Fermenteringsteknologi

Fermentering findes overalt i dagligdagen. Mange ved, at man bruger fermentering til fremstilling af fermenterede madvarer som ost, yoghurt og øl – eller sauerkraut, kimchi og kombucha. Færre ved formodentligt, at fermentering også bruges til at fremstille vacciner, vitaminer og vaskemiddelenzymer.  Fermenteringsteknologi anvendes i den industrielle produktion af forskellige produkter ved hjælp af levende celler – f.eks. i biotekvirksomheder som Novo Nordisk, Novozymes og Chr. Hansen.

 

Forestil dig, at du har opdaget en mikroorganisme, der laver et interessant produkt, som du gerne vil producere ved fermentering. Der ligger gerne måneder og års arbejde i, fra at man har en idé til et produkt i laboratoriet, til man forsker og udvikler på fermenteringsprocessen, og videre til at man producerer det endelige produkt på et produktionsanlæg. Først skal produktet og dets potentielle værdi evalueres og estimeres. Der skal udvælges en produktionsorganisme, som kan fremstille produktet i den rette koncentration og/eller kvalitet. Teknologien passerer gennem tre stadier (se figur 1):

 

  1. Laboratorieskala: Cellernes vækst og stofomsætning studeres i små fermenteringstanke (1-10 L), hvor man forsøger at optimere produktionen, f.eks. ved ændring af vækstfaktorer som temperatur og pH.
  2. Pilotskala: Dette er mellemstadiet, hvor det bliver vurderet, om det er muligt at gennemføre fermenteringsprocessen i et industrielt omfang. Fermenteringen udføres i 100-1.000 L fermenteringstanke for at modellere produktionsforholdene for den endelige fermenteringsproces.
  3. Produktionsskala: Cellerne gror i en eller flere store fermenteringstanke (10.000-1.000.000 L), hvor de vokser og producerer det ønskede produkt i store mængder.

 

Fermentering i forskellig skala: laboratorie, pilot og produktionsskala.

Figur 1: Opskalering af en fermenteringsproces fra laboratorie- til produktionsskala. 

 

Overgangen fra laboratorieskala til produktionsskala betegnes opskalering, fordi kapaciteten af fermenteringstanken gøres større og større. Sideløbende med opskalering skal produktet godkendes af myndighederne, og der kan være mildere eller strengere regler, alt efter om produktet skal bruges i vaskepulver, madvarer eller lægemidler. Til sidst kan der opstilles et produktionsanlæg til fermenteringsprocessen, eller et tidligere produktionsanlæg kan tilpasses fermenteringsprocessen. Produktet kan nu produceres og markedsføres – og alle pengene, som man har investeret i fermenteringen, skal gerne vise sig at have været det værd.

 

I dette projekt beskæftiger vi os med fermentering i et industrielt perspektiv. Først og fremmest er der en introduktion til fermentering, hvor fermenteringsprocessen bliver defineret i forhold til de produkter, som der produceres. Vi lærer om mikrobiel vækst og produktion samt om den mængdeberegning, som ligger til grund for mikroorganismers stofskifte. Efterfølgende arbejder vi med mikroorganismer til brug som cellefabrikker. Vi beskæftiger os med delprocesserne i fermenteringsprocessen – fra upstream til downstream, hvor hele fermenteringsprocessen bliver sammenfattet i ét økonomisk regnestykke. Sidst men ikke mindst lærer vi om fermenteringstank og -udstyr, som sikrer de optimale forhold for mikrobiel vækst og produktion.

 

Teori:

Teori kan findes på følgende undersider – de er opgivet i kronologisk rækkefølge. Hvert emne har tilhørende arbejdsspørgsmål som kan findes i bunden af hver underside. Efter du har læst teorien og svaret på arbejdsspørgsmålene kan du gå videre til de tilhørende cases, digitale øvelser og laboratorie-eksperimenter som kan findes nedenfor.

 

 

Cases:

Projektets tilhørende cases. Case 1 er udarbejdet i samarbejde med Chr. Hansen og omhandler produktion af farvestoffer. Case 2 tager udgangspunkt i produktion af enzymer hos Novozymes og Case 3 beskriver produktionen af insulin hos Novo Nordisk.

