fotosyntes
Våra framtida kemikaliefabriker
(Av
Natalie von der Lehr)
Med lite hjälp på traven skulle växterna kunna bli gröna fabriker som spelar en viktig roll i
försörjningen av den växande befolkningen med energi, mat och läkemedel.
V
i behöver lösningar som är baserade på teknologi.
Så sade många av de cirka 200
forskare som presenterade sina
nya forskningsrön på den 24e kongressen
som Scandinavian Plant Physiology Society
(SPPS) höll i slutet av augusti i Stavanger i
Norge. Gemensamt tema för många talare
var vikten av att lära sig mer om hur växter
producerar energi och värdefulla produkter
för att sedan kunna utnyttja och styra växternas kraft för att delvis lösa det globala
resursproblemet.
Fotosyntes är den process där växter omvandlar energin från solljuset och lagrar
den i kemiska bindningar (se faktaruta).
Det handlar om en process i många steg
som är mycket energikrävande i sig.
– Fotosyntes är en mycket ineffektiv process i växter. Bara en procent av den solenergi som
växterna tar upp omvandlas till någonting användbart som mat eller biomassa. Därför har vi försökt att
hitta ett sätt för att ta ut den
Poul Erik
tillverkade energin och proJensen
dukterna tidigare i händelsekedjan, innan det mesta går förlorat, säger Poul Erik Jensen, professor och forskare
vid Köpenhamns universitet.
Det artificiella systemet fungerar i ett
provrör i solljus.
Med den utgångspunkten har Poul Erik
Jensen och hans kollegor byggt ett artificiellt system. En av nyckelkomponenterna
är fotosystem I som använder solljus för att
transportera elektroner vidare i kedjan av
det fotosyntetiska systemet för att kunna
framställa metaboliska produkter. Den andra viktiga spelaren i det artificiella systemet
är cytokrom P450 som är ett stort komplex
av enzymer som katalyserar olika kemiska
reaktioner som är svåra att efterlikna i ett
provrör. Genom genfusioner kopplade forskarna ihop delar av fotosystem I och cytokrom P450 och uttryckte det hela i cyanobakterier. De första resultaten är positiva.
kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 9. September 2011
– Vi kan hålla provröret utanför fönstret
en solig dag i Kalifornien och se en reaktion, berättar Poul Erik Jensen.
Just nu har forskargruppen kommit fram
till en så kallad ”proof of principle”. Målet är
att på sikt kunna styra exakt vilka kemiska
föreningar systemet ska tillverka. Poul Erik
Jensen nämner både biobränsle och läkemedel som exempel. Men han förklarar också att resurserna som finns till förfogande
för att utveckla systemet beror mycket på
yttre faktorer som oljepriset och intresset
hos läkemedelsindustrin. Just nu tror han
mest på att tillverka läkemedel med hjälp
av det nya systemet.
– Vi skulle kunna utföra reaktioner på
ett billigare och mer naturligt sätt än med
organisk kemi. Vissa reaktioner är svåra
att utföra på ett labb och cyanobakterierna
skulle kunna hjälpa till, säger han.
Det finns två olika typer av fotosyntetiska
reaktioner hos växter. Skillnaden är hur mellanstegen i koldioxidfixeringen sker. Därför
kan man skilja mellan så kallade C3- och
C4-växter. I C3-växter tappas mycket av den
fixerade koldioxoden bort längs den långa
processvägen, upp till femtio procent kan
gå förlorat. Alexandra Maier, doktorand i Veronica Marinos forskningsgrupp vid Heinrich-Heine-Universitet i Düsseldorf,
Tyskland, presenterade ett system där
31
fotosyntes
hon systematiskt har förändrat vissa enzymer. Resultatet är en genväg genom fotosystemet, friskare och större växter och en
ökad produktion av biomassa.
Ky Young Park ifrån Sunchon National University i Sydkorea gav ett exempel på hur växter kan utnyttjas för att producera läkemedel. Hennes
forskning fokuserar på produktion av insulin i tobak.
– Tjugo procent av världens befolkning konsumerar sjuttio procent av insuKy Young Park linet som produceras idag,
säger hon för att understryka vikten av att hitta nya och effektiva sätt
att framställa insulin.
Insulin framställs vanligtvis i celler som
kallas för de Langerhanska öarna och som
finns i bukspottkörteln. Vid sjukdomen diabetes fungerar inte den kroppsegna produktionen av insulin längre. Personer med diabetes är därför beroende av konstgjort insulin.
