TEMA BROJA

Miloslav Rajković

Biotehnologija i praksa

Biotehnologija u Četvrtoj industrijskoj revoluciji

Minule godine pokrenut je projekat “BIO4 kampus”, jedan od velikih projekata za koji biotehnolozi veruju da bi mogao da promeni koncept postojanja nauke u Srbiji i postane mesto gde će biotehnološke nauke oblikovati budućnost srpskog društva. Zašto Biofor i zašto baš numerička odrednica 4? Reč je o četiri naučne oblasti s prefiksom bio, kako je procenjeno, od nacionalnog političkog i ekonomskog značaja. To su: biomedicina, bioinformatika, biotehnologija i biodiverzitet. Kampus bi trebalo da poveže sve naučne i obrazovne ustanove koje se bave ovim naukama. Jedna od njih je i Katedra za biohemijsko inženjerstvo i biotehnologiju (sa grupom za biomaterijale i hemijsko inženjerstvo) Tehnološko-metalurškog fakulteta Univerziteta u Beogradu, fakulteta s najdužom tradicijom u izučavanju hemijskih i drugih tehnologija u zemlji.

-U budućem BIO kampusu, biotehnologija je prepoznata kao jedan od nacionalnih pravaca. Procenjuje se da svetsko tržište biotehnoloških proizvoda raste po stopi 8-9 odsto i da će vrlo brzo dostići vrednost nekoliko stotina hiljada milijardi evra. To je, pored naučnog, glavni razlog zašto Srbija želi da bude deo tog bio-ekonomskog prostora. Da bi biotehnologija u nas bila ključni akter u poboljšanju uslova za život, za proizvodnju hrane, proizvodnju efikasnijih lekova i alternativnih izvora energije, preduslov je puna povezanost naučnih instituta, naučnoistraživačkih radnika, industrijskih kompanija i samog stanovništva, iza koje bi stajala jasno usmerena nacionalna politika - kaže prof. Zorica Knežević-Jugović, profesor Katedre za biohemijsko inženjerstvo i biotehnologiju TMF, na kojoj predaje enzimologiju i enzimsko inženjerstvo, a na masters i doktorskim studijama još neke “interesantne predmete”, kao što su odabrana poglavlja biohemijskog inženjerstva, elektrohemijski biosenzori i tehnologija ugljenih hidrata.
Osnovne oblasti njenog naučnog interesovanja su enzimsko inženjerstvo i enzimske tehnologije, koje podrazumevaju razvoj i optimizaciju procesa koji se zasnivaju na primeni enzima, po pravilu izdvojenih iz mikroorganizama i drugih biljnih i životinjskih tkiva. Enzimi se, kaže, primenjuju u proizvodnji niza prehrambenih artikala, ali i u medicini, dijagnostici, zaštiti životne sredine, proizvodnji biogoriva, hemikalija i farmaceutika.

Ishrana bez glutena

U istraživačkom fokusu nastavnika i studenata ove prestižne Katedre su, pre svega, dobijanje novih enzima i mikroorganizama i korišćenje njihovog biokatalitičkog potencijala u proizvodnji biološki aktivnih komponenti hrane koje povećavaju funkcionalnost i bezbednost prehrambenih proizvoda. Ali i srodne teme: biotehnološka proizvodnja biološki aktivnih suspstanci (ekstrakcija, sinteza), njihova modifikacija (inkapsulacija) i implementacija u prehrambene i farmaceutske proizvode; razvoj imobilisanih biokatalizatora i reaktorskih sistema za proizvodnju strukturnih lipida, oligosaharida, estara, biogoriva i farmaceutika; analiza diverziteta kompleksnih mikrobioloških ekosistema; mikrobiologija i mikrobne fermentacije - dobijanje biomase i mikrobnih metabolita, korišćenje mikroorganizama u poljoprivredi i zaštiti životne sredine, optimizacija i uvećavanje razmera biotehnoloških procesa…
Tehnološko-metalurški fakultet je nosilac projekta Eureka: Novi biotehnološki postupci za proizvodnju funkcionalnih pekarskih proizvoda sa detoksinovanim glutenom obogaćeni dijetetskim vlaknima, BIOFLOSBAKE-LAVGLU, a rukovodilac prof. Zorica Knežević-Jugović. U realizaciji projekta učestvuju još: kompanija Sojaprotein d. o. Bečej, Nacionalni institut za istraživanje i razvoj bioresursa hrane u Bukureštu, poznatiji kao IBA, i rumunske kompanije Natural Ingredients R& D SRL Fagaras i Expergo Business. Evo i odgovora zašto su Novak Đoković, prvi teniser sveta, i drugi vrhunski sportisti, iz ishrane izbacili namernice s glutenom.

