sou · GUB370 · 2007-01-01 00:00:00 — DNA-molekylens struktur, och därmed den första insikten om hur molekylen kan bära, förmedla och kopiera information, klarlades av och . Ett mycket viktigt underlag till den molekylmodell som de presenterade kom från de studier av DNA i kristallform som gjordes av och . Ur upptäckten av DNA-molekylen sprang gentekniken som vetenskap på allvar fram. Denna vetenskap har utvecklats enormt under den och har lett fram till bl.a. att man har kartlagt det mänskliga genomet, dvs. den mänskliga uppsättningen av arvsanlag. Utifrån dessa kunskaper har t.ex. nya läkemedel kunnat tas fram. SOU 2006:70 Bioteknik – en bakgrund 45 Gener och DNA Begreppet gen kan inte förklaras utan att DNA-molekylen presenteras. DNA är en förkortning av deoxiribonukleinsyra (eng. deoxyribonucleicacid) och är den molekyl som utgör arvsmassan hos alla kända levande organismer samt hos flera virus. DNAmolekylen består av tusentals enheter, s.k. nukleotider. Varje enhet består av en fosfatgrupp, en sockergrupp och en kvävebas. Denna kvävebas kan vara adenin (A), tymin (T), guanin (G) eller cytosin (C). När man beskriver ordningsföljden mellan de olika enheterna i DNA-molekylen utgår man från kvävebaserna som ingår i den aktuella enheten. Härigenom skapas en informationskod som består av en kombination av de fyra bokstäverna A, T, G och C. DNA-molekylen utgörs av en dubbelspiral vilken närmast kan beskrivas som en vriden stege där varje stegpinne består av ett s.k. baspar, dvs. en kvävebas från vardera steghalvan som kopplar ihop med varandra i en s.k. komplementär basbindning. Kvävebaserna kan emellertid inte bilda baspar hur som helst. Adenin (A) bildar endast baspar med tymin (T) och cytosin (C) basparar endast med guanin (G). Bioteknik – en bakgrund SOU 2006:70 46 En kombination av tre nukleotider bildar koden för någon av de 20 naturligt förekommande aminosyrorna. Tripletten CCC utgör således kod för aminosyran prolin, tripletten TTT utgör kod för fenylalanin och tripletten GCA utgör kod för aminosyran . Med fyra bokstäver är det emellertid matematiskt möjligt att bilda 64 olika trebokstavskombinationer. Det finns med andra ord fler möjliga tripletter än det finns aminosyror. Detta beror på att samma aminosyra kan kodas på flera olika sätt. Aminosyran kan kodas med tripletterna GCA, GCC, GCG och GCT. Ett flertal amniosyror bildar ett protein. De tripletter av nukleotider som tillsammans kodar för ett protein ligger i en följd efter varandra i DNA-molekylen och utgör tillsammans en gen. Till genen räknas ofta också omkringliggande DNA-sekvenser som styr hur ofta och när genen används. Dessa styrelement kallas promotorer. Liv hos en organism bygger på att det förekommer aktivitet i den, dvs. att det skickas signaler om vad som skall ske i cellerna. I livsprocessen spelar proteiner en mycket central roll. De medverkar i uppbyggnads- och nedbrytningsprocesser samt kan ta emot signaler till en cell. Dessa proteiner är emellertid förhållandevis specialiserade och varje protein kan bara utföra ett fåtal uppgifter. Det fordras således en stor mängd olika proteiner för att hela livsprocessen skall kunna fungera. Människokroppen är uppbyggd av ca 100 000 olika proteiner. Proteinerna i fråga förbrukas , och det måste därför ske en kontinuerlig nyproduktion. Nyproduktion av proteiner förutsätter att det finns någon form av instruktion för hur proteinet skall se ut, dvs. ett recept på proteinet. Ett protein byggs upp av en kombination av olika aminosyror. Som framgått ovan finns det 20 olika naturligt förekommande aminosyror och det gäller för organismen att få reda på vilka av dessa aminosyror som skall ingå i ett visst protein. Denna information finns överförd från DNA till RNA-molekylen. Då en cell skall tillverka ett protein börjar den alltid med att göra en kopia av genen för detta protein i form av RNA (ribonukleinsyra). Sockergruppen utgörs här av ribos i stället för deoxiribos och i stället för basen tymin (T) finns i RNA kvävebasen uracil (U). Uracil basparar dock lika bra som tymin till adenin. Allt RNA i en cell bildas genom att DNA avläses och kopieras. Endast en liten del av det RNA som finns i en cell, nämligen s.k. messenger RNA eller mRNA, är dock beskrivningar för proteiner. av allt RNA deltar i att bygga upp cellens ribosomer, dvs. de fabriker som svarar för tillverkningen av proteiner. Detta RNA kallas ribosomal SOU 2006:70 Bioteknik – en bakgrund 47 RNA eller rRNA. Härutöver finns s.k. transfer RNA eller tRNA som har till uppgift att transportera aminosyror till ribosomerna inför proteintillverkningen. I en avslutande studie inom ramen för det s.k. (), se nedan, har det visats att det mänskliga genomet innehåller väsentligt färre gener än man inledningsvis trott. () anses arvsmassan hos en människa bestå av ca 25 000 gener. Alla celler i en organism har i sin cellkärna en komplett uppsättning av samtliga gener. Cellerna i en organism är emellertid specialiserade på att bilda olika vävnader, och med hänsyn härtill utnyttjas olika gener i olika celler. Det finns en viktig skillnad mellan DNA i de vanliga kroppscellerna och DNA i könscellerna (äggceller och spermier). Båda representerar individens arv från tidigare generationer. DNA i kroppscellerna används dock enbart för att styra funktioner i den individ som bär på cellerna. DNA i könscellerna har mindre av denna funktion och skall i stället förmedla arvet vidare. Man kan säga att DNA i kroppscellerna är individens ensak medan DNA i könscellerna är något som individen förvaltar åt kommande generationer. Detta är viktiga utgångspunkter i bl.a. diskussionerna kring vad som är etiskt godtagbart i fråga om genteknik. Följderna blir mycket större när man förändrar DNA i könsceller eller stamceller som kan bilda könsceller. DNA-molekylen består endast till en mindre del av gener, dvs. sekvenser som kodar för ett visst protein. Resten, , av arvsmassan som finns lagrad i DNA-molekylen brukar kallas icke-kodande DNA och gick tidigare under begreppet skräp-DNA. vet man emellertid att dessa regioner kodar för små RNA-fragment som har stor betydelse för genernas funktion samt innehåller viktiga regulatoriska funktioner. I detta sammanhang bör nämnas att de gener som begärs patentskyddade som regel inte överensstämmer exakt med de gener som förekommer i naturen. Vanligen gäller patentansökningarna det som brukar kallas för cDNA (complementary DNA). Uttryckta gener översätts som framgått ovan alltid från DNA till RNA för att sekvensinformationen därefter skall kunna överföras till proteiner. Framförallt i eukaryota organismer (organismer med cellkärna) som t.ex. människan, djur och växter med stora, komplexa genom, isoleras därför mRNA (messenger RNA) som ett första steg. Sedan låter man ett enzym (reverse transcriptase) göra DNA-kopior (cDNA) Bioteknik – en bakgrund SOU 2006:70 48 av dessa RNA-molekyler. Det handlar alltså i slutänden om en omvänd process där RNA översätts till DNA. Fördelen med cDNA är att de icke kodande delarna (intronerna), som är långa sekvenser, är borttagna. Generna blir kortare och därmed betydligt lättare att praktiskt hantera när endast de uttryckta delarna (exonerna) finns med. påbörjades ett projekt som syftade till att kartlägga det mänskliga genomet, dvs. den mänskliga arvsmassan. Projektet fick namnet eller som det vanligen benämns. Projektet avslutades då de allra flesta generna, , i den mänskliga arvsmassan hade identifierats och deras platser i genomet bestämts. Det kunde då konstateras att antalet gener var väsentligt färre än vad man trott. uppskattningar talade om upp till 100 000 gener i det mänskliga genomet. visade emellertid att detta endast består av ca 25 000 gener. En del gener är multifunktionella, dvs. de kodar för mer än ett protein. () har ca 23 000 av de gener som ingår i det mänskliga genomet tilldelats namn enligt en viss nomenklatur av (). innebär enligt många bedömare avslutningen på den s.k. genomiska eran inom