Sjómannadagsblað Vestmannaeyja 1985/ Vinnsla og notkun lífefna á Íslandi

Líftækni: Vinnsla og notkun líf efna á Islandi Undanfarinn áratugur hefur verið tímabil stórstígra framfara í líftækni. Helstu ástæður þessara öru framfara er aukinn skilningur á eðli örvera, ensíma og þess erfðaefnis sem stýrir nýsmíði ensíma og annarra lífefna í frumunni. Afleiðingin er stóraukin iðnaðar¬framleiðsla ensíma og örvera og notkun þeirra á ýmsum sviðum. Miklar vonir eru bundnar við áfram¬haldandi þróun og framfarir í líftækni, einkum á sviði ensímtækninnar. sem tekur til framleiðslu og notkunar ensíma. og erfða¬tækninnar sem gerir kleift að ferja erfðaefni milli lífvera með hagkvæmari framleiðslu lífefna að markmiði. Líftækni hefur almennt verið skilgreind sem notkun lífvera. lífrænna kerfa eða líf¬rænna ferla í framleiðslu- eða þjónustu¬greinum. Í skýrslu OECD frá árinu 1982 er líftækni skilgreind á eftirfarandi hátt: Notkun vísindalegrar og verkfræðilegrar þekkingar við vinnslu efna þar sem notaðar eru lífverur eða hlutar þeirra. Einnig á þetta við um vinnslu efna úr lífverum til fram¬leiðslu á markaðsvöru og til notkunar í þjónustugreinum. En líftæknin er ekki að öllu leyti ný grein. enda nokkurs konar samtenging annarra og yfirleitt eldri greina. Sumar aðferðir líf-tækninnar hafa verið notaðar frá fornu fari. Í því sambandi má nefna matvælaframleiðslu af ýmsum toga. svo sem osta- og jógúrtgen). öl- og víngerð og margt fleira. Sú nýjung sem fyrst og fremst felst í líftækninni nú er sam- tenging greina eins og lífefnatræði. örveru¬fræði og verkfræði í þeim tilgangi að leysa ýmis vandamál sem mannkynið stendur frammi fyrir. eins og t.d. þverrandi auðlindir. Dæmi um þetta er melting og gerjun sterkju eða trénís til framleiðslu alkóhóls sem elds¬neytis. Vaxandi áhugi og miklar vonir Meginástæi)urnar fyrir vaxandi áhuga á líftækni eru að öllum líkindum tvær: 1. Aukin vitund um nýtingu endurnýjan-legra náttúruauðlinda. -, Aukin þekking á eiginleikum stórsam¬ -einda og á því hvernig örverur starfa. Nefna má að fram til 1950 voru flest lífræn efni unnin úr náttúrulegum hráefnum eða úrgangsefnum. t.d. var polyethylen plast unnið úr melassa sem er úrgagnsefni frá sykurframleiðslu. Á sjötta áratugnum viku þessi hráefni hvert af öðru fyrir ódýrum olíuhráefnum. Vitundin um náttúruleg hráefni tendraðist á ný á tíma olíukreppunnar og vegna aukins skilnings manna á mikilvægi umhverfis¬verndar. Líftækniiðnferli bjóða flest upp á .. mjúk" ferli. eða hitastig frá 0°- 100° C og oftast tiltölulega lágan þrýsting. Enda þótt hinn hefðbundni gerjunar¬iðnaður muni væntanlega alltaf gegna veiga¬miklu hlutverki· í líftækni þú er ljóst að þær miklu vonir. sem nú eru bundnar við líf¬tæknina varðandi hagnýtingu. byggja aðal¬lega á tveimur meginuppgötvunum í líffræði. 1. Ensímtækni. Örverur eða ensím úr þeim má nota til a0 framkvæma flestar náttúru-legar efnabreytingar. Þetta byggist á gífurlegri fjölbreytni. sérvirkni og hraða þeirra efnahvarfa sem ensím hvata. Þróun í ensímtækni gefur möguleika á að hag¬nýta þessa eiginleika ensímanna. 