Sjávarlíftækni

Sjávarlíftækni, eða blá líftækni, er undirgrein líftækni og hvílir sem slík á grunni örverufræði, lífefnafræði, erfðafræði, sameindaerfðafræði og verkfræði.  Líkt og í líftækni almennt, þá eru helstu markmið sjávarlíftækninnar að finna og einangra lífvirk efni úr sjávarlífverum, nýta aukaafurðir sjávarútvegs og fiskvinnslu til verðmætasköpunar og nýta sjávarlífverur til framleiðslu lyfja og annarra verðmætra afurða.

Uppruni og saga

Upphafið 
Líffræði, líftækni og sjávarlíftækni haldast fast í hendur í gegnum söguna og í rauninni er um að ræða sama svið með mismunandi áherslum. Sögu líftækni má rekja allt frá 18. öld fyrir okkar tímatal, en elstu menjar um bruggun bjórs hjá Súmerum eru frá um 1750 f.o.t. Meðal annarrar fornrar líftækni má nefna að um 500 f.o.t notuðu Kínverjar myglaðar sojabaunir sem sýklalyf og 100 árum f.o.t notuðu þeir mulin blóm af körfublómaætt (Asteraceae) sem skordýraeitur.
Með tilkomu smásjár Jansens árið 1590 opnaðist lífvísindamönnum nýr og ókannaður heimur. Það stóð heldur ekki á nýjum uppgötvunum og mætti þar nefna uppgötvun Hookes á frumunni 1663 og hina afdrifaríku uppgötvun Leeuwenhoeks á bakteríum og frumdýrum (Protozoa). Þessar uppgötvanir leiða svo af sér mjög stórstígar framfarir á sviði lífvísinda á 18. og 19. öld. Upp úr miðri 19. öld verður svokölluð „gertækni“ (e. zymotechnology) að mikilvægri fræði- og tæknigrein í Þýskalandi,  Danmörku og víðar, en bjóriðnaðinum hafði þá mjög vaxið fiskur um hrygg. Í fyrri heimsstyrjöld fær „gertækni“ stóraukið vægi, en þá framleiddu Max Delbrück og samstarfsmenn hans ger á stórum skala til fóðurgerðar í Þýskalandi og Chaim Weizmann gerjaði maís og myndaði asetón til sprengjugerðar fyrir breska herinn. Það var þó ekki fyrir en árið 1919 sem fræðiheitið „líftækni“ (Biotechnologie) kemur fyrst fram á sjónarsviðið í þýskri tungu í bók eftir ungverskan landbúnaðarverkfræðing. Meðal mikilvægra uppgötvana á fyrri helmingi 20. aldar má til dæmis nefna uppgvötun penisillíns 1928 (Alexander Fleming). Árið 1944 sýndu Avery, McCarty og MacLeod fram á að erfðaefnið er DNA. 1953 sýndu tveir vísindamenn (James Watson og Francis Crick) fram á þrívíða byggingu DNA. Árið 1955 var ensím sem kemur við sögu í kjarnsýrusmíð einangrað í fyrsta sinn. 1969 er ensím búið til í stýrðu umhverfi í fyrsta sinn. 

Í gegnum tíðina hefur líftækni og þar af leiðandi sjávarlíftæki tekið breytingum jafnt og þétt og í takt við tæknilegra framfarir mannkyns.

Sjávarlíftækni á Íslandi

Upphaf Sjávarlíftækni á Íslandi 
Íslendingar hafa um langan aldur leitast við að auka geymsluþol og verðmæti sjávarfangs. Ýmsar gamlar geymsluaðferðir sem að meira eða minna leyti byggja á gerjun mætti nefna, svo sem kæsingu brjóskfiska, skreiðar- og saltfiskverkun. Skipulagðar rannsóknir á matvælum hefjast hér á landi með stofnun Efnarannsóknastofu landsins þegar árið 1906, en aukinn kraftur færist í þessar rannsóknir með tilkomu Atvinnudeildar Háskóla Íslands 1937 og 1965 er svo Rannsóknastofnun fiskiðnaðarins stofnuð, en þar átti sér stað mikið þróunarstarf, meðal annars í líftækni. Má sem dæmi nefna rannsóknir Sigurðar Péturssonar gerlafræðings á roðaskemmdum í saltfiski og tilraunir Emilíu Martinsdóttur til framleiðslu á matarlími úr grásleppuhvelju.

Á síðustu 15 til 20 árum hafa sprottið upp fyrirtæki sem starfa á sviði sjávarlíftækni. Einnig hefur átt sér stað sérhæfing innan sviðsins. Menntun sem tekur mið af sérþörfum á sviði sjávarlíftækni hefur verið aukin. Sjávarlíftækni er meðal helstu áherslusviða líftæknináms við Háskólann á Akureyri.

