Kursus 3: Toidu kvaliteet ja ohutus

1. Poola Teaduste Akadeemia L.Zwierzchowski Kursus 3:Toidu kvaliteet ja ohutus Teema 3: Geneetiliselt muundatud organismidelt (GMO) pärit toit ja teised produktid Õppetund 1: Transgeensetelt loomadelt pärit biofarmakonid ja teised toiduained – praegune olukord ja tulevik Piim ja udar

2. Sisukord • Biotehnoloogia ülesanded toidu tootmisel ja meditsiinis • Tähised loomade transgeneesi uuringutes • Piima koostise modifikatsioonid • Udara biotehnoloogia – transgenees • Udaras ekspresseeruvate uute geenide sisestamine • Piimavalkude geenide „parandamine”, asendamine või inhibeerimine • Piimavalkude, -rasva või -suhkru radu kodeerivate ensüümide „parandamine”, asendamine või inhibeerimine • Udar kui bioreaktor • Järeldused Täiendav materjal: WP3T3L1.pdf

3. Biotehnoloogia ülesanded • toidu tootmisel ja meditsiinis • Täiustatakse transgeensete loomade põllumajanduses ja meditsiinis kasutamise projekte. Transgeenide insertsioon või teised geenimanipulatsioonid võivad parandada põllumajandusloomade toodanguomadusi. • Kõige olulisemad eesmärgid loomade transgeneesis on järgmised: • loomade kasvukiirus ja lihatoodang, • piimatoodang ja piima kvaliteet, • villatoodang ja villa kvaliteet, • haigusresistentsus, • parem või kontrollitud sigimine, • tavaliselt mitteseeduva sööda seedimine, nt inositool-heksafosforhape (C6H18O24P6) – vähem keskkonda vabanenud fosfaate.

4. 2. Tähised loomade transgeneesi uuringutes 1980Esimest korda saadi transgeenne hiir DNA mikroinjektsiooni teel sügoodi pronukleusse - Gordon jt. 1982 Esimene liitgeen (roti GH liidetud hiire MT-sse) sisestatud hiire genoomi– hiidhiir- Palmiter jt. 1985 Esimesed transgeensed põllumajandusloomad – küülikud, sead ja lambad –saadi inimese GH geeni ja hiire MT promootori konstrukti abil - Hammer jt; Brem jt. 1986 Esimene transgeenne kala (vingerjas) inimese GH geeniga oli suurema kasvukiirusega - Zhu jt. 1987Transgeenne hiir lüpsis võõrvalku – lambaβ-laktoglobuliini - Simons jt. 1987 Transgeenne hiir lüpsis inimeste ravimit – koe plasminogeeni aktivaatorit - Gordon jt.

5. 2. Tähised loomade transgeneesi uuringutes (järg) 1988Transgeensed põllumajandusloomad – utt lüpsis inimeste ravimit– α–antitrüpsiinivõihüübimisfaktor IX - Simons jt. 1989 Esimesed transgeensed linnud (kanad) geeniga, mis kodeerib lindude leukoosiviiruse ümbrisevalku - tekitab resistentsust leukoosile - Salter & Crittenden. 1991 Transgeensed veised inimese laktoferriini geeniga (liidetud αS1-kaseiini promootor) saadi DNA mikroinjektsiooni teel IVF ootsüütidesse- Krimpenfort jt. 1992 Transgeenne „hiidkala” (lõhe) ainult kaladelt pärit konstruktiga AFP-GH - Du jt. 1997 Esimene transgeenne loom – utt lüpsab piimaga hüübimis- faktorit IX – saadi embrüokloonimise meetodil- Schnieke jt. 2000Eesmärgiga saada raviotstarbelist proteiini – lammaste pro- kollageeni (COLIA1) geen klooniti loote fibroblastist - McCreath jt.

