Biotekniikka ja bioteknologia, nyt ja tulevaisuudessa

Biotekniikka ja bioteknologia, nyt ja tulevaisuudessa Laboratorioalan luentopäivät 6. Toukokuuta 2019 Hotelli Torni, Tampere Johanna Rinta Kanto, Yliopistonlehtori, dosentti, PhD, Tampereen yliopisto Kati Juuti Uusitalo, Yliopistonlehtori, dosentti, FT, Tampereen yliopisto määrittelee, että Bioteknologia (biotekniikka) on kansainvälinen ja voimakkaasti ala, joka hyödyntää eläviä organismeja, niiden osia tai ominaisuuksia tuotteissa, tuotantoprosesseissa tai palveluissa. Bioteknologia (biotekniikka) on poikkitieteellinen ala, jossa sovelletaan mm. biologian, kemian, fysiikan, matematiikan, lääketieteen sekä insinööritieteiden osaamista. Biotekniikan ja bioteknologian ero Biotekniikka ja biolääketieteen tekniikka ovat luontoa ja teknologiaa yhdistäviä tieteenaloja, jotka tuottavat hyödyllisiä tuotteita ihmisille. Biotekniikan ja biolääketieteen pohjatieteinä ovat biologia, solu ja molekyylibiologia, biokemia sekä insinööritieteet. Bioteknologia on luonnontieteellinen, joka tuottaa tietoa ja kehittää tutkimusmenetelmiä ja välineitä biosysteemien tutkimiseen, muokkaamiseen, hallintaan ja hyödyntämiseen. Bioteknologian pohjatieteinä ovat biologia, biokemia, solu ja molekyylibiologia, perinnöllisyystiede, kemia ja fysiikka. https://www.shiksha.com/btech/articles/comparison betweenbiotechnology and biomedical engineeringblogid 10068 1

Hakusanalla bioteknologia (biotechnology) PubMedistä löytyi 16. huhtikuuta 2019 kaikkiaan 374902 tieteellistä julkaisua. Bioteknologian laaja alaisuus tulee hyvin esille, kun haun tuloksista 20 ensimmäistä käsittelivät terveyttä, energiantuottoa ja maaperäanalyysejä. Bioteknologia Bioteknologia voidaan karkeasti jakaa kolmeen osa alueeseen: 1. Punaiseen bioteknologiaan eli terveydenhoidon sovelluksiin, kuten diagnostiikkaa, lääkkeitä, terveysvaikutteisia elintarvikkeita 2. Vihreään bioteknologiaan eli maa ja metsätalouden sovellukset, kuten kasvinjalostuksen 3. Valkoiseen eli teolliseen bioteknologiaan, kuten mikrobien ja entsyymien hyödyntäminen teollisissa prosesseissa 4. Siniseen bioteknologiaan, jossa pyritään hyödyntämään luonnossa esiintyviä mikrobeja korkean arvon tuotteiden (esim. lääkkeiden ja teollisten entsyymien) kehittämisessä Teollinen biotekniikka (industrial biotechnology) Soluja tai niiden osien hyödyntämistä teollisissa prosesseissa, joissa valmistetaan esim. Biopolttoaineita Biokemikaaleja Rehuja Pesuaineita Elintarvikkeita Mikrobit voivat käyttää ravintonaan orgaanista ainetta tai esim. maakaasua, hiilidioksidia ja auringonvaloa Mittakaava: millilitroista (kasvatus pullossa) satoihin litroihin (kasvatus bioreaktorissa) 2

Biotekniikan historiaa 3 vallankumousta Perinteinen biotekniikka Uusi biotekniikka Synteettinen biologia ~4000 eaa ~1975 ~2005 30.4.2019 7 Perinteinen biotekniikka LUONNOSTA LÖYTYVIEN ELIÖIDEN HYÖDYNTÄMINEN Hyvin usein nämä eliöt ovat mikrobeita (bakteereita, arkeoneja, hiivoja, sieniä). Prosessissa mikrobi syö kasvaakseen ympäristönsä ravintoaineita ja tuottaa sille tyypillistä lopputuotetta. ~4000 eaa 30.4.2019 8 Perinteinen biotekniikka LUONNOSTA LÖYTYVIEN ELIÖIDEN HYÖDYNTÄMINEN Käymisteitse valmistettujen elintarvikkeiden valmistus Jäteveden biologien puhdistus: mikrobipopulaatio syö ravintoyhdisteet pois jätävedestä Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineiden valmistus (etanoli) Ympäristöbiotekniikan sovellukset, esim. öljyllä saastuneen maan biologinen puhdistus (bioremediaatio) ~4000 eaa 30.4.2019 9 3