 

 

Chr. Hansen – Produktion af Farvestof

Karmin er et kraftigt rødt farvestof, der produceres naturligt af skjoldlusen Dactylopuis coccus. Det er nu lykkedes forskere at producere stoffet ved hjælp af fermentering. Farvestoffet anvendes som tilsætningsstof i føde- og drikkevarer under E-nummeret E120. Det kan være, at du kan genkende det på varedeklarationen den næste gang, du køber slik, sodavand eller røde pølser. Derudover bruges farvestoffet også til farvning af tekstiler og kosmetik – især læbestift, hvor karmin er det allermest anvendte farvestof.

Skjoldlusen lever på kaktusplanter i Mellem- og Sydamerika. For at producere karmin skal man indsamle skjoldlusene, hvorefter man kan frigøre karmin ved at tørre og knuse skjoldlusene (se figur 1). Der skal bruges 100.000 skjoldlus for at lave ét kilo af det naturlige farvestof – det er rigtigt mange skjoldlus!

 

Bladlus fra kaktus giver rød farve

Figur 1. Skjoldlusen Dactylopuis coccus lever på kaktusplanter, hvor den ernærer sig med fugten og næringsstofferne i kaktussen. Skjoldlusen har en hvid farve, men den bliver rød, når man knuser dens skjold. Dette skyldes, at knusningen frigiver et rødt farvestof, nemlig karmin.

 

Biotekvirksomheden Chr. Hansen er en verdensførende producent af naturlige farver. I samarbejde med forskere på Københavns Universitet (KU) og Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har virksomheden forsøgt at efterligne skjoldlusens farveproduktion ved fermentering. Der er flere forskellige grunde til, at det kan være interessant at producere et farvestof som karmin på denne måde. Særligt er lusepriserne eksploderet, fordi man i stigende grad erstatter syntetiske farver med naturlige farver som karmin. Lusene er derudover følsomme overfor sygdom og klimaforandringer. Derfor er prisen på karmin meget svingende: i perioder hvor der lusene trives godt, er farvestoffet billigt, og i perioder hvor lusene trives skidt, er det rigtigt dyrt.

 

I en virksomhed som Chr. Hansen er man interesseret i at skabe en proces, der kan stabilisere farvepriserne og sikre en tilstrækkelige mængde karmin til markedet – i dette tilfælde ved en fermenteringsproces.

 

Skjoldlusen har omtrent 18.000 gener. Det er derfor et puslespil at udvælge og indsætte netop de gener, som koder for produktion af det røde farvestof. Efter at have kortlagt de mellem 5 og 50 gener som formodentligt er vigtige for skjoldlusens farveproduktion, forsøgte forskerne at overføre generne til to slags cellefabrikker: gærceller og skimmelsvampeceller. Gær er en meget enkel organisme med en meget simpel metabolisme, og derfor er det nemt at se, hvordan generne kommer til udtryk i gær. Skimmelsvamp er derimod en mere kompleks organisme, der er udstyret med en sofistikeret metabolisme, der gør, at skimmelsvamp allerede udtrykker gener til fremstilling af lignende farvestoffer.

 

Men man kan ikke bare overføre et gen fra et insekt til en gær- eller skimmelsvamp og forvente, at det virker. Derfor har forskerne anvendt flere forskellige videnskabelige strategier for gensplejsning – og ved hjælp af en plan A, en plan B og en plan C, D og E lykkedes det endeligt forskerne at producere karmin i en cellefabrik. I dag har Chr. Hansen patent på teknologien, der gør det muligt at fremstille farvestoffet ved en fermenteringsproces.

 

Nysgerrig efter mere? Biotech Academy har et undervisningsprojekt om naturstoffer. Klik her.

 

Arbejdsspørgsmål:

  • Er karmin en primær metabolit eller en sekundær metabolit?
  • Hvilke fordele og ulemper er der ved at fremstille et naturstof som karmin ved fermentering fremfor ved traditionelle produktionsformer?
  • Hvilke andre naturstoffer kan man i dag fremstille ved hjælp af fermentering?

 

 

Novozymes – produktion af enzymer

Enzymer bliver brugt overalt i hverdagen: de renser dit vasketøj for skidt og snavs, ligesom de bruges til fremstilling af alt fra ketchup til medicin. Industrielle enzymer fremstilles af plante- og dyremateriale eller af mikroorganismer. Nogle enzymer forekommer naturligt kun i små mængder, mens andre enzymer bliver fremstillet i organismer, som er svære at pleje og passe. Heldigvis kan man ved hjælp af bioteknologi lave mikroorganismer, der kan fremstille og udskille et særligt enzym i store mængder.