biotekniken, dvs. den period då kartläggningen av arvsmassan var av grundläggande intresse för forskningen . I ingick inte att ta reda på vad de enskilda generna har för funktioner. Att få kunskap om genernas funktion utgör således nästa stora uppgift för den biotekniska forskningen. Detta nya forskningsfält brukar kallas funktionsgenomik och anses ha inlett nästa era inom biotekniken, nämligen den postgenomiska eran. Kromosomer En levande organisms hela arvsanlag brukar kallas genom. En kromosom är en lång tråd i vilken hela eller delar av genomet finns. Genomet är vanligen fördelat på flera kromosomer. SOU 2006:70 Bioteknik – en bakgrund 49 En människa har normalt 46 kromosomer, vilka består av DNA och proteiner som kallas histoner kring vilka DNA-molekylen är upprullad. Kromosomerna hör ihop parvis, och de första 22 paren är närmast identiska. Par 23 består av två stycken könskromosomer. Hos kvinnor består par 23 av två X-kromosomer, medan det hos män består av en X-kromosom och en Y-kromosom. Teknisk användning av gener Vetenskapen har nått så långt att man kan hitta de delar i DNA-molekylen som kodar för olika proteiner – generna – och isolera dessa, dvs. urskilja genen från dess naturliga plats och använda den enskilda genen för något särskilt ändamål. T.ex. har genen som kodar för det protein som styr produktionen av insulin identifierats och isolerats. Därefter har den isolerade genen kunnat användas för framställning av insulin på konstgjord väg. Djur som har förändrats genom att man i deras arvsmassa har fört in en ny gen kallas transgena djur. Genom den senaste tekniska utvecklingen kan man nu hos många organismer, dock inte hos växter, styra exakt var i kromosomerna som den nya genen sätts in (s.k. homolog rekombination). Detta har medfört att man kan förstöra en specifik gen och ersätta den med en förändrad eller defekt gen. I det senare fallet slår man ut genen i fråga, och med denna s.k. knockout teknik kan man studera hur en viss gen påverkar olika fysiologiska förlopp och sjukdomsutveckling. Förfaranden där en organism ges nya egenskaper eller egenskaper blockeras brukar kallas genetisk modifiering. används t.ex. genetiskt modifierade virus i behandlingen av cancer. Viruset i fråga har en gen med koden för tillverkning av ett protein som åstadkommer att celler med icke reparerbara DNA-skador självdör. Viruset infekterar således tumörcellen som dör i infektionen. Ett annat område där genetisk modifiering förekommer är livsmedelsområdet där t.ex. grödor som är extra motståndskraftiga mot en viss sjukdom har tagits fram. Forskningen kring genetisk modifiering är omfattande och kommer sannolikt att innebära att nya mediciner och livsmedelsprodukter tillförs marknaden. Bioteknik – en bakgrund SOU 2006:70 50 2.2.2 Mikrobiologi Mikrobiologi är vetenskapen om mikroorganismer, dvs. bakterier, encelliga alger, svampar och protozoer (encelliga organismer, t.ex. vissa parasiter). Till mikrobiologin hänförs ofta även studier av virus. Gränserna mot molekylärbiologi och cellbiologi är dock inte helt klara. Som framhållits ovan har mikrobiologiska processer spelat en viktig roll för människan , t.ex. jäsning och användning av bakteriekulturer. Mikroorganismer som bakterier och virus används som arbetsverktyg av forskare inom biotekniken. används mikroorganismer och mikrobiologiska förfaranden bl.a. för produktion av livsmedel samt vid framställning av läkemedel och kemikalier. Ett annat viktigt område är miljöinriktad mikrobiologi. Mikroorganismer utnyttjas t.ex. i avloppsreningsverkens s.k. biologiska steg för att rena vattnet. Vidare används bakterier för att rena mark och grundvatten, t.ex. oljenedbrytande bakterier. Ett annat användningsområde för mikroorganismer är s.k. biologisk bekämpning. Inom skogsbruket används ibland sporer av bakterier för att bli av med skadeinsekter. 