Etanolikäyminen hiivan avulla Glukoosi Pyruvaatti Glykolyysi (10 entsyymireaktiota) Asetaldehydi Alkoholidehydrogenaasi + Etanoli 30.4.2019 10 Perinteisen biotekniikan haasteet LUONNOSTA LÖYTYVIEN ELIÖIDEN HYÖDYNTÄMINEN Luonnon mikrobikantojen rajoitteet Heikot saannot Mikrobeille sopivia ravintoaineita vähän Miten saadaan tuotettua tiettyjä yhdisteitä tehokkaasti esim. lääkkeeksi? ~4000 eaa 30.4.2019 11 Uusi biotekniikka Innovaatiot Geenit koodaavat eliön ominaisuuksia Geenejä voidaan siirtää eliöstä toiseen Esim. siirretään ominaisuudesta vastaava geeni toiseen, helpommin kasvatettavaan eliöön. LUONNOSTA LÖYTYVIEN ELIÖIDEN OMINAISUUKSIEN HYÖDYNTÄMINEN ~1975 30.4.2019 12 4

Uusi biotekniikka Sovelluksia: Lääkkeiden ja kemianteollisuuden raaka aineiden tuottaminen bakteereissa Kasvinjalostus Toisen ja kolmannen sukupolven biopolttoaineiden tuottaminen LUONNOSTA LÖYTYVIEN ELIÖIDEN OMINAISUUKSIEN HYÖDYNTÄMINEN ~1975 30.4.2019 13 Esim. insuliinin tuotanto Insuliini Haiman erittämä hormoni Saa aikaan glukoosin siirtymisen verenkierrosta kudoksiin. Tyyppi I:n diabeetikot tarvitsevat insuliinia, koska heidän haimansa ei eritä sitä normaalisti. Alunperin lääkkeeksi käytettävä insuliini eristettiin sian / naudan haimasta. Nykyisin käytetään ns. rekombinanttista insuliinia, joka on identtistä ihmisen insuliinin kanssa. Insuliini tuotetaan esim. geneettisesti muokatussa Escherichia coli bakteerissa. Kuva: Genome Research Limited 30.4.2019 14 Uusi biotekniikka Ongelmana on, että luonnosta ei löydy kaikkia haluttuja ominaisuuksia Miten valmistaa todella uusia tuotteita, esim. antibiootteja joille vastustuskykyä ei kehity niin nopeasti? Miten voidaan hyödyntää esim. hävikkiruokaa tai teollisuuden jätteitä raaka aineina? LUONNOSTA LÖYTYVIEN ELIÖIDEN OMINAISUUKSIEN HYÖDYNTÄMINEN ~1975 30.4.2019 15 5

Uusi biotekniikka Rakennetaan haluttu ominaisuus haluttuun eliöön, ts. syntetisoidaan biologiaa. Esim. rakennetaan (kirjoitetaan) uusigeenitai kokonainen genomi ja siirretään se haluttuun eliöön UUSIEN OMINAISUUKSIEN RAKENTAMINEN JA HYÖDYNTÄMINEN BIOLOGIAN AVULLA ~2005 30.4.2019 16 Uusi biotekniikka Innovaatiot Biologian parempi tunteminen Toiminnot Monimuotoisuus Työmenetelmien voimakas kehittyminen DNA sekvensoinnin (=emäsjärjestyksen lukeminen) tehon kasvu ja hinnan aleneminen UUSIEN OMINAISUUKSIEN RAKENTAMINEN JA HYÖDYNTÄMINEN BIOLOGIAN AVULLA ~2005 30.4.2019 17 Synteettinen biologia Uusi, monitieteinen biologisen tutkimuksen ala, jossa suunnitellaan ja rakennetaan sellaisia biologisia funktioita ja järjestelmiä, mitä ei tavata luonnossa. 6

