Bioposzukiwania, czyli co?

Bioposzukiwania, czy też poszukiwania biologiczne (ang. biodiversity prospecting lub bioprospecting), to działania, których celem jest pozyskanie i zidentyfikowanie cennych substancji chemicznych uzyskanych ze źródeł naturalnych.

Pozyskane związki wykorzystywane są między innymi w medycynie, rolnictwie, bioremediacji czy kosmetyce. W przemyśle farmaceutycznym prawie jedną trzecią wszystkich leków małocząsteczkowych zatwierdzonych przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (ang. The United States Food and Drug Administration, FDA) w latach 1981–2014 stanowiły produkty naturalne lub związki pochodzące z produktów naturalnych. Organizmy lądowe takie jak rośliny czy grzyby były w przeszłości przedmiotem wielu programów badań biologicznych. Obecnie rośnie zainteresowanie mniej zbadanymi organizmami, takimi jak bezkręgowce, myksobakterie czy archeony oraz ekosystemami takimi jak morza, oceany i rejony polarne. Arktyka i Antarktyka są nadal bardzo słabo poznane pod kątem różnorodności biologicznej. Ekstremalne warunki panujące w obszarach polarnych doprowadziły do powstania unikalnych adaptacji, pozwalających organizmom przetrwać długotrwałe mrozy. Mogą one być zatem wyjątkowym źródłem substancji o potencjale medycznym bądź przemysłowym.

Czego poszukuje się w rejonach polarnych?

Zainteresowanie regionami polarnymi jako obszarem bioposzukiwań rośnie, tworzone są kolejne projekty i konsorcja, których celem jest pozyskanie nowych substancji. Przykładem może być projekt Armi, koordynowany przez Fiński Instytut Badawczy Leśnictwa (Metla). W jego wyniku pozyskano około 600 szczepów drobnoustrojów ze środowisk borealnych i arktycznych. Pobierano glebę, wodę, próby śniegu, rośliny i porosty rosnące na terenie Laponii (północna Finlandia) oraz na Svalbardzie. Badania prowadzono, aby móc wytyczyć nowe kierunki, w jakich powinny rozwijać się takie dziedziny jak np. biotechnologia środowiskowa, biotechnologia żywności czy też przemysł farmaceutyczny. Poszukiwano drobnoustrojów oraz substancji przez nie wytwarzanych, np. enzymów, które można by wykorzystać w wyżej wymienionych dziedzinach nauki i przemysłu. Projekt odniósł sukces, wśród pobranego materiału znalazły się drobnoustroje o potencjalnie praktycznym zastosowaniu, np. bakterie szczepu Pseudomonas wykazały działanie przeciwdrobnoustrojowe. Naukowcy przewidują, że mogą one znaleźć zastosowanie w leczeniu dolegliwości takich jak zapalenie gardła wywoływane przez paciorkowce. Prowadzone są również badania przesiewowe zgromadzonego w ramach projektu Ami materiału w nadziei na odnalezienie leków o działaniu przeciwnowotworowym.

Arktyka (fot. Katarzyna Tołkacz)

Kontynuacją fińskiego projektu Ami była kolejna inicjatywa - KAIRA, wspierana tym razem przez sektor wydobywczy. W górnictwie wykorzystuje się duże ilości materiałów wybuchowych zawierających azot. Przyczynia się to do uwolnienia amoniaku i azotanów do wodach kopalnianych, które następnie trafiają do wód powierzchniowych, powodując ich eutrofizację (przenawożenie). Skutkiem eutrofizacji są np. zakwity sinic, prowadzące do zwiększenia mętności wody oraz do niedotlenienia organizmów wodnych (tzw. przyduchy, czyli „głodu tlenowego”). Projekt KAIRA ma na celu poszukiwanie nowych metod usuwania związków azotu z wód kopalnianych w warunkach obniżonej temperatury. Miałoby to zastosowanie w górnictwie prowadzonym w zimnych obszarach naszej planety.

Na Grenlandii podjęto również badania nad możliwymi zastosowaniami dzikich zasobów genetycznych. Dwie firmy – Arla Foods oraz Bioneer A/S – stworzyły kolekcje ekstremofilnych mikroorganizmów (takich, które tolerują lub wręcz wymagają do życia skrajnych zakresów zmienności czynników środowiskowych, jak np. bardzo niska lub wysoka temperatura), które służą jako źródło badań przesiewowych pod kątem nowych kandydatów na enzymy które mogą być wykorzystane w medycynie, biotechnologii i technologii żywności. Przykładem mogą być badania enzymów termostabilnych oraz enzymów aktywnych „na zimno”, które mogłyby znaleźć zastosowanie w procesach mleczarskich.