 

Enzymer er proteiner, der bruges som katalysatorer for de kemiske reaktioner i cellen. På denne måde hjælper enzymer cellerne med at opbygge og nedbryde stoffer. Men enzymer er også brugbare for mennesker: derfor anvendes enzymer i en stigende grad ved industrielle processer indenfor produktion af vaskemidler, papir, tekstiler og læder, biobrændsel, mad- og drikkevarer, lægemidler – og meget, meget mere!

 

Enzymer har en vifte af egenskaber, der gør dem velegnede til mange og alsidige gøremål. For det første er enzymer hurtige, dvs. de virker ved at forøge hastigheden for den katalyserede reaktion. For det andet er enzymer specifikke, dvs. de ofte virker ved én bestemt reaktion, hvor et specifikt substrat omdannes til et produkt. Og for det tredje er enzymer effektive, dvs. at der findes enzymer, der fungerer under milde forhold for temperatur og pH, såvel som enzymer, der er tilpasset barske forhold såsom ekstrem kulde, ekstrem varme eller ekstreme pH-værdier. Disse egenskaber gør tilsammen enzymer til et bæredygtigt alternativ til f.eks. kemikalier, som man også bruger industrielt som katalysatorer af diverse kemiske reaktioner.

 

Biotekvirksomheden Novozymes er en verdensførende leverandør af industrielle enzymer, heriblandt vaskemiddelenzymer. I en virksomhed som Novozymes udnytter man, at naturen allerede har løsningerne til nogle af de problemer, som mennesker møder i hverdagen. For eksempel kan det være, at man gerne ville fremstille et enzym, der kan bruges til tøjvask ved lav temperatur: da kan man lede efter skidt- og snavs-nedbrydende enzymer fremstillet af organismer, der trives i kolde miljøer. Novozymes arbejder med industrielle enzymer ud fra den følgende fremgangsmåde (se figur 1):

 

  1. Find det rette enzym. En prøve fra jorden eller havet indeholder flere millioner mikroorganismer, og hver mikroorganisme producerer hundrede eller tusinde enzymer. Ved screening af disse mikroorganismer kan man være heldig at opdage et enzym med de helt rigtige egenskaber.
  2. Find det rette gen. Det er nødvendigt at lokalisere den DNA-sekvens i organismen, der gør, at den fremstiller enzymet. Når genet er blevet isoleret, kan man forbedre enzymet på flere forskellige måder.
  3. Overfør det rette gen. Ved at overføre genet til en velkendt bakterie- eller svampecelle, laves der en produktionsorganisme, som vokser hurtigt, og som producerer enzymet i store mængder.
  4. Find de rette betingelser. I en fermenteringstank deler produktionsorganismen sig til millioner og atter milliarder af celler. Fermenteringstanken skal sikre de helt rigtige betingelser for temperatur, pH og iltforsyning for optimal vækst og produktivitet af produktionsorganismen.

 

Udvikling af nye enzymer

Figur 1. Fremgangsmåden for udvikling af et nyt enzym: Find det rette enzym, find det rette gen, overfør det rette gen, og find de rette betingelser. På denne måde overføres egenskaben for at fremstille enzymet fra en organisme, der lever i naturen, til en produktionsorganisme, der trives i en fermenteringstank.

 

Novozymes bruger bakterier og svampe som cellefabrikker til at producere industrielle enzymer. De fleste produktionsorganismer tilhører enten Bacillus (som er bakterier) eller Aspergillus (som er skimmelsvampe) – og langt de fleste af deres enzymer bliver produceret af Aspergillus oryzae. På denne måde fremstilles over 90% af alle industrielle enzymer i dag af mikroorganismer.

 

Nysgerrig efter mere? Biotech Academy har et undervisningsprojekt om enzymer. Klik her.

 

Arbejdsspørgsmål:

  • Hvilke enzymer er med til at fremstille produkter, som du bruger i din hverdag?
  • Hvordan kan man forbedre et enzym ud fra dets gen?
  • Hvorfor er skimmelsvampen Aspergillus oryzae en særligt anvendt produktionsorganisme til industriel produktion af enzymer?

