Trygve Brautaset er professor i syntetisk biologi ved NTNU og leder for Senter for Digitalt Liv Norge (DLN). Brautaset har sin faglige bakgrunn innenfor industriell bioteknologi og særlig utvikling av biokjemiske cellefabrikker for produksjon av enzymer, biomaterialer og medisiner. Han har forsket på bruk av alternative råmaterialer som lignocellulose fra trevirke, mannitol fra tare og metanol produsert fra naturgass for industrielle bioprosesser. Brautaset har i alt publisert 60 vitenskapelige artikler og seks patenter. Brautaset var med i oppstarten av firmaet Biosergen AS, som utviklet nye antibiotika, og han er styremedlem i oppstartfirmaet Vectron Biosolutions, som produserer rekombinante medisiner.
Denne artikkelen er hentet fra boken Teknologien endrer samfunnet utgitt på Fagbokforlaget i 2017 (ISBN 978-82-450-2297-1).
Boken kan bestilles her: https://www.fagbokforlaget.no/sok/?q=978-82-450-2297-1
Bioteknologi er en såkalt «muliggjørende teknologi». Muliggjørende teknologier skaper grunnlag for store endringer og fremskritt i samfunnet. De muliggjørende teknologiene kan også påvirke hverandre og bidra til hverandres utvikling og nye produkter og tjenester. I Norge har vi grunn til å ha store forventinger til at bioteknologien koblet til våre naturressurser vil gi et betydelig innovasjonspotensiale i fremtiden. Bioteknologien kan bli en svært viktig næring for oss i fremtiden dersom vi gjør de rette tingene.
På 1970-tallet ble plasmidene og restriksjonsenzymene oppdaget. Disse oppdagelsene dannet basis for den rekombinante DNA-teknologien, og markerte et skifte fra den klassiske bioteknologien. Begrepet genmanipulering oppstod, og forskere kunne klone og endre på gener, først i virus og bakterier, senere i dyre- og planteceller. Dette var en betydelig revolusjon som åpnet helt nye muligheter for bioteknologien. Det var i realiteten her at begrepet «molekylær biologi» oppstod. Den første konkrete anvendelsen av den rekombinante DNA-teknologien var produksjon av insulin og veksthormon ved bruk av genmanipulerte bakterier. Insulin var fram til da ekstrahert fra grisevev, noe som er både kostbart og tungvint. Ved kloning av insulingenet i et plasmid (minikromosom) kunne vi nå produsere denne viktige medisinen kostnadseffektivt og forsvarlig i bakterier (figur 1). Den rekombinante DNA-teknologien utviklet seg hurtig og bidro til akselerert grunnleggende forståelse innenfor all biologi.
Figur 1 Mikrobiell produksjon av insulin ved bruk av rekombinant DNA-teknologi.
Utover 1990-tallet eksploderte utviklingen av særlig nye sekvenseringsteknologier for DNA. I kjølvannet av disse oppstod de såkalte omikk’-teknologiene, som gir det metodiske grunnlaget for en helt ny forståelse av celler, organer og hele organismer.
Det var særlig bioinformatikken som umiddelbart fikk stor betydning. Den neste store revolusjonen kalles genomikken og handler om at forskerne nå kunne lese og beskrive all informasjon i arvematerialet (DNA) til en organisme. Metoden for å sekvensere DNA ble oppfunnet på midten av 1970-tallet. Da det globale prosjektet HUGO (Human Genome Organization) – med det ambisiøse målet å sekvensere hele det menneskelige arvematerialet – ble igangsatt, oppstod begrepet genomikk. Prosjektet ble ferdig i 2001.
DNA-sekvenseringsteknologien utviklet seg betydelig som direkte årsak av dette arbeidet, og teknologien ble både raskere og billigere. Denne utviklingen har fortsatt i høy fart – og pågår ennå; DNA-sekvensering i dag er ekstrem raskt. I dag kan vi i praksis DNA-sekvensere alle levende organismer som finnes i naturen. I kjølvannet av denne massive sekvenseringen ble det utviklet dataprogrammer for å håndtere, sortere og analysere disse enorme datasekvensene. De omformes til biologisk meningsfull informasjon – dette kalles funksjonell genomikk.