Miksi biotekniikkaa nyt ja tulevaisuudessa? Mahdollistaa raaka aineiden tehokkaamman hyödyntämisen jätteen hyödyntämisen raaka aineena Vähentää uusiutumattomien raaka aineiden tarvetta Petrokemian tuotteiden korvaamisen teollisen biotekniikan avulla tuotetuilla biopohjaisilla kemikaaleilla Uusien lääkeaineiden tuottamisen Tämän hetken tilanne teollisen biotekniikan sovelluspuolella Kemikaalien tuotanto Tavoitteena korvata öljypohjaiset tuotteet (muovit, voiteluaineet, vahat, kosmetiikka) Tällä hetkellä (pienessä skaalassa) kemikaalien tuottaminen biologisesti on vielä kalliimpaa kuin öljystä Drop in tuotteet (bio leima!) Upscaling => hinta laskee (?) Ominaisuudet, laatu Lisäarvo kuluttajalle (ympäristöystävällisyys) Coca Cola (30 % pullojen muovista bio pohjaista muovia), LEGO: siirtyminen biomuovipalikoihin, tavoite: kaikki palikat biomuovista vuonna 2030 Bioyrityksiä: Solazyme (öljyjä ruokaan, kosmetiikkaan ja teollisuuteen) Amyris (lipidejä kosmetiikaan) Bioamber (biosukkinaatti => esim. polyesterit)) Verdezyne (adipiinihappo => esim. nailon) Genomatica (adipiinihappo) Myriant (biosukkinaatti) Evolva (stevia, vanilliini) Tästä tulevaisuuteen Monet uudet yritykset keskittyvät korkean myyntiarvon ja pienen tuottoskaalan tuotteisiin, jotka eivät kilpaile esim. öljystä valmistettujen tuotteiden kanssa Esimerkiksi: Bolt Threads (hämähäkin seittikuitua hiivalla) Gingko Bioworks (hajusteet) Modern Meadow (eläinsolujen kasvatus => nahkaa ja lihaa ilman teurastusta) Mango Materials (biohajoavaa muovia biokaasusta) Kasvi ja mikrobien avulla tuotettavat liha, muna ja maitotuotteita korvaavat tuotteet (Post animal bioeconomy) Beyond Meat (eläinproteiinia kasviproteiinista) Impossible Foods (lihaa ja juustoja kasveista) Clara Foods ( kananmunanvalkuaista mikrobeilla) Muufri ( maitoa bioprosessilla) 7

Lähde: https://www.biotalous.fi/wp content/uploads/2015/12/teollisen_bioteknologian_kasvupolut_poyry.pdf Synteettinen biologia yrittämisen työkaluna Synteettinen biologia tarjoaa mahdollisuuden Kehittää ja rakentaa nopeammin biologisen tuottosysteemin sekä halvemmalla kuin aikaisemmin rakentaa kokonaan uusi tuote/systeemi Bioteknologiset sovellukset Solu ja kudosteknologiassa Perinteinen bioteknologia alkoi mikrobien hyödyntämisestä Nykyisin muokataan erityisesti aitotumallisia soluja Seuraavaksi keskityn kertomaan muutamasta aitotumallisten solujen muokkausmenetelmästä, ja niiden käytöstä solu ja kudosteknologian sovelluksissa 8

Bioteknologia: Indusoitujen pluripotenttejen kantasolujen tuotto erilaistuneista aikuisen soluista Vuonna 2007 Shinya Yamanaka ryhmineen osoitti, että terminaalisesti erilaistuneet aikuisen solut voidaan uudelleen ohjelmoida kantasoluiksi (induced pluripotent stem cells, hipsc) aktivoimalla tiettyjen geenien toiminta (Takahashi et al 2007, Cell). Bioteknologia: hipsc teknologia nyt ja tulevaisuudessa hipsc soluja on erilaistettu useiksi eri solutyypeiksi, ja näiden avulla on pystytty tekemään in vitro lääketutkimuksia. Näiden avulla on osoitettu mm. lääkeaineiden toimintojen ero eri geneettisen mutaation sisältävillä potilassoluilla (kts esim. Lahti et al., Dis Model Mech. 2012) Vuonna 2014 Masayo Takahashi ryhmineen teki ensimmäisen hipscsoluihin perustuvan kudossiirteen. Tämä tehtiin ikärappeumapotilaalle. 05/2019 mennessä hipsc soluja käytetty vain muutamissa kudossiirrekokeiluissa, viimeisimpänä Jun Takahashin ryhmineen suorittama dopaminergisten hermosolujen siirto Parkinson potilaan aivoihin vuonna 2018. Professori Yamanaka on koonnut japanilaisten HLA tyypeistä hipscsolupankin, joista on tarkoitus tulevaisuudessa tuottaa ns. kudostyypitettyjä kudos varaosia, joiden hylkimisreaktiot olisivat tavallisia kudossiirteitä vähäisempiä (Morizane et al., Nat Commun 2017) Bioteknologia:Mesenkymaaliset eli aikuisen kantasolut Mesenkymaaliset kantasolut (MSC) ovat yleisimmin hoitotarkoituksissa käytettyjä kantasoluja. Ensimmäiset veren kantasolujen siirteet tehtiin vuona 1968. Verisolujen tuotossa käytetään useimmiten aikuisen luuytimen kantasoluja, mutta myös vähemmän hyljintäreaktoita aiheuttavia napa tai istukkaveren kantasoluja käytetään. Mresenkymaalisia kantasoluja saadaan myös aikuisen ihmisen rasvakudoksesta, joka on yksi ihmisen kantasolurikkaimpia kudoksia (Seppänen & Miettinen, 2014). 9

