Mikrobeista on ollut ihmiskunnalle paljon harmia, mutta myös paljon iloa, sillä olemme oppineet hyödyntämään niitä biotekniikan työjuhtina. Monet lääkeaineet ovat nykyisin mikrobien tuottamia, muun muassa antibiootit, tietyt syöpälääkkeet, interleukiini ja interferoni. Vasta-aineita ei tarvitse enää tuottaa kaneissa tai marsuissa, sillä ne tuotetaan geenitekniikoiden avulla soluviljelmissä.

Mikrobien avulla olemme oppineet tutkimaan perimää, diagnosoimaan sairauksia, sekvensoimaan ihmisgenomia ja kehittämään lääkkeitä ja geenihoitoja vaikeisiin sairauksiin. Tuore esimerkki on suomalaisen tutkimuksen pohjalta kehitetty virtsarakkosyövän geenilääke, joka sai joulukuussa 2022 myyntiluvan Yhdysvalloissa. Kuopiossa valmistettava lääke, Adstiladrin, on täsmälääke pinnallista virtsarakon syöpää sairastaville potilaille.

“Geenihoidon malli on kaapattu viruksilta. Lääke on tehty mikrobiologian kautta tulleilla työkaluilla ja se on tuotettu bioreaktoreissa, jotka perustuvat mikrobiologiaan”, Itä-Suomen yliopiston professori Seppo Ylä-Herttuala kertoo Lääketieteen Säätiön podcastissa.

Kaiken kaikkiaan geenilääkkeitä on länsimaissa jo markkinoilla toistakymmentä — ja lisää on luvassa. Samaan aikaan yleistyvät myös muut biologiset lääkkeet, kuten autoimmuunisairauksien ja syöpien hoidossa käytettävät monoklonaaliset vasta-aineet.

“Jos katsotaan, millaisia uusia lääkeaineaihioita on eri vaiheiden kliinisissä tutkimuksissa, huomattava osa niistä on biologisia lääkkeitä”, Turun yliopiston biokemian professori Mikko Metsä-Ketelä toteaa podcastissa.

Biologiset lääkkeet tuotetaan aina soluissa, tyypillisesti bakteeri-, hiiva- tai eläinsoluviljelmissä. Tuotannon siirtämisessä soluihin hyödynnetään geenitekniikan keinoja, jotka on kehitetty mikrobien avulla.

Entsyymejä kuumissa lähteissä eläviltä mikrobeilta

Geenitekniikat alkoivat kehittyä 1970-luvulla, kun yhdysvaltalaistutkijat kehittivät E.coli -bakteerin avulla yhdistelmä-dna-teknologian eli menetelmän, jolla dna:ta voidaan yhdistää kahdesta eri organismista. Dna:ta opittiin leikkaamaan ja liimaamaan sekä siirtämään mikrobista toiseen. Tässä tarvittavat entsyymit löydettiin bakteereista ja viruksista.

Dna:ta eri kohdista leikkaavia restriktioentsyymejä löydettiin bakteereista satoja. Bakteereilla on tällaisia aseita laaja arsenaali, sillä niiden avulla ne pilkkovat kimppunsa hyökkäävän faagin eli bakteeriviruksen perimän palasiksi. Sittemmin bakteereilta löydettiin myös toisenlainen keino, jolla ne pilkkovat vierasta perimää, CRISPR-Cas9-järjestelmä.

Tutkija Emmanuelle Carpentier ja Jennifer Doudna kehittivät siitä välineen ihmisperimän muokkaukseen, “geenisakset”, vuonna 2012. He saivat Nobelin kemian palkinnon vuonna 2020. Bakteereilla on tällaisia aseita laaja arsenaali.

“Voidaan olettaa, että vastaavia metodeja, joilla mikrobit puolustavat itseään, löytyy vielä lisää. Niistä saadaan uusia työkaluja lääketieteen perustutkimukseen ja jopa ihan kliiniseen hoitoon. Ensimmäiset geenisaksia hyödyntävät kliiniset kokeet ovat jo menossa”, Ylä-Herttuala kertoo podcastissa.

Mikrobeja on kiittäminen myös siitä, että saimme menetelmät dna:n sekvensointiin ja ihmisperimän tutkimiseen. Tärkeä edistysaskel oli, kun yhdysvaltalaistutkija, nobelisti Kary Mullis kehitti vuonna 1983 PCR-menetelmän. Sillä voidaan monistaa organismin perimästä haluttua dna-pätkää siten, että sitä saadaan valtava, miljardikertainen määrä. Menetelmässä tarvittavat entsyymit löydettiin mikrobeista, jotka elivät erikoisessa ympäristössä.

“Toimivat entsyymit löydettiin kuumista lähteistä. Siellä oli evoluutio valikoinut bakteereita, joilla oli kuumissa olosuhteissa toimivia dna:ta kopioivia entsyymejä, polymeraaseja. Siten saatiin PCR toimimaan tehokkaasti.”

Lääkkeiden tuotanto mikrobeissa yleistyy

Nykyisistä lääkkeistä iso osa on niin sanottuja pienimolekyylisiä yhdisteitä, jotka pystytään valmistamaan kemiallisesti. Esimerkki tällaisesta perinteisestä lääkeaineesta on pajunkuoresta alun perin eristetty särkylääke aspiriini, jota valmistetaan kemiallisen synteesin avulla. Kemiallinen valmistus käy kuitenkin hankalaksi, mitä isommasta ja monimutkaisemmasta lääkemolekyylistä on kyse — eikä se onnistu lainkaan biologisten yhdisteiden, kuten proteiinilääkkeiden tai vasta-aineiden kohdalla. Ne tehdään mikrobien avulla.

Mikko Metsä-Ketelän mukaan viime vuosien kiinnostava ilmiö on, että mikrobeja on ryhdytty kokeilemaan aiempaa laajemmin myös pienimolekyylisten lääkeaineiden valmistuksessa. Esimerkiksi aspiriinia on jo onnistuneesti kokeiltu tuottaa mikrobissa, johon on siirretty tuottoa varten tarvittavat geenit pajusta.

Isoja lääkeaineiden biosynteesireittejä on siirretty hiivaan ja ne ovat alkaneet toimia. Lääkeaineiden biosynteesiä mikrobeissa pystytään myös muokkaamaan. Tällöin niistä voidaan pyrkiä kehittämään esimerkiksi aiempaa tehokkaampia tai vähemmän sivuvaikutuksia aiheuttavia. Esimerkiksi kun opioideja tuotetaan mikrobeissa, voidaan lisätä biosynteesiin uusia geenejä ja siten mahdollisesti tehdä johdannaisia, jotka toimisivat paremmin kivunlievitykseen.

“Tämä synteettisen biologian ala on nyt nousemassa kemiallisen synteesin rinnalle”, Metsä-Ketelä kertoo podcastissa.

Suomen lääketieteen säätiön Tulevaisuuden lääketiedettä -podcastin kuusiosaisella kaudella ”Ihmiskunnan viholliset — ja uskolliset ystävät” puhutaan mikrobien merkityksestä ihmisten terveydelle.