Bacillus thuringiensis

Insektdrepende krystall proteiner (IKP)

I 1911 la Berliner merke til at bakterien var spesifikt toksisk mot larven til Melmøllen. I 1928 startet et småskala pionerprosjekt i Europa med å fremstille sporekrystaller for kontroll av European corn borer som gir store skader på avlinger av mais, sorghum, bomull og grønnsaker. I 1938 kom det første kommersielle B. thuringiensis-produktet i Frankrike under navnet ”Sporeine”. I 1960-årene ble flere industrielle Bt-produkter produsert i USA, Sovjetunionen, Frankrike og Tyskland. B. thuringiensis har med andre ord vært en viktig ingrediens i kontrollen av skadedyr på avlinger i lang tid og siden 1981 har man lett etter og klonet krystallproteiner. Det er dette som danner et skille i den konvensjonelle bruken av B. thuringiensis i kontroll av skade dyr. Epoken for bruk av Bt i genmodifisering av planter var kommet. Toksinene, eller proteinene, er laget av polypeptider kjent som Cry-proteiner. Cry-proteinene kodes av cry-genene som befinner seg på store overførbare plasmider, eller i enkelte tilfeller på kromosomet (Holmsland, 2007). Disse plasmidene kan overføres naturlig mellom forskjellige Bt-stammer. Dette er en prosess man kan utnytte for å få dannet nye kombinasjoner av for forskjellige IKPer i en enkelt stamme. Videre viser det seg at flere av genene er flankert av såkalte "transposable" (flyttbare/overførbare) elementer som tillater sekvenser av DNA å bli klippet ut og redistribuert innen en enkelt celle. Syntesen av Cry-proteinene og dannelsen av sporer skjer samtidig. Krystallproteinene slippes fri i omgivelsene når cellen lyseres (cellemembranen oppløses), men er kun stabile i miljøet i noen dager. Når krystallene spises av sensitive larver, løser de seg i det alkalisk miljøet i magen. De løselige protoksinene blir konvertert av proteaser (proteinnedbrytende enzymer) i magen til mindre toksiske fragmenter ca 650 aminosyrer store. Det toksiske, proteaseresistente fragmentet er lokaliser i den ene halvdelen av proteinet. Den andre delen blir fullstendig nedbrutt. Noen IKPer mangler den nedbrytbare delen. Disse proteinene krystalliserer ikke i den typiske bipyramidale formen, men har andre former. Det er funnet krystallproteiner man ikke kan bevise at har insekticidaktivitet, men det er stor sannsynlighet for at disse er toksiske for noen insekter. Dette siden de tester som er utført er knyttet til insekter som enten utgjør en trussel mot menneskelig helse, eller er av økonomisk interesse.

Bruken av IKP

En elegant måte å benytte seg av disse krystallproteinene på er ved overføring av Bt-gener til genomet til den planten man ønsket å beskytte. Den første IKP-produserende planten var tobaksplanten. Siden da har andre dyrkbare planter blitt genetisk modifisert med IKP gener som resulterer i varierende grad av selvbeskyttelse mot forskjellige insekter. Det er store gevinster å hente, både økonomiske og miljømessige. Siden toksinet kontinuerlig blir produsert i hver eneste celle i den nye planten som inneholder Bt-genet, slipper man å måtte gjenta sprøytingen av plantene. Det holder dermed å plante planten, mens ikke-modifiserte planter potensielt blir sprøytet med syntetisk produserte insekticider. Slik blir kostnadene betraktelig lavere for bonden, og et slikt system er betraktelig mindre skadelig for omgivelsene enn syntetisk produserte insekticider (Lambert et al, 1991). Bøndene spare penger og selskapene som produserer frøene til plantene tjener penger. Den første godskjente prøven av genmodifiserte planter var i 1986. EPA godkjente den første kommersielle produktet i 1995; en av USAs mest populære potetvarianter.

Biopesticider

Biopesticider er visse typer pesticider som kommer fra naturlige materialer som dyr, planter, bakterier og visse mineraler. Ved slutten av 2001 fantes det ca. 195 registrerte biopesticide aktive ingredienser og 780 produkter. Biopesticidene går inn i tre hovedgrupper :
1) Mikrobiale pesticider. De bestå av en mikroorganisme som den aktive ingrediensen. Mikrobiale pesticider kan kontrollere mange forskjellige typer skadedyr selv om hver aktive ingrediens er relativt spesifikk for sine mål. For eksempel er det en type sopp som kontrollerer visse planter, mens andre type sopp som dreper insekter. Det mest brukte mikrobiale pesticidet er underarter og fremavlede underarter av B. thuringiensis: US Environmental Protection Agency  (etbl. 1970).
2) PIPs (Plant-Incorporated-Protectants). Dette er pesticid substanser som plantene produserer fra genetisk materiale som er innsatt i planten. For eksempel der Bt IKP settes inn i plantens eget genetiske materiale. Slik vil da planten selv, fremfor Bt-bakterien, produsere substansene som dreper skadedyret: US Environmental Protection Agency  (etbl. 1970).
3) Biokjemiske pesticider. Dette er naturlig forekommende substanser som kontrollerer skadedyr ved ikke-toksiske mekanismer. Dette til kontrast til konvensjonelle pesticider som er generelt syntetiske materiale som direkte tar livet av eller inaktiverer angrepet. Biokjemiske pesticider inkluderer substanser som for eksempel feromoner som vil forstyrre parringen eller for eksempel planter tilsatt spesielle lukter for å tiltrekke seg insekter i feller: US Environmental Protection Agency  (etbl. 1970).