Bioteknologia: Mesenkymaalisten kantasolujen terapeuttiset mahdollisuudet Rasvan kantasoluja (hasc) kyetään erilaistamaan mm. rustoksi ja luuksi (Seppänen & Miettinen, 2014; Miana & Gonzalez, 2018). Etuna muihin hoitoihin on, että hoidoissa voidaan käyttää potilaan omia soluja, jolloin ei synny hyljintäreaktioita. Tällä hetkellä on käynnissä hoitokokeiluita, pääosa keskittyy luu tai nivelpintapuutosten korjaamiseen (Miana & Gonzalez, 2018). Rasvan kantasoluja on suunniteltu käytettäväksi myös sydänlihasvaurioiden korjaamisessa sekä tulehdusreaktioiden hillitsemisessä (Miana & Gonzalez, 2018) Bioteknologia: CRISPR Cas9 geenisakset Vuonna 2012 Charpentier ja Doudna (Jinek et al., Science, 2012) osoittivat, että bakteereiden immuunipuolustuksen CRPSPs (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) tunnistussekvenssiä Cas9 endonukleaasientsyymiä ja tracrrna (transactivating CRISPR RNA) aktivoija RNA:ta voidaan hyödyntää bioteknologiassa erittäin tarkasti kohdennettuihin geenimuokkauksiin. Menetelmää edelleen paranneltu, siten että muokkaustarkkuus on parantunut, ja siten että muokkaus ilmentyy vain tietyntyyppisissä soluissa. https://labiotech.eu/features/crispr cas9 review gene editing tool/ Bioteknologia: CRISPR Cas9 nyt ja tulevaisuudessa CRSPR tekniikkaa käytetty paljon geneettisten mutaatioiden tutkimisessa CRISPR avaa aivan uudet ulottuvuudet bioteknologialle, myös eettisesti: Saako somaattisten solujen genomia muokata? Entä saako alkion soluja muokata 2018 osoitettiin, että CRISPR geenieditoinnit eivät aina osu suunnitellulle geenikohdalle (off target), editointi voi poistaa liian suuren alueen genomista https://labiotech.eu/features/crispr cas9 review gene editing tool/ Marraskuussa 2018 Kiinalainen tutkija He Jiankui kertoi muokanneensa kaksostyttöjen (Lulun ja Nanan) genomia CRISPR tekniikalla, muokaten HIviruksen tarttumiselle tärkeää CCR5 reseptorin geeniä. Tiedeyhteisö tuomitsi teon. Tammikuussa 2019 Kiinan terveysministeriö ilmoitti, tiukentavansa lakeja ihmisalkioiden manipuloinnin suhteen CRISPR menetelmä oikeaoppisesti käytettynä edistää kasvien jalostusta, sekä eläinten ja ihmisten terveyden edistämisessä. He Jiankui, Nature, https://www.nature.com/articles/d41586 018 07634 0 10

Kudosteknologiassa Voidaan käyttää soluja, kudosten kasvua stimuloivia tekijöitä ja biomateriaaleja vaurioituneiden kudosten hoitoon ja korvaamiseen Biomateriaali on mikä tahansa materiaali, pinta tai rakenne joka on vuorovaikutuksessa solujen tai kudoksen kanssa jaotellaan nykyisin biohajoaviin tai ei-biohajoaviin materiaaleihin Bioteknologian kudosteknologiset sovellukset Varhaisimmissa kudossiirteissä uusiutumista/ paranemista edesauttava biomateriaali siirrettiin kudokseen Nykyisin biomateriaaliin istutetaan jo laboratoriossa soluja, jotka edesauttavat kudoksen korjautumista Uusimmassa tekniikassa biomateriaali, solujen kasvutekijät sekä siirrostettavat solut voidaan aplikoida oikeanlaisessa kolmiulotteisessa muodossa bioprinttauksella Tutkijatohtori Anni Mörön haastattelu 3D bioprinttauksen mahdollisuuksista, ja tutkimuksesta Tampereen Yliopistossa:https://areena.yle.fi/1 50110698 11