 

 

Novo Nordisk – produktion af insulin

Lige nu er den medicinske brug af proteiner under rivende udvikling. Ved at overføre gener fra mennesker til bakterie- eller gærceller udnyttes mikroorganismerne som cellefabrikker, der producerer humane proteiner: disse proteiner kan efter oprensning anvendes som medicin til mennesker. Et pragteksemplar på et sådant protein er insulin (se figur 1). Insulin er et hormon, som har en vigtig rolle i reguleringen af blodsukkeret – faktisk betragtes insulin som et af kroppens mest betydningsfulde hormoner. Grundet dets betydning i biologien har insulin været indblandet i store gennembrud indenfor videnskaben – og bioteknologien i særdeleshed.

 

Struktur af insulin

Figur 1. Humant insulin. Insulin er et protein, der består af to peptidkæder, nemlig en A-kæde på 21 aminosyrer og en B-kæde på 30 aminosyrer. A-kæden og B-kæden er bundet til hinanden vha. to svovlbroer, og derudover er der endnu en svovlbro i A-kæden. Køers insulin afviger fra humant insulin ved tre aminosyrer – og grises insulin er afvigende ved blot én enkelt aminosyre.

Diabetes (sukkersyge) er en sygdom, hvor blodets indhold af sukker er højere end det normale. Forhøjet blodsukker er skadeligt for kroppens blodkar, og over tid fører diabetes til andre følgesygdomme i bl.a. hjerte, nerver og blodkar. Ved diabetes er problemet enten, at bugspytkirtlen ikke producerer nok insulin (insulinmangel), eller at kroppens celler ikke bliver påvirket effektivt af den producerede insulin (insulinresistens). Insulin bruges til at behandle mennesker med diabetes, men det kan ikke helbrede dem for sygdommen – derfor er diabetikere normalt afhængige af regelmæssig behandling med insulin resten af deres liv.

 

Du ved måske allerede, at der bliver fremstillet store mængder insulin i Danmark. Medicinalvirksomheden Novo Nordisk er i dag Danmarks mest værdifulde virksomhed – den er faktisk mere værdifuld end Carlsberg, Danske Bank, Mærsk, Vestas og Ørsted tilsammen! I Novo Nordisk bruger man noget så almindeligt som den gær, man også bruger til at bage brød eller brygge øl. Gæren er blevet genmodificeret til at producere insulin. I dag er Novo Nordisk ansvarlig for produktionen af mere end halvdelen af den insulin, der bliver produceret på verdensplan. Men sådan har det ikke altid været: Historien om insulin tager os 100 år tilbage i tiden.

 

Insulin blev opdaget i 1921 af den canadiske læge Frederick Banting og hans assistent, den amerikansk-canadiske lægestuderende Charles Best. Allerede det følgende år blev den første person med diabetes behandlet med insulin. Den industrielle produktion af insulin tog hurtigt fart i den vestlige verden – også i Danmark, hvor den danske fysiolog August Krogh fik tilladelse til producere insulin, hvilket førte til oprettelsen af Nordisk Insulinlaboratorium (nu Novo Nordisk). På dette tidspunkt oprensede man insulin fra bugspytkirtlen fra køer og grise, men det var ikke uproblematisk. Insulin udvundet fra dyr kunne fremprovokere en voldsom eller endda dødelig allergisk reaktion i mennesker, hvis deres immunsystem reagerede på dyreinsulinen.

 

Interessen for insulin forsatte gennem årene. I 1978 blev insulin det første menneskelige protein, som produceredes ved hjælp af genteknologi. Det skete ved, at man tog et DNA-stykke fra menneskets DNA, som styrer menneskekroppens produktion af insulin, og overførte det til en bakterie: Nu kunne man producere humant insulin, der var præcis ligesom menneskets eget insulin. Man var ikke længere afhængige af bugspytkirtler fra køer og grise, og man kunne producere insulin i næsten ubegrænsede mængder. I 1987 fik Novo Nordisk tilladelse til at producere insulin med genmodificeret gær som produktionsorganisme, og denne produktionsform er måden, hvorpå Novo Nordisk stadig fremstiller insulin i dag.

