geenitekniikka

Geenimuunneltu kolibakteeri syö hiilidioksidia

To, 11/28/2019 - 03:46 Jarmo Korteniemi
Kuva: Kolibakteerikolonia.

Tutkijat kehittivät kolibakteerin, joka osaa ottaa hiilidioksidia suoraan ilmasta ja muuntaa sitä orgaanisiksi yhdisteiksi. Tämän povataan avaavan ovia sekä uusille bioenergian muodoille että bakteerien avulla tehdyn ruuan valmistukselle.

Geenitekniikkaa ja evoluutiota hyödyntänyt tutkimus muunsi toisenvaraisen eliön omavaraiseksi. Tutkijat saivat kolibakteerin keräämään tarvitsemansa hiilen hiilidioksidista.

Saavutus voi avata ovet uudenlaisen bioenergian käytöllle ja jopa bakteeriruuan massatuotannolle. Bakteerien avulla voitaisiin tulevaisuudessa tuottaa orgaanisia molekyylejä, joita voidaan käyttää joko biopolttoaineina tai ruuan tuotannossa. Tällä tavoin tuotettujen hyödykkeiden hiilijalanjälki pienenisi huomattavasti perinteisiin verrattuna, sillä prosessi poistaa hiilidioksidia ilmasta.

Kolibakteeri (Escherichia coli eli E. coli) on geeniteknologian tärkein mallieliö. Se tunnetaan hyvin, sitä on helppo kasvattaa, ja sitä voidaan muokata varsin helposti. Geenimuokkausten tulokset näkyvät nopeakasvuisessa bakteerissa pian, ja tuloksia voidaan ohjailla ja säätää tarkkaan. Jo nyt geenimanipuloiduilla kolibakteereilla tuotetaan esimerkiksi elintärkeää insuliinia sekä kasvuhormoneja.

Kolibakteeri tarvitsee kuitenkin kasvaakseen muiden eliöiden valmistamaa eloperäistä ainesta. Ne ovat siis ihmisen lailla toisenvaraisia eliöitä. Lisäksi kolibakteeri tuottaa jätteenään hiilidioksidia.

Omavaraiset yhteyttävät eliöt ovat erilaisia. Näitä ovat esimerkiksi kasvit ja sinibakteerit (tai sinilevät, kuten jälkimmäisiä virheellisesti kutsutaan), jotka sitovat ilman hiilidioksidia monenlaisiin yhdisteisiin – esimerkiksi DNA:han, proteiineihin, sokereihin ja rasvoihin. Omavaraisia eliöitä voisi periaatteessa käyttää oivina biologisina tehtaina, mutta ikävä kyllä ne ovat geeneiltään usein haastavia muokattavia.

Geeniteknologiassa onkin jo pitkään kaivattu helposti muokattavaa omavaraista eliöä. Paras olisi sellainen, joka voitaisiin muuntaa hallitusti toisenvaraisesta omavaraiseksi. Moisen siirtymän povataan mahdollistavan uudenlaisten uusiutuvien energianlähteiden ja kestävämmän ruuantuotannonkin kehityksen.

Tämä himoittu askel on nyt viimein otettu. Ratkaisu oli kolibakteeri, johon tarvitsi tehdä muutoksia ainoastaan yhteentoista geeniin. Tutkimusartikkeli julkaistiin 27.11.2019 Cell-julkaisusarjassa.

Aluksi kolibakteereille siirrettiin geenejä, jonka avulla ne voivat hyödyntää ilman hiilidioksidia. Tämä prosessi kuitenkin vaatii energiaa, eikä bakteereilla ole keinoja yhteyttämiseen. Tarvittiin jokin muu energianlähde. Bakteereille annettiin siksi lisää uusia geenejä – sellaisia, jotka mahdollistavat energian imemisen formiaatti-nimisestä molekyylistä (HCOO-).

Geenimuutokset antoivat kolibakteereille mahdollisuuden vaihtaa "ruokailutottumuksiaan", mutta se ei vielä aivan riittänyt.

