Schimmel slaat koe

Stier Herman werd geconstrueerd om koeien het menselijk eiwit lactoferrine te laten produceren. Maar misschien kunnen schimmels het wel net zo goed.

Kan een schimmel zich meten met een koe? Het antwoord vergt een reisje van vijftig kilometer door het Groene Hart van de Randstad. Beginpunt is de boerderij van het biotechnologisch bedrijf Pharming in Polsbroek, waar stier Herman zijn troon heeft afgestaan aan Max en Julius. Net als Herman bezitten ook deze, inmiddels zeven maanden oude transgene stieren een gen dat codeert voor humaan lactoferrine. Dit is een ijzerbindend eiwit dat de groei van micro-organismen remt en de opname van ijzer door de darmwand bevordert. Maar bij Max en Julius zit het gen in een construct dat, eenmaal geactiveerd, grotere hoeveelheden van het eiwit oplevert. Hun dochters zullen dus meer lactoferrine in hun melk uitscheiden dan de nazaten van stier Herman.

Hoeveel meer is sinds enkele weken bekend. Toen begon koe Ike, zus van Max en Julius, melk te geven. Dr. Gerard van Beynum, hoofd van Pharmings research & development: “De concentratie humaan lactoferrine in haar melk zit in de range van grammen per liter. Dat is meer dan we verwachtten. Onze onzekerheid over de technische kant van het project lactoferrine is afgenomen tot nul komma nul.” Het zaad van Max en Julius moet de basis gaan vormen van een veestapel. Daarvoor zoekt Pharming op het moment een geschikte boerderij, in Nederland. Omstreeks de eeuwwisseling verwacht het bedrijf er te beginnen met de grootschalige productie van humaan lactoferrine.

Vijftig kilometer naar het westen bevindt zich een geduchte concurrent van de nazaten van Max en Julius: de schimmel Aspergillus niger. Hij wordt in groten getale gekweekt in glimmende, roestvrijstalen vaten op het terrein van het Delftse bedrijf Gist-brocades. Net als de zoogdieren bij Pharming, is deze schimmel genetisch zo veranderd dat hij humaan lactoferrine aanmaakt. Dat werk is verricht door onderzoekers van het in Houston gevestigde bedrijf Agennix. De Amerikanen publiceerden vorig jaar gegevens waaruit blijkt dat de schimmel het menselijke eiwit uitscheidt in een concentratie van zo'n 2 gram per liter. Dat is een commercieel aantrekkelijke hoeveelheid. In april nam Gist-brocades een belang van 10 procent in Agennix. Gezamenlijk gaan de twee bedrijven het lactoferrine produceren en op de markt brengen. In het verleden heeft Gist-brocades geprobeerd om via micro-organismen factor VIII voor hemofiliepatiënten en humaan serum albumine te maken. Ook Pharming is bezig met humaan serum albumine. Dit eiwit, rijkelijk aanwezig in bloedplasma, wordt als geneesmiddel gebruikt bij de behandeling van shock. Ook hier gaan de twee Nederlandse bedrijven wellicht met elkaar concurreren.

Omscholen

Wetenschap en industrie verwachten veel van schimmels. Met name van de Aspergillussoorten. Deze schimmels zijn buitengewoon effectief in het produceren en uitscheiden van eiwitten. De Europese Commissie heeft twee weken geleden 5 miljoen ECU (10 miljoen gulden) toegekend aan een internationaal project dat schimmels zodanig wil 'omscholen' dat ze allerlei vreemde eiwitten gaan produceren. Dat kunnen enzymen van andere micro-organismen zijn, maar ook menselijke en dierlijke eiwitten. Dr. Jaap Visser, coördinator van het project en verbonden aan de vakgroep moleculaire genetica van industriële micro-organismen van de Landbouwuniversiteit Wageningen: “We willen gebruik, zeg maar misbruik, maken van dat uitzonderlijke uitscheidingssysteem van Aspergillus. We plaatsen een vreemd gen in de schimmel. Die vertaalt de genetische informatie, maakt vervolgens grote hoeveelheden eiwit en werkt die naar buiten. Uiteindelijk willen we de cell factory zo besturen dat hij precies doet wat wij willen. De industrie toont grote belangstelling. Aan het EU-project nemen een aantal bedrijven deel, onder andere Novo Nordisk, 's werelds grootste producent van enzymen.”

De schimmel is niet het enige micro-organisme dat tot eiwitfabriek kan worden omgebouwd. Binnen het rijk der bacteriën trekken de Bacillus-soorten op het moment veel aandacht. Ook zij excelleren in het uitscheiden van eiwitten. En net als bij de schimmel loopt op dit gebied een omvangrijk EU-project met de productie van soortvreemde eiwitten als doel.