-Učestalost intolerancije na gluten - kaže dr Knežević-Jugović, danas je četiri puta veća nego sredinom prošlog veka. Celijakija je dijagnostifikovana kod jedne od 113 osoba i jedina bezbedna i efikasna terapija koja se prepisuje tim osobama je doživotno pridržavanje bezglutenskog režima ishrane, koji isključuje pšenicu, ječam, raž i ovas, ali i sve ostale namernice koje sadrže gluten. Od izuzetne je važnosti razvijati nove bezglutenske proizvode na bazi prirodnih sirovina koje imaju povoljne efekte na zdravlje, kao i postupke za detoksikaciju glutena.
Pored konvencionalnog pristupa u formulisanju unapređenih proizvoda sa niskom alergenošću, koji se zasniva na dodavanju funkcionalnih ingredijenata u bezglutenske premikse, najnovija i najpodsticajnija istraživanja su usmerena na modifikaciju samog glutena u cilju smanjenja alergenog potencijala i poboljšanja senzornih karakteristika uz očuvana funkcionalna i nutritivna svojstva.
Ovaj projekat treba da unapredi tehnologije za dobijanje specijalno dizajniranih prirodnih vlakana i oligosaharida iz otpadnih tokova sojine prerađivačke industrije koji, pored nutritivne vrednosti, poseduju odgovarajuća funkcionalna svojstva za obogaćivanje bezglutenskih premiksa i proizvoda. Enzimski postupci će biti usmereni na modifikaciju pšeničnog glutena u formu sa smanjenom alergenošću, što, prema rečima dr Knežević-Jugović, može biti od izuzetnog značaja generalno za preusmeravanje pristupa u proizvodnji hrane namenjene osobama intolerantnim na gluten. Umesto da se eliminiše iz hrane, gluten se prevodi u netoksični oblik.
Profesor Knežević-Jugović rukovodi i projektom MultiPromis, koji finansira Fond za nauku Republike Srbije. Ovaj projekat je motivisan jednim od gorućih pitanja današnjice: Kako proizvesti dovoljno viskokvalitetne hrane proteinskog porekla za potrebe sve veće ljudske populacije uz minimalne uticaje na životnu okolinu i očuvanje biodiverziteta? Projektni tim će, veli, “razviti nove proizvode na bazi proteina nove generacije - proteina iz lišća uljarica u formi proteinskih izolata, bioaktivnih peptida i unapređenih formulacija za inkapsulaciju koji, pored nutritivne vrednosti, poseduju odgovarajuća funkcionalna svojstva za obogaćivanje pekarskih proizvoda, naročito bezglutenskih premiksa”.

