Fehérjemérnökség („protein engineering”)
Fehérjemérnökség („protein engineering”)
Húsz éve (még a génsebészeti technika felfedezése előtt) a Nobel-díjas Max Perutz egy félig-meddig humoros cikkben arról elmélkedett, hogy a 21. Században a molekuláris biológus egyetemi hallgatók olyanféle szigorlati feladatokat fognak kapni, hogy „Tervezzen meg egy olyan enzimet, ill. az enzimet kódoló gént, amely a következő kémiai reakciót katalizálja...!” Nos, ez az utópia közel van a megvalósuláshoz.
Mivel – hála a génsebészetnek – semmi akadálya nincs tetszőleges gén előállításának és a géntermék élő sejtben történő szintézisének, tervezhetünk és előállíthatunk tetszőleges fehérjét. A fejlődés egyik gátja, hogy az enzimműködés és -szerkezet közötti összefüggésről még nem tudunk eleget. A kutatók törekvése jelenleg elsősorban az, hogy ismert, gyakorlatban fontos enzimeknek valamilyen szempontból előnyösebb tulajdonságú variánsait tervezzék meg, állítsák elő (pl. a mosóporokban használt fehérjebontó enzimek magasabb hőmérsékleten működő vagy lúgnak jobban ellenálló változatait). Be kell azonban vallani, hogy a fehérjemérnökségben jelenleg nagyobb a véletlenszerű próbálgatás, mint a tudatos tervezés szerepe.
Az eddigiekben vázlatos áttekintést nyújtottunk az „új biotechnológia legfontosabb, alapjában véve a genetikai biokémiai kutatásból született módszereiről. Nem beszéltünk arról – bár ezt semmiképpen sem szabad figyelmen kívül hagyni -, hogy az általános műszaki haladás, a mikroelektronikai forradalom és az új technikák következményeként a biotechnológia felé áramló szellemi és anyagi erőforrások következtében a „hagyományos” biotechnológia is rohamos fejlődésnek indult és igen nagy mértékben megnőtt a fermentációs technológiák és tisztítási eljárások teljesítőképessége. (Fermentáció = erjedés: a gyakorlatban mikroorganizmusok ipari méretű tenyésztése).
Ezek után érdemes megvizsgálni, milyen gyakorlati eredmények születtek, ill. várhatók a közeljövőben e technológiák alkalmazásától.
Először is le kell szögezni, hogy az új technikák alkalmazása a hagyományos biotechnológia valamennyi ágában hihetetlenül kitágítja a lehetőségeket. Az antibiotikumok, ipari enzimek termelése, mikrobiológiai transzformációval nyert gyógyszerek, hormonok termelése, mikrobiológiai környezetvédelem, víztisztítás, érchasznosítás, tejipar, alkoholos erjesztés, egysejtfehérje-termelés, egyszóval valamennyi, mikroorganizmusok felhasználásán alapuló technológiai eljárás fejlesztése jelentékenyen hatékonyabbá válik, hiszen a véletlen mutációk kiválasztásán alapuló hagyományos törzsnemesítés helyét elfoglalhatja a tervezett, irányított génállomány-módosítás. Ennek sikeres példáit lehetetlen felsorolni, a lista naponta bővül.
Ennél lényegesen fontosabb az a génsebészet által kínált és korábban nem létező lehetőség, hogy mikrobiológiai fermentációval immár elvileg bármilyen emberi, állati, növényi vagy akár mesterséges, a természetben nem is létező fehérje vagy peptid korlátlan mennyiségben termelhető.