Íslenskir fræðimenn og rannsóknir 
Sjávarlíftækni hefur lengi verið meðal áherslusviða rannsókna við íslenska háskóla og rannsóknastofnanir. Verkefni sem íslenskir fræðimenn hafa unnið á þessu sviði hafa mörg skilað markverðum árangri og gert fyrirtækjum í sjávarútvegi kleift að auka arðbærni starfsemi sinnar með auknu verðmæti afurða og aukinni skilvirkni í framleiðslunni. Sjá má nýleg dæmi um rannsóknaverkefni og árangur þeirra á heimasíðu rannsóknasjóðsins AVS. Rannsóknir í sjávarlíftækni hafa einnig skilað af sér frumkvöðlastarfi og sprotafyrirtækjum. Nefna má sprotafyrirtækið BioPol sem nýlegt dæmi.  Þess má geta að gögn um rannsóknir í sjávarlíftækni eru ekki alltaf gerð aðgengileg vegna samkeppnishagsmuna fyrirtækja eða vegna þess að verið er að sækja um einkaleyfi fyrir afurðum eða aðferðum. Stiklað verður frekar lauslega yfir nokkra fræðimenn og störf þeirra í textanum hér á eftir. 

Við lífefnaleit (e. bioprospecting) er skimað í lífríkinu eftir áður óþekktum lífvirkum efnum og hugað að mögulegu notagildi þeirra. Á umliðnum árum hafa vísindamenn undir forystu Hjörleifs Einarssonar prófessors við Háskólann á Akureyri leitað fanga meðal botnlægra sjávarlífvera sem þrífast við hinar sérstæðu hverastrýtur í Eyjafirði. Sýni sem fengin hafa verið í sýnatökuleiðöngrum hafa verið unnin frekar á rannsóknarstofum og einangraðar úr þeim bakteríur með sértæka virkni. 

Jón Bragi Bjarnason, prófessor við Háskóla Íslands hefur unnið að rannsóknum á ensímum sem einangruð hafa verið úr sjávarlífverum.  Jón Bragi telur að ensím sem unnin eru úr sjávarfangi hafi í ýmsu tilliti yfirburði yfir önnur ensím.  Er það einkum tvennt sem skiptir máli. Annars vegar hversu hreint umhverfið er sem slík ensím eru hreinsuð úr (lífverur úr hafinu í kringum ísland). Og hins vegar vegna lágs hitastigs sem þessi sjávarensímin geta starfað við en flest ensím glata virkni sinnar við lágt hitastig.  Í kringum þessa vinnu sína hefur Jón Bragi stofnað fyrirtæki sem framleiðir snyrtivörur.

Nýting sjávarfangs sem hráefnis við líftæknilega framleiðslu

Úrgangur frá sjávarútvegi 

Líftækni getur nýst við að finna hagkvæm not fyrir slóg, afskurð, úrgang og annað sjávarfang sem fellur til við vinnslu. Úrgangurinn verður þá að hráefni til framleiðslu lífvirkra efna eða annarra verðmætra afurða. Gjarnan er notast við bakteríur eða ensím þeirra til framleiðslunnar og getur þá verið um að ræða sjávarbakteríur sem einangraðar hafa verið sérstaklega vegna sérhæfni þeirra. Notkun erfðabreyttra baktería, þar sem viðeigandi lífvirkni hefur verið komið fyrir í erfðamengi þekktrar og meðfærilegrar bakteríu á borð við E. coli eða B. subtilis, kemur líka til greina. Að nýta bakteríur til þessara hluta er að jafnaði ódýr kostur og í mörgum tilvikum hagkvæmari en nýting efnafræðilegra aðferða.

Lífvirk prótein úr sjávarfangi 
Glútamínrík peptíð hafa fundist í sjávarfangi sem örva orkuskipti við áreynslu. Einnig hafa fundist örveruhemjandi peptíð, sem oftast eru basísk prótein, úr sviljum og þá helst í laxfiskum og síld, sem eru virk gegn bakteríum og breyta eiginleikum annarra próteina.

Önnur not 
DNA úr sviljum hefur verið notað sem bindiefni í súkkulaði og kremum.
Í skelfiski hafa fundist ensímin lýsósím og chlamysín sem hafa hindrandi áhrif á örveruvöxt og jafnvel drepa örverurnar. 
Litarefnið astaxantín sem er unnið úr meðal annars rækjuskel er notað í laxafóður.