6. 3. Modifikatsioone piima koostises saab teha • sisestades uusi geene, mis ekspresseeruvad udaras. • Olemasolevate piimavalkude geenide ekspresseerumise inhibeerimine. • Piimavalkude geenide „parandamine” või asendamine. • Teiste piimanäärmetes ekspresseerunud geenide, mis kodeerivad piimavalkude, -rasva või –suhkru raja ensüüme, „parandamine”, asendamine või inhibeerimine.

7. 4. Udara biotehnoloogia – transgenees (1) Piim on inimese peamine proteiinide allikas – ligikaudu 30% tarbitavast proteiinist on piimaproteiinid. Enamus piimast ja inimeste poolt tarbitavatest piimatoodetest on lehmapiim, kuid me tarbime ka kitse- ja lambapiima. Mäletsejate piim ei ole ideaalne toit inimestele ja toormaterjal piimatööstusele: 1) kaseiinid, peamised piimaproteiinid, on vaesed väävlit sisaldavate aminohapete (metioniini ja tsüsteiini) allikad; 2) β–globuliin, peamine vadakuvalk, on samuti peamine allergogeenne piima komponent; 3) häired laktoosi imendumises on levinud ja võivad mõjutada inimese seedetrakti talitlust (tingituna polümorfismist – mutatsioonidest, mis asuvad tuhat aluspaari(Kbp) enne laktaasi geeni 5-flanking piirkonda;

8. 4. Udara biotehnoloogia – transgenees(2) • Mäletsejate piim ei ole ideaalne inimtoit ega tooraine piimatööstusele : • 1) oma kõrge küllastumata rasvhapete sisalduse tõttu ei ole piimarasv väga tervislik toitaine inimestele; • 2) madal valgusisaldus, kaseiini mitsellide suurus ja strukuur võivad mõjutada negatiivselt mõnede juustuliikide kvaliteeti; • 3) oma halva lahustuvuse tõttu madalal temperatuuril võib laktoos epiimasuhkur mõjutada mõnede piimatoodete kvaliteeti, nt jäätisel;

9. 4. Udara biotehnoloogia –transgenees (3) Udar on soovitud ja väga sobiv objekt transgeneesiks: 1) see on ehtne käitis, kus proteiine toodetakse suurtes kogustes ja sekreteeritakse (eritatakse);. 2) piima koostist on võimalik muuta mitmel moel; 3) õige geenikonstrukti ekspresseerumist transgeneesil kontrollitakse koe- ja arenguastme spetsiifilisel meetodil; 4) piim on “kehaväline vedelik” – eritatakse piimanäärmetest. Seda saab kergesti koguda lüpsmise teel. 5) põhimõtteliselt on piima tootmine piiratud piimanäärmega, mistõttu bioloogiliselt aktiivseid proteiine eritatakse piimaga ja see ei kahjusta tema tootjat – transgeenset looma.

10. 5. Uute, udaras ekspresseeruvate geenide sisestamine • Piima toiteväärtuse suurendamiseks sisestatakse geene, mis kodeerivad rohkelt väävlit sisaldavaid aminohappeid metioniini ja tsüsteiini. • k-kaseiini kodeerivate täiendavate geenide sisestamine suurendab piima resistentsust kuumutamisele, lühendab kalgendi koagulatsiooniaega, suurendab kaseiinikalgendi tugevust. Seega suureneb piimast toodetud juustu kogus ja kvaliteet. • Bakteritsiidsete proteiinide, nagu lüsosüümi, laktoferriini või antikehade ekspressioon udaras kaitseb udarat bakteriaalsete nakkuste (mastiidi) ja imevaid noorloomi soolenakkuste eest.

11. 6. Piimavalkude geenide „parandamine”, asendamine või inhibeerimine(1) Täiendavate fosforüleerumise kohti (fosfoseeriini blokid) kodeerivate järjestuste sisestamine piimavalgugeenidesse, nt kaseiinigeenidesse, rikastab piima kergesti imenduva kaltsiumfosfaadiga. Täiendavate proteolüütiliste ensüümide liitumiskohtade sisestamine kaseiinigeenide kodeerivatesse järjestustesse lühendab juustu valmimise aega ja võib-olla suurendab modifitseeritud piimast valmistatud juustu kvaliteeti. Mõnede piimavalgugeenide (nt ß-laktoglobuliini geeni) ekspressiooni inhibeerimine (inaktivatsioon, knock out) võib vähendada piima allergogeenseid omadusi.