Első, közismert példa: 1982-ben az Egyesült Államokban gyógyszertári forgalomba került a bakteriális fermentációval gyártott emberi inzulin. Ezt a termékek hosszú sora követte: interferon, növekedési hormon stb. (interferon = vírusfertőzés hatására a szervezetben kis mennyiségben keletkező védőfehérje, alkalmazható vírusfertőzés, ill. egyes daganatos betegségek elleni védekezésre). Az inzulin vagy interferon esetében az új termék a régitől csak árban, gazdaságosságban különbözött. A növekedési hormon esetében azonban már igen lényeges tényező az is, hogy míg a halott ember hipofíziséből (agyalapi mirigyéből) előállított növekedési hormon súlyos vírusfertőzést okozhat (emiatt használatát több országban betiltották), a génsebészeti úton előállított terméknél nem fenyeget ilyen veszély. Ismét más fehérjék esetében a hagyományos előállítás korábban szóba sem jöhetett, olyan alacsony az anyag természetes koncentrációja.
E fehérjék teljes biológiai aktivitásához sokszor szükséges a molekula specifikus glikozilálása. (glikozilálás: az élő szervezetben egyes fehérjék az aminosavakon kívül jellegzetes szerkezetben elhelyezkedő cukorrészeket is tartalmaznak; az a folyamat, amelynek során e cukorrészek a fehérjére kerülnek – a glikozilálás). Ez baktériumsejtekben nem valósítható meg. Ilyen esetekben a teljes értékű fehérje előállítása tenyésztett állati sejtekben történhet. Ez természetesen jóval drágább eljárás, mint a bakteriális fermentáció, de értékes anyagok esetében így is kifizetődő.
Még nem valósult meg, de a jövőben lehetségessé válhat ilyen értékes, gyógyászati célra alkalmazható fehérjék termelése állatban vagy növényben is. Elképzelhető pl. hogy a burgonyagumóban halmozódhat fel az emberi hormon. Komolyan foglalkoznak azzal a gondolattal is, hogy az értékes, termelendő fehérje génjét szarvasmarha, vagy juh génállományába viszik be oly módon, hogy az a tejmirigyben, a tejfehérjék génjeivel együtt fejeződjék ki és a lefejt tejből legyen tisztítható. Érdemes megvizsgálni ennek gazdasági potenciálját. A vérzékenység egyes típusainak kizárólagos gyógyszereként alkalmazott úgynevezett VIII-as véralvadási faktor jelenlegi világpiaci ára kb. 25 000 USD/gr. A világ összes ilyen betegének évi teljes szükséglete kb. 1 kg, ennek értéke 15 millió USD. Nos, a becslések szerint, ha a tejből való tisztítás hatásfoka 10% (ez igen szerény becslés), akkor ezt a mennyiséget 10 transzgenikus anyajuh produkálni tudná.
A transzgenikus állatok és növények felhasználásának ezek csak távoli lehetőségei. Vannak sokkal közelebbi, laboratóriumi szinten már megvalósult példák is. A legismertebb az az egér, amelybe patkány növekedési hormon génjét ültették be, aminek következtében természetes méretének kétszeresére nőtt. Jelenleg intenzív kísérletek folynak hasonló sertés-, marha- és juhkonstrukciók létrehozására, abban a reményben, hogy így mind a hús-, mind a tejtermelés fokozható.
Laboratóriumi szinten már létrehoztak olyan transzgenikus növényeket, amelyek tartalmazták és kifejezték azt a Bacillus thuringlensis baktériumból származó gént, amely egy, a kártevő rovarokra mérgező toxin termelését irányítja. Ugyancsak megvalósult egyes gyomirtó szerek elleni rezisztenciát okozó gének áthelyezése és működtetése. Nagyon fontosak azok a már részben sikeres erőfeszítések, amelyek a legjelentősebb növényi fehérjék tápértékét akarják növelni az aminosav-sorrend és – összetétel módosításával. (A transzgenikus növények konstruálása terén a legfrissebb – a szó legszorosabb értelmében látványos – szenzáció a szentjánosbogár világítását okozó fehérjét kódoló gén bevitele dohánynövénybe. Ez a dohány sötétben világít és új képességét utódaira is átörökíti. A dohánynak és a szentjánosbogárnak ez a keresztezése az 50-es években divatos micsurin-viccekre emlékeztet, s konzervatívabb sci-fi szerző talán le sem merné írni, annyira bizarrnak tűnik – pedig valóság. Gyakorlati szempontból ez a növény persze csak kuriózum. A kutatásnak azonban rendkívül fontos eszköze, mert segítségével láthatóvá és mérhetővé tehető a növények egyes szerveiben és szöveteiben differenciáltan megnyilvánuló génkifejeződés).