2. Erfðatæknin. Nýjar aðferðir til að flytja erfðaeinkenni á milli fjarskyldra tegunda, gera mönnum kleift að nota örverur til að framleiða lífefni sem eru þeim algerlega framandi. Erfðatæknina má einnig nota til að breyta eiginleikum og auka afurðir af öðrum lífverum. Ein helsta ástæðan fyrir hinum aukna áhuga á líftækni, sem fram hefur komið á seinni árum, er hinn fyrirsjáanlegi skortur á hefðbundnum efna- og orkugjöfum eins og t.d. olíu og kolum. Maðurinn verður því að leita nýrra aðferða til að nýta sólarorkuna til framleiðslu á lífrænu efni. Úr þessu lífræna efni munu síðan fást mörg nauðsynleg efni, sein mannkynið þarf á að halda. Framleiðsla þessara efna og hagnýting þeirra mun að mestu leyti byggjast á erfðatækni, ensím¬tækni og á hinum stórkostlegu og fjölbreyti¬legu nýmyndunarhæfileikum örvera. Megin-markmið líftæknilegra rannsókna er því upp- efni unnin úr náttúrulegum hráefnum eða úrgangsefnum. t.d. var polyethylen plast unnið úr melassa sem er úrgagnsefni frá sykurframleiðslu. Á sjötta áratugnum viku þessi hráefni hvert af öðru fyrir ódýrum olíuhráefnum. Vitundin um náttúruleg hráefni tendraðist á ný á tíma olíukreppunnar og vegna aukins skilnings manna á mikilvægi umhverfis¬verndar. Líftækniiðnferli bjóða flest upp á .. mjúk" ferli. eða hitastig frá 0°- 100° C og oftast tiltölulega lágan þrýsting. Enda þótt hinn hefðbundni gerjunar¬iðnaður muni væntanlega alltaf gegna veiga¬miklu hlutverki· í líftækni þú er ljóst að þær miklu vonir. sem nú eru bundnar við líf¬tæknina varðandi hagnýtingu. byggja aðal¬lega á tveimur meginuppgötvunum í líffræði. 1. Ensímtækni. Örverur eða ensím úr þeim má nota til a0 framkvæma flestar náttúru-legar efnabreytingar. Þetta byggist á gífurlegri fjölbreytni. sérvirkni og hraða þeirra efnahvarfa sem ensím hvata. Þróun í ensímtækni gefur möguleika á að hag¬nýta þessa eiginleika ensímanna. 2. Erfðatæknin. Nýjar aðferðir til að flytja erfðaeinkenni á milli fjarskyldra tegunda, gera mönnum kleift að nota örverur til að framleiða lífefni sem eru þeim algerlega framandi. Erfðatæknina má einnig nota til að breyta eiginleikum og auka afurðir af öðrum lífverum. Ein helsta ástæðan fyrir hinum aukna áhuga á líftækni, sem fram hefur komið á seinni árum, er hinn fyrirsjáanlegi skortur á hefðbundnum efna- og orkugjöfum eins og t.d. olíu og kolum. Maðurinn verður því að leita nýrra aðferða til að nýta sólarorkuna til framleiðslu á lífrænu efni. Úr þessu lífræna efni munu síðan fást mörg nauðsynleg efni, sein mannkynið þarf á að halda. Framleiðsla þessara efna og hagnýting þeirra mun að mestu leyti byggjast á erfðatækni, ensím¬tækni og á hinum stórkostlegu og fjölbreyti¬legu nýmyndunarhæfileikum örvera. Megin-markmið líftæknilegra rannsókna er því upp- götvun, þróun og hagkvæmur rekstur iðnaðar- og framleiðsluferla sem byggjast á margvíslegum eiginleikum lífveranna. Grunnrannsóknir eflast Flestar iðnaðarþjóðir veraillar leggja hundruð milljóna og jafnvel milljarða króna til rannsókna og þróunarverkefna á sviði líftækni. Nokkur munur er ,í stuðnings¬aðferðum frá einu landi til annars. Sammerkt er þeim þó öllum að reynt er í fyrsta áfanga að efla grunnrannsóknir og þróunarstarfsemi í háskólum og rannsóknarstofnunum. því að líftækni bvzuist fyrst oz fremst á þekkingu. Í _rc,e e, b öðrum áfanga er reynt að sameina áhuga og kraft framkvæmda- og fjármálamanna þekk¬ingu vísindanna í nýjum fyrirtækjum. Slík fyrirtæki eru oft sett á fót nærri uppsprettu þekkingarinnar. það er að segja nærri há¬skólum og rannsóknarstofnunum. Ríkis-valdið hefur víða haft forgöngu um stofnun líftæknifyrirtækja þegar seint hefur þótt ganga að fá áhættufjármagn úr atvinnulífinu. Líftæknifyrirtækjum eru víða boðin skatt¬fríðindi og jafnvel hagstætt áhættufjármagn frá stjórnvöldum. Hér á landi hefur áhugi á líftækni farið vaxandi. Bent hefur verið á fjölda möguleika á þessu sviði til nýrrar sóknar