 

Overgangen fra den traditionelle produktion af insulin til fremstillingen af insulin i mikroorganismer ved fermentering var epokegørende for den måde, man udtænker og udvikler medicin til mennesker. I Novo Nordisk har man for eksempel anvendt genteknologi til at skabe en modificeret version af det naturligt forekommende insulin. Modificering af insulinmolekylet har resulteret i langsomt- og hurtigvirkende varianter, der giver mennesker med diabetes bedre mulighed for at opleve naturlig regulering af blodsukkeret. På denne måde bruges bioteknologi til at gøre livet bedre for mennesker over hele verden.

 

Nysgerrig efter mere? Biotech Academy har et undervisningsprojekt om diabetes. Klik her.

 

Arbejdsspørgsmål:

  • Hvorfor er det bedre at behandle mennesker med humant insulin fremfor med dyreinsulin fra kvæg og svin?
  • Hvorfor valgte Novo Nordisk mon at producere humant insulin i gærceller fremfor bakterieceller?
  • Insulin er et eksempel på et GMO-produkt. Hvad er den generelle holdning til GMO? Og hvad er din egen holdning til GMO?

 

Case 1: Produktion af farvestof

 

Chr. Hansen – Produktion af Farvestof

Karmin er et kraftigt rødt farvestof, der produceres naturligt af skjoldlusen Dactylopuis coccus. Det er nu lykkedes forskere at producere stoffet ved hjælp af fermentering. Farvestoffet anvendes som tilsætningsstof i føde- og drikkevarer under E-nummeret E120. Det kan være, at du kan genkende det på varedeklarationen den næste gang, du køber slik, sodavand eller røde pølser. Derudover bruges farvestoffet også til farvning af tekstiler og kosmetik – især læbestift, hvor karmin er det allermest anvendte farvestof.

Skjoldlusen lever på kaktusplanter i Mellem- og Sydamerika. For at producere karmin skal man indsamle skjoldlusene, hvorefter man kan frigøre karmin ved at tørre og knuse skjoldlusene (se figur 1). Der skal bruges 100.000 skjoldlus for at lave ét kilo af det naturlige farvestof – det er rigtigt mange skjoldlus!

 

Bladlus fra kaktus giver rød farve

Figur 1. Skjoldlusen Dactylopuis coccus lever på kaktusplanter, hvor den ernærer sig med fugten og næringsstofferne i kaktussen. Skjoldlusen har en hvid farve, men den bliver rød, når man knuser dens skjold. Dette skyldes, at knusningen frigiver et rødt farvestof, nemlig karmin.

 

Biotekvirksomheden Chr. Hansen er en verdensførende producent af naturlige farver. I samarbejde med forskere på Københavns Universitet (KU) og Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har virksomheden forsøgt at efterligne skjoldlusens farveproduktion ved fermentering. Der er flere forskellige grunde til, at det kan være interessant at producere et farvestof som karmin på denne måde. Særligt er lusepriserne eksploderet, fordi man i stigende grad erstatter syntetiske farver med naturlige farver som karmin. Lusene er derudover følsomme overfor sygdom og klimaforandringer. Derfor er prisen på karmin meget svingende: i perioder hvor der lusene trives godt, er farvestoffet billigt, og i perioder hvor lusene trives skidt, er det rigtigt dyrt.

 

I en virksomhed som Chr. Hansen er man interesseret i at skabe en proces, der kan stabilisere farvepriserne og sikre en tilstrækkelige mængde karmin til markedet – i dette tilfælde ved en fermenteringsproces.

 

Skjoldlusen har omtrent 18.000 gener. Det er derfor et puslespil at udvælge og indsætte netop de gener, som koder for produktion af det røde farvestof. Efter at have kortlagt de mellem 5 og 50 gener som formodentligt er vigtige for skjoldlusens farveproduktion, forsøgte forskerne at overføre generne til to slags cellefabrikker: gærceller og skimmelsvampeceller. Gær er en meget enkel organisme med en meget simpel metabolisme, og derfor er det nemt at se, hvordan generne kommer til udtryk i gær. Skimmelsvamp er derimod en mere kompleks organisme, der er udstyret med en sofistikeret metabolisme, der gør, at skimmelsvamp allerede udtrykker gener til fremstilling af lignende farvestoffer.