Kuva: Uuden kolibakteerin aineenvaihdunta (Gleizer ja kumpp., 2019)

Muokattuja kantoja kasvatettiin vielä pitkään niukassa sokeriliuoksessa ja erittäin suuressa 10 % hiilidioksidipitoisuudessa. Tutkijat pyrkivät saamaan aikaan valintapaineen, joka pakottaa bakteerit suosimaan uutta ominaisuutta mutaatioiden kautta.

Tavoite saavutettiin 200 vuorokauden jälkeen. Oli syntynyt ensimmäinen kolibakteerikanta, joka kykenee elämään pelkällä hiilidioksidilla, täysin ilman ulkopuolista sokeria. 300 päivän kohdalla ne kasvoivat jo nopeammin kuin samoissa oloissa pelkkää sokeria popsineet kannat.

Ensimmäinen hiilidioksidia "syövä" kolibakteerikanta kehitettiin itse asiassa jo vuonna 2016, samojen tutkijoiden toimesta. Nuo bakteerit tosin hankkivat  tarvitsemastaan hiilestä vain murto-osan hiilidioksidista. Uudessa tutkimuksessa bakteerikanta käyttää pelkkää CO2:a.

Kyse on kuitenkin vasta ensimmäisestä askeleesta uudella reitillä.

Muokatutkin kolibakteerit siirtyvät helposti käyttämään valmista sokeria, jos sitä vain löytyy kasvualustasta. Hiilidioksidi taitaa siis olla niille yhä ns. pakkopullaa.

Lisäksi kolibakteerit saavat käytettyä hiilidioksidia vain jos sitä on tarjolla erittäin paljon. Ne eivät pärjäisi nykyilmakehän normaalissa CO2-pitoisuudessa (0,04 %) ilman sokeriliemistä kasvualustaa.

Mikä ikävintä, muokattujen kolibakteerien kasvatus on jopa optimiolosuhteissa hidasta. Kun muokkaamattomat kolibakteerit jakautuvat noin 20 minuutin välein, muokatut tekevät sen yli 50 kertaa hitaammin – kerran 18 tunnissa.

Kyse ei siis ole mistään ihmekeinosta, jolla käännetään ilmakehän hiilidioksidipitoisuus laskuun tai korjataan maailman ruokapula. Tämä tutkimus vasta todistaa keinon olevan mahdollinen tai ainakin lisätutkimusten arvoinen.

Jatkoprojektissa on tarkoitus saada muokatut kolibakteerit lisääntymään nopeammin ja toisaalta kukoistamaan paljon matalammassa CO2-pitoisuudessa, joka vastaisi paremmin ilmakehän olosuhteita.

Nyt julkaistu tutkimus kuvastaa, kuinka luontaisia prosesseja voi hyvillä mielin tehostaa ja säädellä tekniikan ja evoluution yhteispelillä.

Lähteet: Gleizer ja kumpp.: "Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2" (Cell, 2019); Callaway: "E. coli bacteria engineered to eat carbon dioxide" (Nature News, 2019)

Otsikkokuvan kolibakteerit eivät liity tutkimukseen. Jälkimmäisessä kuvassa esitellään muokatun kolibakteerin perusmetabolismi (Gleizer ja kumpp., 2019)

Uusi zikauutinen: geenimuunnellut hyttyset avuksi virusta vastaan?

To, 02/18/2016 - 13:13 Jari Mäkinen
Hyttynen imemässä verta


Taas on jutussa monta intohimoja herättävää asiaa: zika, sairaudet, hyttyset ja vielä geenimuokkaus. Maailman terveysjärjestö WHO on joka tapauksessa pohtimassa geenitekniikalla muokattujen hyttysten valjastamista taisteluun zikaviruksen leviämistä vastaan.