Proteini iz lista bundeve

Kroz projekt MultiPromis primeniće se i potvrditi inovativni koncept zasnovan na kombinovanoj primeni enzima lignoceluloznog kompleksa, kao i netermičkih i membranskih tehnologija za dobijanje rastvorljive frakcije proteina Rubisko (akronim enzima RuBisCO-ribuloza 1,5-biofosfat karboksila/oksigenaza) i nerastvornih (zelenih) proteinskih frakcija iz listova uljarica, ali i na njihovu modifikaciju do proizvoda sa dodatnom vrednošću - bioaktivnih peptida i proteinskih nanonosača za inkapsulaciju nutrijenata.
-Na osnovu dobrog poznavanja hemijskog sastava lisne biomase i specifičnosti komercijalnih i novosintetisanih enzima, dizajniraće se specijalno formulisani enzimski kokteli za ciljanu ekstrakciju proteina iz lista bundeve. Za dobijanje bioaktivnih peptida koristiće se koncept “precizne enzimolize”, koji se zasniva na korišćenju baza podataka sekvenci bioaktivnih peptida i specifičnosti enzima, kao i programi pomoću kojih se može simulirati enzimska hidroliza.
Ovakav pristup daje mogućnost da značajno skratimo vreme za pronalaženje optimalnih uslova u izboru enzima za hidrolizu konzervirane i poznate subjedince Rubisko i njihovo poređenje, a time na jednostavan i brz način može se predvideti biološka aktivnost dobijenih sekvenci peptida.
S druge strane, kako Rubisko iz bundevinog lišća ima i do sada nepoznate sekvence, očekuje se identifikovanje novih sekvenci peptida sa potvrđenim antioksidativnim i antimikrobnim dejstvom primenom empirijskog pristupa i testiranjem različitih enzima i parametara.
Katedra za biohemijsko inženjerstvo i biotehnologiju TMF sa kineskim konzorcijumom Shanghai Advanced Research Institute, Kineska akademija nauka, realizuje strateški projekat Razvoj novih bioloških postupaka za dobijanje proizvoda sa dodatnom vrednošću na agro-industrijskom otpadu.
- Cilj je da se razviju novi održivi biotehnološki procesi na bazi korišćenja sporednih i otpadnih tokova poljoprivrede, pre svega lignoceluloznog otpadnog materijala (pšenična pleva, klipovi kukuruza, otpadna masa soje, suncokreta i kukuruza) za dobijanje proizvoda sa dodatnom vrednošću: enzima, šećernih kiselina, intermedijara steroidnih lekova, egzopolisaharida i probiotske biomase, kaže prof. Zorica Knežević-Jugović.

Posebna pažnja biće posvećena dobijanju visokoproduktivnih radnih mikroorganizama. “Optimizovaće se”, naglašava, “fizičko-hemijske karakteristike supstrata, parametri rasta i fermentacije, kao i ukupna tehnološka šema procesa. Fokus je na unapređenju enzima i proizvodnih mikroorganizama primenom genetičkog i metaboličkog inženjerstva, kao i na dizajnu procesa da bi se unapredila konverzija lignoceluloznog supstrata i ukupna ekonomičnost procesa.”
Nova hrana postaje jedan od globalnih svetskih problema, jer je naša planeta suočena sa sve većim rastom stanovništva (predviđa se da će nas 2050. biti oko deset milijardi), i ako bismo i dalje koristili tradicionalne načine proizvodnje hrane trebalo bi da se proizvede 60 odsto više hrane, a to tradicionalnim putem ne bi bilo moguće. Mora da se pronalaze novi, alternativni izvori proteina. To je sada grana biotehnologije koja ima veliku ulogu u razvoju hrane budućnosti.
Jedan od pravaca je izolovati proteine iz raznih prirodnih izvora, često otpadnih, i printovati ih u obliku u kome smo mi navikli da koristimo. Tako kad budemo dobili šnicle ili neko drugo jelo od mesa u restoranu nećemo moći da ocenimo baš da li je proizvedena u laboratoriji ili je prirodna, sa stočarske farme.

Analiza mikrobiote Vanredni profesor dr Mirjana Rajilić-Stojanović, koja se usavršavala u Laboratoriji za mikrobiologiju (Laboratory of Microbiology) Univerziteta u Vageningenu (Holandija), pokrenula je zanimljiva istraživanja biodiverziteta konkretnih mikrobioloških ekosistema molekularnim metodama, naročito u vezi sa funkcionalnom hranom i bolestima gastrointestinalnog trakta. Član je istraživačkog tima European Helicobacter and Microbiota Study Group, koja je dala nobelovca Bari Maršala (Barry Marchall) za otkriće Heliko bakterije 2005. -Mikrobiota čoveka se može smatrati specijalizovanim “mikrobnim organom” koji je metabolički aktivan koliko i jetra i koji značajno doprinosi zdravlju čoveka. Adekvatne analize mikrobiote, kao izrazito složene mikrobiološke zajednice, moguće su samo molekularnim metodama. Najzastupljenija metoda za analizu mikrobiote, kaže sagovornik Planete, je sekvenciranje DNK (konkretno 16S rDNK kodirajućeg gena) kojom se u jednom eksperimentu dobija više stotina hiljada očitanih sekvenci. -Da bi se DNK sekvence prevele u mikrobiološke podatke, primenjuju se moderne bioinformatički alati kojima se sekvence prevode u podatke o vrsti i broju mikroorganizama u analiziranom uzorku”, objašnjava dr Knežević-Jugović naglašavajući da je upravo ovakvim pristupom ustanovljeno “da je mikrobiota čoveka koji živi u razvijenim industrijalizovanim društvima u odnosu na tradicionalna društva, značajno jednostavnija i modifikovanog sastava. Smatra se da je upravo poremećaj mikrobiote osnovni biološki uzročnik bolesti poput alergija, autoimunih bolesti, određenih kancera, ali i depresije i autizma. Na Katedri za biohemijsko inženjerstvo i bitehnologiju analiziramo mikrobiotu čoveka i razvijamo nove prebiotike (npr., dijetetske suplemente) čijom primenom bi bilo moguće analizirati neke od primena mikrobiote pacijenta i time potpomoći lečenje. Primenom prebiotika nove generacije bilo bi moguće smanjiti incidence bolesti koje su uzrokovane poremećajem mikrobiote.”