 

Men man kan ikke bare overføre et gen fra et insekt til en gær- eller skimmelsvamp og forvente, at det virker. Derfor har forskerne anvendt flere forskellige videnskabelige strategier for gensplejsning – og ved hjælp af en plan A, en plan B og en plan C, D og E lykkedes det endeligt forskerne at producere karmin i en cellefabrik. I dag har Chr. Hansen patent på teknologien, der gør det muligt at fremstille farvestoffet ved en fermenteringsproces.

 

Nysgerrig efter mere? Biotech Academy har et undervisningsprojekt om naturstoffer. Klik her.

 

Arbejdsspørgsmål:

  • Er karmin en primær metabolit eller en sekundær metabolit?
  • Hvilke fordele og ulemper er der ved at fremstille et naturstof som karmin ved fermentering fremfor ved traditionelle produktionsformer?
  • Hvilke andre naturstoffer kan man i dag fremstille ved hjælp af fermentering?

 

Case 2: Produktion af enzymer

 

Novozymes – produktion af enzymer

Enzymer bliver brugt overalt i hverdagen: de renser dit vasketøj for skidt og snavs, ligesom de bruges til fremstilling af alt fra ketchup til medicin. Industrielle enzymer fremstilles af plante- og dyremateriale eller af mikroorganismer. Nogle enzymer forekommer naturligt kun i små mængder, mens andre enzymer bliver fremstillet i organismer, som er svære at pleje og passe. Heldigvis kan man ved hjælp af bioteknologi lave mikroorganismer, der kan fremstille og udskille et særligt enzym i store mængder.

 

Enzymer er proteiner, der bruges som katalysatorer for de kemiske reaktioner i cellen. På denne måde hjælper enzymer cellerne med at opbygge og nedbryde stoffer. Men enzymer er også brugbare for mennesker: derfor anvendes enzymer i en stigende grad ved industrielle processer indenfor produktion af vaskemidler, papir, tekstiler og læder, biobrændsel, mad- og drikkevarer, lægemidler – og meget, meget mere!

 

Enzymer har en vifte af egenskaber, der gør dem velegnede til mange og alsidige gøremål. For det første er enzymer hurtige, dvs. de virker ved at forøge hastigheden for den katalyserede reaktion. For det andet er enzymer specifikke, dvs. de ofte virker ved én bestemt reaktion, hvor et specifikt substrat omdannes til et produkt. Og for det tredje er enzymer effektive, dvs. at der findes enzymer, der fungerer under milde forhold for temperatur og pH, såvel som enzymer, der er tilpasset barske forhold såsom ekstrem kulde, ekstrem varme eller ekstreme pH-værdier. Disse egenskaber gør tilsammen enzymer til et bæredygtigt alternativ til f.eks. kemikalier, som man også bruger industrielt som katalysatorer af diverse kemiske reaktioner.

 

Biotekvirksomheden Novozymes er en verdensførende leverandør af industrielle enzymer, heriblandt vaskemiddelenzymer. I en virksomhed som Novozymes udnytter man, at naturen allerede har løsningerne til nogle af de problemer, som mennesker møder i hverdagen. For eksempel kan det være, at man gerne ville fremstille et enzym, der kan bruges til tøjvask ved lav temperatur: da kan man lede efter skidt- og snavs-nedbrydende enzymer fremstillet af organismer, der trives i kolde miljøer. Novozymes arbejder med industrielle enzymer ud fra den følgende fremgangsmåde (se figur 1):

 

  1. Find det rette enzym. En prøve fra jorden eller havet indeholder flere millioner mikroorganismer, og hver mikroorganisme producerer hundrede eller tusinde enzymer. Ved screening af disse mikroorganismer kan man være heldig at opdage et enzym med de helt rigtige egenskaber.
  2. Find det rette gen. Det er nødvendigt at lokalisere den DNA-sekvens i organismen, der gør, at den fremstiller enzymet. Når genet er blevet isoleret, kan man forbedre enzymet på flere forskellige måder.
  3. Overfør det rette gen. Ved at overføre genet til en velkendt bakterie- eller svampecelle, laves der en produktionsorganisme, som vokser hurtigt, og som producerer enzymet i store mængder.
  4. Find de rette betingelser. I en fermenteringstank deler produktionsorganismen sig til millioner og atter milliarder af celler. Fermenteringstanken skal sikre de helt rigtige betingelser for temperatur, pH og iltforsyning for optimal vækst og produktivitet af produktionsorganismen.

