Genmodifiserte mikroorganismer

En genmodifisert mikroorganisme er en mikroorganisme som har fått arvematerialet endret ved bruk av genteknologi. Mikroorganismer er organismer som er så små at de bare kan studeres i mikroskop. Genmodifiserte mikroorganismer spiller en viktig rolle innen forskning, legemiddelindustri, matproduksjon og bioøkonomi.

Bakterier, encellede parasitter, mange sopparter og noen alger er mikroorganismer. Mikroorganismer har ofte kort generasjonstid, er lette å genmodifisere, og fordi de er så små kan de dyrkes i store mengder på liten plass. Ved å sette inn nye gener i bakterier, sopp eller mikroalger kan vi få dem til å produsere proteiner de ikke produserer fra naturens side. Slik kan mikroorganismene brukes som «proteinfabrikker» som produserer nyttige råvarer for oss. Proteiner produsert på denne måten kalles rekombinante proteiner og har fått en rekke bruksområder innen medisin, forskning, mat- og fôrproduksjon, drivstoffproduksjon og som råvarer for annen industri. 

Mikroorganismer som lager medisiner

Genmodifiserte mikroorganismer blir ofte brukt for å produsere medisiner. Insulin produsert i bakterien E. coli, var det første rekombinante proteinet som ble godkjent for medisinsk bruk i mennesker i 1982. Insulin er et hormon som er viktig for å holde blodsukkeret stabilt, og diabetiker som ikke selv produserer insulin må få dette hormonet tilført for å regulere blodsukkeret. Humant veksthormon er et annet tidlig eksempel på proteiner til medisinsk bruk produsert i mikroorganismer. Veksthormon brukes blant annet i behandling av hormonmangel ved en rekke sykdommer som gir kortvoksthet.

Insulin ble tidligere isolert fra bukspyttkjertelen til storfe eller griser, mens avdøde mennesker lenge var den eneste kilden til humant veksthormon. Veksthormonet ble isolert fra hypofysen (en liten kjertel i hjernen) hos de døde. Det å bruke dyr eller døde mennesker som kilde til proteiner innebar flere utfordringer. Insulin fra mennesker og dyr er ikke helt identisk, og noen pasienter fikk en allergisk reaksjon mot insulin fra dyr. Å høste protein fra dyr eller mennesker innebærer også en risiko for overføring av smittsomme sykdommer. Det ble blant annet rapportert om tilfeller av Creutzfeldt-Jakobs sykdom hos pasienter som hadde mottatt humant veksthormon. Dette er en sykdom som kan overføres ved kontakt med infisert hjernevev. Muligheten til å produsere humant protein i mikroorganismer gjør at man i dag har ubegrenset tilgang på flere humane protein uten disse utfordringene knyttet til smitte.

De første rekombinante proteinene brukt som medisiner ble laget for å være like det menneskelige proteinet de skulle erstatte. I dag er det også mulig å gjøre endringer i gensekvensen som settes inn i mikroorganismen slik at man får terapeutiske proteiner med nye egenskaper, som bedre stabilitet i kroppen eller forbedrede medisinske egenskaper. I dag brukes rekombinante proteiner, både i originalversjon og i forbedret utgave, i behandlingen av en rekke lidelser inkludert stoffskiftesykdommer, blodsykdommer og kreftsykdom.