Bármennyire igaz is az, hogy az „új” biotechnológia a tudomány és technika történetében példátlan módon közel hozta egymáshoz az alapkutatást és az eladható terméket, ez az út természetesen még mindig igen hosszú, költséges, fáradságos és kockázatos. A biotechnológia gazdasági potenciáljának megítélése még mindig sok bizonytalanságot tükröz. Mindenesetre a konkrét eredmények és a haszonnal dolgozó biotechnológiai vállalatok száma ma már elég nagy ahhoz, hogy józan előrejelzéseket lehessen tenni. A cikk végén közölt táblázat egy ilyen becslést mutat arról, hogy a világ teljes (emberi) gyógyszer- és diagnosztikumpiacán mekkora lesz az „új” biotechnológiai eljárásokkal gyártott termékek részesedése 1990-ben. (A hagyományos mikrobiológiai eljárások, így az antibiotikumgyártás nincsenek a táblázatban). A táblázatban szereplő termékek összesen a gyógyszeripar teljes termelési értékének (csak a humán gyógyszereket és diagnosztikumot véve alapul) mintegy 5%-át fogják kitenni. Ez a viszonylag szerény szám 1985-höz képest 70-szeres növekedést jelent (65 millióról 4,26 milliárd USD-ra).
Még két kérdés megtárgyalására kell feltétlenül kitérnünk. Az első: lehetséges-e az itt ismertetett technikák alkalmazása az emberre? A második: veszélyesek lehetnek-e az új technikával létrehozott élőlények az élővilágra, a környezetre, közvetlenül vagy közvetve magára az emberre? E kérdésekre a válaszok még nem teljesen egyértelműek.
Az ember genetikai manipulálásával kapcsolatban az olvasónak először valószínűleg Aldous Huxley Szép új világának futószalagon gyártott félemberei jutnak eszébe. E lehetőségről azonban nem érdemes beszélni. Nemcsak azért, mert ilyesmi jelenlegi tudásunk szerint lehetetlen, hanem inkább azért, mert bármilyen technika gonosz szándékú, emberellenes alkalmazása társadalmi probléma, a technikában ebben nincs sok szerepe. A náci orvosok genetikai kísérletei bizonyítják, hogy egy embertelen társadalomban génsebészet nélkül is végezhetők iszonyatos kísérletek; egészséges, civilizált társadalmakban viszont a hagyományos orvosi etika betartása elegendő biztosíték a rossz szándékú manipuláció ellen.
Egészen más problémát jelentenek a jó szándékú, terápiás, humánus célú alkalmazások etikai dilemmái. Az embrióátültetés pl. embernél is biztonságosan megvalósítható és már meg is valósult. Az is igaz viszont, hogy a „béranyák” által szült gyerekek számos etikai és jogi problémát vetettek fel, néhány ilyen per körül az Egyesült Államokban óriási viharok dúlnak.
A génsebészeti technika emberi alkalmazásának egyetlen komolyan tárgyalható lehetősége: egyes örökletes betegségek génterápiája, azaz a sérült gén hiányos működésének kompenzálása a gép ép formájának beépítésével. Ennek elvileg két útja lehet. Az egyik: az ép gén bevitele testi sejtekbe vagy azok egy csoportjába. Ez elképzelhető pl. úgy, hogy részleges csontvelő-átültetéssel viszik be a beteg emberbe a manipulált, ép gént tartalmazó sejteket. Ez az eljárás etikai szempontból nem különbözik bármilyen más elfogadott beavatkozástól (pl. művégtag vagy protézis beépítése), és mivel technikailag is kivitelezhető, valószínűleg a közeljövőben sor kerül az első ilyen kísérletekre.