Molekylærbiologien har fortsatt å endre seg raskt mot stadig mer bruk av tung instrumentering, automatisering og store data. Systembiologi oppstod som et nytt fagfelt som integrerer store biologiske datasett knyttet til matematiske modelleringer og gjør det mulig å forstå og predikere alle cellens funksjoner.
Senere oppstod syntetisk biologi. Innenfor dette fagområdet har forskere allerede bevist at de kan skape syntetisk liv på laboratoriet. Denne tredje revolusjonen benevnes konvergens, hvor ulike vitenskaper og teknologier bringes sammen for å løse komplekse bioteknologiske problemstillinger. Den oppstod på 2000-tallet, og vi er midt oppe i den; stikkord for denne utviklingen er store data, digitalisering, og tverrfaglighet.
Matematisk modellering er tungt inne i bioteknologi for å håndtere og tolke de enorme dataene som genereres særlig fra ulike omikk’-teknologier. I dag er en typisk forskningsgruppe innen bioteknologi et samarbeid mellom tradisjonelle bioteknologer, informatikere og matematikere.
Bioteknologien har vært i en eksponentiell utvikling. Dette har pågått noen tiår, og alt peker mot at denne utviklingen vil fortsette i årene som kommer. Stikkord for dagens bioteknologi er tung infrastruktur, store data, digitalisering og konvergens mot tverrfaglighet. Fra å tradisjonelt være hypotesedrevet har bioteknologien i økende grad blitt datadrevet. I dag er det vanlig at forskere fra mange ulike disipliner, inkludert matematikk, informatikk, fysikk og engineering, arbeider sammen i store prosjekter for å løse komplekse bioteknologiske problemer. Nedenfor ser vi på de viktigste teknologiske gjennombruddene som har utviklet den moderne bioteknologien.
Rekombinant DNA-teknologi
Begrepet «genetic engineering» står i dag stadig mer sentralt innenfor bioteknologien, og grensene for hva som er mulig å gjøre, skyves stadig. Kloning av sau og syntetisk liv har blitt demonstrert, og alt dette bunner i rekombinant DNA-teknologi. Siste ledd i utviklingen er gen-editering ved bruk av såkalt Crispr/Cas-teknologi – en enkel metode som kan brukes for en presis endring av arvematerialet til enhver type organisme. Innenfor matproduksjon har såkalt genetically modified organisms (GMO) lenge vært et kjent og kontroversielt begrep.
DNA-sekvensering
Selv om DNA-molekylets struktur ble kjent allerede i 1963, var det først 20 år etter at vi kunne lese den. DNA-molekylet er sammensatt av fire ulike byggesteiner, såkalte baser, som kjemisk er noe ulike. Enkelt benevnes disse A, G, C og T. Rekkefølgen av disse basene langs DNA-molekylet angir så en kodende sekvens, og denne sekvensen beskriver hvert enkelt gen. Dette er grunnleggende likt i bakterier, høyerestående dyr og mennesker. Gjennom særlig HUGO-prosjektet ble, som nevnt, raskere og billigere DNA-sekvenseringsteknologier utviklet, og denne utviklingen pågår fortsatt. I dag kan vi, ved bruk av kommersielle aktører, sekvensere alt arvematerialet til et menneske for mindre enn 1000 dollar. I kjølvannet har det blitt utviklet omikk’-teknologier som muliggjør en helt ny forståelse av celler, organer og hele organismer.