Rekombinante mikroorganismer i matproduksjon

Mikrober og stoffene de produserer har hatt en viktig rolle i matvareproduksjon gjennom menneskets historie. Gjærsopp har blitt brukt til øl og vinproduksjon og brødbakst på grunn av sin evne til å produsere alkohol og aroma, mens melkesyrebakterier produserer viktige smaksforbindelser og syrer som hemmer veksten av uønskede organismer og gjør maten mer holdbar. Med genteknologi er det både mulig å forbedre funksjonene til mikroorganismene som lenge har vært i bruk i matproduksjon, og å gi mikroorganismer nye oppgaver som proteinprodusenter. Enzymer (proteiner som påskynder kjemiske prosesser) produsert i bakterier eller sopp har mange bruksområder innen matproduksjon. Kymosin er et enzym som inngår i løype, en blanding av proteiner som finnes i kalvemager. Løype brukes ved osteproduksjon for å få proteinene i melken til å koagulere, slik at det kan lages hvitost av ostestoffet. Kalvekymosin produsert av E. coli-bakterier ble det første rekombinante enzymet godkjent for bruk i mat av amerikanske godkjenningsmyndigheter i 1990. I dag produseres kymosin fra sopp eller bakterier som har fått satt inn genet for kalvekymosin. Dette gir rent kymosin uten de andre enzymene og stoffene som også finnes i løype og som mangler de gode egenskapene til kymosin. Ost laget med kymosin fra mikroorganismer blir også lettere akseptert som kosher-, halal- og vegetarmat enn ost laget med løype.

Også en rekke andre rekombinante enzymer er viktig i matproduksjon. Søtningsmidler som glukose og fruktosesirup produseres for eksempel ofte fra stivelse ved hjelp av enzymet amylase. Det første trinnet i denne prosessen skjer under høy temperatur. Rekombinant DNA-teknikk har gjort det mulig å produsere amylase i mikroorganismer. Ved å lage små endringer i DNA-sekvensen for genet for amylase får man amylase som er mer varmestabil og dermed enda mer effektivt for å lage søtningsstoff av stivelse. Genteknologi kan også brukes til å forbedre egenskapene til mikroorganismene vi lenge har brukt i matvareproduksjon. I 2018 rapporterte amerikanske og danske forskere at de hadde fått vanlig ølgjær til å lage stoffer som gir humlesmak på øl. Blomster fra humleplanten er en vanlig ingrediens i ølproduksjon som gir ølet både bitterhet og en karakteristisk aroma. Men humle er en kostbar ingrediens som det krever store mengder naturressurser å dyrke. Dessuten varierer oljeinnholdet i plantene, noe som gjør det vanskelig å oppnå en jevn humlesmak i ølet. Ved å sette inn gener fra basilikum- og mynteplanter, i tillegg til gener fra annen gjærsopp i ølgjær, har forskerne laget en gjær som gir ølet humlesmak uten tilsetning av humle.

Industriell bioteknologi og bioøkonomi

Genmodifiserte mikroorganismer spiller også en viktig rolle i overgangen fra en «fossil» økonomi, der råstoffene er olje, kull og gass, til «bioøkonomi» basert på produksjon og foredling av biologiske, fornybare ressurser som planter, skog, jord, husdyr og mikroorganismer. Industriell bioteknologi utnytter mikroorganismer og biologiske prosesser for å oppnå bærekraftig produksjon av fôr, energi, industrielle kjemikalier og råmaterialer, og genteknologi er et av verktøyene som brukes for å oppnå disse målene.

Mikroalger og blågrønnbakterier inneholder mye olje og kan derfor være gode kilder til biodrivstoff. Flere av disse organismene kan også lage verdifulle forbindelser som pigmenter, vitaminer og omega-3-fettsyrer. Forskere arbeider med å finne de beste variantene, og genmodifisering er et verktøy for å skreddersy mikroorganismene slik at kommersiell produksjon lønner seg. Gjennom genmodifisering kan vi få organismene til å vokse raskere eller lage mer av verdifulle forbindelser. For eksempel har forskere fått mikroalger, bakterier og sopp til å lage mer fettstoffer som har en sammensetning som er gunstig for produksjon av biodrivstoff. Forskere arbeider også med å øke innholdet av karbohydrater som stivelse i mikroalger. Karbohydrater kan omdannes til ulike typer biodrivstoff, som etanol, butanol og metan. Hydrogengass er et annet type biodrivstoff. Mange mikroalger kan produsere hydrogengass, og forskere bruker genteknologi for å optimalisere produksjonen. Fotosyntetiserende mikroalger kan samtidig utnyttes for å kvitte seg med et brysomt biprodukt fra industrien: drivhusgassen CO2. Under fotosyntese trenger alger CO2. Ved å la algene «spise» CO2 kan man bruke algene til å kvitte seg med CO2 fra industrielle røykgasser, samtidig som kan man høste mikroalgene og lage nyttige produkter av dem.  