Fordeler med biopesticider

Listen over fordelene med biopesticider er lang og i første  øyekast meget overtalende. Biopesticidene er mindre toksiske enn konvensjonelle pesticider. De berører oftest kun målorganismen og nært beslektede organismer, dette i kontrast til konvensjonelt, bredspektrede pesticider som kan påføre skade på organismer så forskjellige som fugler, insekter og pattedyr. Biopesticidene er ofte effektive i små doser som ofte brytes lett ned igjen slik at en unngår i stor grad forurensningsproblemene konvensjonelle pesticider forårsaker. Det ser ut til at biopesticider utgjør en mindre fare enn konvensjonelle pesticider, derimot kreves det stor kunnskap om hvordan å behandle skadedyrene med biopesticider: US Environmental Protection Agency  (etbl. 1970).

Ulemper med biopesticider

Det viser seg at Bt-baserte insekticider har stor sannsynlighet for å utvikle resistens hos insektene. Man forventer dermed at resistente insekter vil oppstå med bruken av IKP-baserte pesticider og har forsøker å finne strategier for å forhindre dette, bla ved å plante deler av jordene med den naturlige varianten av planten. Slik får insektene et område å trekke seg tilbake til. Slik jordbruket er i dag i store deler av verden, dyrkes kulturplaner i monokulturer over store områder. Disse er spesielt utsatt for insektangrep og sykdomsfremkallende nematoder, sopp og virus. I foredlingen av kulturplantene tapes ofte sykdomsresistensgener som ville slektninger er utstyrt med. I Europa finnes larven European corn borer, som gir store skader på avlinger. Krystallproteinene har ikke nødvendigvis virkning på bare en art, eller en orden av insekter. Derfor kan det vise seg å ha uheldig virkning på insekter det ikke var tiltenkt å ha noen innvirkning på. Dette er et av de tyngste argumentene mot genmodifisering med Bt-toksiner. Det sveller opp viktige spørsmål og økologiske problemstillinger i kjølvannet av bruken av Bt-toksiner. Det viser seg også at GM planter har en tendens til rask og ukontrollert spredning. Hvordan kontrollere at det ikke forekommer krysning mellom disse og naturlig tilstedeværende planter? Det viser seg ved slike krysninger at GM plantene kan være bedre stilt i konkurransen om overlevelsen enn planter som er naturlig tilstedeværende. Denne ukontrollerte spredningen kan føre til tap av genetisk mangfold, inklusive sykdomsresistente gener. Om det en gang i fremtiden kommer en pest, kan dette få katastrofale følger for avlingene.

Bt-toksin som overlevelsesstrategi

Den toksiske aktiviteten i Bt er knyttet til den spesifikke bindingen av proteinene til reseptorer på epitelcellene i tarmen til dyret. Der er ikke rapportert om toksiske IKPer som ikke binder seg til reseptorer i tarmen. IKPene danner en familie av toksiner som sannsynligvis er speilet i reseptorene i insektlarvene. Den spesifikke bindingen er essensiell for toksisiteten til proteinene. Denne spesifisiteten bestemmes ikke bare av reseptorene i epitelcellene, men også av den proteolytiske aktiviteten og pHen i tarmen til larven. Når larven har spist sporer som inneholder krystaller, kan flere ting skje. På grunn av det alkaliske miljøet i magen til larvene, er det dårlige forhold for vekst av sporene og for slik å danne nye kolonier av Bt. Det er mest sannsynlig at sporen forblir intakt mens de løselige krystallproteinene konverteres til toksiske fragmenter som kan forårsake strukturelle deformeringer i epitelcellene i tarmen til larven. Når fordøyelsessystemet opphører å virke, senkes etter hvert pHen av væskene i tarmen og en frigjørelse av næringsstoffer legger grunnlaget til rette for veksten av Bt-sporer og deling av de vegetative cellene. Bt invaderer så kroppsvevet til larven og larven ender opp med å slutte å spise og dør.

Skille mellom underarter

Evalueringen av Bt er vanskelig da kombinasjonene av forskjellige IKPer uttrykt i stammer av Bt blir identifisert gjennom biokjemiske, genetiske og serologiske metoder formulert til en stor spredning av produkter over hele verden. Bruken av navnet Bacillus thuringiensis gir ingen indikasjoner i variasjon av toksiner, celler, sporer, eller krystaller. Likheten mellom B. thuringiensis og B. cereus har forårsaket bekymringer da B. cereus kan produsere aktive enterotoksiner mottagelige hos pattedyr. Disse to artene deler fenotypiske og biokjemiske karakterer, men Bt kan, pr definisjon, bli adskilt ved nærværet av krystallproteinet. Til tross for dette så er det slik at mange av de δ-endotoksinkodende genene er båret av plasmider. Dette indikerer at denne fenotypen har stor sannsynlighet for tap og overføring av genene til nærliggende arter, inkludert B. cereus (Glare et al., 2000).