Nýting sjávarlífvera sem uppsprettur lyfja 
 
Höfin þekja um 71% af yfirborði plánetunnar og ná yfir 99% af lífhvolfinu.  Ný sóknarfæri hafa skapast þegar litið er til nýtingar á öðrum lífverum sem þrífast í hafinu, en þar er að finna mjög fjölbreytilegar aðstæður hvað varðar hita, birtu, þrýsting, seltu og sýrustig. Af þessum sökum er að finna í höfunum afar fjölbreytta bíótu lífvera og hefur aðeins hluti hennar verið rannsakaður með tilliti til þeirra líf- og lyfjavirku efna sem lífverurnar kunna að framleiða. Talið er að aðeins um 1% lífvera í höfunum séu að einhverju leyti rannsakaðar, einungis um 5% af höfum jarðar hefur verið kannaður til hlítar. Að ýmsu leyti vitum við meira um tunglið en höfin.  

Það má því nærri geta að mikil tækifæri liggja í lífkerfi hafsins og má ætla að þar sé nokkur fjöldi lífvera sem geta framleitt, eða innihalda sjálfar efni sem nýtast í lyfjaiðnaði, og fela hugsanalega í sér lækningu við sjúkdómum sem mannkynið hefur barist við lengi. Í Japan og Bandaríkjunum er mikil aukning á fjárstreymi til rannsókna á þessu sviði.  Rannsóknir á þessu sviði sjávarlíftækni hafa sótt í sig veðrið á Íslandi sem annars staðar á síðustu árum. Á Íslandi er nú að finna fjölmörg sprotafyrirtæki sem sérhæfa sig að einhverju eða öllu leyti í iðnaði nátengdum sjávarlíftækni. 

Mjög stór hluti lyfja er byggður úr náttúruefnum sem eru unnin úr plöntum, dýrum eða örverum. Hingað til hefur aðallega verið notast við plöntur og örverur á landi en vísindamenn eru farnir að rannsaka sjávarlífið enn meira, enda hefur það upp á mikil lífríki að bjóða. Lífvirk efni eru gjarnan svokallaðar annars stigs efnaskiptaafurðir, en það eru þau efni sem eru lífverunni í sjálfu sér ekki bráðnauðynleg til vaxtar en veita henni nokkurt forskot í baráttunni við að lifa af. Þessi efni geta til dæmis verið litarefni, ilmefni og bragðsterk efni sem lífveran framleiðir sér til varnar, til fæðuöflunar, samskipta og fleira.

Í hafinu er allmikið og fjölbreytt lífríki og er það með vissa sérstöðu þar sem lífverurnar eru undir stöðugu áreiti vatnsins. Sjávarlífverurnar framleiða og gefa frá sér ýmis lífvirk efni sem eru mörg  með áður óþekkta eiginleika sem talið er að geti nýst í lyfjaiðnaðinum. Einnig eru sum þessara efna með einhverja eiturvirkni sem gætu virkað gegn ýmsum bakteríum og/eða veirum. Það er til dæmis búið að finna og einangra ýmis efni sem virka sem verkjalyf, bólgueyðandi lyf, lyf gegn ýmsum sjúkdómum (m.a. krabbameini, malaríu, ms, AIDS) o.fl.

Lífvirk efni 
Lífvirk efni eru efni eða efnasambönd sem hafa einhver mælanleg áhrif á önnur efni eða efnaferla. Þessi efni geta haft heilsubætandi áhrif eða draga úr áhættu á ákv. sjúkdómum. Lífvirk efni geta virkað bæði á menn og dýr.
Á síðunni um lífvirk efni má sjá nokkur efni sem fundist hafa í sjávarlífverum og hafa einhverja lyfjavirkni eða aðra heilsubætandi virkni.

Dæmi um lífvirk efni og notkun þeirra 
Fundist hafa lífvirk efni úr möttuldýrum sem koma í veg fyrir að krabbameinsfrumur skipti sér: Efnið diazonamid A úr möttuldýrinu Dalazona angulata, en efnið bindur sig við þunna próteinhimnu sem aðskilur litninga dótturfrumanna tveggja við frumuskiptingu sem veldur því að skiptingin stöðvast, krabbameinsfruman er því ófær um að vaxa og drepst á endanum. Einnig hafa úr möttuldýrum verið einangruð efnin Didemnin B, Aplidine og Ecteinascidin sem hafa verið prófuð sem lyf gegn krabbameini. 

Þykkni úr Miðjarðarhafsþörungnum Padina pavonica, sem er hafsbotnsþörungur, hefur í mörg ár verið notað gegn beinþynningu í konum á breytingarskeiði og endurbyggir gljúp bein aldraðra.
Einnig hefur fundist efni sem þróa má sem lyf fyrir slitgigt sem leiðir oft til bólgu í slímhúð í liðum. Þetta efni má finna í kóraldýrinu Pseudopteria elisabethae og kallast efnið pseudopetrosín. Efnið hefur einnig græðandi áhrif á sár og virkni gegn öðrum bólgumyndunum.

