Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

Kursus 3: Toidu kvaliteet ja ohutus

Teema 3: Geneetiliselt muundatud organismidelt (GMO) pärit toit ja teised produktid

Õppetund 1: Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik

Piim ja udar

Poola Teaduste Akadeemia

L.Zwierzchowski

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

Sisukord1. Biotehnoloogia ülesanded toidu tootmisel ja

meditsiinis2. Tähised loomade transgeneesi uuringutes3. Piima koostise modifikatsioonid 4. Udara biotehnoloogia – transgenees 5. Udaras ekspresseeruvate uute geenide

sisestamine 6. Piimavalkude geenide „parandamine”,

asendamine või inhibeerimine7. Piimavalkude, -rasva või -suhkru radu kodeerivate

ensüümide „parandamine”, asendamine või inhibeerimine

8. Udar kui bioreaktor9. Järeldused

Täiendav materjal: WP3T3L1.pdf

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

1. Biotehnoloogia ülesanded toidu tootmisel ja meditsiinis

Täiustatakse transgeensete loomade põllumajanduses ja meditsiinis kasutamise projekte. Transgeenide insertsioon või teised geenimanipulatsioonid võivad parandada põllumajandusloomade toodanguomadusi.

Kõige olulisemad eesmärgid loomade transgeneesis on järgmised:1) loomade kasvukiirus ja lihatoodang,2) piimatoodang ja piima kvaliteet,3) villatoodang ja villa kvaliteet,4) haigusresistentsus,5) parem või kontrollitud sigimine,6) tavaliselt mitteseeduva sööda seedimine, nt inositool-

heksafosforhape (C6H18O24P6) – vähem keskkonda vabanenud fosfaate.

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

2. Tähised loomade transgeneesi uuringutes

1980 Esimest korda saadi transgeenne hiir DNA mikroinjektsiooni teel sügoodi pronukleusse - Gordon jt.1982 Esimene liitgeen (roti GH liidetud hiire MT-sse) sisestatud hiire

genoomi – hiidhiir - Palmiter jt. 1985 Esimesed transgeensed põllumajandusloomad – küülikud, sead ja

lambad – saadi inimese GH geeni ja hiire MT promootori konstrukti abil - Hammer jt; Brem jt.

1986 Esimene transgeenne kala (vingerjas) inimese GH geeniga oli suurema kasvukiirusega - Zhu jt.1987 Transgeenne hiir lüpsis võõrvalku – lamba β-laktoglobuliini - Simons jt.1987 Transgeenne hiir lüpsis inimeste ravimit – koe plasminogeeni aktivaatorit - Gordon jt.

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

2. Tähised loomade transgeneesi uuringutes (järg)

1988 Transgeensed põllumajandusloomad – utt lüpsis inimeste ravimit– α–antitrüpsiini või hüübimisfaktor IX - Simons jt.

1989 Esimesed transgeensed linnud (kanad) geeniga, mis kodeerib lindude leukoosiviiruse ümbrisevalku - tekitab resistentsust leukoosile - Salter & Crittenden.1991 Transgeensed veised inimese laktoferriini geeniga (liidetud αS1- kaseiini promootor) saadi DNA mikroinjektsiooni teel IVF ootsüütidesse- Krimpenfort jt. 1992 Transgeenne „hiidkala” (lõhe) ainult kaladelt pärit konstruktiga AFP-GH - Du jt. 1997 Esimene transgeenne loom – utt lüpsab piimaga hüübimis-faktorit IX – saadi embrüokloonimise meetodil- Schnieke jt.2000 Eesmärgiga saada raviotstarbelist proteiini – lammaste pro-kollageeni (COLIA1) geen klooniti loote fibroblastist - McCreath jt.

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

3. Modifikatsioone piima koostises saab teha

sisestades uusi geene, mis ekspresseeruvad udaras.

1. Olemasolevate piimavalkude geenide ekspresseerumise inhibeerimine.

2. Piimavalkude geenide „parandamine” või asendamine.

3. Teiste piimanäärmetes ekspresseerunud geenide, mis kodeerivad piimavalkude, -rasva või –suhkru raja ensüüme, „parandamine”, asendamine või inhibeerimine.

