Czy biotechnologia uratuje świat?

Jens Nielsen jest profesorem biologii systemowej na Uniwersytecie Technologicznym Chalmers w Göteborgu w Szwecji, gdzie kieruje badaniami nad metabolizmem drożdży. Jest jednym z liderów badań na polu inżynierii metabolicznej i koncepcji fabryk komórek – wykorzystania drożdży do produkcji różnego rodzaju chemikaliów, paliw i leków. Zajmuje się także ludzkim metabolizmem, w tym wpływem flory jelitowej na zdrowie człowieka.

Organizatorzy zapraszali go na konferencję Renewable Resources and Biorefineries od kilku lat. W końcu przyjechał – na Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu. Przy okazji 13. edycji konferencji, której UPWr był współorganizatorem, rozmawialiśmy o tym, czy możliwy jest świat bez ropy, jak bakterie w jelitach wpływają na nasze zdrowie i czy kiedyś to właśnie bakterie nas uzdrowią.

***

Potrafi pan wyobrazić sobie świat, w którym cały przemysł jest oparty na biomasie i fabrykach komórek?Trochę zależy od tego, jak zdefiniujemy przemysł... Kalkulacje pokazują, że nie jesteśmy w stanie wyprodukować tyle biomasy, żeby zastąpić wszystkie wykorzystywane dzisiaj paliwa. Ale zdecydowanie mogę sobie wyobrazić świat, w których wszystkie chemikalia –  te, których używamy teraz, i te, których będziemy potrzebować w przyszłości – są produkowane z biomasy. Tak jak część najważniejszych paliw, np. do samolotów. Jednak będziemy musieli polegać też na innych źródłach transportu, takich jak samochody elektryczne.

Jak właściwie działają fabryki komórek? Słyszałam, że można je porównać – w ogromnym uproszczeniu oczywiście – do produkcji piwa w tankach.

Zdecydowanie! Produkcja piwa i wina to klasyczne, wykorzystywane od lat procesy, w których drożdże przekształcają cukier w etanol. Dokładnie ten mechanizm wykorzystujemy w fabrykach komórek – jednak zamiast etanolu otrzymujemy interesujący nas produkt.

W reakcjach pobocznych, kiedy drożdże rozkładają aminokwasy i inne związki ze składników wyjściowych, otrzymujemy konkretne znaczniki smaków, które decydują o smaku piwa czy wina i o tym, że smakują tak zupełnie inaczej. W produkcji chemikaliów, którymi jesteśmy zainteresowani, tak programujemy cały proces, żeby reakcje poboczne ograniczyć do minimum – interesuje nas tylko produkt główny, docelowy.

Jeśli naukowcy wiedzą, jak wykorzystać drożdże do produkcji biopaliwa, biochemii czy bioplastiku – dlaczego to nadal nie jest powszechne? Chodzi o pieniądze czy raczej brak infrastruktury?

Najważniejszym problemem jest chyba za wysoki koszt rozwoju. Bo jesteśmy w stanie to dzisiaj zrobić, potrafimy zaprojektować fabryki komórek, w których koszt produkcji będzie konkurencyjny cenowo. Ale samo stworzenie procesu produkcji wymaga dużo czasu i jest bardzo drogie. Myślę, że w pewnym momencie i tak będziemy musieli znaleźć te pieniądze, ale chyba nie jesteśmy jeszcze na to gotowi.

Powiedzmy, że chcemy wyprodukować biopaliwo – musi być bardzo tanie, żeby konkurować z ceną ropy. Marża też jest więc bardzo, bardzo niska, a jeśli mamy już ogromny dług, bo przez lata inwestowaliśmy w B+R, to jest to problem. Dlatego przemysł jest oporny, niezbyt chętnie podejmuje się takich inwestycji. I to się nie zmieni tak długo, jak długo będzie się wahała cena ropy. Jeśli przedsiębiorcy mieliby pewność, że ropa kosztuje teraz np. 50 dolarów za baryłkę i zawsze w przyszłości będzie kosztowała te 50 dolarów – mogliby to uwzględnić w planach inwestycyjnych, wiedzieć, co i kiedy im się zwróci. Przy ciągle zmieniającej się cenie ropy to jest ryzyko na miliony dolarów, którego nikt nie chce się podjąć.

To teraz trochę zmieniając temat – jaki jest wpływ flory jelitowej na nasze zdrowie?

Wciąż tego nie wiemy. Chociaż wszystko wskazuje, że ten wpływ jest i to niemały. Wiemy już na przykład, że flora jelitowa cukrzyków zdecydowanie różni się od flory jelitowej ludzi zdrowych, że wiele różnych chorób – w tym również autyzm, depresja i inne zaburzenia psychiczne – mają powiązanie z jelitami. Ludzie z tymi chorobami też mają inną florę.

Pytaniem pozostaje jednak, co jest przyczyną, a co efektem. Czy choroba wywołuje zmianę, czy niektóre bakterie wpływają w konkretny sposób na chemię naszego organizmu, może nawet neurochemię, i w jakiś sposób przyczyniają się do choroby.

Ostatnie badania, przy których współpracujemy, identyfikują konkretne substancje produkowane przez bakterie jelitowe wpływające na receptory insuliny w komórkach wątroby. Kiedy naukowcy podali te substancje myszom, faktycznie zaobserwowali tę interakcję. Są to prawdopodobnie pierwsze badania dowodzące, że bakterie jelitowe mogą produkować substancje bezpośrednio wpływające na naszą fizjologię.