12. 6. Piimavalkude geenide „parandamine”, asendamine või inhibeerimine(2) • Uute reguleerivate järjestuste sisestamine piimavalgugeenide promootorisse võib suurendada või vähendada (mida iganes soovitakse) spetsiifiliste piimavalgugeenide ekspressiooni. • Mäletsejate piima (lehmapiima) “inimestele sobilikumaks tegemine”– veiste piimavalgugeenide asendamine, vähemalt osaliselt, vastavate inimese omadega.

13. 7. Piimavalkude, -rasva või -suhkru radu kodeerivate ensüümide „parandamine”, asendamine või inhibeerimine (1) Piima rasvasisalduse vähendamine, piimarasva sünteesi raja ensüüme kodeeriva geeni või geenide ekspressiooni inaktiveerimine (knock-out). Lipiidide de novo sünteesi saab vähendada blokeerides atsetüül-CoA-dekarboksülaasi sünteesi. Lehmapiima rasvasisalduse vähendamine peab andma ka majanduslikku efekti. On kindlaks tehtud, et piima rasvasisalduse alandamine 3,8%-lt 2%-ni vähendab piimakarja söötmise kulusid ligi 22%. Piimarasva koostise modifitseerimine, suurendades polüküllastamata rasvhapete osatähtsust, nt sisestades geeni, mis kodeerib D 9 desaturaasi.

14. 7. Piimavalkude, -rasva või -suhkru radu kodeerivate ensüümide „parandamine”, asendamine või inhibeerimine(2) Laktoosisisalduse vähendamine piimas inhibeerides (knock-out)α-laktalbumiini geeni. Piima laktoosisisalduse vähendamine imetajate piimanäärmes ekspresseerides seal imetajate laktaasi või bakteriaalset β-galaktosidaasi (LacZ geen) geeni.

15. 8. Udar kui bioreaktor • Transgeensete loomade udaras toodetakse praegu mitmeid inimsete biofarmatseutilisi proteiine • Koe plasminogeeni aktivaator – küülik, kits • α-glükosidaas - küülik • Kasvuhormoon - küülik, kits • α-antitrüpsiin - utt • Hüübimisfaktor IX - utt • HüübimisfaktorVIII – utt, emis • Proteiin C - emis • Erütropoietiin – utt, lehm, küülik • Anitrombiin III - utt • Laktoferriin - lehm

16. 9. Järeldused • Biofarmakonide tootmine transgeensete loomade piimanäärmetes on reaalsus. Rekombinantsed, inimese ravi eesmärgil kasutatavad proteiinid, mis eraldatakse transgeensete loomade piimast, on peagi apteekides müügil. • Mäletsejate piima modifitseerimine on pikaajalisem eesmärk. Uued tehnoloogiad - sihtmärk-geeni modifitseerimine (gene targeting), homoloogne rekombnatsioon, geeni ekspressiooni inaktivatsioon (gene knock-out)- tuleb välja töötada ja täiustada enne, kui sellised modifikatsioonid on reaalsuseks saamas. • Püüded kasutada geenimanipulatsioone kasvukiiruse ja lihatoodangu suurendamiseks oli pettumus, v.a transgeensete kalade puhul. Ainult kaladelt pärit GH geeni konstruktiga kiiresti kasvavad kasvanduste kalad – lõhe, karpkala, tilaapia – ilmuvad peatselt turule. • Villakasvu ja kvaliteedi parandamine või haigusresistentsemad loomad on senini loomade aretuses ja toidu tootmises vähetähtsad ja vajavad edasist tehnoloogilist täiustamist. • Loomade geenimanipulatsioonid toidu tootmiseks ei ole ainult tehniline probleem. Selliste manipulatsioonide tunnustamine avalikkuse poolt on vajalik, k.a GMO toidu ohutus.