Keskustelu hyttysmyrkyn osuudesta Brasiliassa syntyneiden lapsien pienipäisyyteen on vähitellen laantumassa, kun todisteet myrkyn haitallisuudesta ontuvat ja sairastapauksia tulee edelleen myös alueilla, joilla myrkkyä ei ole käytetty.

Joka tapauksessa zikavirus on vakava terveysvaara ja sen leviäminen sekä mahdollisesti kehittyminen edelleen on suuri uhka paitsi Etelä-Amerikalle, niin myös muille maille.

Siksipä rokotteen kehittämisen lisäksi tapoja viruksen leviämisen hillitsemiseen tutkitaan monissa paikoissa.

WHO:n tuoreimmassa lausunnossa otetaan mukaan myös ristiriitoja herättävä mahdollisuus muokata geneettisesti alueen hyttysiä siten, että ne eivät voisi välittää virusta. Sen seurauksena toivon mukaan olisi se, että Aedes aegypti -keltakuumehyttyset kävisivät harvinaisiksi ja pääasiassa uudenlaiset, toivotun kaltaisen hyttyset inisisivät sademetsissä.

Arvioiden mukaan 90% keltakuumehyttysistä voitaisiin korvata "uusilla", mutta on myös mahdollista, että koko alkuperäinen populaatio kuolisi sukupuuttoon. Vaikka tarkoitus on hyvä, herättää tavoite myös eettistä pohdintaa: kyseessä olisi ensimmäinen kerta, kun tällä tavalla aiheutettaisiin tietoisesti ja tarkoitushakuisesti luonnossa esiintyneen lajin kuolema.

Zikaviruksen aiheuttama riski lienee kuitenkin sen väärti: virus näyttää aiheuttavan epämuodostumia (pienipäisyyttä), vaikuttavan aivoihin ja heikentävän vastustuskykyä, vaikkakin myös muita syitä näihin tutkitaan edelleen. Se, että aiemmin harmiton virus näyttää nyt aiheuttavan vakavia seurauksia etenkin raskaina oleville äideille ja syntyville lapsille, on huolestuttavaa – etenkin kun virus leviää nyt voimakkaasti.

Kenties myös parhaillaan käynnissä oleva voimakas El Niño -sääilmiö edesauttaa viruksen leviämistä.

Monta tapaa taistella hyttysiä vastaan

Geenitekniikka herättää kärjistyneitä kommentteja puolesta ja vastaan, mutta kannattaa muistaa, että eläinten ja kasvien muokkausta harrastetaan "perinteisinkin" menetelmin koko ajan, ja laboratoriossa tehty geenitekniikka saattaa olla jopa turvallisempaa ja täsmällisempää.

Vaihtoehtoiset keinot hyttysten määrän vähentämiseen eivät ole myöskään aivan vaarattomia.

Kohun keskelle noussut pyriproksyfeeni-hyttysmyrkky on eräs näistä tehokkaiksi todetuista, mutta varsin dramaattisista keinoista.

Se toimii kuin hyttysen hormoni estäen hyttysiä kehittymästä aikuisiksi ja lisääntymästä. Ihmisille ja muille eläimille tämä jo parinkymmenen vuoden ajan käytetty aine ei ole tutkimusten mukaan vaarallinen, kunhan annostus on oikeanlaista, mutta myrkyn levittäminen esimerkiksi juomaveteen on luonnollisesti epämieluisaa.

Eräs pohdinnassa oleva tapa vaikuttaa hyttysiin on istuttaa niihin parasiittibakteeri, joka estäisi hyttysten munien kehittymisen naarashyttysillä, jotka ovat pariutuneet zikavirusta kantavan uroshyttysen kanssa.

Myös säteilytystä harkitaan. Jos suuri määrä uroshyttysiä altistettaisiin pienelle annokselle säteilyä ja ne tulisivat steriileiksi, nämä steriilit hyttyset kisaisivat luonnossa ei-steriilien kanssa naaraista ja saisivat olennaisen osan naaraista parittelemaan itsensä kanssa siten, että lisääntymistä ei tapahtuisikaan.