Til er kúlufiskur sem myndar taugaeitur í húðinni og innyflum sem linar sársauka og verður bráðum notað sem verkjalyf. Eitrið heitir tetrodotoxin og er framleitt af bakteríum sem eru í fiskinum., 

Til eru bakteríutegundir í setlögum á hafsbotni sem hafa svipuð áhrif og sýklalyf og einnig eru nokkrar tegundir sem geta hamlað vexti krabbameinsfrumna. Ýmsar bakteríur og svampdýr framleiða efni sem hafa áhrif gegn astma.
 
Svampdýrið Haliclona framleiðir efni sem virkar gegn malaríu, berklum og eyðni.

Einnig hefur fundist efni í kjötætuormi sem hægt er að nota gegn heilakölkun.
 
Fundist hefur efnið Bryostatin í mosadýri sem hefur hamlandi áhrif á vöxt krabbameinsfrumna

Dæmi um sjávarlíftækniafurðir sem eru á markaðnum í dag 2009

Markaðir 
Markaðir fyrir líftækniafurðir úr sjávarfangi eru fjölbreyttir líkt og efnin sem verða til við framleiðsluna.
 Í matvælaiðnaði, eru lífvirk efni notuð til að auka gæði og endingu vörunar.
 Heilbrigðisiðnaðurinn, þar eru lyf stærsti möguleikinn en einnig framleiðsla á rannsóknarvörum. 
 Í landbúnaði, er markið sett á fóður og áburð til að auka gæði framleiðslunar.
 Snyrtivöruiðnaðurinn er markaður sem stækkar og stækkar, þar er þörf fyrir lífvirk efni sem hafa t.d. góð áhrif á húð og líka sem ýmis hjálparefni.
 Í efnaiðnaði er þörf fyrir sérhæfð ensím sem koma af stað efnaferlum eða klára ákveðna efnaferla.

Sem nýir orkugjafar, þá eru óteljandi möguleikar í nýtingu sjávarfangs til slíkrar vinnslu.
Í vörn fyrir umhverfið þá er þörf fyrir umhverfisvæn efni með stuttan líftíma en öfluga virkni. Þar koma ensím sem einangruð eru úr sjávarlífverum að góðum notum. Er það sérstaklega vegna færni þeirra að vinna við lágt hitastig.

Lífhreinsun 

Lífhreinsun er notkun lífvera (oftast örvera) til að hreinsa upp mengun. Við hreinsun eru ýmis þyngri alkanefni og tjöruefni fjarlægð. Sum aromatísk olíuefni geta bundist við boðefnaviðtaka í lífverum og raskað efnaskiptum, samvægi eða þroskaferlum lífveranna. 

Olíuvinnsla, olíuhreinsun, olíuflutningur og olíuúrgangslosun skila um 3,2 MTn af olíuefnum í höfin árlega sem segir okkur að það hefur ótvíræð áhrif á lífríki sjávar en náttúrulegt hrip í gegnum jarðlög er afar hægt. Olíuvinnsla og olíuflutningar eiga sér sífellt oftar stað í viðkvæmu umhverfi og við það bætist að olíuvinnsla af sjávarbotni er mjög flókið ferli sem býður uppá marga möguleika á mengun og slysum.

Erfðabreytingar á eldisfiskum 

Er eldi á fiski framtíðin eða er um að ræða stefnu sem ekki er vert að leggja meiri fjármuni í? Þetta er spurning sem deilt er um í heiminum í dag. Ef fram heldur sem horfir má búast við því í náinni framtíð að meiri þungi verði lagður í að erfðabreyta þeim fiski sem nýttur er til manneldis. Nú þegar hafa verið gerðar tilraunir á laxi, þar sem genum er breytt á markvissan hátt til að hafa áhrif á vaxtahraða fisksins. Sem dæmi um þetta má nefna tilraunir þar sem gen fyrir framleiðslu vaxtarhormóns úr rauðlaxi (Oncorhynchus nerka) var klónað í silfurlax (Oncorhynchus kisutch) til að hraða vexti hans. Hugsunin sem liggur þar að baki er þá fyrst og fremst aukin vöxtur og betri fóðurnýting hjá þeim tegundum sem verður erfðabreytt.

Heimildir/Tilvísanir

Tenglar 

 Arthur C. Gibson(1998) Algae--The Scum of the Earth.  Kennsluefni við UCLA.
  Ahmed ElAlmin(2007) Brown marine algae mined for functional ingredients. Frétt á vefsíðu Nutra ingredients fréttaveitunnar.
 Biotechnology Institute.
 Anon (2009) Líftækni við Háskólann á Akureyri. 
 MarineBio Institute
 Sjávarlíftæknisetrið BioPol ehf

 
Líffræði
Hagnýtt vísindi