Omikk’-teknologiene
Genomikk ble raskt etterfulgt av transkritomikk, proteomikk, metabolomikk, fluxomikk og fenomenikk: såkalte omikk’-teknologier. Til sammen har disse beveget feltet fra genomikk til funksjonell genomikk, dvs. fra å lese arvematerialet til å virkelig forstå det. Genomikk er DNA-sekvensering som leser arvematerialet og finner gener og andre genetiske elementer. Transkriptomikk og proteomikk handler om å måle hvordan alle genene i en celle er regulert. Omikk’-teknologiene generer store og heterogene datasett med masse informasjon som krever bioinformatikk og matematiske modelleringer for å tolkes og fullt ut forstås. Kortfattet kan vi si at omikk’-teknologiene var basis for etableringen av det i dag sentrale fagfeltet system-biologi.
Bioinformatikk
Bioinformatikk dreier seg om PC-baserte metoder for å analysere, sortere og tolke sekvenseringsdata i DNA. En DNA-sekvens er i utgangspunktet ingenting annet enn en uendelig rekke med A, G, C og T i tilsynelatende tilfeldig rekkefølge. I virkeligheten ligger all informasjon om hele organismen lagret i denne sekvensen – klarer vi å forstå den? Bioinformatikken forsøker. Det mest opplagte den gjør, er å finne genene og beskrive dem. De fleste genene inneholder koder for enzymer som er cellens biokjemiske maskiner og besørger alle cellens funksjoner. Ved å finne og forstå genene er vi kommet langt. Men i mennesket er mindre enn 2 % av alt DNA-materialet gener – hva er resten? Dette vet vi ikke, og i dag er dette en av de store gåtene bioinformatikken forsøker å finne svar på. Mye tyder på at dette som før ble omtalt som søppel-DNA, har klare funksjoner innenfor genregulering, organisering og såkalt epigenetikk i cellen.
DNA-syntese
Alle levende celler kan utføre DNA-syntese. Dette foregår ved såkalt DNA-replikasjon og skjer ved celledeling hvor alt arvematerialet i en celle kopieres før cellen deler seg. Selve prosessen er drevet av spesialiserte enzymer, såkalte DNA-polymeraser. Et helt essensielt poeng her er at denne prosessen er templat-drevet. Med det menes at DNA-molekylet bruker seg selv som «oppskrift» til å kopiere seg selv. Med basis i nettopp naturlig replikasjon klarte forskere på 70-tallet å etablere denne prosessen på laboratoriet ved såkalt polymerase chain reaction (PCR)-teknologi. I korthet går dette ut på at vi benyttet oss av naturlige DNA-polymeraser, sammen med tilsatte DNA-byggesteiner A, G, C og T og et bestemt DNA-molekyl som templat. PCR-teknikken er rask og effektiv, og milliarder av kopier av DNA-templat syntetiseres på en times tid. I dag ønsker vi ofte å syntetisere en designet DNA-sekvens der et templat ikke finnes i naturen. Dette er også mulig å gjøre, men teknologien er mye mindre effektiv. Likefullt, det finnes i dag mange kommersielle selskap som syntetiserer DNA på oppskrift og bestilling fra forskere til overkommelig pris, og dette har fått stor betydning innen syntetisk biologi.
Modellering av cellen
Bioteknologien har lange tradisjoner for modellering; cellen og alle dens biologiske og biokjemiske funksjoner er velegnet for dette. Begrepet modellering har fått nytt innhold og betydelighet i kjølvannet av omikk’-teknologiene, og i dag har matematikere funnet sin plass som viktige aktører innenfor moderne bioteknologi. Matematikere utvikler helt nye måter og metoder for å analysere og sortere store datasett, og de kan også integrere heterogene data fra ulike omikk’-analyser. Modellering er viktig både for å forstå og for å designe nye strategier for genetic engineering innenfor molekylærbiologien.
Syntetisk biologi kan defineres som «hensiktsmessig design og konstruksjon av nye biologiske komponenter og systemer som kan utføre nye funksjoner for nyttige formål». (Brautaset T og Almaas E. 2015. Syntetisk biologi, i Mendels arv – Genetikkens era. Red. Hessen DO, Lie T og Stenseth NC. Gyldendal Norsk forlag AS. s. 303–329). Syntetisk biologi tar i bruk de siste teknologier og metoder innenfor DNA-syntese, DNA-sekvensering, nye kloningsmetoder, omikk’-teknologier, bioinformatikk, systembiologi og matematisk modellering.
