Genetycznie zmodyfikowane krowy, które produkują insulinę w mleku

Insulinę odkrył w 1921 roku Frederick Bantinh, który kilka lat potem otrzymał za to Nagrodę Nobla. Odkrycie to było przełomem w leczeniu cukrzycy. Insulina to hormon regulujący poziom glukozy we krwi. Bez niej poziom glukozy we krwi staje się zbyt wysoki, co prowadzi do cukrzycy i jej licznych powikłań. W 1955 roku Frederick Sanger ustalił sekwencję aminokwasową insuliny, za co także został uhonorowany Nagrodą Nobla. Jego prace pozwoliły zsyntezować insulinę.

Obecnie insulinę produkuje się metodami inżynierii genetycznej i wykorzystuje się do tego pałeczki okrężnicy. Bakteriom tym wszczepia się gen odpowiadający za produkcję ludzkiej insuliny i są one głównym źródłem insuliny medycznej. Podobne rozwiązania wprowadzono także w przypadku drożdży. Zanim opracowano te techniki chorzy na cukrzycę przyjmowali insulinę bydlęcą.

Teraz naukowcy z Uniwersytetu Illinois i Universidade de São Paulo opracowali nowy sposób wytwarzania insuliny. Okazuje się, że mogą ją produkować genetycznie zmodyfikowane krowy w swoim mleku. Autorzy badań wskazują, że ich metoda może wyeliminować niedobory leków i wysokie ich koszty dla osób chorych na cukrzycę.

Pomysł wykorzystania krów do produkcji insuliny nie jest nowy, ale dopiero w niedawnych badaniach potwierdzono, że da się to zrobić. Autorzy badań uważają, że stado tak zmodyfikowanego bydła mogłoby konkurować z obecnymi metodami produkcji insuliny, które opierają się na genetycznie zmodyfikowanych drożdżach i bakteriach.

Cukrzyca jest chorobą charakteryzującą się podwyższonym poziomem glukozy we krwi. Jest to spowodowane defektem pracy komórek beta trzustki, które wytwarzają insulinę, by ta obniżała poziom cukru we krwi. W cukrzycy typu 1 komórki beta są niszczone przez układ odpornościowy. W następstwie tego zanika zdolność wytwarzania insuliny.

W cukrzycy typu 2 zmniejszona jest wrażliwość tkanek na insulinę. Przez to organizm domaga się zwiększonej produkcji insuliny, co przekracza możliwości komórek beta. W rezultacie komórki beta nie działają poprawnie i poziom insuliny w organizmie maleje, choć nadal jest wytwarzana. Cukrzyca typu 2 jest najczęstszą postacią cukrzycy.

Naukowcy od lat głowią się, jak pomóc chorym na cukrzycę. W badaniach z 2020 roku z powodzeniem przetestowali na myszach nową technikę przekształcania ludzkich komórek macierzystych w komórki beta trzustki produkujące insulinę. Stan gryzoni z ostrą postacią cukrzycy, które zostały poddane terapii, szybko uległ poprawie. Poziom glukozy we krwi wrócił do normy i pozostał w tym stanie przez wiele miesięcy. Z kolei w badaniach sprzed roku uczeni przeprogramowali komórki macierzyste pozyskane z tkanki ludzkiego żołądka w komórki przypominające komórki trzustki wydzielające insulinę, znane jako komórki beta. Przeszczepy małych grup takich komórek odwracały objawy cukrzycy u myszy.

- Matka Natura zaprojektowała gruczoł sutkowy jako fabrykę do naprawdę wydajnej produkcji białka. Możemy wykorzystać ten system do produkcji białka, które może pomóc setkom milionów ludzi na całym świecie – powiedział Matt Wheeler z Uniwersytetu Illinois, główny autor publikacji.

