Den stora utmaning som vi idag står inför inom biovetenskapen är att förstå den enorma komplexitet som livsprocessernas signalerings- och regleringsmekanismer svarar för. Vi har idag till vårt förfogande en samling metoder som helt har revolutionerat den biovetenskapliga forskningen. Som exempel kan nämnas att arvsmassan hos den traditionellt mest använda biotekniska mikroorganismen, dvs jästsvampen Saccharomyces cerevisiae, har kartlagts. Detta betyder att sammansättningen av dess 6000 gener nu är känd, vilket ger oss ett fantastiskt verktyg i det fortsatta arbetet. Genom ny teknik kan nu uttrycket av dessa 6000 gener samtidigt registreras genom en så kallad ”micro array” teknik. Dessutom kan vi med hjälp av elektroforetiska metoder samtidigt kvantifiera syntes av ca 1000 till 1500 proteiner. Nästa steg är att samtidigt mäta ett stort antal s k metaboliter, vilka är reaktionsprodukterna av de enzymkatalyserade reaktionsstegen i en cell eller organism. Det är inte svårt att förstå att dessa nya tekniker genererar ett mycket stort antal data, vilka på något sätt bör utvärderas i ett större förståelsesammanhang. Här träder nya forskningsområden in, såsom bioinformatik.
Det finns idag en stor kunskap om enskilda reaktionsprocessers reglering i en cell, även om där också fortfarande finns mycket stora kunskapsluckor. Om jag ånyo tar jästsvampen S. cerevisiae och dessutom använder den sedan 100 år kända omvandlingsprocessen från socker till etanol och koldioxid (dvs etanoljäsning) som exempel, så kan man kanske tro att det mesta är känt. Så är inte fallet. Omvandlingen från sockrets glykos till pyrodruvsyra, via den så kallade glykolysen och vidare till koldioxid och etanol via två jäsningssteg, har visat sig vara mer komplex i fråga om reglering av flödet än vad säkert någon från början ens kunde drömma om. Tar vi bara sockerupptaget som exempel, alltså transporten av sockermolekylen genom cellmembranet, så visar det sig att mer än 20 proteiner (flertalet benämns HXT följt av en siffra; se illustration) är inblandade i denna transport. Forskning som bedrivs idag går bland annat ut på att först skapa så kallade noll-mutanter, där generna för alla glukostransporterande proteiner först tagits bort, varefter gen för gen återinsätts för att på så sätt tillåta studier av funktionen av varje enskilt protein. Detta molekylärbiologiska arbete måste dock kompletteras med andra tekniker och studier för att bli framgångsrikt.
Med ett annat exempel från samma process med jästsvampen S. cerevisiae, men med frågeställningen ”Kan vi öka etanolutbytet genom att reducera biprodukten glycerol?” önskar jag belysa hur vi genom att styra omgivningsbetingelserna kan styra cellernas produktbildning. Detta kallas ”physiological engineering” till skillnad från när genetisk ingenjörskonst används, så kallad ”genetic engineering”. Även om man med hjälp av genetiska modifieringar av arvsmassan kan tänkas ersätta glycerolbildningen med någon annan process, så lär slutresultatet bli att en substratförlust i någon typ av biproduktbildning fortfarande är fallet under anaeroba betingelser. Förklaringen till detta ges i illustrationen; en nödvändig ”turn over” av reducerande ekvivalenter (NADH) sker med hjälp av glycerolbildningen. Denna ”turn over” kan också åstadkommas med hjälp av andningsprocessen, såvida syrgas finns tillgängligt. För att åstadkomma korrekta förhållanden krävs kontrollerade, men mycket små flöden av luft till systemet. Regleringen av ett luftflöde kan exempelvis ske via feed-back kontroll från jästsvampens egen gasomsättning (syrgas och koldioxid) via masspektrometer, varvid konstanta förhållanden kan vidmakthållas. Allt mer talar för vikten av att utnyttja hela verktygsarsenalen i utveckling och kontroll av en bioteknisk process, varför olika kompetensområden ständigt måste arbeta tillsammans för att de mest effektiva lösningarna skall kunna nås.
En förenklad schematisk presentation av flödet från sockrets glykos till huvudprodukterna etanol och koldioxid under etanoljäsning i jästsvampen Saccharomyces cerevisiae. Biprodukter i etanoljäsningen är glycerol, acetat, andra organiska syror samt jästsvampens egen biomassa. Vid frånvaro av luft finns ingen möjlighet att undvika glycerolbildning, vilket dock är möjligt vid mikro-aeroba förhållanden, det vill säga i närvaro av små mängder syrgas.
Varför har jag då valt att ta denna mycket gamla process, etanoljäsning med hjälp av jästsvampen S. cerevisiae, som exempel på modern bioteknik. Anledningarna är flera. Jästsvampen S. cerevisiae är ett utmärkt modellsystem för eukaryota system, dvs den typ av cellsystem som människan själv består av. På grund av detta har jästforskningen under senare år tilldragit sig ett allt större medicinskt intresse. Dessutom används denna jästsvamp redan idag som produktionssystem för heterloga molekyler, alltså komponenter som är artfrämmande, t ex komponenter av mänskligt ursprung. Jästsvampens ekonomiska betydelse i traditionella processer såsom öl-, vin- och annan dryckesproduktion är mycket stor. Vi kan också inkludera möjligheten att producera etanol för bränsleanvändning med jästsvampen S. cerevisiae. Vad gäller produktion av bränsleetanol, så deltar vi i ett samarbete mellan GU och Chalmers i det nationella så kallade ”Etanolprogrammet”, vilket syftar till att framställa bränsleetanol ur skogsråvara. Främsta anledningen till denna nationella satsning är att i framtidens fordonspark minimera netto-utsläppet av koldioxid genom att använda förnyelsebara råvaror för bränsleproduktion. Detta är i allra högsta grad exempel på en process som kräver insatser från vitt skilda kunskapsområden, alltifrån samhällsplanering och fordonsteknik till kemiprocessteknik och bioprocessteknik.
Sammanfattningsvis önskar jag med ovanstående exempel visa att biologin och därmed dess tekniska tillämpningar är på väg in i en helt ny fas, där enorma informationsmängder i cellens informationsflöde kommer att ge en ny och högre förståelsenivå genom att hela informationsmängden utvärderas i ett gemensamt sammanhang. Den resan kommer att generera värdefull kunskap, inte bara för förståelsen av olika biologiska system, utan också som bas för att utveckla nya produktionssystem med biologisk förebild. Genom att utnyttja gränslandet mellan olika kunskapsområden, kanske genom att dra helt nya skärningslinjer, så förväntas nya biotekniska processer utvecklas, producerande helt nya produkter. Vi har idag endast utnyttjat en bråkdel av den variationsrikedom som biologin erbjuder. Lägger vi till detta också möjligheten att kombinera ny teknik inom andra vetenskapsområden med ökat biotekniskt kunnande så att processer blandas med inslag av kemiska, fysikaliska, biologiska etc. steg, så blir variationsrikedomen än mer bedövande, spännande och lovande.
(Texten publicerades 1999 i skriften Ny kunskap.)