I 2010 publiserte J. Craig Venter Institute (JCVI) skapelsen av den syntetiske bakterien Synthia. I stedet for å si at bakterien er syntetisk er det nok mer presist å si at den er basert på et kjemisk framstilt kromosom. Arbeidet med å lage Synthia krevde utvikling av helt nye teknologier for å kunne fremstille og fysisk håndtere slike store DNA-molekyler, og Craig Venter uttalte selv på pressekonferansen: «This is probably the first living creature on this planet whose parent is a computer». Synthia fikk stor internasjonal oppmerksomhet også utenfor de vitenskapelige kretser, og satte for alvor fagfeltet syntetisk biologi på kartet som en muliggjørende teknologi for vitenskapen og for den anvendte bioteknologien. Siden Synthia har det blitt arbeidet intenst med å videreutvikle disse teknologiene samt utvikle helt nye, særlig knyttet til bedre og mer effektive metoder for å fremstille, fysisk håndtere og overføre stadig større DNA-molekyler. Syntetisk biologi har i dag stor betydning innenfor den grunnleggende biovitenskapen, samtidig som teknologien åpenbart har store muligheter for ulike praktiske anvendelser.
Bioøkonomien og det grønne skiftet er sentrale politiske begreper både nasjonalt og internasjonalt. I en tid med klimaendringer og befolkningsøkning vender mange seg mot bioteknologien for å finne bærekraftige løsninger (figur 2). Kunnskapsdepartementets Nasjonal Strategi for Bioteknologi 2011–2020 og regjeringens nylig publiserte bioøkonomistrategi Kjente ressurser – uante muligheter, er to viktige dokumenter som skaper føringer og gir forventninger til bioteknologisk forskning og innovasjon i årene som kommer. Disse rapportene tar særlig for seg våre naturressurser til lands og til vanns, og bør gi oss unike muligheter for innovasjon og verdiskaping innenfor bioteknologien. Mange omtaler bioteknologien som den nye oljen. Dette er en meget vesentlig metafor for Norge i en tid med leting etter alternativ industri og løsninger som skal erstatte oljealderen. Bioøkonomistrategien peker særlig på betydningen av kunnskapsoppbygging og investeringer i forskning og innovasjon som en forutsetning for å lykkes. Videre fremheves viktigheten av samarbeid på tvers, satsing på nettverksklynger, forskningssentre og internasjonalt fokus. Hovedbudskapet er bedre og mer bærekraftig utnyttelse av våre fornybare biologiske ressurser. Begge rapportene støtter seg særlig til OECDs vurderinger og definisjoner, og vi ser her de hovedområdene hvor bioteknologien forventes å ha særlig potensial for verdiskaping og innovasjon i Norge.
Figur 2 Bioøkonomien og det grønne skiftet.
Bioteknologien har mange ulike anvendelsesområder. I dag skiller vi ofte mellom industri, landbruk, medisin og marint, gjerne assosiert med farger – henholdsvis hvit, grønn, rød og blå bioteknologi. Industriell bioteknologi handler i vesentlig grad om å transformere kjemiske industriprosesser til mer energi- og miljøvennlige bioteknologiske prosesser. De typiske produktene inkluderer biomaterialer, enzymer, biodrivstoff og en rekke andre kjemikalier. Det er en sentral forskningsoppgave å utvikle biokjemiske cellefabrikker for å syntetisere de nevnte produktene. Marin bioteknologi kan skje innenfor et bioraffineri, hvor biomasse fra havbruk og tang og tare utnyttes som råmateriale for bioteknologiske prosesser. Fotosyntetiske alger som produserer biomaterialer og biodrivstoff fra CO2 og sollys, er også et svært aktuelt forskningsområde. Marin bioprospektering handler om å lete etter mikroorganismer i havet som naturlig produserer forbindelser og materialer med medisinske eller andre anvendelser, for eksempel nye antibiotika. Et annet viktig område (særlig i Norge) er å utvikle bedre fiskefôr og sykdomsbekjempelse innenfor fiskeoppdrett. Innenfor landbruk er genmodifisert mat forbundet med mange kontroverser og ikke veldig relevant i Norge i dag, selv om det skjer forskning for å gjøre teknologien mer stueren og produktene bedre. Et annen viktig område under dette er utnyttelse av lignocellulose fra trevirke som råmateriale for produksjon av biodrivstoff. Borregaard i Sarpsborg har kommet svært langt innenfor dette feltet. Bedriften har et storskala pilotanlegg designet for nettopp denne type teknologi. Innenfor medisinsk bioteknologi er anvendelsene som regel knyttet til stamcelleforskning, genterapi og nanomedisin. Formålet kan være å utvikle en bedre, raskere og sikrere diagnose. Dessuten ønsker en å utvikle en målrettet og personbasert medisinering.
Mikroorganismer lager naturlig en rekke kjemiske forbindelser vi omgir oss med: antibiotika, pigmenter, fargestoffer, antioksidanter, biopolymerer og enzymer – for å nevne noen. Bakterier er enkle å genetisk modifisere og de kan dyrkes i svære bioreaktorer på billige vekstmedium. Med en generasjonstid på 10–20 minutter betyr dette at store celletall kan oppnås på kort tid. Ved bruk av syntetisk biologi kan vi utvikle nye og bedre cellefabrikker. Det pågår i dag en omfattende omlegging av kjemiske prosesser til langt mer bærekraftige bioteknologiske alternativer basert på slike biokjemiske cellefabrikker. F.eks. kan malariamedisinen artimisinin ekstraheres fra planten malurt, og den er derfor veldig krevende og kostbar å fremstille. Ved Universitetet i Berkeley USA har forskere ved bruk av syntetisk biologi laget mikrobielle cellefabrikker som kan produsere artimisinin. Det amerikanske bioteknologiselskapet Amyris har kjøpt patentrettighetene, videreutviklet teknologien og satt det hele i kommersiell produksjon. Syntetisk biologi anvendes også til å utvikle nye og bedre antibiotika, for produksjon av nye biobaserte materialer, avanserte biosensorer, biodrivstoff og en rekke spesialkjemikalier. Oljeselskapet Exxon Mobile investerte nylig 600 millioner USD i et prosjekt som går ut på å utvikle alger som kan omsette CO2 og sollys til bioenergi. Selskapet Chevron har på sin side investert 25 millioner USD i et prosjekt for omsetning av biomasse til produksjon av biodrivstoff ved bruk av slike biokjemiske cellefabrikker. Syntetisk biologi forventes også å kunne bidra vesentlig med løsninger innenfor klimatrusselen og vann- og energimangel.
I kontrast til alle mulighetene beskrevet ovenfor er bioteknologien også assosiert med aspekter knyttet til biosikkerhet, bioterror og biologisk krigføring. Det er en reell problemstilling at syntetisk biologi kan gjøre det mulig å skape patogene bakterier og virus for anvendelse innen bioterror og biologisk krigføring. Amerikanske forskere viste allerede i 2011 at de kunne fremstille fugleinfluensavirus på laboratoriet. Virus er betydelig mer primitive livsformer enn bakterier og således enklere å fremstille syntetisk på laboratoriet; med Synthia har forskerne allerede bevist at det er prinsipielt mulig å også fremstille humanpatogene bakterier for slike negative formål. Et motargument til denne frykten er at det allerede finnes en rekke dødelige og sykdomsfremkallende virus og bakterier i naturen. Det er derfor ikke et «behov» for å utvikle nye farlige mikrober for slike formål. Et annet argument er at teknologien for å fremstille slike fortsatt er svært krevende og avansert. Det vil være urealistisk å tenke seg denne teknologien anvendt av mer primitive grupper. Uansett: Dette er trusler og perspektiver med moderne bioteknologi som tas på alvor.