2.2.3 Cellbiologi Cellbiologi är läran om cellens struktur och funktion i hälsa och sjukdom . Till det cellbiologiska området hör bl.a. studiet av de förändringar som cellen genomgår när den delas och differentieras under organismens utveckling. När man talar om cellbiologi i biotekniska sammanhang ligger fokus ofta på åtgärder med s.k. stamceller som förväntas föra den medicinska biotekniken framåt. Cellbiologisk teknik används också inom växtförädlingen. DNA i cellen DNA finns till allra största delen i cellkärnan. Härutöver återfinns i cellens mitokondrier små strängar av DNA. Mitokondrier finns i varje cells cytoplasma (den vätska som finns inne i cellen) och har en central betydelse för cellens energiförsörjning. Antalet mitokondrier i varje cell varierar, men kan t.ex. i en levercell uppgå till mer än 1 000 stycken. DNA i mitokondrierna kodar för enzym i den SOU 2006:70 Bioteknik – en bakgrund 51 s.k. andningskedjan som utgör en viktig energikälla för cellen. Mitokondrier överförs uteslutande från ägget, vilket gör att nedärvningsmönstret för sjukdomar som beror på mutationer i mitokondrierna sker från mor till både döttrar och söner. Däremot kan inte söner överföra sjukdomen till sina barn. Mitokondriella sjukdomar är vanligen allvarliga progredierande (framåtskridande) och drabbar framför allt celler med hög energiomsättning. Stamceller Stamcell är benämningen på en omogen cell. Stamcellen kan när den delar sig ge upphov till nya omogna celler och på så sätt utöka lagret. Cellen kan emellertid också vid delning påbörja en specialisering (differentiering) mot en viss typ av cell som kan bilda organ, vävnad etc. Stamceller kan utvecklas i olika grad. Ett befruktat ägg är en form av stamcell. En sådan cell kan utvecklas till nytt mänskligt liv och brukar därför ibland kallas den ultimata stamcellen – den är totipotent . Andra stamceller kan bilda i stort sett alla celltyper som finns i kroppen, dock inte en mänsklig individ. Sådana stamceller kallas pluripotenta. En tredje typ av stamceller som är begränsade till ett visst område inom vilket de kan bilda olika typer av celler kallas multipotenta. Multipotenta stamceller finns i kroppens olika delar, där de utvecklar och ersätter organ och vävnader. Ett exempel är blodstamceller, som kan bilda alla typer av blodceller. Stamceller brukar också karakteriseras utifrån var de hämtas. I huvudsak finns det tre kategorier. Stamceller som hämtas från (födda) individer kallas adulta, de som hämtas från kallas fetala och de som hämtas gamla befruktade ägg kallas embryonala . Dessa olika kategorier av stamceller har skilda egenskaper, bl.a. skiljer sig deras utvecklingspotential. Adulta stamceller finns i olika vävnader i kroppen. De synes i allmänhet endast vara multipotenta och tjänar som reservoar för nybildning av celler som går förlorade genom olika former av förslitning. Adulta stamceller finns som regel endast i en liten mängd och de kan vara svåråtkomliga. Om de transplanteras från en annan individ, finns det risk för avstötningsreaktioner. Denna risk föreligger inte om individens egna stamceller kan användas. Bioteknik – en bakgrund SOU 2006:70 52 ny klass av adulta stamceller upptäckts i benmärgen, s.k. mesenkymala stamceller. Forskning tyder på att dessa stamceller kan vara pluripotenta. Dessa celler skulle i laboratorium kunna genomgå specialisering och härvid förmås att bilda många typer av vävnader. Om praktiska försök visar sig lyckosamma, kan dessa mesenkymala stamceller utgöra ett viktigt medicinskt redskap. En kategori av adulta stamceller som redan används inom sjukvården för behandling av leukemi är benmärgsstamceller. Fetala stamceller framställs ur vävnader från aborterade . Möjligheten att använda fetala stamceller utnyttjas restriktivt och användandet omgärdas av stränga regler. Fetala stamceller har använts i försök att behandla patienter med Parkinsons sjukdom. Könsceller från är pluripotenta, medan övriga fetala stamceller synes vara multipotenta. Embryonala stamceller kan isoleras från den inre cellmassan i en s.k. blastocyst, dvs. ett gammalt befruktat ägg. Dessa