Ja on toki myös yksi varsin tehokas, mutta epätodennäköinen keino leviämisen hillitsemiseen: kieltää ihmisiä matkustamasta paikasta toiseen.

Keltakuumehyttynen on erittäin huono lentäjä, sillä ne eivät yleensä liiku noin 400 metriä kauemmaksi synnyinpaikastaan. Ihmiset autoineen, junineen ja lentokoneineen siirtävät tehokkaasti hyttysiä uusille alueille ja levittävät samalla virusta.

Ajantasaista tietoa suomeksi zikaviruksesta ja sen leviämisestä on THL:n nettisivuilla.

Hoito MERS-sairauteen löytynyt?

Ti, 06/30/2015 - 09:12 Jari Mäkinen
MERS-CoV -virus

Amerikkalainen lääkeyhtiö on kehittänyt hoidon viime kuukausina runsaasti huolta ja useita uhreja aiheuttaneeseen Lähi-idän vakavaan keuhkotieoireyhtymään

Valitettavasti toistaiseksi hoito toimii vain geenimuokatuilla hiirillä, jotka paranivat uudella hoidolla oireettomiksi. Lisäksi hoito näyttää estävän terveitä hiiriä saamasta tartuntaa, mikä tekee siitä erityisen kiinnostavan. 

Tutkimus ilmestyi eilen maanantaina Proceedings of the National Academy of Sciences -julkaisussa.

Erityisen kiinnostavaa hoidossa on se, että tämä newyorkilaisen Regeneron Pharmaceuticals -yhtiön kehittämä uusi lääkkeenkehitysmenetelmä voi tuoda apua myös moniin muihin sairauksiin, kuten Ebolaan. 

Menetelmä perustuu geenitekniikkaan sekä vasta-aineiden kehittämiseen ja sen avulla lääkkeiden kehittäminen tapahtuu nopeammin ja edullisemmin. Kun elimistö ei pysty tuottamaan tarpeeksi vasta-aineita sairaudelle, tulee tämä uusi hoitomuoto immuunijärjestelmän tueksi ja auttaa sitä tuhoamaan vaarallisia taudinaiheuttajia. 

Toistaiseksi tämä menetelmä toimii vain koe-eläiminä käytetyillä muokatuilla hiirillä, mutta yhtiö etenee luonnollisesti kohti ihmisillä käytettäväksi hyväksyttyä menetelmää. 

Big Dataa ja ihmismäisiä hiiriä

Toistakseksi uusi menetelmä tepsii MERSiin (Middle East Respiratory Syndrome), mikä on koronaviruksen aiheuttava influenssa, eli hengityselinten virussairaus.

Ongelmana MERSin ja aiemmin olleen SARSin kaltaisissa taudeissa on se, että ne ovat yllättäviä ja harvinaisia. Siksi niitä vastaan on ollut vaikeaa tehdä lääkettä nopeasti eikä niiden harvinaisuuden vuoksi tutkimus etukäteen ole ollut taloudellisesti kiinnostavaa. 

Esimerkiksi MERS on sairastuttanut tähän mennessä lähes 1350 ihmistä ja heistä yli 510 on kuollut.

Verrattuna ”tavalliseen” kausi-influenssaan luvut ovat pieniä, mutta näissä yllättäen levinneissä taudeissa on ollut suurehko kuolleisuus (MERSin tapauksessa 38%) ja riski pandemiaan. Siksi nopea ja edullinen menetelmä hoidon kehittämiseen on erittäin tervetullut.

Uusi menetelmä luottaa suuren tietomäärän nopeaan käsittelyyn. MERS-hoitoa varten tutkijat kävivät läpi noin tuhat erilaista vasta-ainetta, jotka liittyvät MERS:iä aiheutavaan MERS-CoV -virukseen. 

He eristivät näistä kaikkein lupaavimmalta vaikuttaneet vasta-aiheet ja antoivat näitä hiirille vuorokautta ennen tai jälkeen, kun MERS tartutettiin niihin. Hoito näytti tepsivän.