W Tromsø powstało konsorcjum MabCent pomiędzy Norweską Radą ds. Badań, Uniwersytetem i kilkoma norweskimi firmami biotechnologicznymi, badania zaplanowano na osiem lat. Naukowcy podczas wypraw pobierają materiał biologiczny z wód północnego wybrzeża Norwegii oraz z wód na północ od Svalbardu. Badania przesiewowe prowadzone są w celu pozyskania nowych produktów farmaceutycznych, takich jak np. antybiotyki, leki przeciwnowotworowe, leki przeciwko cukrzycy, otyłości i wiele innych. Dotychczas naukowcy z zespołu MabCent spędzili ponad kilkaset dni, pobierając materiał do badań z ponad 1000 różnych lokalizacji. Zgromadzili tysiące gatunków bezkręgowców oraz kilkaset gatunków glonów. Wyniki badań sugerują, że arktyczne bezkręgowce mogą pomóc w poszukiwaniu nowych leków o działaniu przeciwnowotworowym, podczas gdy grzyby wytypowano jako źródło antybiotyków. Na przykład zidentyfikowano molekuły wyizolowane z morskich gąbek, które wykazują silne właściwości przeciwutleniające. Cząsteczki są obecnie testowane pod kątem możliwości wykorzystania ich w leczeniu raka oraz cukrzycy.

Na Svalbardzie znajduje się wiele zagranicznych stacji badawczych, w tym pięć stacji polskich. Największą polską jednostką jest (jedyna całoroczna) Polska Stacja Polarna Hornsund im. Stanisława Siedleckiego, zlokalizowana w Zatoce Białego Niedźwiedzia (Isbjørnhamna). Stacje naukowe przyjmują badaczy pochodzących z różnych zakątków świata, pragnących prowadzić badania naukowe w warunkach polarnych. Polscy naukowcy prowadzą badania nad biotechnologicznym potencjałem drobnoustrojów pochodzących z prób gleby i śniegu ze Svalbardu. Z kolei w Koreańskim Instytucie Badań Polarnych naukowcy poszukują bioaktywnych metabolitów organizmów arktycznych. Przewiduje się, że mogą być one wykorzystane do opracowania nowych metod leczenia białaczki. Inne kierunki poszukiwań to m. in. opracowanie nowych antybiotyków i nowych enzymów wyizolowanych z mikroorganizmów arktycznych.

Warto wspomnieć, że polscy naukowcy prowadzą bioposzukiwania na obydwu biegunach. W Kolekcji Arktycznych i Antarktycznych Psychrofilnych (zimnolubnych) Izolatów należącej do Centralnej Kolekcji Szczepów Instytutu Biochemii i Biofizyki Polskiej Akademii Nauk znajduje się prawie 3000 szczepów wyizolowanych z materiałów pobranych z różnorodnych środowisk Arktyki i Antarktyki. Opiekunem kolekcji jest doktor Jakub Grzesiak pracujący w Zakładzie Biologii Antarktyki IBB PAN. Doktor Grzesiak w swoich badaniach skupia się między innymi na zbadaniu roli materiałów zapasowych komórki bakteryjnej, jakimi są polihydroksykwasy (PHA) w przystosowaniu bakterii izolowanych z regionów polarnych do warunków stresowych oraz oszacowaniu potencjału biotechnologicznego tych mikroorganizmów, jak i produkowanych przez nie polimerów PHA. Badania te mają szansę przyczynić się do obniżenia kosztów produkcji bioplastików, jak i ich popularyzacji wśród konsumentów.

Na krążkach posiane arktyczne promieniowce (bakterie z rodzaju Streptomyces), wokół posiany Bacillus cereus (laseczka woskowa). Niektóre z promieniowców wydzielają substancje hamujące wzrost laseczek, które mogą być wykorzystywane jako antybiotyki. Promieniowce wyizolowano z tundrowych gleb Svalbardu (fot. Jakub Grzesiak)

Z kolei naukowcy z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego ogłosili ostatnio wyniki swoich badań, dzięki którym odkryli substancję pochodzenia naturalnego z grupy melanin, pozyskaną ze szczepów bakterii antarktycznych pobranych na Wyspie Króla Jerzego, na której znajduje się Polska Stacja Antarktyczna im. Henryka Arctowskiego. Produkcja przemysłowa tego naturalnego związku mogłaby potencjalnie wyeliminować syntetyczny składnik kremów z filtrem UV, który przyczynia się do obumierania koralowców. Centralna Kolekcja Szczepów IBB PAN może stanowić źródło kolejnych odkryć i jest dostępna dla naukowców, którzy mają odwagę podjąć takie badania.