embryonala stamceller kan odlas vidare i laboratorium i en stamcellslinje (dvs. en cellodling som utgår från en och samma blastocyst) och på så sätt erhållas i stor mängd. Embryonala stamceller är pluripotenta, vilket gör dessa celler särskilt intressanta från forskningssynpunkt . Förväntningarna på stamcellsforskningen är stora och en förhoppning är att den skall leda till nya behandlingsmetoder för svåra, obotliga sjukdomar. Stamceller som på konstgjord väg har specialiserats kan således komma att användas för att bota eller lindra bl.a. sjukdomar i nervsystemet (t.ex. Parkinsons sjukdom), skador på hjärtmuskeln och diabetes. Flera forskningsresultat är lovande, men ännu är det långt kvar till en klinisk användning av de metoder som involverar stamcellsteknik. Regeringens inställning till stamcellsforskning redovisades i propositionen Stamcellsforskning, prop. 2003/04:148, varvid regeringen ansåg att forskning på befruktade ägg och forskning kring s.k. somatisk cellkärnöverföring skall vara tillåten under vissa förhållanden. Cellkärnöverföring Vid cellkärnöverföring byts det huvudsakliga genetiska materialet i en cell ut genom att cellkärnan ersätts med en cellkärna från en annan cell. SOU 2006:70 Bioteknik – en bakgrund 53 En form av cellkärnöverföring är s.k. somatisk cellkärnöverföring. Vid sådan cellkärnöverföring avlägsnas cellkärnan från ett ägg och ersätts med kärnan från en kroppscell från en annan individ. Det genetiskt förändrade ägget odlas därefter i ett laboratorium. Härvid kommer celldelningen att sätta igång och de nybildade cellerna, som kallas blastomerer, bildar en blåsa som kallas blastocyst. När blastocyststadiet nåtts kan man ta ut den inre cellmassan och odla pluripotenta celler som är genetiskt identiska med den individ från vilken kroppscellen kommer. Fördelen med somatisk kärnöverföring är att det är möjligt att skräddarsy en stamcell med ett visst genetiskt innehåll. Härigenom skulle man kunna skapa stamceller och vävnad som perfekt passar en sjuk person. Detta för det goda med sig att problemet med avstötning av transplanterad vävnad skulle vara löst. Cellkärnöverföring används även vid kloning, dvs. då man byter ut cellkärnan i ett ägg i syfte att skapa en kopia av en individ som redan existerar eller har existerat. Det är emellertid viktigt att dra en skiljelinje mellan kloning och somatisk cellkärnöverföring. Vid det senare förfarandet är man ute efter att utnyttja stamcellen som sådan, medan det förra förfarandet syftar till att reproducera en individ. I propositionen 2005/06:64 Genetisk integritet m.m. föreslås bl.a. att forskning i syfte att utveckla metoder för att åstadkomma genetiska effekter som kan gå i arv skall vara tillåten, men försök i forsknings- eller behandlingssyfte samt behandlingsmetoder som medför genetiska förändringar som kan gå i arv hos en människa även i fortsättningen skall vara förbjudna, se a prop. Av 5 kap. 5 § lagen (2006:351) om genetisk integritet framgår att ett befruktat ägg som har varit föremål för försök i forsknings- eller behandlingssyfte inte får föras in i en kvinnas kropp. Detsamma gäller om ägget före befruktningen eller de spermier som använts vid befruktningen har varit föremål för somatisk cellkärnöverföring. Som kommer att framgå nedan under avsnitt 3.1 gäller enligt 1 c § patentlagen att bl.a. kloning av mänskliga varelser alltid skall anses strida mot allmän ordning eller goda seder, och att patent därför inte får meddelas på en uppfinning som innebär att människor klonas. Bioteknik – en bakgrund SOU 2006:70 54 Användning av cellbiologi inom växtförädlingen Växter bär på tre olika genomuppsättningar i cellen med eget DNA lokaliserat i cellkärnan, mitokondrien respektive kloroplasten. Mitokondrien och kloroplasten utgör alla s.k. organeller och är placerade i cytoplasman, dvs. i utrymmet utanför cellkärnan. Mitokondrien är cellens kraftstation där nukleotiden ATP (adenosintrifosfat) tillverkas. ATP används för att driva kemiska