Voor gist gaat eenzelfde verhaal op. Het erfelijk materiaal van de bakkersgist Saccharomyces cerevisiae is van letter tot letter uitgespeld. Alle genen, een kleine 6.000 stuks, zijn bekend. De gistonderzoekers proberen nu van ieder gen de bijbehorende functie te achterhalen. Gist wordt hier en daar al ingezet bij de productie van menselijke eiwitten, zoals insuline. Gist-brocades heeft in het verleden geprobeerd om factor VIII, een onderdeel van de bloedstollingscascade, in dit micro-organisme te maken. Het project strandde omdat de opbrengst te laag was. Ook het gen voor humaan lactoferrine is al eens in een gist gezet. Maar de opbrengst kwam niet uit boven de 25 milligram per liter, commercieel een onaanvaardbaar lage concentratie.

De industriële belangstelling voor lactoferrine laat zich verklaren door zijn veelzijdigheid. Het molecuul bestaat uit twee lobben. Elk kan een ijzer-ion insluiten. Daardoor kan het eiwit de groei van micro-organismen remmen. IJzer is essentieel voor de groei van bacteriën, maar lactoferrine zorgt ervoor dat het metaal onbereikbaar is. Daarnaast kan het eiwit binden aan de membraan van sommige bacteriën. Daarmee verstoort het de functie van deze beschermende cellaag.

Vorig jaar toonden Nederlandse onderzoekers aan dat lactoferrine in de reageerbuis ook de groei van virussen remt. Eén van die virussen was HIV, de veroorzaker van aids, de ander het cytomegalovirus, dat het afweersysteem verzwakt. Het is inmiddels ook in verband gebracht met het ontstaan van Kaposi-sarcoom, een vorm van kanker die veel bij aidspatiënten wordt aangetroffen. Lactoferrine speelt daarnaast een rol bij de afweer en bij ontstekingsreacties. Bovendien zijn er aanwijzingen dat het molecuul betrokken is bij de opname van ijzer door de darmwand. Sommige darmwandcellen bezitten speciale receptoren op hun oppervlak waaraan lactoferrine kan binden. Zodra dat gebeurt kan een cel het gebonden eiwit opnemen. Hij beschikt daarmee over twee ijzer-ionen die voor hem van levensbelang zijn.

De veelzijdigheid van lactoferrine maakt het een commercieel interessant molecuul. Net als Pharming mikken Gist-brocades en Agennix op een medische toepassing bij mensen met een verzwakte afweer, zoals aids en kankerpatiënten. Daarnaast wil men het eiwit verwerken in klinische voeding voor te vroeg geboren baby's. Nutricia heeft ook al gezinspeeld op toepassing in gewone babyvoeding, een markt waarin jaarlijks vele miljarden guldens omgaan. Op 26 februari 1994 verklaarde het zuivelbedrijf tegenover NRC Handelsblad dat het 'een verbetering van de babypoedermelk die als Nutrilon wordt verkocht', voor ogen stond.

Bij de productie van humaan lactoferrine in zowel koe als schimmel dringt zich onmiddelijk de vraag op welk product het beste is. Kan bijvoorbeeld niet worden volstaan met het runderlactoferrine dat de koe toch al in de melk uitscheidt? Campina Melkunie produceert runderlactoferrine voor babyvoeding, cosmetica en visvoer omdat het bescherming zou bieden tegen micro-organismen. Wat betreft aminozuursamenstelling komen het lactoferrine van koe en mens voor slechts 68 procent overeen. Kan het eiwit van de koe zijn functie vervullen in de mens? Volgens een woordvoerster van Campina loopt dat onderzoek nog. Vooralsnog is het volgens haar niet aangetoond dat lactoferrine van de koe en van de mens wezenlijk verschillen. Dat geldt zowel voor de structuur als voor de werking.

Pharming-onderzoeker Jan Nuijens weerlegt dat: “Er is al lang bekend dat runderlactoferrine in het menselijk maagdarmkanaal sneller wordt afgebroken dan menselijke lactoferrine. Waarschijnlijk is de aard van glycosylering bepalend voor die afbraak.”