Basert på strategidokumentet Digitalt liv – konvergens for innovasjon samt en internasjonal evaluering som oppfordret til endringsvilje, lanserte Forskningsrådet ideen om et nasjonalt senter for digitalt liv som et nytt instrument for å bedre rigge oss mot fremtiden innenfor bioteknologi. Dette resulterte i etablering av Senter for Digitalt Liv Norge (DLN) i 2016, som har fokus på forskning, utdanning og innovasjon innenfor bioteknologi. DLN er et nasjonalt og virtuelt senter som ledes i samarbeid mellom de tre store universitetene i Norge, NTNU, UiO og UiB, som utgjør Nettverksprosjektet. Forskerprosjekter ledes av partnere fra andre universiteter og forskningsinstitusjoner i hele Norge.
DLN representerer en milepæl og bryter med den tradisjonelle organiseringen av forskningssentre, og har som mål å utvikle ny kunnskap og nye metoder innen bioteknologi. Krysningen mellom bioteknologi og digitale teknologier vil kunne gi store muligheter for alle de fire bioteknologiområdene helse, marint, landbruk og industri. Dette vil igjen bidra til å løse grunnleggende samfunnsmessige utfordringer, og DLN vil lede an i tverrfaglig forskning og utvikling. Senterets virksomhet inkluderer også viktige bidrag fra humanistiske og samfunnsvitenskapelige fag for å få en bedre forståelse av hvordan forskning og teknologiutvikling påvirker og blir påvirket av vårt samfunnet rundt oss. Visjonen for senteret er å gi et vesentlig bidrag til å øke innovasjonspotensialet fra norsk bioteknologisk forskning. Forskningsarbeidet skal skape økonomisk vekst og samfunns- og miljømessige verdier i alle de fire bioteknologiområdene hvor Norge har særlige konkurransefortrinn.5 Dette innebærer styrket satsing på digitalisering, tverrfaglighet og internasjonalisering samt trening og karriereutvikling av unge forskere som representerer fremtiden, og således er en hovedmålgruppe for senteret.
Forskningsprosjektene i DLN dekker mange viktige temaer innenfor alle fire bioteknologisektorene, inkludert hjerneforskning, bedre fôr og sykdomsbekjempelse i fiskeri og oppdrettsnæringen og utvikling av kunstig bukspyttkjertel for bedre behandling av diabetes. I tillegg må bl.a. nevnes miljøvennlig produksjon av betong, nye antibiotika, marine miljø, målrettet medisinering samt bedre enzymer for bioraffineriindustrien. Alle produktene og tjenestene har klare innovasjonspotensial, en tverrfaglig arbeidsmetodikk og utstrakt bruk av digitale verktøy. Norge ligger bak når det gjelder kommersialisering og industrialisering innenfor bioteknologien, og DLN forventes å kunne gi oss et betydelig løft på dette området.
Får ærespris for utvikling av banebrytende teknologi for å rasjonalisere høsting og ta bedre vare...
Automatiserte selvkjørende kjøretøy, såkalte autonome, førerløse kjøretøy, eller robotkjøretøy, er...
Norge var tidlig ute som robotnasjon med Trallfa-roboten, som ble lansert i 1966, og som ble...
Det er vel knapt noen som ikke har møtt begrepet «3D-printing» i en eller annen sammenheng i løpet...
Teknologi endrer samfunn, noe som knapt nok er en nyhet. Om vi betrakter alt som er oppfunnet...
Boken Det nye digitale Norge er en artikkelsamling som gir en oversikt over hvordan digitalisering...
Dette møtet tar opp Norges ambisjoner om utvinning av havbunnsmineraler og stiller spørsmålet om...
The Academy of Engineering in Poland (AIP) inviterer til webinar om offshore wind.
NTVA, GEAN og GCE Node inviterer til et felles seminar om geotermisk energi med særlig fokus på...
Det er ingen kommentarer her enda.
Du må logge inn for å kommentere.