Hvad er en cellefabrik?
En cellefabrik er en levende dyre-, bakterie- eller gærcelle, der kan producere et gavnligt produkt. Ofte er cellen en velkendt og velbeskrevet mikroorganisme, der er blevet genetisk ændret til at kunne danne ønskede produkter. De ønskede produkter kan være alt fra kemikalier, bio-brændstoffer, tilsætningsstoffer, ingredienser til fødevarer, foder, vitaminer og andre sundhedsfremmende næringsstoffer (nutraceuticals) samt medicin.
En cellefabrik er en mikroorganisme, f.eks. en bakterie af stammen E. coli, som er ret velbeskrevet og velkendt i forskningen. Også bakterier som Streptomyces, P. putida, B. subtilis og Actinomycetes er interessante mål for forskere, som udvikler cellefabrikker. Til nogle formål er gær, som den man kender fra bagegær, bedst. Til tider vil den bedste cellefabrik være en dyrecelle, som ligner menneskeceller mere end bakterier og gær. Hvilken mikroorganisme, man vælger som produktionsvært, afhænger af det produkt, man ønsker at fremstille.
For at kunne designe en mikroorganisme til at blive en effektiv cellefabrik, må cellens genetiske materiale ændres ved gensplejsning (på engelsk genetic engineering, som på dansk også kan oversættes til genetisk ingeniørarbejde). Dette kræver, at forskeren har en veludstyret værktøjskasse med metoder til at foretage genændringer. De seneste år er der blevet udviklet utallige avancerede værktøjer til genmanipulering af cellefabrikker. Mange af disse baserer sig på CRISPR-Cas9 gen-saksen, som kan klippe meget præcist i DNA/arvemateriale. Det vil sige, at man både kan indsætte og klippe gener ud af arvematerialet.
Formålet med at klippe i cellens arvemateriale er at give den nye egenskaber, så den kan fremstille et ønsket molekyle/stof, som den ikke naturligt kan fremstille – eller kun naturligt kan fremstille i små mængder. For at give cellen nye egenskaber låner forskeren typisk gener fra andre dele af dyre- og planteriget til at optimere cellefabrikkens genetiske kode. Disse ”lånte” gener kan både komme fra andre bakterier, dyr og mennesker. For eksempel kræver det til tider, at man indsætter menneskelige gener, således at cellefabrikken kan fremstille menneskelige hormoner og proteiner til medicinske behandlinger.
Nogle gange indsættes nyt arvemateriale også på såkaldte plasmider, som så skydes ind i cellefabrikken. Et plasmid er et lille rundt stykke arvemateriale, der kan bære vigtige gener, som cellefabrikken ender med at bruge som sine egne. Generne på plasmiderne får cellefabrikken til at danne det ønskede maskineri (enzymer og proteiner), som bruges til at lave de ønskede produkter. Fordelen ved at arbejde med plasmider er, at man ikke behøver at integrere de nye gener i selve genomet (cellefabrikkens egen arvemasse). Ulempen ved plasmider er, at cellefabrikken lettere kan skille sig af med dem. Derved mister cellen hurtigt de nyvundne evner til at danne det ønskede produkt.
Genændringer for at give nye egenskaber kan ofte ikke stå alene. Forskerne må også ofte udføre avanceret stofskiftedesign på cellefabrikken (metabolic engineering). Med stofskiftedesign ændres stofskifteprocesserne. Ofte omdirigerer man cellens energi og kulstof fra ”dagligdagsfunktioner” som f.eks. at vokse og danne affaldsstoffer til at skabe det ønskede stof. Cellens stofskifte presses således til at producere et højt udbytte af et ønsket produkt i stedet for uønskede biprodukter.
En celles stofskifte består af tusindvis af reaktioner. Derfor er det nødvendigt at udvikle specialiserede softwareværktøjer og metaboliske kort over cellens signalveje. Med disse værktøjer kan forskerne gennemskue, præcis hvilke reaktioner og signalveje i cellen, de skal omlægge for at få det optimale udbytte af det ønskede produkt. Ofte vil forskerne også skulle omlægge signalveje for at undgå uønskede biprodukter, der kan forurene produktionen eller betyde lavere udbytte. Nogle biprodukter er endda giftige for cellen, hvorfor forskerne forsøger at eliminere disse for at få så stort udbytte som muligt. Efter genoptimeringen screenes millioner af celler for at finde de bedste. Målet er at finde frem til den celle med den genkombination der giver den produktivitet og udbytte.