Więc teoria, która mówi, że jelita są jak nasz drugi mózg i odpowiadają również za nasze zdrowie psychiczne, może być prawdziwa?

Tak, musi coś w tym być, że mówimy „gut feeling” (ang. przeczucie, intuicja; gut = jelita). Ja jestem przekonany, że to prawda, ale mamy na to jeszcze mało naukowych dowodów. Z drugiej strony – jest ich za dużo, żeby mogły być tylko zbiegiem okoliczności.

Od czego w takim razie zależy stan naszych jelit? Od genów, diety?

Znowu – nikt tego jeszcze szczegółowo nie przebadał, ale najprawdopodobniej jest zdeterminowany zarówno przez geny, jak i przez nasz styl życia. Więc jesteśmy w tym skomplikowanym położeniu, gdzie nasze geny determinują kolonie w naszych jelitach, a to, co kolonizuje nasze jelita, wpływa na reakcje organizmu, na styl życia, składniki odżywcze, które przyjmujemy, i dalszy rozwój bakterii jelitowych. Ta interakcja jest trudna do rozwikłania.

Ostatnio bierzemy udział w ogromnych badaniach, w których mamy dostęp do danych dietetycznych i kompozycji mikrobioty jelitowej ponad 2 tys. osób. Problem w tym, że ludzie jedzą bardzo różnie i kiedy przychodzi do mówienia o tym, co zjedli… zazwyczaj nie są zbyt szczerzy. Będziemy więc robić zarówno sekwencjonowanie genomu, jak i mikrobioty jelitowej. I mam nadzieję, że po tych badaniach ostatecznie ustalimy, jaka jest zależność między skłonnościami genetycznymi, stylem życia, chorobami a stanem jelit.

Myśli pan, że jeśli lepiej zrozumiemy tę relację, będziemy też mogli wyleczyć niektóre choroby, podając konkretne bakterie? Podobno istnieją już takie terapie na raka.

Ta konkretna terapia była testowana na myszach z rakiem – niektóre z nich nie odpowiedziały na immunoterapię, ale zaczęły zdrowieć po podaniu brakujących bakterii. Takie wyniki są bardzo obiecujące i faktycznie pozwalają przypuszczać, że niedługo będziemy wykorzystywać bakterie do leczenia.

Już teraz łykamy przecież probiotyki, czyli tabletki z bakteriami, a jakiś czas temu w mediach było głośno o przeszczepach kału…

Przeszczepy kału, a razem z nim flory bakteryjnej jelit od zdrowego dawcy, są wykorzystywane do leczenia na przykład bardzo ciężkich infekcji okrężnicy, szczególnie wywołanych przez Clostridium difficile. To jest właściwie jedyne dostępne leczenie i działa, ludzie wychodzą z bardzo ciężkich stanów.

Teraz możemy sobie tylko wyobrazić możliwości, jakie będziemy mieli, kiedy zdobędziemy trochę więcej precyzji i nauczymy się programować tabletki z konkretnym celem, które „wypchną” z organizmu różne infekcje. Ale to się stanie.

A jeśli ktoś chce schudnąć? Powinien iść do dietetyka czy raczej do naukowca, biotechnologa?

(Śmiech) Kilka lat temu opublikowaliśmy wyniki badań nad metabolizmem komórek, w których zrobiliśmy matematyczne modele kompozycji bakterii jelitowych. Modele pozwalały przypuszczać, jak różni ludzie zareagują na różne diety, w zależności od ich flory jelitowej. Wszyscy mnie wtedy pytali, co zrobić, żeby schudnąć. Jednak najlepsza odpowiedź brzmi: jedz mniej, to zawsze działa (śmiech). Ale oczywiście ludzie chcieliby dostać łatwiejsze rozwiązanie niż zmiana ich nawyków.

W Skandynawii nikt nie ufa nauce, dosłownie nikt. Może z wyjątkiem projektowania samochodów. To Francuzi wierzą nauce bardziej niż inne społeczeństwa, więc nasi francuscy współpracownicy powtarzają, że gdyby dać im tak komputerowo zaprojektowane diety, wszyscy by się do nich stosowali. 

Ułożenie dobrej diety tradycyjnymi metodami też jest niesamowicie skomplikowane, więc może w przyszłości dietetycy będą wykorzystywać komputerowe modele do uzyskania większej precyzji. Nie wiem, czas pokaże.

To co będzie największym wyzwaniem biotechnologii w najbliższych latach czy dekadach? Nad czym teraz biotechnolodzy będą najciężej pracować?

W kontekście tego wszystkiego, o czym rozmawialiśmy, myślę, że w najbliższych latach zobaczymy przełom w większej ilości bioproduktów – bo mimo problemów, o których mówiłem, jest rosnące zapotrzebowanie na równowagę i tak zwany zrównoważony rozwój. Rośnie zainteresowanie konsumentów biochemią, bioopakowaniami do produktów, które kupujemy na co dzień w supermarketach. Przemysł chemiczny będzie musiał na to zapotrzebowanie odpowiedzieć. Podobnie będzie z biopaliwem do samolotów. Myślę, że czynniki polityczne połączone z oczekiwaniami konsumentów zapoczątkują, czy może raczej przyspieszą, bo to przecież już się dzieje, proces produkcji i wprowadzania w życie bioproduktów.

Jeśli natomiast chodzi o strefę leczniczą – w ciągu 10 lat powinniśmy mieć pierwsze leki bazujące na mikroorganizmach. Chociaż oczywiście łatwiej powiedzieć, niż zrobić.

mj