W ramach nowych badań naukowcy wprowadzili odcinek ludzkiego DNA kodujący proinsulinę – białko przekształcające się w insulinę – do jąder komórkowych 10 zarodków krowy. Zarodki umieszczono następnie w łonie krów, które nie zostały poddane żadnym modyfikacjom. Z 10 krów tylko jedna zaszła w ciążę i urodziła transgenicznego cielaka.

Ludzkie DNA było celem ekspresji – procesu, w którym sekwencje genów są odczytywane i przekształcane w produkty białkowe – wyłącznie w tkance sutka. - W dawnych czasach po prostu wrzucaliśmy DNA i mieliśmy nadzieję, że zostanie wyrażone tam, gdzie tego chcemy. W dzisiejszych czasach możemy działać znacznie bardziej strategicznie i celowo. Używanie konstruktu DNA specyficznego dla tkanki sutka oznacza, że we krwi krowy ani w innych tkankach nie krąży insulina ludzka. Wykorzystuje się również zdolność gruczołu sutkowego do wytwarzania dużych ilości białka – powiedział Wheeler.

Po osiągnięciu dojrzałości płciowej transgenicznej krowy naukowcy podjęli próbę zapłodnienia jej przy użyciu standardowych technik sztucznego zapłodnienia. Próbowali zapłodnienia in vitro, sztucznego zapłodnienia, a nawet staromodnych metod. Jednak żadna z nich nie zakończyła się sukcesem. Ostatecznie wywołali laktację u krowy poprzez indukcję hormonalną.

Laktacja dała mleko, ale w mniejszej ilości niż po udanej ciąży. Mimo to w mleku wykryto ludzką proinsulinę i, co zaskakujące, insulinę. To pierwszy przypadek produkcji insuliny ludzkiej u bydła poddanego inżynierii genetycznej.

Spektrometria mas wykazała obecność peptydu C. W procesie tworzenia insuliny peptyd ten jest usuwany z proinsuliny. Sugeruje to, że mleko krowie przekształcało ludzką proinsulinę w insulinę. Wheeler przyznał, że ich celem było wyprodukowanie proinsuliny. Jednak okazało się, że krowa była w stanie przetworzyć ją samodzielnie na insulinę.

Insuliny i proinsuliny, które wymagałyby ekstrakcji i oczyszczenia przed użyciem, powstało około kilka gramów na litr mleka. Naukowcy nie są jednak w stanie dokładnie określić, ile insuliny zostanie wyprodukowane podczas typowej laktacji, ponieważ laktacja była indukowana hormonalnie, a objętość mleka była mniejsza niż oczekiwano.

Wheeler twierdzi, że jeśli krowa może wyprodukować 1 gram insuliny na litr, a krowa mleczna rasy holsztyno-fryzyjskiej może dawać 40-50 litrów mleka dziennie, to taka metoda produkcji dałaby duże ilości insuliny, zwłaszcza, że typowa jednostka insuliny wynosi 0,0347 miligrama.

Zespół badaczy planuje ponowne stworzyć zmodyfikowane genetycznie zarodki i zaimplementować je krowom z nadzieją, że uda mu się osiągnąć większy sukces w zakresie ciąży i pełnych cykli laktacji. Badacze mówią też o transgenicznych bykach, które mogłyby kojarzyć się z samicami, tworząc w ten sposób transgeniczne potomstwo, które będzie można wykorzystać do założenia specjalnego stada wytwarzającego insulinę.

Wheeler twierdzi, że nawet małe stado mogłoby szybko wyprzedzić istniejące metody produkcji insuliny — transgeniczne drożdże i bakterie. Co więcej, stado mogłoby tego dokonać bez konieczności tworzenia drogich obiektów i infrastruktury. - Widzę przyszłość, w której stado liczące 100 sztuk, odpowiadające małej mleczarni, będzie w stanie wyprodukować insulinę dla całego kraju. A większe stado? W ciągu roku moglibyśmy zaopatrzyć cały świat – powiedział Wheeler.

Źródło: University of Illinois College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences