3/2014

Biotekniikka tehostaa uusien lääkkeiden valmistusta

Robert Franzén ja Matti Karp

 

Orgaanisen kemian professori Robert Franzénin (vas.) ja biotekniikan professori Matti Karpin mukaan kehittyneillä bioteknisillä menetelmillä ja bioinformatiikan avulla voidaan tulevaisuudessa löytää parannuskeinoja esimerkiksi malariaan. TTY:n kemian ja biotekniikan laitoksen laboratoriossa on tutkittu muun muassa orgaanisten molekyylien bioaktiivisuutta.

 

Uuden lääkkeen kehittäminen perinteisillä menetelmillä kestää parikymmentä vuotta ja on huippukallista. TTY:llä pyritään valjastamaan bakteerit, homesienet ja muut mikrobit lääkekehityksen avuksi, jotta uusien lääkemolekyylien valmistus nopeutuisi.

– Lääkkeiden valmistus on perinteisesti ollut hyvin aikaa vievää ja kallista. Uuden lääkkeen kehittäminen vie noin 20 vuotta ja maksaa keskimäärin yli 300 miljoonaa euroa. Lääkepatentit ovat kuitenkin voimassa vain 20 vuotta, joten lääkkeen hyödyntämisaika jää lyhyeksi. Siksi tarvitaan aina parempia ja tehokkaampia menetelmiä lääkemolekyylien valmistukseen, sanoo orgaanisen kemian professori Robert Franzén TTY:n kemian ja biotekniikan laitokselta.

Maailmassa tunnetaan yli 60 000 lääkeaineeksi soveltuvaa molekyyliä, mutta uusia alkuperäislääkkeitä rekisteröidään vuosittain vain noin 150–200 kappaletta. Uusia lääkkeitä, joista useat ovat yksinkertaisia johdannaisia vanhoista, rekisteröidään huomattavasti enemmän.

Uusien lääkkeiden kehittämisessä hyödynnetään tietokoneavusteista lääkeainesuunnittelua, suurten lääkemolekyylijoukkojen automaattista tehoseulontaa ja yhä enemmän myös biotekniikkaa.

Pitkät ja monimutkaiset synteesireitit

– Lääkkeitä on perinteisesti valmistettu täysin synteettisesti. Monimutkaisia orgaanisia yhdisteitä tehdään monen eri vaiheen kautta prosessilla, jossa on jopa 20–30 välivaihetta. Tällainen valmistustapa on yleensä hyvin vaativa ja aikaa vievä, Franzén selittää.

Särkylääke aspiriinin synteesiprosessissa lähdetään liikkeelle eteenimolekyylistä. Tästä yhdisteestä valmistetaan ensin asetaldehydiä. Asetaldehydi muunnetaan etikkahapon anhydridiksi, sitten salisyylihapoksi, ja lopulta asetyylisalisyylihapoksi. Tällaisessa yksinkertaisessa lääkkeen valmistusprosessissa ei tarvita bioteknisiä menetelmiä. Mutta jos halutaan valmistaa huomattavasti monimutkaisempi lääkemolekyyli, jolla on muitakin vaikutuksia, on asia toinen.

– Tässä biotekniikka voisi tulla mukaan kuvioon. Sen avulla voisi vähentää synteesiaskelmia ja valmistaa melko valmis lääkeaineaihio, jota voisi muuntaa kemiallisesti. Silloin ei tarvitsisi aloittaa valmistusprosessia ihan alusta. Biotekniikka voisi auttaa myös pullonkaulatilanteissa, joissa tavanomaisilla synteettisillä menetelmillä ei ole päästy toivottuihin tuloksiin.

Uusia lääkeaineita suomalaisesta metsästä?

Kasveja on käytetty kansanlääketieteessä jo tuhansia vuosia, ja kasveista löytyy edelleen farmaseuttisesti tärkeitä bioaktiivisia aineita. Tämänhetkisistä reseptilääkkeistä noin neljäsosa on suoraan kasviperäisiä tai kasvien sisältämien aineiden johdannaisia.

– Silti vain hyvin pieni osa maailman kasveista on tutkittu fytokemiallisesti niiden lääkeainepotentiaalia ajatellen, kertoo diplomi-insinööri Jenni Tienaho TTY:n kemian ja biotekniikan laitokselta.

Polttopisteessä sienet, neulaset, kannot ja kuori

Diplomityössään Tienaho tutki suomalaisista sieni-, mänty- ja kuusiuutteista löytyviä bioaktiivisia ominaisuuksia uudella menetelmällä, biosensoreilla. Niitä ei ole aiemmin käytetty metsäuutteiden bioaktiivisuuden tutkimiseen.

– Käytin bakteeri- ja hiivasensoreita, jotka oli geneettisesti manipuloitu tuottamaan valosignaali silloin, kun haluttu bioaktiivisuus löytyi. Bakteerisensorien avulla bioaktiivisia ominaisuuksia löytyi metsämännyn juuren sisällä kasvavista sienistä, männyn neulasista ja kannoista sekä kuusen sisäkuoresta, Tienaho sanoo.

Sieni-, mänty- ja kuusiuutteet vaikuttivat bakteereihin antioksidatiivisesti eli hapettumista estävästi. Niillä oli myös antimikrobiaalisia eli bakteerisolujen perimää vahingoittavia sekä oksidatiivisia vaikutuksia.

– Tulevan väitöskirjani tavoitteena on etsiä niitä aineita, jotka ovat vastuussa näiden bioaktiivisten ominaisuuksien tuottamisesta. Nämä yksittäiset molekyylit voisivat toimia uuden lääkeaihion pohjana.

