022, from https://www.cdc.gov/globalhealth/infographics/diabetes/world-diabetes-day.html
Centers for Disease Control and Prevention. (2022, January 24). The Facts, Stats, and Impacts of Diabetes. Retrieved August 29, 2022, from https://www.cdc.gov/diabetes/library/spotlights/diabetes-facts-stats.html
Inserm. (2017, July 11). Diabète de type 1 ⋅ Inserm, La science pour la santé. Retrieved August 28, 2022, from https://www.inserm.fr/dossier/diabete-type-1/
P.S. (2021). Aspects biochimiques du métabolisme. Pascal Schneider.
S.W. (2021, March 7). How insulin works. Webmd.Com. Retrieved August 29, 2022, from https://www.webmd.com/diabetes/insulin-explained#:~:text=High%20blood%20sugar%20stimulates%20clusters,more%20insulin%20your%20pancreas%20releases
The cell biology of systemic insulin function. (2018, July). Researchgate.net. Retrieved August 28, 2022, from https://www.researchgate.net/figure/Insulin-biosynthesis-and-secretion-A-Insulin-maturation-along-the-granule-secretory_fig2_324253965
Baeshen, N. A., Baeshen, M. N., Sheikh, A., Bora, R. S., Ahmed, M. M., Ramadan, H. A., Saini, K. S., & Redwan, E. M. (2014, October 2). Cell factories for insulin production. Pubmed. Retrieved August 30, 2022, from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25270715/
Rugbjerg P, Sarup-Lytzen K, Nagy M, Sommer MOA. Synthetic addiction extends the productive life time of engineered Escherichia coli populations. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Mar 6;115(10):2347-2352. doi: 10.1073/pnas.1718622115. Epub 2018 Feb 20. PMID: 29463739; PMCID: PMC5877936. from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29463739/
Chellappan DK, Sivam NS, Teoh KX, Leong WP, Fui TZ, Chooi K, Khoo N, Yi FJ, Chellian J, Cheng LL, Dahiya R, Gupta G, Singhvi G, Nammi S, Hansbro PM, Dua K. Gene therapy and type 1 diabetes mellitus. Biomed Pharmacother. 2018 Dec; From https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30372820/
Evaggelia Katri
Part of iGEM Patras