 

Udvikling af nye enzymer

Figur 1. Fremgangsmåden for udvikling af et nyt enzym: Find det rette enzym, find det rette gen, overfør det rette gen, og find de rette betingelser. På denne måde overføres egenskaben for at fremstille enzymet fra en organisme, der lever i naturen, til en produktionsorganisme, der trives i en fermenteringstank.

 

Novozymes bruger bakterier og svampe som cellefabrikker til at producere industrielle enzymer. De fleste produktionsorganismer tilhører enten Bacillus (som er bakterier) eller Aspergillus (som er skimmelsvampe) – og langt de fleste af deres enzymer bliver produceret af Aspergillus oryzae. På denne måde fremstilles over 90% af alle industrielle enzymer i dag af mikroorganismer.

 

Nysgerrig efter mere? Biotech Academy har et undervisningsprojekt om enzymer. Klik her.

 

Arbejdsspørgsmål:

  • Hvilke enzymer er med til at fremstille produkter, som du bruger i din hverdag?
  • Hvordan kan man forbedre et enzym ud fra dets gen?
  • Hvorfor er skimmelsvampen Aspergillus oryzae en særligt anvendt produktionsorganisme til industriel produktion af enzymer?

 

Case 3: Produktion af insulin

 

Novo Nordisk – produktion af insulin

Lige nu er den medicinske brug af proteiner under rivende udvikling. Ved at overføre gener fra mennesker til bakterie- eller gærceller udnyttes mikroorganismerne som cellefabrikker, der producerer humane proteiner: disse proteiner kan efter oprensning anvendes som medicin til mennesker. Et pragteksemplar på et sådant protein er insulin (se figur 1). Insulin er et hormon, som har en vigtig rolle i reguleringen af blodsukkeret – faktisk betragtes insulin som et af kroppens mest betydningsfulde hormoner. Grundet dets betydning i biologien har insulin været indblandet i store gennembrud indenfor videnskaben – og bioteknologien i særdeleshed.

 

Struktur af insulin

Figur 1. Humant insulin. Insulin er et protein, der består af to peptidkæder, nemlig en A-kæde på 21 aminosyrer og en B-kæde på 30 aminosyrer. A-kæden og B-kæden er bundet til hinanden vha. to svovlbroer, og derudover er der endnu en svovlbro i A-kæden. Køers insulin afviger fra humant insulin ved tre aminosyrer – og grises insulin er afvigende ved blot én enkelt aminosyre.

Diabetes (sukkersyge) er en sygdom, hvor blodets indhold af sukker er højere end det normale. Forhøjet blodsukker er skadeligt for kroppens blodkar, og over tid fører diabetes til andre følgesygdomme i bl.a. hjerte, nerver og blodkar. Ved diabetes er problemet enten, at bugspytkirtlen ikke producerer nok insulin (insulinmangel), eller at kroppens celler ikke bliver påvirket effektivt af den producerede insulin (insulinresistens). Insulin bruges til at behandle mennesker med diabetes, men det kan ikke helbrede dem for sygdommen – derfor er diabetikere normalt afhængige af regelmæssig behandling med insulin resten af deres liv.

 

Du ved måske allerede, at der bliver fremstillet store mængder insulin i Danmark. Medicinalvirksomheden Novo Nordisk er i dag Danmarks mest værdifulde virksomhed – den er faktisk mere værdifuld end Carlsberg, Danske Bank, Mærsk, Vestas og Ørsted tilsammen! I Novo Nordisk bruger man noget så almindeligt som den gær, man også bruger til at bage brød eller brygge øl. Gæren er blevet genmodificeret til at producere insulin. I dag er Novo Nordisk ansvarlig for produktionen af mere end halvdelen af den insulin, der bliver produceret på verdensplan. Men sådan har det ikke altid været: Historien om insulin tager os 100 år tilbage i tiden.

 

Insulin blev opdaget i 1921 af den canadiske læge Frederick Banting og hans assistent, den amerikansk-canadiske lægestuderende Charles Best. Allerede det følgende år blev den første person med diabetes behandlet med insulin. Den industrielle produktion af insulin tog hurtigt fart i den vestlige verden – også i Danmark, hvor den danske fysiolog August Krogh fik tilladelse til producere insulin, hvilket førte til oprettelsen af Nordisk Insulinlaboratorium (nu Novo Nordisk). På dette tidspunkt oprensede man insulin fra bugspytkirtlen fra køer og grise, men det var ikke uproblematisk. Insulin udvundet fra dyr kunne fremprovokere en voldsom eller endda dødelig allergisk reaktion i mennesker, hvis deres immunsystem reagerede på dyreinsulinen.