Ćelijska poljoprivreda, koja proizvodi mleko bez krava tako što se nakon ubacivanja određenih gena ćelije mikroorganizama primoraju da proizvode kazein i druge mlečne proteine, takođe je moderna grana biotehnologije. To je izazvalo priličnu reakciju u javnosti. “Mnogi su skeptični prema tom proizvodu, prvo zbog imena, zašto se zove mleko, a ne nekako drugačije. Zašto se baš pokušava da proizvede mleko? Jer u mleku ima i mnogih sastojaka koji ne mogu da se lako iskopiraju i izimitiraju. U ovom slučaju, nalazimo se na granici onoga šta se može, a šta se ne može.”
Ako budemo poizvodili novu hranu u velikim količinama, šta će biti sa tradicionalnom hranom životinjskog porekla? Hoće li deca i ubuduće piti prirodno kravlje mleko i jesti prirodno teleće i drugo meso?
-Prema podacima iz zapadnih izvora, ako bi se smanjila upotreba govedine samo 20 posto, mi bismo do sredine ovog veka prepolovili emisiju gasova „staklene bašte“. To je jedna politička zamka. Lično mislim da to važi za razvijene zemlje koje su već iskoristile svaki pedalj obradive površine. Srbija, međutim, ima toliko neiskorišćenih plodnih njiva… Na Zapadu smatraju da stočne vrste, pogotovo krupna stoka, emituju velike količine metana koji ima 20 puta veći toplotni kapacitet od ugljen-dioksida i mnogo doprinosi efektu „staklene bašte“.
Ipak, tvrdi dr Knežević-Jugović, može se proizvesti stočna hrana koja će emitovati manju količinu metana, a jedan deo biogasa reciklirati u anaerobnim digestorima u okviru farmi u biogasove koji mogu dati energiju, tako da se sve dovede u sklad sa tokovima cirkularne ekonomije.

Otpori novim konceptima

-Veliki su otpori toj biotehnologiji, potvrđuje ona. - Možemo da govorimo kuda ide biotehnologija uopšte. Šta je njen krajnji cilj? Genetski modifikovani organizmi poput transgenih biljaka čiji je genom “unapređen” u cilju postizanja određenih osobina verovatno će biti prihvaćeniji i postepeno zamenjivati tradicionalne poljoprivredne kulture, dok će alternative mesu i ribi koje se uzgajaju u kulturi u bioreaktorima imati sličan efekat na stočarsku proizvodnju. Taj projekat je u začetku, protekla je već jedna godina od tri, razvijene su neke metode za izolaciju proteina.
Naročito ističe da je “veliki je izazov izolovati protein iz lišća jer su oni tu u submikrobskim česticama, često vezani sa drugim jedinjenjima, pigmentima, polifenolima, tako da koristimo enzimske ekstrakcije da raskinemo te veze i razgradimo lignoceluloznu masu kako bismo izdvojili protein, koji zatim ponovo modifikujemo do nekih proizvoda sa dodatnom vrednošću, npr., bioaktivnih peptida kao zamene za prirodne antioksidanse”.
-Druga oblast je protein kao gradivni blok za inkapsulaciju nutrijenata. U ovom slučaju, izolujemo protein i nadgrađujemo ga do različitih nanostruktura i (nanovlakna, nanočestice) kao nosača za inkapsulaciju vitamina i drugih nutrijenata. To je jedna nova oblast razvoja biomaterijala, koji treba da budu obnovljivi i razgradivi, a služe kao nosači za ciljanu isporuku - lek ili nutrijent.
Personalizovana medicina i genska terapija su takođe neki od glavnih pravaca razvoja biotehnologije u svetu. “Cilj je da u ćelije pacijenta ubacimo zdrave kopije gena koje bi zamenile kopije gena koje dovode do razvoja bolesti. Peuređivanjem gena može da se izvrši zamena naslednog materijala, tzv. CRISPR-Cas9 metod: zamenjujemo gene ćelija pacijenata kakvim hoćemo. To je još jedno revolucionarno otkriće, jer sve genetske bolesti potiču od neke greške u genetskom kodu čoveka.