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

4. Udara biotehnoloogia – transgenees (1)

Piim on inimese peamine proteiinide allikas – ligikaudu 30% tarbitavast proteiinist on piimaproteiinid. Enamus piimast ja inimeste poolt tarbitavatest piimatoodetest on lehmapiim, kuid me tarbime ka kitse- ja lambapiima.

Mäletsejate piim ei ole ideaalne toit inimestele ja toormaterjal piimatööstusele:1) kaseiinid, peamised piimaproteiinid, on vaesed väävlit sisaldavate

aminohapete (metioniini ja tsüsteiini) allikad;2) β–globuliin, peamine vadakuvalk, on samuti peamine allergogeenne piima

komponent;3) häired laktoosi imendumises on levinud ja võivad mõjutada inimese

seedetrakti talitlust (tingituna polümorfismist – mutatsioonidest, mis asuvad tuhat aluspaari (Kbp) enne laktaasi geeni 5-flanking piirkonda;

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

4. Udara biotehnoloogia – transgenees(2)

Mäletsejate piim ei ole ideaalne inimtoit ega tooraine piimatööstusele :

1) oma kõrge küllastumata rasvhapete sisalduse tõttu ei ole piimarasv väga tervislik toitaine inimestele;

2) madal valgusisaldus, kaseiini mitsellide suurus ja strukuur võivad mõjutada negatiivselt mõnede juustuliikide kvaliteeti;

3) oma halva lahustuvuse tõttu madalal temperatuuril võib laktoos e piimasuhkur mõjutada mõnede piimatoodete kvaliteeti, nt jäätisel;

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

Udar on soovitud ja väga sobiv objekt transgeneesiks:

1) see on ehtne käitis, kus proteiine toodetakse suurtes kogustes ja sekreteeritakse (eritatakse);.

2) piima koostist on võimalik muuta mitmel moel;3) õige geenikonstrukti ekspresseerumist transgeneesil kontrollitakse

koe- ja arenguastme spetsiifilisel meetodil;4) piim on “kehaväline vedelik” – eritatakse piimanäärmetest. Seda saab

kergesti koguda lüpsmise teel.5) põhimõtteliselt on piima tootmine piiratud piimanäärmega, mistõttu

bioloogiliselt aktiivseid proteiine eritatakse piimaga ja see ei kahjusta tema tootjat – transgeenset looma.

4. Udara biotehnoloogia – transgenees (3)

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

5. Uute, udaras ekspresseeruvate geenide sisestamine

Piima toiteväärtuse suurendamiseks sisestatakse geene, mis kodeerivad rohkelt väävlit sisaldavaid aminohappeid metioniini ja tsüsteiini.

1. k-kaseiini kodeerivate täiendavate geenide sisestamine suurendab piima resistentsust kuumutamisele, lühendab kalgendi koagulatsiooniaega, suurendab kaseiinikalgendi tugevust. Seega suureneb piimast toodetud juustu kogus ja kvaliteet.

2. Bakteritsiidsete proteiinide, nagu lüsosüümi, laktoferriini või antikehade ekspressioon udaras kaitseb udarat bakteriaalsete nakkuste (mastiidi) ja imevaid noorloomi soolenakkuste eest.

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

6. Piimavalkude geenide „parandamine”, asendamine või inhibeerimine (1)

Täiendavate fosforüleerumise kohti (fosfoseeriini blokid) kodeerivate järjestuste sisestamine piimavalgugeenidesse, nt kaseiinigeenidesse, rikastab piima kergesti imenduva kaltsiumfosfaadiga.

Täiendavate proteolüütiliste ensüümide liitumiskohtade sisestamine kaseiinigeenide kodeerivatesse järjestustesse lühendab juustu valmimise aega ja võib-olla suurendab modifitseeritud piimast valmistatud juustu kvaliteeti.