processer i en cell som inte kan ske spontant. Kloroplasten förekommer i växtceller och innehåller pigmentet klorofyll. Detta pigment används för att omvandla strålning från solen till kemisk energi som sedan kan användas för att bygga upp olika delar av växten. Det sker ett omfattande utbyte av proteiner från de tre genomen för att en växt skall fungera optimalt. Kombinationer mellan dessa tre genom utnyttjas i hög grad inom konventionell hybridförädling. Den konventionella hybridförädlingen baseras på den korsningseffekt som erhålls när man korsar inavlade linjer med varandra. Denna effekt ger upphov till en överlägsen avkomma jämfört med föräldraplantorna. T.ex. ger avkomman större avkastning än föräldraplantorna. Hybridförädling är under utveckling eller utnyttjas redan inom i stort sett alla växtslag . För att förenkla förädlingsarbetet använder man sig av hansterila linjer. Härigenom undviks självbefruktning som annars hindrar att den eftertraktade korsningen sker. Hansterila linjer kan framställas genom olika cellbiologiska förfaranden. Ett sätt är att utnyttja olika kombinationer av cellkärna, mitokondrie och kloroplast. Denna teknik kallas cytoplasmisk hansterilitet och bygger på att kommunikationen mellan cellkärna och mitokondrie är så störd att hansterilitet uppstår. Det gentekniskt mest avancerade sättet att framställa hansterila linjer är att i cellkärnan introducera en gen som bryter ner vissa celler i ståndaren hos växten och därmed gör den steril. Genom att kombinera denna egenskap med resistens mot herbicider (växtgifter) kan hansterila plantor lätt identifieras och därefter användas i förädlingsarbetet. Hybridförädling skall särskiljas från arthybridförädling. Vid arthybridförädling kan man också använda sig av en kombination av de tre genomen från cellkärna, mitokondrie respektive kloroplast, men i detta fall får man en blandning och en rekombination (omstrukturering) av de tre genomen. SOU 2006:70 Bioteknik – en bakgrund 55 Det cellbiologiska förfarandet skall jämföras med sexuella korsningar, dvs. de korsningar som sker inom naturens egna korsningsbarriärer, då avkomman är en rekombination av de två kärngenomen från föräldraplantorna. Om det rör sig om arter med maternell nedärvning får avkomman vid sexuell korsning moderplantans kloroplast- och mitokondriegenom. Arthybridförädling utnyttjas för att kunna vidga genpoolen hos grödor där den genetiska basen är smal. Avslutningsvis skall framhållas att förutsättningarna att skapa korsningar, oavsett vilken teknik som väljs, är helt beroende av det genetiska avståndet mellan de två ursprungsarterna. 2.3 Den biotekniska utvecklingen Biotekniken har utvecklats mycket kraftigt. Den bakomliggande forskningen på såväl mänskliga gener som gener från växt- och djurriket samt olika mikroorganismer har gjort stora framsteg. Från att endast ha kunnat kartlägga geners struktur och identifiera enskilda gener är det med dagens teknik möjligt att isolera enskilda gener och använda dem industriellt för olika ändamål, t.ex. vid framställning av läkemedel. Bioteknik och genteknik har stor betydelse för den industriella utvecklingen både i och inom EU. Enligt en schweizisk undersökning var det land i som hade flest bioteknikföretag mätt per invånare . Inom EU bedöms biotekniken vara av avgörande betydelse för den framtida industriella utvecklingen i . Forskningen och kunskapsutvecklingen på bioteknikområdet kommer med all sannolikhet att avancera ytterligare och medföra nya kunskaper med vilka det blir möjligt att förbättra och komplettera dagens möjligheter inom biotekniken, vilket även har betydelse för andra områden såsom medicin, läkemedelsutveckling och jordbruk. Forskning och utveckling av produkter på bioteknikområdet kräver som regel stora resurser av såväl personal som kapital. Den som utvecklar t.ex. ett visst läkemedel måste räkna med att det kan ta att få fram en fungerande produkt och att vissa projekt kanske aldrig leder fram till någon produkt.