Siinä missä perinteisellä tavalla vasta-aiheiden kehittäminen kestää yleensä puolitoista vuotta, Regeneron Pharmaceuticals onnistui nyt tekemään sen alle puolessa vuodessa.

Ongelmana hoidon kehittämisessä ihmisillä toimivaksi on se, että virus vaikuttaa eri tavalla hiireen ja ihmiseen. Siksi yhtiö oli muokannut hiiriä siten, että niiden immuunijärjestelmä toimi hieman ihmisen vastaavan tapaan ja siksi ne olivat alttiimpia kuin normaalit hiiret MERSille. Tämä tekee hoidon kehittämisestä hiirikokeista (joita ei valitettavasti voi tämän kaltaisessa tutkimuksessa kokonaan välttää) ihmisillä toimivaksi nopeampaa.

Mutta se, miten hoito tepsii lopulta ihmisillä tehtävissä kokeissa, jää vielä nähtäväksi. Tähän mennessä paitsi hoito MERSiin, niin myös koko uusi menetelmä ovat kuitenkin lupaavia.

Uusi ase hyttystauteja vastaan: vaihdetaan sukupuolta

Ti, 05/26/2015 - 15:07 Toimitus

Kuten varmaankin suuri osa suomalaisista tietää, vain naaraspuoliset hyttyset pistävät. Ne tarvitsevat verta kehittääkseen jälkikasvua.

Koska suurin osa hyttysten levittämistä taudeista, kuten esimerkiksi denguekuume ja malaria, leviää verta janoavien hyttysten välityksellä, ovat hyttyset olennaisessa osassa, kun pohditaan tapoja taltuttaa näiden tautien leviämistä. Hyttyset pitää joko saada pistämään vähemmän tai taudit pitää saada heikommin hyttysten kautta muuten tarttuviksi.

Yhdysvaltalais-kiinalainen tutkijaryhmä on keksinyt uuden, jännittävän tavan vaikuttaa hyttysiin: he muuntavat naarashyttysiä urospuolisiksi, jolloin ne pistävät paljon aiempaa vähemmän.

Temppu ei vaadi hormonihoitoa ja kirurgiaa, vaan geenitekniikkaa. Tutkijat löysivät denguekuumetta, chikungunyaa ja keltakuumetta välittävien Aedes aegypti -hyttysten sukupuolista suuntautumista määräävät geenit ja onnistuivat muuttamaan hyttysalkioista kaksi kolmasosaa uroksiksi.

Toistaiseksi menetelmä toimii vain laboratoriossa ja sen ottaminen mahdollisesti käyttöön laajemmin vaatii vielä pohdintaa. Mikäli suuri osa hyttysistä olisikin uroksia, ei välttämättä olisi hyväksi ekosysteemille. 

Aedes aegypti -hyttyset ovat peräisin Afrikasta ja siellä niitä esiintyykin edelleen runsaasti. Ne alkoivat levitä muuallekin jo 1700-luvulla ja nykyisin yksittäisiä tapauksia on myös Manner-Euroopassa. Kyseessä on hyttyslaji, joka pystyy mukautumaan geneettisesti hyvinkin nopeasti uuteen ympäristöönsä, joten sen sukupuoleen kohdistuvan geneettisen muokkauksen tehokkuudesta ei ole toistaiseksi tietoa.

Samoin se, onnistuuko temppu toisilla hyttyslajeilla, on vielä epäselvää. Aedes aegypti edustaa vain hyvin pientä osaa tauteja välittävistä hyttysistä, ja juuri niiden muuttaminen alueilla, missä niitä ei ole esiintynyt luonnollisesti, voisi olla hyvä ajatus – jos ja kun se saadaan toimimaan muuallakin kuin laboratoriossa.

Lähde: Science-lehden Express-versio, 21. toukokuuta: Science DOI: 10.1126/science.aaa2850