Ett eksempel på hvordan genmodifiserte mikroorganismer kan lage forbindelser de ellers ikke ville laget, er genmodifisert E. coli som bryter ned cellulose til sukkerstoffer, som bakterien igjen lager biodiesel av. E. coli er en bakterie som er mye brukt i laboratorieforsøk, og den er en av de viktigste bakteriene for å lage biodrivstoff. Cellulose finnes i planter og må brytes ned før blir brukt videre. Et annet bruksområde innen bioøkonomi er nedbrytning av plast. Ved bruk av genteknologi har man fått frem bakterier og sopp som lager spesielle enzymer som effektivt bryter ned plast, særlig PET-plast som det tar lang tid før brytes ned i naturen. Mikroorganismer kan også gis helt nye egenskaper som ikke finnes i naturen fra før, og som kan være nyttige innenfor bioøkonomi. Du kan lese mer om det på temasiden om syntetisk biologi.

Hvordan lages mikroorganismer som kan produsere rekombinant protein?

En rekke ulike mikroorganismer, både bakterier, sopp og mikroalger, blir brukt til å produsere rekombinante proteiner. Valget av mikroorganisme avhenger av hvilket protein man ønsker. Bakterier brukes ofte for å produser mindre og enklere proteiner. Noen humane proteiner må gjennom avansert tredimensjonal folding og ulike kjemiske modifikasjoner før proteinet kan fungere som det skal, og da kan gjærsopp egne seg bedre som vertscelle. For de største proteinene, som krever kompleks folding eller store kjemiske modifikasjoner, kan mikroorganismer være uegnet, og det vil være mer aktuelt å produsere det rekombinante proteinet i pattedyrcellelinjer, eller å produsere proteinet i et transgent dyr (les mer på temasiden om genmodifiserte dyr).

I tillegg til det vanlige arvestoffet kan bakterier også ha et lite ringformet DNA-molekyl, kalt et plasmid, som kan inneholde noen få gener som er nyttige, men ikke livsnødvendige, for bakterien. Slike plasmider er enkle å isolere fra bakteriene, og ved hjelp av enzymer som kan «klippe» og «lime» DNA kan man sette inn nye gener i plasmidet. Bakterier som dyrkes i løsning sammen med frie plasmider, kan ta opp plasmider og kan så produserer protein fra det innsatte genet. Produksjonsprosessen for rekombinante proteiner i mikroorganismer tilpasses det aktuelle proteinet og vertscellen som er valgt, men følger de samme hovedtrinnene (se figur 3).

Mulighet for misbruk

Bruk av mikroorganismer som biologiske våpen har en lang historie. Vi har kjennskap til at så langt tilbake som 600 år før Kristus forurenset assyrerne fiendens vannkilde med en skadelig sopp. Det har siden vært hendelser i verden der skadelige mikroorganismer har vært brukt for å ramme andre mennesker og dyr, ved bruk av naturlig forekommende mikroorganismer. Ett eksempel er bakterien som forårsaker miltbrann.

