Takk til iGEM laget UiOslo 2022 for at dere
oversatte denne artikkelen til norsk.
Mens bioteknologiindustrien har sett enorm vekst og utvidelse, spesielt på grunn av pandemien, tjener de største industrielle selskapene fortsatt mesteparten av fortjenesten gjennom produksjon av et lite, enkelt protein; insulin. Mer enn 5 % og en stadig økende mengde av verdens befolkning er avhengig av at dette farmasøytiske stoffet er tilgjengelig. Dermed fant vi det viktig å nevne hvorfor. Siden dette er et produkt som er avhengig av bioteknologi, tenker vi som et iGEM-team stort om hva som er oppnådd med produksjon av insulin. Men vi har ønsker også å fremheve aktuelle problemer med hvordan insulin produseres, samt noen lovende løsninger.
Hva er insulin?
Insulin er et hormon som regulerer glukose-, lipid- og proteinmetabolismen. Det kalles gjerne et “lagringshormon” fordi glykolyse fører til lagring av energi som triglyserider.
Dette hormonet produseres av bukspyttkjertelen, et lite organ bak magen. Bukspyttkjertelen er sammensatt av spesialiserte områder kalt Langerhans øyer: disse består av forskjellige typer celler; som α- og β-celler, som syntetiserer, lagrer og frigjør insulin.
Insulin hat en polypeptidstruktur; altså produseres den ved transkripsjon og translasjon. Først blir insulin mRNA translatert til preproinsulin. Deretter, når signalpeptidet fjernes under innsettingen i det endoplasmatiske retikulum, genererer det proinsulin. Til slutt utsettes proinsulin for mange endopeptidaser i det endoplasmatiske retikulumet alik at modent insulin dannes.
Insulin er en antagonist av glukagon, “reservemobiliseringshormonet”, også produsert av bukspyttkjertelen. Akkuratt som insulin produseres av β-celler i bukspyttkjertelen, produseres glukagon av α-celler.
Insulin skilles ut i blodsirkulasjonen når glykemi (dvs. konsentrasjonen av sukker i blodet) er høy, for eksempel etter et måltid. Både insulin og glukagon binder seg til G-proteinkoblede reseptorer. Signaloverføring fører til aktivering av fosfataseproteiner som defosforylerer andre proteiner, og forårsaker enten aktivering eller hemming av dem. Dette resulterer i:
- En forsterkning av glykolyse (katabolisme av glukose) og en reduksjon av glukoneogenesen (generering av glukose fra ikke-karbohydratsubstrater) ved aktivering av enzymene; fosfofruktokinase-2 og pyruvatkinase, og ved inaktivering av fruktose-bisfosfatase-enzym.
Aktiveringen av glykolyse tillater konvertering av pyruvat til acetyl-CoA. En del av acetyl-CoA brukes til energiproduksjon av Krebs-syklusen. Den resterende delen lagres i form av glykogen i muskler og lever eller brukes til å produsere triglyserider som vil bli lagret i fettvev.
- Denne lagringen av glykogen tillates når en økning av glykogenese aktiverer glykogensyntase, noe som tillater polymerisering av glukose til glykogen og en reduksjon av glykogenolyse ved inaktivering av fosforylasekinase, enzymet som aktiverer glykogenfosforylase som kataboliserer glykogenpolymer.
- Denne produksjonen av triglyserider tillates siden insulin forårsaker en økning av fettsyresyntesen og en reduksjon av lipolysen.
Etter at insulinet virker på reseptorsetet, kan det frigjøres tilbake til det ekstracellulære væsken, eller det kan brytes ned av cellen.
Vi skal nå snakke om diabetes, som er en sykdom, hvor man mesteparten av tiden må tilføre syntetisk insulin.