Druga strana medalje

Genska terapija, personalizovana medicina, regenerativna medicina matičnim ćelijama (gajenje matičnih ćelija i njihovo usmeravanje u tkiva koja želimo), nisu zasad na listi tema kojima se Katedra za biohemijsko inženjerstvo i biotehnologiju TMF Univerziteta u Beogradu bavi. Sagovornik Planete navodi da imaju velike pomake na drugoj strain, “u savremenoj biotehnologiji kroz sintetsku biologiju”.
-Možemo da konstruišemo mikroorganizme kakve želimo da budu i proizvode ono što želimo da oni proizvode; da proizvodimo alternativne proteine koji će zameniti klasične namirnice životinjskog porekla (mleko, meso), da razvijamo nove biomaterijale, nanonosače za inkapsulaciju nutrijenata i lekova i njihovo kontrolisano otpuštanje (da ciljano isporučujemo lek gde želimo).
Biotehnologija se zasniva na molekularnoj biologiji, na genetičkom inženjerstvu, na bioprocesnom inženjertsvu, biohemiji, fundamentalnim naukama, mikrobiologiji i, u novije vreme, u spoju sa bioinformatikom, biofizikom, nanotehnologijom, znatnim pomacima u tehnolohgiji rekombinantne DNK. Sve to daje enormne mogućnosti biotehnologiji u raznim oblastima i zato je ona našla svoje mesto u budućem BIO4.

-U našem slučaju ona se pre svega oslanja na medicinu, i to personalizovanu (sekvenciranje DNK). Nekada je sekvenciranje DNK trajalo decenijama, danas se ljudski genom sekvencira za nekoliko sati, podvlači prof. Knežević-Jugović. - Na taj način može se prikupiti velika baza podataka ljudskih genoma, ali i o zdravlju pojedinca, fizičkim osobinama, okruženju u kojem živi. Time se može utvrditi korelacija između bolesti koje se ispoljavaju i njegove genetike. Umesto klasične medicine, koja je iz velikog broja podataka izvlačila neki prosek, imaćemo personalizovano lečenje na osnovu genetike pacijenta i specifičnosti svakog od njih, kako bi mu bila pružena najbolja moguća zdravstvena usluga. Geni svakog čoveka različito odgovaraju na lekove i njihove doze, pa će se sa ovim razvojem paralelno razvijati i farmakogenomika što će omogućiti da se za jednu gensku promenu preporučuju jedni lekovi i jedne doze, a za druge drugačije.

Planirano je da se izvrši sekvenciranje 1000 genoma i stvori baza podataka gena, ne samo za personalizovanu medicinu nego i baza genetskih resursa mikroorganizama, biljaka i životinja,  koja bi omogućila usmereno korišćenje živog sveta, i mnogo bržim, mnogo efektivnijim i mnogo usmerenijim.
-Tim moćnim alatima, molekul DNK se tretira kao pismo koje se može kopirati, umnožavati, editovati, prenositi iz jednog organizma u drugi. U spoju sa bioinformatikom, biofizikom i nanotehnologijama apsolutno će moći da se dođe do bržeg razumevanja živog sveta i bržeg usmeravanja nekog organizma u željenom pravcu. Do dirigovanog korišćenja živog sveta.
Na kraju, prof. Zorica Knežević-Jugović ne previđa i drugu stranu medalje biotehnološkog napretka: ”Iako imamo u rukama moćnu metodologiju, mi praktično ne znamo kakav će efekat imati na razvoj čovečanstva! Da li ćemo narušiti ravnotežu u prirodi, da li ćemo reproduktivno posustati time što smo produžili životni vek ili poboljšali kvalitet života, ili i jedno i drugo? To su neka pitanja na koje moramo brzo dati odgovor jer je novo doba u razvoju čovečanstva kroz biotehnološke inovacije već započelo”.

Miloslav Rajković

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"