Glycosylering is het aanhechten van koolhydraatketens aan een eiwit. Deze ketens bepalen vaak de activiteit van een eiwit. Een pas aangemaakt eiwit heeft een lineaire structuur. Om zijn functie te kunnen uitoefenen moet het een driedimensionale vorm aannemen. Daarvoor ondergaat het eiwit een aantal aanpassingen: er vormen zich zwavelbruggen en sommige aminozuren krijgen een speciale chemische groep aangehecht. Een belangrijke aanpassing is de glycosylering. Sommige moleculen bestaan voor ruim dertig procent uit koolhydraatketens. Professor dr. Hans Vliegenthart, hoogleraar bio-organische chemie aan de Universiteit Utrecht: “Ik vergelijk het altijd maar met een smartie. Over de chocolade ligt een dikke suikerlaag. Glycosylering bedekt de aminozuren vaak onder een laagje koolhydraat. Met dit beeld in het achterhoofd is het niet moeilijk om je voor te stellen dat deze verbindingen enorm belangrijk zijn voor het contact dat het eiwit maakt met de buitenwereld.”

Klonteren

Maakt het voor de glycosylering nu uit of menselijk lactoferrine door een mens, een koe of door een schimmel wordt gemaakt? Het rund zet over het algemeen andere koolhydraatketens aan zijn eiwitten dan de mens. En schimmels hebben ook een eigen manier van glycosyleren.

Niet bekend

Het Leidse bedrijf zegt het humaan lactoferrine oraal te willen gaan toedienen. Het moet zijn functie in het maagdarmkanaal uitoefenen. Glycosylering is daarbij erg belangrijk, zeker voor de binding aan darmwandcellen. Van Beynum: “We voeren nu tests uit die ons meer vertellen over de potentie van het eiwit. Overleeft het molecuul de spijsverteringsenzymen in het maagdarmkanaal en interfereert het met bacteriën en virussen, dan kun je iets doen aan de interactie tussen lactoferrine en het darmepitheel.”

Niet bekend

Zoogdiercel

Ondanks alle onzekerheden lijkt humaan lactoferrine uit de koe qua structuur en glycosylering iets meer op het lactoferrine uit de moederborst dan het humane product uit de schimmel van Gist-brocades. Maar Pharming wordt bij haar keuze voor de koe gehinderd door (vooral) de Dierenbescherming die genetische manipulatie van dieren aanvecht. Een alternatief zou zijn om lactoferrine niet door een hele koe, maar door losse zoogdiercellen te laten maken.

Zoogdiercellen in kweekmedium worden al gebruikt voor medicijnenproductie. Het meest gebruikte type is de zogenaamde hamster ovary cell, een onbevruchte eicel uit een hamster. De hamstercel wordt onder andere gebruikt bij de productie van menselijk factor VIII en tPA (tissue plasminogen activator), beide belangrijke onderdelen van de bloedstolling. Organon in Oss gebruikt de hamstercel voor de productie van het vruchtbaarheidshormoon FSH. Van Beynum van Pharming: “Een eiwit uit een zoogdiercel is te vergelijken met een eiwit uit de koe. Vanuit dat idee kun je net zo goed kiezen voor celkweek. Maar dan kom je bij het hoofdstuk economie. Via de koe kun je een factor tien tot honderd goedkoper produceren. Bovendien is ons kweekmedium eventueel verkoopbaar. Het is immers gewoon melk. De vloeistof waarin zoogdiercellen of micro-organismen worden gekweekt, moet je weggooien. Je moet er soms zelfs voor betalen om het kwijt te raken.”

Dr. Joop de Graaf, onderzoekscoördinator bij Organon, gelooft niet dat de transgene koe bij voorbaat goedkoper is dan de gekweekte zoogdiercel. “Voor ieder product moet je de twee technieken qua kosten tegen elkaar afwegen. Maar ik geef toe dat een koe iets gemakkelijker is in de omgang. Een celculture moet je steriel houden, van zuurstof voorzien en je moet er in blijven roeren. Er is een hoop high-tech gemoeid met het productiesysteem. De koe regelt dat allemaal zelf. Dat is als het ware een reactor op vier pootjes. Was Organon aan de maatschappelijke discussie voorbij gegaan, dan had het wellicht makkelijker gekozen voor een landbouwhuisdier. Vanwege die discussie en bijkomende productievoordelen heeft men destijds besloten om FSH in een zoogdiercel te maken.”

Van Beynum erkent dat het werk van Pharming nog steeds op verzet stuit. “Dat is inherent aan een nieuwe technologie. Jammer genoeg richt het lawaai zich in het begin vaak alleen op de technologie en niet op het product dat je wil maken. Je krijgt amper de kans om daarover te praten, laat staan om het over de toepassingen te hebben, hoe interessant die ook mogen zijn.”