I løpet av den senere tiden har flere virus, som poliovirus og hestekoppevirus, blitt laget på laboratoriet, og det er det ikke alle som er begeistret for. Forskere laget hestekoppevirus ved å sette sammen kjemisk fremstilte DNA-biter bestilt fra et bioteknologisk firma. Hestekoppevirus er ikke farlig for mennesker, men det er en slektning av koppeviruset som smitter mennesker. Menneskekoppevirus er omtalt som en av menneskehetens mest dødelige sykdommer. Effektiv vaksinering satte imidlertid en stopper for virusets herjinger, og Verdens helseorganisasjon erklærte sykdommen for utryddet i 1980. Da de amerikanske og canadiske forskerne offentliggjorde arbeidet sitt om hestekoppeviruset i en vitenskapelig artikkel, var det delte meninger om hvorfor forskningen ble satt i gang og om det var riktig å gjøre forskningen kjent. Kritikere mente nemlig at artikkelen kan brukes som en oppskrift på koppevirus på mennesker, som igjen kan misbrukes til biologisk terror og krigføring. Forskerne på sin side argumenterte med at deres arbeid var viktig for forskning på virus generelt, og at det vil kunne bidra til tryggere og mer effektive vaksiner. Vaksinering kan igjen bli aktuelt dersom det skulle komme et terrorangrep med enten naturlig eller syntetisk virus.

Det skjer en rask utvikling innen genteknologi der nye verktøy er enklere og rimeligere å bruke enn før. Lett tilgjengelighet gjør at det kan være vanskeligere å kontrollere bruken. Skal vi da forby bruk av teknologi som kan havne i gale hender og potensielt gi store konsekvenser? Vil forbud føre til at utviklingen i stedet foregår i kjellere og ellers i det skjulte? Kan det derfor være riktig å ikke forby, men heller sette rammer og jobbe for en mer forsvarlig bruk av teknologi? Og hva om forskningen som potensielt kan misbrukes også kan ha en stor nytteverdi for samfunnet?

Risikovurdering og lovregulering

Levende genmodifiserte mikroorganismer blir regulert i genteknologiloven, sammen med genmodifiserte planter og dyr. Det er egne regler for å arbeide med genmodifiserte mikroorganismer i laboratorier og andre lukkede systemer, der organismene ikke skal komme ut i miljøet. Dersom en produsent eller et firma ønsker å bruke genmodifiserte mikroorganismer som kommer ut i miljøet, er det andre og mer omfattende krav som gjelder før det eventuelt kan gis en godkjenning. Myndighetene gjør da en risikovurdering av hvordan helse- og miljøforhold blir påvirket av GMO-en. GMO-er for utsetting skal også vurderes etter krav til samfunnsnytte, bærekraft og etikk. Det er Bioteknologirådet som gjør denne vurderingen for myndighetene.

For enzymer og andre stoffer til blant annet matproduksjon, og som lages av genmodifiserte mikroorganismer i lukkede systemer, er det ikke like omfattende regler. Stoffene må ikke godkjennes som GMO dersom de er fri for rester av den genmodifiserte organismen som laget dem.

Føre-var-prinsippet står sterkt i lovregulering av genteknologi, både i Norge og i flere andre land. Prinsippet blir ofte omtalt som å la tvilen komme natur og miljø til gode. Myndighetene skal unngå vesentlig skade på natur og miljø når de fatter beslutninger. Hvis det er usikkerhet om, men sannsynlighet for, at en GMO kan ha negative konsekvenser skal tvilen komme miljøet til gode.

Spørsmål til diskusjon

• Er det noen etisk prinsipielle forskjeller på å bruke genmodifiserte mikroorganismer til å lage medisiner sammenlignet med stoffer til matproduksjon?
• Er det en prinsipiell forskjell på å spise GMO-mat (for eksempel mel fra en genmodifisert plante) og mat med stoffer laget av genmodifiserte mikroorganismer (for eksempel ost laget med enzym fra genmodifisert sopp)?
• Var det riktig av forskerne som lagde det syntetiske hestekoppeviruset å offentliggjøre sin forskning? Hvorfor/hvorfor ikke?
• Hvor sterkt bør føre-var-prinsippet stå når myndighetene tar avgjørelser om genmodifiserte mikroorganismer? Hvor stor risiko kan vi akseptere dersom den potensielle samfunnsnytten er stor?

Innholdet på denne siden ble sist oppdatert i oktober 2023.

Send oss en e-post hvis du har spørsmål eller kommentarer til innholdet.