Diabetes: Sykdom forårsaket på grunn av insulinmangel
I januar 2020 levde rundt 415 millioner mennesker over hele verden med diabetes. 37,3 millioner amerikanere, omtrent 1 av 10, har diabetes. 96 millioner voksne amerikanere, mer enn 1 av 3, har prediabetes (dvs. en hyperglykemi, men ikke tilstrekkelig til å diagnostisere diabetes). Det er to typer diabetes:
- Ved diabetes type 1 identifiserer T-lymfocytter 𝛽-bukspyttkjertelceller som fremmede og angriper dem. Noe som fører til mangel på insulinproduksjon. Denne typen diabetes er dødelig hvis pasienten ikke tar insulin hver dag. Faktisk kan ubehandlet hyperglykemi i lange perioder skade nerver, blodårer, vev og organer. Skader på blodårer kan øke risikoen for hjerteinfarkt og hjerneslag, og nerveskader kan også føre til øyeskader, nyreskader og sår som ikke gror.
- Ved diabetes type 2 klarer ikke kroppen å lage nok insulin, eller kroppen bruker det dårlig. Dette kan forebygges ved å ha et sunt liv og det kan håndteres med medisiner, trening, kosthold, men også resept på insulin.
Hva er dagens løsninger for å produsere insulin?
Allerede siden 1980-tallet har Escherischa Coli blitt genmodifisert for å produsere insulin til menneskelig bruk. Dette gjør det til det første proteinet som ble produsert med et farmasøytisk formål, samt laget takket være genteknologi. Hvordan insulin lages er beskrevet i figuren under.
Det som er problematisk, er at insulin vi trenger, ikke bare er i ett gen, men heller genet som får cellen til å lage det ikke-aktive proinsulinet. For å løse dette problemet var det behov for ytterligere å modifisere det menneskelige genet til å kun inkludere de nødvendige delene. Etter å ha vellykket transformert bakteriene og fått dem til å produsere insulin, blir insulinet deretter høstet fra cellene og renset.
Hvordan bioteknologi kan forbedre produksjonen av insulin
Denne beskrevne prosessen har holdt seg ganske lik frem til i dag, men diabetes påvirker stadig flere mennesker, noe som betyr at produksjonen må oppskaleres drastisk for å holde tritt med etterspørselen. Dessverre er det ikke alltid like enkelt å oppskalere, ettersom biologiske prosesser ikke er like forutsigbare som for eksempel kjemiske. Dette betyr at det må utvikles nye prosesser for å sikre overlevelsen til diabetikere over hele verden. Noen lovende metoder er listet opp nedenfor og beskrevet kort.
- Gjøre E. Coli til en mer stabil uttrykksvert. Når E. coli modifiseres, forblir plasmidet vanligvis ikke mer enn i 100 generasjoner inntil det enten er tapt fra organismen eller plasmidfunksjonen er endret. En løsning på dette problemet er å konstruere en avhengighet av det opprettede produktet, forklart mer detaljert i artikkelen til Rugbjerg P et al., Synthetic addiction extends the productive life time of engineered Escherichia coli populations.
- Ved å bruke en annen uttrykksvert som er mer stabil. Forskjellige ekspresjonsverter slik som for eksempel planter er foreslått av Baeshen, N.A. et al. i Cell factories for insulin production. Det sies at planter har potensialet til å ha høye avlinger og er kostnadseffektive, samtidig som de produserer insulinet i mer stabile beholdere, som frø og blader til planten.
- Å revitalisere kroppens egne måter å produsere insulin på gjennom genterapi. Det er håp om å gjenopprette funksjonene til skadede eller ødelagte Langerhans øyne, eller skape nye insulin-skapende celler gjennom å redigere det menneskelige genomet. Mulighetene for slike genterapier og deres nåværende begrensninger er diskutert av Chellappan DK et al. i Gene therapy and type 1 diabetes mellitus, som for øyeblikket konkluderer med at det trengs enda mer forskning. Imidlertid kan vi i fremtiden se fullstendig utryddelse av diabetes type 1 gjennom metoder som disse.
Konklusjon
Dette avslutter denne ukens blogginnlegg, og vi håper du har lært noe nytt og spennende eller fått en forståelse for hvilke fantastiske ideer som for tiden forskes på!
Kilder
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/