í iðnaði. Hins vegar hafa framlög frá opinberum aðilum til líftæknirannsókna verið næsta lítil til þessa og atvinnufyrirtæki vart haft bolmagn til þess að gera betur. Þjóðin lifir að mestu á framleiðslu mat¬væla. en talið er að sú grein muni verða fyrir miklum áhrifum líftækninnar á komandi ára¬tug. Raunar er sú þróun þegar hafin. Og víst er að það verður óhemjudýrt að kaupa líf¬tæknileg efni og aðferðir. tilsniðin ug full-frágengin. t.d. af samkeppnisþjóðum okkar í fiskiðnaði, ef það verður þá nokkru sinni hægt. Það er því ánægjulegt að nú er útlit fyrir að það rofi til um fjármögnun í íslenskum líftæknirannsóknum á vormánuðum l 9H5. Iðnaðarensím Notkun ensíma í iðnaði mun hafa byrjað um síóustu aldamót. en veruleg aukning „í notkun þeirra í iðnaði van) fyrst eftir 1 %5. Ensím eru einkum unnin úr innyflum dýru, úr plöntum og úr örverum. Ensím úr örverum hafa frá upphafi verið verulegur hluti iðnaðarensíma. og hefur hlutur þeirra stöð¬ugt farið vaxandi. Staða ensímiðnaðar árit) 1981 , ar þannig að framleidd voru um 65.000 tonn at) verð¬mæti um -+llll milljónir bandaríkjadala (þar af voru örveruensím aö andvirði 150 milljónir). Spáð var aukningu í 75.000 tonn ·a1) verð¬mæti 600 milljónir dala árið 1985. Ensímiðnaður er ung og ört vaxandi iðn¬grein þar sem um 25 fyrirtæki sjá um nær alla heimsframleiðsluna, en sex þeirra eru langt¬um stærst. Meðal vestrænna þjóða eru þær þjóðir, sem stunda mikinn matvælaútflutn¬ing. stærstu ensímframleiðendurnir, Danir með tæplega helming framleiðslunnar og Hollendingar með fimmtung. Skýringin á þessu kann að vera tengd nauðsyn matvæla¬útflutnings þjóðanna til að skapa sem mest verðmæti úr hráefninu, en mörg ensímanna eru einmitt úr úrgangi matvælaiðnaðar. Slíkt er vitanlega lærdómsríkt fyrir okkur Íslend¬inga, ekki síst á tímum minnkandi hráefnis¬magns fyrir okkar mikilvæga matvælaiðnað. fiskiðnaðinn. Að magni til er notkun iðnaðarensíma mest í þvottaefnaiðnaði. Þar er fyrst og fremst um að ræða próteinkljúfandi og sykurkljúfandi ensím sem unnin eru úr ýmsum tegundum bakteríuættkvíslarinnar Bacillus. Þessi örveruensím hafa mörg reynst mjög heppileg í þvottaefni vegna þess að þau eru frekar hitaþolin, geta starfað við hátt sýrustig (í lút) og eru ónæm fyrir ýmsum efnasamböndum sem finnast í þvottaefnum. Auk þess sem sykurkljúfandi ensím eru notuð í þvottaefni eru þau mjög mikið notuð við framleiðslu á ávaxtasykri úr sterkju, og hefur notkun ensíma í raun þegar valdið byltingu í sykuriðnaðinum. Ensímið rennin er notað sem hleypir við ostagerð. Upphaflega var það aðeins fáan¬legt úr mögum ungra kálfa. Eftirspurnin var hins vegar orðin meiri en framleiðslan og fyrir 15 árum var farið að nota svepparennin til framleiðslu ýmissa ostategunda. Nú. er talið að um það bil helmingur af heims¬framleiðslu osta notist við svepparennin. Mikil þörf er þó alltaf fyrir hið upphaflega kálfarennin vegna sérstakra eiginleika þess. og hefur nú nýlega tekist með erfðatækni¬legum aðferðum að láta E.coli bakteríur framleiða það. Þessi framleiðsla er þó enn á tilraunastigi en ef að líkum lætur mun hún aukast verulega á næstu árum. Hvað eru ensím? Ensím eru efnahvatar lífheimsins, enda oft nefndir lífhvatar. Ensímin eru risastórar próteinsameindir sem eru samsettar úr amínósýrum. Þau hvetja öll efnahvörf lífvera og taka þátt í stjórn efnaskipta þeirra. ásamt smáum stjórnefnum, svonefndum hindrum og örvum. Orkuvinnsla lífvera og nýsmíði lífefna eru höfuðviðfangsefni ensímhvötun¬ar. Gerjun