Hur bioteknik underlättar produktionen av insulin

Trots att bioteknikindustrin har sett en enorm tillväxt och diversifiering, ännu mer på grund av pandemin, gör de största företagen i branschen fortfarande mest vinst på att tillverka ett enda, litet protein, insulin. Mer än 5% och en ständigt ökande del av världens befolkning är beroende av tillgången på detta läkemedel, och vi tycker att det är viktigt att ta upp dess betydelse. Eftersom insulin är en produkt av bioteknik, har vi iGEM-lag stor respekt för vad som har uppnåtts med tillverkning av insulin, men vi avser även här att lyfta fram aktuella problem med hur insulin tillverkas för närvarande, och några lovande lösningar.

Vad är insulin?

Insulin är ett hormon som reglerar glukos-, lipid- och proteinmetabolismen. Det kallas ett “lagringshormon” eftersom glykolys leder till lagring av energi som triglycerider.

Detta hormon produceras av bukspottkörteln, ett litet organ bakom magen. Bukspottkörteln består av specialiserade områden som kallas Langerhanska öar: dessa består av olika typer av celler, som α- och β-celler, som syntetiserar, lagrar och frisätter insulin.

Detta är en polypeptidstruktur; sålunda produceras den genom transkription och translation. Först översätts insulin-mRNA till preproinsulin. Därefter, när dess signalpeptid avlägsnas under införandet i det endoplasmatiska retikulumet, genererar den proinsulin. Slutligen exponeras proinsulin för många endopeptidaser i det endoplasmatiska retikulumet för att bilda det mogna insulinet.

Insulin är en antagonist till glukagon, “reservmobiliseringshormonet”, som också produceras av bukspottkörteln. Eftersom insulin produceras av β-celler i bukspottkörteln, produceras glukagon av α-celler.

Insulin utsöndras i blodcirkulationen när glykemin (dvs koncentrationen av socker i blodet) är hög, till exempel efter en måltid. Både insulin och glukagon binder till G-proteinkopplade receptorer. Signaltransduktion leder till aktivering av fosfatasproteiner som defosforylerar andra proteiner, vilket resulterar i att de aktiveras eller inhiberas. Det leder till:

• En förstärkning av glykolysen (katabolism av glukos) och en minskning av glukoneogenesen (generering av glukos från icke-kolhydratsubstrat) genom aktivering av två enzymer: fosfofruktokinas-2 och pyruvatkinas, och genom inaktivering av fruktosenzymet bisfosfatasenzym.

Aktiveringen av glykolys möjliggör omvandling av pyruvat till acetyl-CoA. En del av acetyl-CoA används för energigenerering i Krebs cykel. Den återstående delen lagras i form av glykogen i muskler och lever, eller används för att producera triglycerider som kommer att lagras i fettvävnad.

• Denna lagring av glykogen tillåts då glykogenesen förstärks genom aktivering av glykogensyntas, vilket möjliggör polymerisation av glukos till glykogen och en minskning av glykogenolys genom inaktivering av fosforylaskinas, enzymet som aktiverar glykogenfosforylas som kataboliserar glykogenpolymer.

• Denna produktion av triglycerider tillåts av det faktum att insulin orsakar en ökning av fettsyrorsyntesen och en minskning av lipolysen
  Efter att insulinet verkar på dess receptorställe kan det frisättas tillbaka till den extracellulära miljön, eller så kan det brytas ned av cellen.

Vi kommer nu att tala om diabetes, som är en sjukdom som för det mesta kräver administrering av syntetiskt insulin.

Diabetes: sjukdom orsakad av insulinbrist

I januari 2020 lever cirka 415 miljoner människor världen över med diabetes. 37,3 miljoner amerikaner – cirka 1 av 10 – har diabetes och 96 miljoner amerikanska vuxna – mer än 1 av 3 – har prediabetes (dvs en hyperglykemi men inte tillräckligt för att diagnostisera diabetes).

Det finns två typer av diabetes:

1. Vid typ 1-diabetes identifierar T lymfocyter 𝛽-bukspottkörtelceller som främmande, och attackerar dem, vilket leder till brist på insulinproduktion. Denna diabetes är dödlig om patienten inte tar insulin varje dag. Faktum är att obehandlad hyperglykemi under långa perioder kan skada nerver, blodkärl, vävnader och organ. Skador på blodkärl kan öka risken för hjärtinfarkt och stroke, och nervskador kan också leda till ögonskador, njurskador och icke-läkande sår.
2. Vid typ 2-diabetes kan kroppen inte skapa tillräckligt med insulin, eller så utnyttjar kroppen inte det rätt. Denna typ av diabetes kan förebyggas genom att ha ett hälsosamt liv och kan hanteras genom: medicinering, motion, diet men också recept på insulin.

Vilka är de nuvarande lösningarna för att producera insulin?

Redan sedan 1980-talet har Escherischa Coli genmodifierats för att producera insulin för mänskligt bruk. Detta gör det till det första proteinet som producerades med ett farmaceutiskt syfte, framställt tack vare genteknik. Hur detta går till beskrivs i figuren nedan.

Problemet är att insulin som vi behöver inte bara finns i en gen, denna gen kommer snarare få cellen att skapa det icke-aktiva proinsulinet. För att lösa detta problem fanns det ett behov av modifiera den mänskliga genen till att endast inkludera nödvändiga delar. Efter att ha framgångsrikt transformerat bakterierna och fått dem att producera insulin, skördas insulinet sedan från cellerna och renas.

Hur bioteknik kommer att förbättra produktionen av insulin

Den beskrivna processen har förblivit likartad fram till denna dag, men diabetes drabbar allt fler människor, vilket innebär att produktionen måste skalas upp drastiskt för att hålla jämna steg med efterfrågan. Tyvärr är det inte alltid enkelt att skala upp, eftersom biologiska processer inte är lika förutsägbara som till exempel kemiska. Det innebär att nya processer behöver utvecklas för att säkerställa överlevnaden för diabetiker runt om i världen. Några lovande metoder listas nedan och beskrivs kortfattat.

1. Göra E.Coli till en mer stabil uttrycksvärd
Vid modifiering av E.coli stannar plasmiden vanligtvis inte i mer än 100 generationer innan den antingen förloras från organismen eller dess funktionen förändras. En lösning på detta problem är att skapa ett beroende av den skapade produkten. Detta förklaras mer i detalj i artikeln av Rugbjerg P et al. Synthetic addiction extends the productive life time of engineered Escherichia coli populations.

2. Använa en annan uttrycksvärd som är mer stabil
Olika uttrycksvärdar såsom till och med växter föreslås av Baeshen, N.A. et al. i Cell factories for insulin production. Växter beskrivs där ha potential att ge stor avkastning och vara kostnadseffektiva, samtidigt som de producerar insulinet i mer stabila behållare, som växtens frön och blad.

3. Återuppliva kroppens egna insulinproduktion genom genterapi
Det finns förhoppningar om att återställa funktionerna hos skadade eller förstörda Langerhanska öar, eller skapa nya insulinskapande celler genom att modifiera det mänskliga genomet. Möjligheterna med sådana terapier och deras nuvarande begränsningar diskuteras av Chellappan DK et al. iGene therapy and type 1 diabetes mellitus, som för tillfället drar slutsatsen att det behövs ännu mer forskning. Men i framtiden kan vi se en fullständig utrotning av diabetes typ 1 genom metoder som dessa.

Avslutning

Med detta avslutar vi veckans blogginlägg och hoppas att du återigen har lärt dig något nytt och spännande, eller fått uppskattning för vilka fantastiska idéer som forskare undersöker idag!

Källor

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/