 

Interessen for insulin forsatte gennem årene. I 1978 blev insulin det første menneskelige protein, som produceredes ved hjælp af genteknologi. Det skete ved, at man tog et DNA-stykke fra menneskets DNA, som styrer menneskekroppens produktion af insulin, og overførte det til en bakterie: Nu kunne man producere humant insulin, der var præcis ligesom menneskets eget insulin. Man var ikke længere afhængige af bugspytkirtler fra køer og grise, og man kunne producere insulin i næsten ubegrænsede mængder. I 1987 fik Novo Nordisk tilladelse til at producere insulin med genmodificeret gær som produktionsorganisme, og denne produktionsform er måden, hvorpå Novo Nordisk stadig fremstiller insulin i dag.

 

Overgangen fra den traditionelle produktion af insulin til fremstillingen af insulin i mikroorganismer ved fermentering var epokegørende for den måde, man udtænker og udvikler medicin til mennesker. I Novo Nordisk har man for eksempel anvendt genteknologi til at skabe en modificeret version af det naturligt forekommende insulin. Modificering af insulinmolekylet har resulteret i langsomt- og hurtigvirkende varianter, der giver mennesker med diabetes bedre mulighed for at opleve naturlig regulering af blodsukkeret. På denne måde bruges bioteknologi til at gøre livet bedre for mennesker over hele verden.

 

Nysgerrig efter mere? Biotech Academy har et undervisningsprojekt om diabetes. Klik her.

 

Arbejdsspørgsmål:

  • Hvorfor er det bedre at behandle mennesker med humant insulin fremfor med dyreinsulin fra kvæg og svin?
  • Hvorfor valgte Novo Nordisk mon at producere humant insulin i gærceller fremfor bakterieceller?
  • Insulin er et eksempel på et GMO-produkt. Hvad er den generelle holdning til GMO? Og hvad er din egen holdning til GMO?

 

Forsøg og Øvelser:

Spørgsmål og øvelser

Arbejdsspørgsmål til teorien

Fermenteringsøvelse og data til øvelsen

Svar til spørgsmål og øvelser kan findes under lærervejledninger (kræver password)

 

Forsøg

Forsøgsvejledning: Vækstkurver og bestemmelse af cellekoncentration (anbefalet til 1.g/2.g)

Forsøgsvejledning: Vækstbetingelser og fermentering med cellekulturer (anbefalet til 2.g/3.g)

 

Det Virtuelle Laboratorium

Til dette undervisningsmateriale er der tilknyttet laboratorieøvelser i Det Virtuelle Laboratorium.

Her kan du prøve kræfter med udvikling og fremstilling af et produkt ved hjælp af genteknologi og fermentering i et laboratorium, der er bygget op ligesom et professionelt bioteknologisk laboratorium!

 

Øvelserne tilknyttet “Fermenteringsteknologi” er:

  • Enzymer til vaskemiddel
  • Produktion af insulin

 

Lærervejledning:

Lærervejledningen kan findes her.

 

 

Kildehenvisning:

Dette projekt er udarbejdet af Biotech Academy i samarbejde med FBM Initiativet på DTU. Det blev udgivet i marts 2021 og er blevet opdaterende løbende. Alle figurer er lavet med BioRender.com.

null

Leah startede på DTU i 2016 og læser på kandidaten i bioteknologi.

Leah Rahbek

null

Professor John M. Woodley har været sparringspartner på dette projekt.

Prof. John M. Woodley (Institut for kemiteknik, Danmarks Tekniske Universitet)

null

Lektor José Luis Martinez Ruiz har været sparringspartner på dette projekt.

Lektor José Luis Martinez Ruiz (Insitut for Bioteknologi og biomedicin, Danmarks Tekniske Universitet)

null

FBM Initiativet tilbyder forskningsbaserede ekspertuddannelser i fermentering. FBM Initiativet har været partner og sponsor på dette projekt.

FBM-Initiativet