ethanols (vínanda) úr sykri (glúkósa) er dæmi um orkuvinnsluferil í líf¬verum með þátttöku 12 ensíma. Ethanolið (vínandinn) er lokaafurð, sem gersveppurinn getur ekki nýtt frekar við súrefnissnauð skil¬yrði. Melting fæðu er annað dæmi um ensím¬hvötun. Melting einnar máltíðar tekur okkur mannverur innan við einn sólarhring með aðstoð meltingarensíma. Án þeirra mundi melting máltíðarinnar taka um 50 ár. Líf eins og við þekkjum það er með öllu óhugsandi án ensíma. Það eru einmitt gersveppir og meltingar-ensím sem hafa skipt miklu máli í líftækni undanfarinna áratuga og talið er að svo muni verða áfram, einkum í matvælaiðnaði, elds-neytisframleiðslu og efnaiðnaði framtíðar-innar. Af iðnaðarensímum í notkun árið 1981 voru 90% meltingarensím, þar af voru 59% próteinkljúfandi meltingarensím. Þessi ensím voru ýmist unnin úr spendýrum. eink¬um svínum. eða örverum. einkum Bacillus. Ensímin eru einkum notuð við 30-60° C hita. Í mörgum tilvikum kann að vera mun hentugra að nota ensím er hafa aðra eigin¬leika en þau ensím sem nú eru notuð. Þetta á sérstaklega við um ensím sem hafa mikla virkni við mun lægra eða mun hærra hitastig en þau ensím sem nú eru á boðstólum. Fleiri framleiðsluleiðir myndu þannig opnast ef slík ensím væru fáanleg. Ensím kaldsjávarfiska eru einmitt virk við mun lægra hitastig en samsvarandi ensím blóðheitra dýra, og ensím úr hveraörverum þola mun hærra hitastig en þau sem nú eru í notkun. Mörg meltingarensím fiska eru verulega frábrugðin tilsvarandi ensímum í blóðheiturn dýrum. Hvaða markaðslega þýðingu þetta hefur er enn ekki ljóst, en bent hefur verið á ýmsa hugsanlega möguleika fyrir meltingar-ensím úr fiskum (í mjólkuriðnaði. fiskiðnaði. efnaiðnaði o.fl.). Ensím hveraörveranna eru stöðug og virk við það hitastig sem viðkomandi örverur lifa best við. Einnig hefur komið í ljós að þau eru oftast stöðugri gagnvart öðrum þáttum, svo sem sýrustigi og lífrænum leysiefnum heldur en venjuleg ensím. Stórar þjóðir og smáar einar um að hagnýta nýjustu aðferðir í líf¬tækni, einkum erfðatæknina. og þá fyrst og fremst í lyfjaiðnaði. efnaiðnaði og læknis¬fræði. Litið er á líftækni sem lykilatriði varðandi endurreisn efnahagslífsins í hinum þróuðu löndum. Líftæknin er nú einnig að hetja innreið sína inn á önnur svið. svo sem landbúnað og matvælaframleiðslu og jafn¬framt eru þróaðar smáþjóðir farnar að huga að hagnýtingu líftækninnar. Vanþróaðar þjóðir vænta einnig mikils af líftækninni í framtíðinni varðandi orkuöflun úr ódýrum lífmassa og lausn fæðuvandamálsins. Líftækni og aðferðir hennar eru ekkert nýtt fyrirbæri á Íslandi. Út frá hinni víðu skilgreiningu má færa rök að því. að skreiðar¬verkun sé mikilvæg grein líftækni hérlendis. þar eð hún byggist að öllum líkindum á vexti ákveðinna mjólkursýrugerla. sem hindra vöxt ýmissa óæskilegra lífvera á skreiðinni. Sömuleiðis gegna meltingarensím síldar¬innar mikilvægu hlutverki við síldarverkun og mætti telja til líftækni. Líftækni til innanlandsnota er þó mun fjölbreyttari. Er þar fyrst að nefna mjólkur¬iðnað. þar sem skyr. jógúrt og súrmjólk eru búin til með aðstoð gerla og sveppa. og ostar hleyptir með hjálp próteinkljúfanúi ensíma. Bruggun öls og brauðgerð byggjast á ger-sveppum. Af tiltölulega nýrri notkun líftækni má telja slógmettu, þar sem næringarríkt fóður. og notkun ýmissa smádýra og örvera til að úraga úr tjóni af völdum skordýra á garða- og gróðurhúsajurtum. Loks er líftæknin mikið notuð til mælinga á ýmsum efnum og sýklum á