 

Mikrobit tehokkaina biotehtaina

Penisilliini oli ensimmäinen löydetty luonnonaine, joka tuhoaa bakteereita. Sen keksi vahingossa Alexander Fleming, vuoden 1945 nobelisti, joka alkoi ihmetellä miksi bakteerit eivät kasvaneet homeläikän ympärillä. Sittemmin homeita on alettu käyttää myös muiden antibioottien tuottamiseen.

– Antibiootteja ja penisilliinin tyyppisiä orgaanisia molekyylejä valmistetaan teollisesti fermentoreissa, joiden koot vaihtelevat parista sadasta litrasta 100 000 litraan. Apuna käytetään bioteknistä prosessia, jossa hyödynnetään bakteereita tai homeita. Biotekniikka mahdollistaa tuotannon moninkertaistamisen, kertoo biotekniikan professori Matti Karp.

Kun mikrobeja eristetään luonnonaineista, niiden tehokkuus lääkemolekyylien tuottajina ei ole kehuttava. Mutta muuntamalla mikrobien aineenvaihduntaa, niistä saadaan Karpin mukaan huipputehokkaita biotehtaita, joilla pystytään valmistamaan suuria määriä haluttua molekyyliä.

Kolibakteeri – laboratorion uskollinen työjuhta

Myös bioinformatiikka vaikuttaa lääkekehitykseen. Kudosnäytteistä ja mikrobeista saatavan genomitiedon määrä lisääntyy huimasti, ja geeniperimän lukemisen hinta on romahtanut. Yhdistettynä kehittyneisiin tietojenkäsittelymenetelmiin tämä muuttaa osaltaan tapaa, jolla lääkkeitä kehitetään.

– Nykyään pystytään vertailemaan eri mikrobien genomin eli perimän sisältämiä geenejä toisiinsa. Tiettyjä geenejä niistä organismeista, joiden perimä on selvitetty täydellisesti, voidaan valita uusien orgaanisten lääkemolekyylien tuottajasysteemien pohjaksi. Yleensä tällainen tutkimus etenee Escherichia coli -bakteerin kautta. Se on tyypillinen ja pisimpään käytetty laboratorion työjuhta, Karp selittää.

Kehittyneillä bioteknisillä menetelmillä ja bioinformatiikan avulla voidaan tulevaisuudessa löytää parannuskeinoja esimerkiksi malariaan. Karpin mukaan tästä on jo näyttöjä. Kalliin, puista eristettävän malarialääke artemisiinin tuotanto on voitu biotekniikan keinoin muuttaa synteettiseksi. Tästä hyötyvät miljoonat köyhät, trooppisissa maissa elävät ihmiset.

Teksti: Leena Koskelaakso
Kuva: Petri Laitinen

 
Kerro kaverille
Keinoluumateriaalia suoraan leikkaussalin hyllyltä
Keinoluumateriaalia suoraan leikkaussalin hyllyltä
3/2014
Keinoluumateriaalia suoraan leikkaussalin hyllyltä
Biohajoava nivelimplantti kasvattaa suosiotaan maailmalla
Biohajoava nivelimplantti kasvattaa suosiotaan maailmalla
3/2014
Biohajoava nivelimplantti kasvattaa suosiotaan maailmalla
Tietokone tottelee hymyä
Tietokone tottelee hymyä
3/2014
Tietokone tottelee hymyä
Pinta pelottaa bakteeria
Pinta pelottaa bakteeria
3/2014
Pinta pelottaa bakteeria
Aivotutkimus harppaa eteenpäin EU:n jättihankkeessa
Aivotutkimus harppaa eteenpäin EU:n jättihankkeessa
3/2014
Aivotutkimus harppaa eteenpäin EU:n jättihankkeessa
Uusi tieto motivoi akatemiatutkijaa
Uusi tieto motivoi akatemiatutkijaa
3/2014
Uusi tieto motivoi akatemiatutkijaa
15 000 litran cocktail suoraan keuhkoihin
15 000 litran cocktail suoraan keuhkoihin
3/2014
15 000 litran cocktail suoraan keuhkoihin
Alumnien potentiaali hyötykäyttöön
Alumnien potentiaali hyötykäyttöön
3/2014
Alumnien potentiaali hyötykäyttöön
Miksi uusi vaate haisee?
Miksi uusi vaate haisee?
3/2014
Miksi uusi vaate haisee?
Yrityksen turvallisuustyö ulottuu myös vapaa-aikaan
Yrityksen turvallisuustyö ulottuu myös vapaa-aikaan
3/2014
Yrityksen turvallisuustyö ulottuu myös vapaa-aikaan
Pysäköinti muuttui maksulliseksi
Pysäköinti muuttui maksulliseksi
3/2014
Pysäköinti muuttui maksulliseksi
Tenure track -tehtävät ovat nyt avoinna
Tenure track -tehtävät ovat nyt avoinna
3/2014
Tenure track -tehtävät ovat nyt avoinna
Koska koodaaminen on joka tytön oikeus!
Koska koodaaminen on joka tytön oikeus!
3/2014
Koska koodaaminen on joka tytön oikeus!

Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.

Käyntiosoite:
Korkeakoulunkatu 10,
33720 Tampere

Postiosoite:
PL 527, 33101 Tampere

Puhelinvaihde:
03 311 511
ma–pe kello 8–16.15
kesällä ma–pe 8–15.45

Virallinen sähköpostiosoite:
tty.asiointi@tut.fi