För närvarande produceras det i bakterier.
Ky Young Park påpekar att tobak lämpar
sig särskilt bra för produktion av växtbaserade läkemedel då den kan odlas i stora
mängder i växthus och inte är en del av den
naturliga matkedjan. Det gör det möjligt att
kontrollera de genetiskt förändrade växterna.
Vid behov av mer insulin skulle man enkelt
kunna skala upp odlingen.
– Dessutom kan läkemedel som framställs
i blad eller frö förvaras länge utan kylning,
det är helt klart en fördel.
Insulinmolekylen består av två kedjor, A
och B, som hålls ihop genom en disulfidlänk.
Insulin tillverkas i den mänskliga kroppen
först som pre-proinsulin och processas därefter med hjälp av enzymer. Ky Young Park
utnyttjade denna kunskap och byggde ett
genkonstrukt som innehåller generna för
A- och B-kedjan, en signal för bearbetning
av enzymer och ett element för rening av insulinet från växter. Hennes analyser visar att
transgena växtceller som har transformerats
med konstruktet kan göra insulin och att molekylen uttrycks som hexamer i kristallform.
Artificiell fotosyntes - vid solljus skickas elektroner direkt från fotosystem I till
cytokrom P450 som kan driva en kemisk reaktion.
– Vi vet inte än om proteinet är funktionellt, det återstår att se. Men vi har lyckats
att framställa insulinmolekyler som ser ut
som de ska, det är ett bra första steg, säger
Ky Young Park.
I nästa steg ska forskargruppen göra transgena tobaksplantor och inte bara cellkulturer.
Sedan är målet att kunna utveckla framställningen av insulin i tobak vidare för att täcka
de framtida behoven av insulin.
Vitamin D är en steroid som syntetiseras i
den mänskliga kroppen med hjälp av solljus.
Det sker genom en omvandling av provitamin D3, och de molekyler som inte blir till
vitamin D3 omvandlas istället till kolesterol.
Växter har inga spårbara mängder av vitamin D, men det bildas sitosterol, som liknar det kolesterol som finns i människor.
– Då fick jag idén att få
växterna att producera vitamin D genom att mutera
enzymet som gör sitosterol, säger Daniele Silvestro, doktorand vid Köpenhamns universitet.
Hans första resultat från Daniele
Silvestro
växten Arabidopsis thaliana,
som ofta används som modellsystem inom
växtbiologin, visar att det fungerar. Genom
att slå ut genen DWARF5 förhindras bildningen av sitosterol och växterna producerar
istället vitamin D5.
– Man skulle kunna säga att man förskjuter jämvikten i reaktionen mot produktion
Cytokrom P450.
32
av vitamin D5, förklarar Daniele Silvestro.
Att det är vitamin D5 och inte D3 som bildas är bara positivt, anser han.
– Vitamin D5 har visat sig vara mindre toxiskt och skulle kunna användas för behandling av vitamin D-brist, säger han
I framtiden vill han framställa vitamin
D5 i ätbara växter, till exempel tomater. Antingen skulle man kunna få en extrados av
vitaminet genom att äta tomaterna eller så
skulle man kunna extrahera vitaminet och
ta det som kosttillskott i tablettform. Hans
förhoppning är att kunna framställa stora
mängder vitamin D5 i växter.
– Men först väntar tester på cellkulturer
och möss för att se att det verkligen fungerar, säger han. kb
Fotosyntes
Process där levande organismer tar hand
om energi från ljus och lagrar den i
kemiska bindningar.
Energirika syre-och kolhydratmolekyler
(biomassa) tillverkas av koldioxid och
vatten. Man pratar också om ”koldioxidbindning”.
Den kemiska formeln för koldioxidfixerande fotosyntes är
6H20+6CO2+ljus -> C6H12O6
(druvsocker)+6O2
Fotosyntesen är en lång process med
en rad katalysatorer och kemiska reaktioner i flera olika steg.
Fotosyntesen sker i särskilda strukturer – kloroplaster. Cyanobakterier liknar
kloroplaster.
Det finns två olika typer av fotosyntetiska reaktioner hos växter – skillnaden
är hur mellanstegen i koldioxidfixeringen
sker i växtens celler. Växter kan därför
delas in i C3- och C4-växter.
kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 9. September 2011