Australijscy naukowcy badający kryl antarktyczny odkryli natomiast, że w procesie trawienia te małe organizmy wodne przekształcają mikroplastik w nanoplastik, co może znaleźć zastosowania w biochemicznym rozkładzie tworzy sztucznych.

Bioposzukiwania w rejonach polarnych trwają, dają wielkie nadzieje, ale jakie dotychczasowe odkryte związki znajdują się już w użyciu? Przykładów jest wiele, polarne bioposzukiwania pozwoliły między innymi na odnalezienie glikoproteiny (rodzaj białka), która działa jako „środek przeciw zamarzaniu”. Glikoproteina krąży we krwi niektórych ryb antarktycznych i zapobiega ich zamarzaniu, co ma wiele zastosowań komercyjnych, w tym poprawia okres przydatności do spożycia mrożonej żywności. Białko to ma również zastosowanie w chirurgii w procesie zamrażania tkanek.

Innym owocem bioposzukiwań prowadzonych w Antarktyce jest środek pomagający w gojeniu się ran, który poprawia wzrost komórek i przyspiesza tworzenie blizn w ranach, zawierający glikoproteiny Antarticine NF 3 wytwarzanej przez Gram-ujemną bakterię Pseudoalteromonas antarctica. Na rynku znajduje się też sporo kosmetyków zawierających ekstrakty pozyskane z antarktycznych alg.

Zagrożenia

Bioposzukiwania rodzą jednak szereg pytań etycznych na całym świecie. Poza obszarami polarnymi jest to jedna z najbardziej kontrowersyjnych kwestii dyplomatycznych w ostatnich dziesięcioleciach ze względu na jej ścisły związek z debatami na temat zrównoważonego rozwoju. Dotychczasowa działalność człowieka w Antarktyce była poświęcona badaniom naukowym. Traktat Antarktyczny uznaje wyjątkową rolę współpracy międzynarodowej w badaniach naukowych, które przynoszą ludzkości powszechną korzyść i zgodnie z artykułem III Traktatu w sprawie Antarktyki strony zgodziły się współpracować poprzez wymianę informacji w związku z planowanymi programami badań naukowych, obserwacjami i uzyskanymi wynikami, jak również przez udział w wymianie personelu między wyprawami antarktycznymi. Wydaje się jednak, że istnieje potencjalny konflikt między potrzebą poufności handlowej a swobodną i otwartą wymianą informacji, która tradycyjnie charakteryzowała polarne badania naukowe. Ponadto wciąż pozostają bez odpowiedzi pytania dotyczące potencjalnego wpływu bioposzukiwań na środowisko. Warto podkreślić, że nie wszystkie poszukiwania biologiczne są takie same. Można wyróżnić zarówno zbiór cennych organizmów na dużą skalę, jak i pobór małych próbek, które są usuwane ze środowiska, a ewentualna dalsza synteza odkrytych związków odbywa się w warunkach laboratoryjnych. Jednak nawet pobieranie próbek na małą skalę może mieć negatywny wpływ na małe populacje niektórych organizmów – ekosystemy polarne są niezwykle delikatne i powoli odbudowują się po ewentualnych zakłóceniach. Z tego też względu tak ważne jest uregulowanie kwestii związanych z bioposzukiwaniami w rejonach polarnych, wymiana informacji oraz monitoring wpływu działalności człowieka na wrażliwe ekosystemy Arktyki i Antarktyki tak, aby bioposzukiwania nie przerodziły się w biopiractwo.

Zdjęcie w nagłówku: Antarktyka (fot. Katarzyna Tołkacz)

Literatura:

Dawson, A.L. et al. (2018) ‘Turning microplastics into nanoplastics through digestive fragmentation by Antarctic krill’, Nature Communications, 9(1), p. 1001. doi:10.1038/s41467-018-03465-9.

Leary, D. (2008) ‘Bi-polar Disorder? Is Bioprospecting an Emerging Issue for the Arctic as well as for Antarctica?’, Review of European Community & International Environmental Law, 17(1), pp. 41–55. doi:10.1111/j.1467-9388.2008.00584.x.

Leary, D.K. and Walton, D.W.H. (2010) ‘Science for profit. What are the ethical implications of bioprospecting in the Arctic and Antarctica?’, Ethics in Science and Environmental Politics, 10(1), pp. 1–4. doi:10.3354/esep00107.

Svenson, J. (2013) ‘MabCent: Arctic marine bioprospecting in Norway’, Phytochemistry Reviews, 12(3), pp. 567–578. doi:10.1007/s11101-012-9239-3.