Hvor meget man kan optimere sin cellefabrik i forhold til udgangspunktet, afhænger helt af produktet og cellefabrikken. Men i nogle tilfælde kan genoptimeringerne og stofskiftedesign-tiltagene øget udbyttet med en faktor 10-100 – i nogle tilfælde kan udbyttet øges med en faktor 1000-10.000 fra få milligram pr. liter til mange gram pr. liter. Hvis der er tale om en cellefabrik, der kan producere et vigtigt (og ofte dyrt) lægemiddel, kan selv få gram pr. liter af lægemidlet være nok til at sikre en rentabel produktion.
Hvordan dyrkes cellefabrikker?
Cellefabrikker vokser ved hjælp af gæringsprocesser (fermentering) ligesom man bruger i ølbrygning. I ølbrygning tilsætter man kort fortalt sukker, som gærcellerne spiser og omdanner til smagsstoffer og alkohol (ætanol).
I en fermentering med cellefabrikker er det ønskede produkt ofte ikke ætanol, men f.eks. et eftertragtet kemikalie eller lægemiddel. Cellefabrikken skal stadig have føde, oftest sukker, for at kunne vokse. For at opnå en mere bæredygtig fermentering, forsøger forskerne i nogle tilfælde at få cellefabrikken til at omsætte affaldssukre, f.eks. fra halm, fiskeaffald eller valle. Rent biokemisk går det ud på at have en billig kulstofkilde, som cellefabrikken kan omsætte til et andet kulstofmolekyle med højere værdi. Fordelen ved at bruge kulstof fra affald er, at cellefabrikken ikke spiser noget, som kunne være brugt som mad til mennesker. I andre tilfælde vil forskerne forsøge at genoptimere cellefabrikkerne til at bruge kulstof fra affaldsgasser for at omdanne kulstoffet (f.eks. CO2) til f.eks. specialkemikalier.
Selve fermenteringen er en hel videnskab i sig selv. Ofte er det let at få cellefabrikker til at vokse godt i små tanke (bioreaktorer), hvor man let kan omrøre cellefabrikkerne tilstrækkeligt, så alle celler får den ønskede næring. Men i større fermenteringer kan betingelserne blive et problem, fordi cellefabrikkerne ikke kan vokse ordentligt og i nogle tilfælde vil dø. Desuden er der altid en risiko for, at fermenteringen inficeres med uønskede mikroorganismer, som ødelægger produktionen. Derfor foregår fermenteringerne i sterile miljøer.
Der er også meget arbejde og forskning forbundet med at oprense produkterne fra cellefabrikkerne og sikre sig, at produktet er så rent som muligt. Jo mere man skal oprense et produkt efter en fermentering, jo dyrere bliver produktionen typisk. Derfor går en del forskning i cellefabrikker også ud på at optimere at cellefabrikken ”frivilligt” transporterer produktet ud af cellen, så det ligger i selve fermenteringsvæsken rundt om cellefabrikken, i stedet for inde i cellefabrikken.
Hvilke produkter produceres allerede af cellefabrikker?
Mange livsreddende medicintyper produceres i dag i cellefabrikker, f.eks. insulin. Også malariamedicin, antibiotika og en lang række andre typer medicin, vitaminer samt sundhedsfremmende ernæringsmidler produceres i dag i cellefabrikker. Et nyere område er bio-kemikalier, hvor markedet endnu er i sin spæde vorden. Det gælder for eksempel bio-kemikalier til maling, bleer, emballage, rengøringsmidler og brændstof. Mange byggeklodser til bioplastik bliver allerede i dag fremstillet via fermentering i cellefabrikker. Byggeklodserne sammensættes derefter til biopolymerer med forskellige egenskaber. På den måde opnår man bio-polymerer, der kan omdannes til eksempelvis de hårde og bløde plasttyper, vi kender i dag.