sjúkrahúsum og tjölmörgum rannsóknarstofum. Í stuttu máli má segja að án líftækni væri nútíma atvinnu¬starfsemi í matvælaframleiðslu, heilbrigðis¬þjónustu og rannsóknum óhugsandi á Ís¬landi. Líftækni og fiskiðnaður Líklegt er að höfuðatvinnuvegur okkar. fiskvinnslan, verði fyrir miklum áhrifum á næstu árum og áratugum. Með notkun líftækni við fiskvinnslu er átt við notkun ensíma eða örvera til þess að framkvæma einhverja aðgerð í vinnslu hrá¬efnisins. Í hefðbundinni fiskvinnslu er höfuð¬áhersla nú lögð á véltæknilegar lausnir tlestra vinnsluþá~ta~ Án efa mætti í mörgum til¬fellum beita aðferðum líftækninnar til þess að einfalda og auka hagkvæmni í fiskvinnsl¬unni. Sem dæmi um slíkt má nefna, að Norð¬menn eru nú farnir að nota ensím við vinnslu smokkfisks. Smokkurinn hefur seigar himnur sem fjarlægja þarf fyrir neyslu og illmögulegt hefur reynst að fjarlægja með hefðbundnum aðferðum Með notkun ensíma hefur hins vegar tekist að fjarlægja þessar himnur á einfaldan og ódýran hátt. Á tilsvar¬andi hátt kann að vera mögulegt að nýta ensím til að skilja sundur líffæri eða líkams¬hluta af ólíkri gerð. t.d. losa hreistur af fiski, roðfletta fisk. hreinsa burt búkhimnur, losa skelfisk úr skelinni. fjarlægja himnur af lifur og hrognaskálmum. losa sundur innyfli o.m.fl. Fóðurframleiðsla úr mysu og fisk¬úrgangi. meltuvinnsla, á án efa einnig mikla framtíð fyrir sér hér álanúi. tengd framþróun í fiskeldi og loðdýrarækt. Enúa þótt líftæknilegir ferlar séu almennt ekki skilgreindir sem orkufrekir. er talsverð orka nauðsynleg og kostnaður við vinnslu og dreifingu hennar getur skipt sköpum varð¬andi hagkvæmni. Má nefna að mikla gufu þarf til að dauðhreinsa æti og tanka fyrir ræktun örvera. Ræktun hveraörvera þarf einnig varma. Þá er ódýr varmaorka mikil¬væg til eimingar og þurrkunar á líftækni¬legum afurðum. Ég tel líklegt að fisk¬iðnaðurinn sé sú atvinnugrein hér á landi sem verði fyrir einna mestum áhrifum líf-tækninnar. Líklegt er að áhrifin verði á þann veg að með líftæknilegum aðferðum megi hagnýta fiskúrgang og fisktegundir sem nú eru ekki nýttar. Einnig verði vinnsluaðferðir þróaðar þannig að núverandi framleiðsla verði hagkvæmari og afurðirnar verðmætari. Efling líftækninnar á Íslandi Eftir hvaða leiðum mun líftæknin berast til okkar Ísiendinga? Ég tel þrjár leiðir líkleg¬astar. Í fyrsta lagi með innlendum rann¬sóknum og þróunarstarfi. Dæmi um slíkt er: Vinnsla fóðurs úr slógmeltu. Vinnsla heparins úr sauðfjárgörnum. Vinnsla ensíma úr innlendum hráefnum. svo sem fiskúrgangi og hveraörverum. Notkun ensímtækni í fiskiðnaði. Vinnsla lyfja úr merablóði. Vinnsla meðalafitu úr lýsi. Í öðru lagi með innfluttum framleiðsluað-ferðum. Dæmi um möguleika á því sviði er: Vinnsla lyfja úr blóðvökva manna. Hagnýting mysu í fóður, sætefni eða ethanolvinnslu. Alkóhóleldsneyti og kjarnfóður úr inn¬fluttri sterkju. Í þriðja lagi með erlendum líftæknifyrir-tækjum eins og t.d. ensímframleiðendum. Það virðist ekki síður áhugavert að reyna að laða til landsins erlend lífæknifyrirtæki eins og erlend stóriðjufyrirtæki og raunar e.t.v. eftirsóknarverðara. Ég tel þessar leiðir allar færar og allar vænlegar. Mér sýnist jafnframt að það þurfi að stórauka viðleitni okkar Íslendinga á öllum þessum sviðum. en þó sérstaklega til innlendra rannsókna og þróunarstarfs. Ef það er gert er ég sann¬færður um að árangurinn mun ekki láta á sér standa. Við Íslendingar getum gert hvað sem er eins vel og aðrar þjóðir ef ekki betur. Jón Bragi Bjarnason