Egészen más megítélés alá esik a másik út, a transzgenikus ember létrehozása, vagyis az új gén bevitele a megtermékenyített petesejtbe. Ez elvileg újszerű, az orvostudományban eddig példátlan beavatkozás, mert hatása öröklődik és az utódokat is meghatározza. Ilyen beavatkozásra egyelőre technikailag sincs lehetőségünk, mert az eljárás hatásossága és biztonsága állatkísérletekben is túl alacsony ahhoz, hogy gondolni lehessen az emberi alkalmazásra. Ettől eltekintve – feltételezve, hogy a jövőben e nehézségek áthidalhatók – erősen megoszlanak a vélemények arról, hogy szabad-e ilyen beavatkozást végezni.
Egy másik gyakran felmerülő és tisztázandó kérdés: jelenthetnek-e veszélyt az új technikákkal szándékosan vagy véletlenül létrehozott szörnyszülött élőlények, ha az emberi ellenőrzés alól kiszabadulva elszaporodnak. Ez a sci-fi irodalom szinte klasszikus alaptémája. A génsebészeti technika felfedezése után, a 70-es évek második felében e kérdés körül a tudományos világot is megosztó hatalmas vita dúlt. A vita anyaga ma már csak izgalmas tudománytörténeti dokumentum, mert a kérdést a vita hatására tudatosan megtervezett és kivitelezett kísérletek lényegében eldöntötték, legalábbis a tudomány világán belül.
Kiderült: alaptalan az a feltételezés, hogy a gének veszélyesebbek izolálva vagy más környezetben, mint eredeti gazdájukban. Egy rákvírus izolált génje nem veszélyesebb, mint maga a vírus, tehát ha az utóbbival szabad kísérletezni, nincs józan érv, ami indokolná az előbbivel végzett kísérletezés tilalmát. Kiderült, hogy bármilyen mesterségesen konstruált élőlény biológiailag alacsonyabb értékű a természetesnél, tehát versenyképtelen vele szemben. Bármilyen, emberi szempontból előnyös tulajdonság bevitelének ára van az élőlény szempontjából – ez éppúgy igaz a génsebészetre, mint a hagyományos nemesítésre. Nehéz elképzelni, hogy a vadonba kerülő tacskók elszaporodása kipusztulással fenyegetné a farkasokat. Az evolúció évmilliárdjainak hatalmas szűrőjét nem kerülhetik ki a konstruált élőlények. A DNS-sel bármit tehetünk, de egy gént csak akkor működtethetünk egy élő sejtben vagy élő egyedben, ha az nem veszélyezteti a gazda létét.
Természetesen az elmondottak nem jelentik azt, hogy laboratóriumban konstruált élőlények szándékos vagy véletlen kibocsátása a környezetben semmiféle veszéllyel nem járhat. Az emberiség számos példán tanulhatta meg (sajnos még mindig nem elég jól), hogy környezetének erőszakos megváltozatása néha milyen messzire vezető, nehezen kiszámítható következményeket vonhat maga után. E szempontból azonban nincsen elvi különbség az új biotechnológia mesterséges konstrukciói és a hagyományos beavatkozás között. Közismert pl. hogy a nyúl betelepítése Ausztráliába szinte természeti csapássá vált a múld században. Ezért ma minden ilyen lépést igen alapos és körültekintő vizsgálatoknak kell megelőzniük. Semmi ok nincs azonban annak feltételezésére, hogy a laboratóriumban konstruált élőlények esetében más megfontolásoknak kell érvényesülniük.
Az új biotechnológia tehát nem jelent apokalipszist, de eldorádót sem. Nincs szó palackból kiengedett gonosz dzsinnről vagy az emberiség fenyegető gondjait megoldó univerzális csodaszerről. Mint a műszaki-tudományos haladás megannyi más nagy jelentőségű vívmánya esetében, a felhasználás itt is az ember kezében van, a döntések a társadalomtól függnek.
Venetianer Pál