Lääketieteellinen bioteknologia tulevaisuudessa Yksilöllistetty lääketiede (personalized medicine) farmakogenomiikan keinoin Geenitestausten jälkeen jokaiselle juuri oikeanlainen sairauksin ennealtaehkäisy, ja sairastuttaessa lääkehoito Geeniterapia CRISPR hoitojen jälkeen korjattu solujen toiminta Ihmisen varaosat Uusien kantasolutekniikoiden kautta uusia kudos varaosia Uusien biomateriaalitekniikoiden kautta nopeammin integroituvia kudossiirteitä Työtehtävät biotekniikan ja bioteknologian aloilla Työtehtävät vaihtelevat tutkimuksesta ja tuotekehityksestä teolliseen tuotantoon ja ympäristövalvontaan. Työ tehdään pääasiassa laboratorioissa nykyaikaisilla välineillä tai teollisuuden tuotantolaitoksissa, mutta tehtävistä riippuen työhön voi kuulua myös palavereja, asiakastapaamisia sekä maastossa tapahtuvaa näytteiden ottoa... suuri osa työskentelee tutkimuksen parissa yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa tai bioalan yrityksissä. Ammattinetti/ bioteknologia http://www.ammattinetti.fi/ammattialat/detail/7/95fc3e77c03 15a8d00b7fe45eaf9ab6e;jsessionid=08A3731FF029CF40D38BE 8684E218D91 Biotekniikka / bioteknologia nykyisinä ammatteina https://toissa.fi/working life/show/109 12

~ 50% toimii tutkimuksessa, erilaisissa laboratoriotehtävissä, kuten laboranttina tai bioanalyytikkona ~ 30% toimii suunnittelutehtävissä tai laatututkimuksessa, kuten esimerkiksi laatuinsinöörinä Mitä taitoja ja tietoa tarvitaan bioteknologia alalla tulevaisuudessa? https://www.youtube.com/watch?v=2d0rj0m6dvs https://www.youtube.com/watch?v=2xauafdfev0 Mitä tapahtuu, kun laboratoriot automatisoituvat? http://pathologyserviceinc.com/leica bond max.html 13

Millaisia taitoja tarvitaan teollisen biotekniikan aloilla tulevaisuudessa? Solu ja molekyylibiologian ja mikrobiologian osaaminen Fysiikka, kemia ja insinööritaidot (mm. lämmönsiirto, virtaustekniikka) Prosessiosaaminen skaalaus hallinta ja suunnittelu Automaatio Yleiset taidot Luovuus ja ongelmanratkaisu Vuorovaikutustaidot Systeemiajattelu Millaisia taitoja tarvitaan bioteknologian alalla tulevaisuudessa? Vahva biokemian, solu ja molekyylibiologian substanssiosaaminen Kyky oppia uutta Kyky yhdistellä asioita laaja alaisesti Luovan ajattelun taidot Resilienssi, eli kyky pärjätä vastoinkäymisistä huolimatta Sosiaaliset ja vuorovaikutustaidot Lähteet: PubMed, medline haku hakusanana bioteknologia https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=biotechnology, Teollisen biotekniikan jaottelu: https://www.biotalous.fi/wp content/uploads/2015/12/teollisen_bioteknologian_kasvupolut_poyry.pdf ipsc tuotto: Takahashi et al. et al. Cell 2007 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0092867407014717?via%3dihub ipsc lääketestauksessa: Lahti et al Dis model Mech 2012 http://dmm.biologists.org/content/5/2/220.long Morizane et al Nat Commun 2017, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc5577234/ hipsc kudossiirteitä ikärappeumaan https://www.nature.com/news/pioneering cell transplant shows vision and promise 1.21757 CRISPR tekniikka: Jinek et al Science 2012, https://science.sciencemag.org/content/337/6096/816.long CRISPR off target: https://www.nature.com/articles/nbt.4221 CRISPR Kiinalaisiin kaksosiin: https://www.nature.com/articles/d41586 018 07573 w Rasvan kantasoluista luuta: Seppänen & Miettinen, Duodecim, 2014, https://www.duodecimlehti.fi/lehti/2014/19/duo11882 Mesenkymaalisten kantasolujen käyttö: Andrzejewska et al Stem Cells 2019, https://stemcellsjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/stem.3016 Rasvan kantasolujan terapeuttinen käyttö: Miana, & Gonzalez, ecancermedicalscience, 2018 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc5880231/ Bioprinttaus: Ma et al Advanced Drug Delivery Reviews, 2018, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0169409x18301509 Ammattinetti: http://www.ammattinetti.fi/ammattialat/detail/7/95fc3e77c0315a8d00b7fe45eaf9ab6e;jsessionid=08a3731ff029cf40d38be8684e218 D91, Selvitys työelämätaidoista kemian alalla / luonnontieteellisissä opinnoissa: https://www.loimu.fi/filebank/2368 Tyoelamaopinnot_luonnontieteissa_2013.pdf 14