Mõnede piimavalgugeenide (nt ß-laktoglobuliini geeni) ekspressiooni inhibeerimine (inaktivatsioon, knock out) võib vähendada piima allergogeenseid omadusi.

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

6. Piimavalkude geenide „parandamine”, asendamine või inhibeerimine (2)

Uute reguleerivate järjestuste sisestamine piimavalgugeenide promootorisse võib suurendada või vähendada (mida iganes soovitakse) spetsiifiliste piimavalgugeenide ekspressiooni.

Mäletsejate piima (lehmapiima) “inimestele sobilikumaks tegemine”– veiste piimavalgugeenide asendamine, vähemalt osaliselt, vastavate inimese omadega.

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

7. Piimavalkude, -rasva või -suhkru radu kodeerivate ensüümide „parandamine”,

asendamine või inhibeerimine (1)

Piima rasvasisalduse vähendamine, piimarasva sünteesi raja ensüüme kodeeriva geeni või geenide ekspressiooni inaktiveerimine (knock-out). Lipiidide de novo sünteesi saab vähendada blokeerides atsetüül-CoA-dekarboksülaasi sünteesi. Lehmapiima rasvasisalduse vähendamine peab andma ka majanduslikku efekti. On kindlaks tehtud, et piima rasvasisalduse alandamine 3,8%-lt 2%-ni vähendab piimakarja söötmise kulusid ligi 22%.

Piimarasva koostise modifitseerimine, suurendades polüküllastamata rasvhapete osatähtsust, nt sisestades geeni, mis kodeerib D 9 desaturaasi.

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

7. Piimavalkude, -rasva või -suhkru radu kodeerivate ensüümide „parandamine”,

asendamine või inhibeerimine (2)

Laktoosisisalduse vähendamine piimas inhibeerides (knock-out) α-laktalbumiini geeni.

Piima laktoosisisalduse vähendamine imetajate piimanäärmes ekspresseerides seal imetajate laktaasi või bakteriaalset β-galaktosidaasi (LacZ geen) geeni.

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

8. Udar kui bioreaktorTransgeensete loomade udaras toodetakse praegu mitmeid inimsete biofarmatseutilisi proteiine

• Koe plasminogeeni aktivaator – küülik, kits• α-glükosidaas - küülik• Kasvuhormoon - küülik, kits• α-antitrüpsiin - utt• Hüübimisfaktor IX - utt• Hüübimisfaktor VIII – utt, emis• Proteiin C - emis• Erütropoietiin – utt, lehm, küülik• Anitrombiin III - utt• Laktoferriin - lehm

Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik. Piim ja udar

9. Järeldused

1. Biofarmakonide tootmine transgeensete loomade piimanäärmetes on reaalsus. Rekombinantsed, inimese ravi eesmärgil kasutatavad proteiinid, mis eraldatakse transgeensete loomade piimast, on peagi apteekides müügil.

2. Mäletsejate piima modifitseerimine on pikaajalisem eesmärk. Uued tehnoloogiad - sihtmärk-geeni modifitseerimine (gene targeting), homoloogne rekombnatsioon, geeni ekspressiooni inaktivatsioon (gene knock-out)- tuleb välja töötada ja täiustada enne, kui sellised modifikatsioonid on reaalsuseks saamas.

3. Püüded kasutada geenimanipulatsioone kasvukiiruse ja lihatoodangu suurendamiseks oli pettumus, v.a transgeensete kalade puhul. Ainult kaladelt pärit GH geeni konstruktiga kiiresti kasvavad kasvanduste kalad – lõhe, karpkala, tilaapia – ilmuvad peatselt turule.

4. Villakasvu ja kvaliteedi parandamine või haigusresistentsemad loomad on senini loomade aretuses ja toidu tootmises vähetähtsad ja vajavad edasist tehnoloogilist täiustamist.

5. Loomade geenimanipulatsioonid toidu tootmiseks ei ole ainult tehniline probleem. Selliste manipulatsioonide tunnustamine avalikkuse poolt on vajalik, k.a GMO toidu ohutus.