Bioteknik. Sammanfattande bedömning. Ämnesbeskrivning

Transkript

1 Bioteknik Sammanfattande bedömning Biotekniken har haft en dramatisk utveckling under de senaste decennierna, både från ett forskningsmässigt och tillämpat perspektiv med många vetenskapliga genombrott drivet av en snabb teknisk utveckling. Bioteknisk forskning anses central för att lösa de stora globala utmaningarna under de närmaste decennierna, såsom energi, förnybara (sustainable) resurser, livsmedelsförsörjning och hälsa hos en åldrande befolkning. Tusentals bioteknikbolag har bildats, främst i USA och Europa, och bioläkemedel har skördat stora framgångar under senaste decenniet och tre av de fem största läkemedlen i världen 2015 beräknas vara bioläkemedel. En liknande utveckling kan skönjas på det gröna området med mycket stora satsningar, framförallt i USA, på utveckling av bioenergi, riktad växtförädling och nya produkter för livsmedelssektorn. I Sverige har bioteknisk forskning varit mycket framgångsrik och många biotekniska verktyg som används världen över har sitt ursprung på svenska universitet. Forskningen har varit både av grundforskningskaraktär med teknikvetenskaplig, medicinsk och naturvetenskaplig inriktning, ofta stödd av Vetenskapsrådet, och mer tillämpad forskning med stöd från stiftelser, VINNOVA, EU och industri. På utbildningssidan bedriver de flesta av Sveriges högskolor och universitet kurser och program med relevans för området och de flesta tekniska högskolorna har ingenjörsutbildning i bioteknik. Den huvudsakliga forskningsfinansieringen till området har kommit via relativt små anslag till projektdriven forskning via forskningsråden, men på senare tid har också större infrastrukturdrivna anslag med strategisk betydelse beslutats. Många av de strategiska programmen i den senaste forsknings- och innovationspropositionen har stor relevans för biotekniska området och här kan särskilt nämnas en större satsning på molekylära biovetenskaper med inriktning på storskalig biologi och medicin. Det biotekniska området har stort behov av en balanserad finansiering av mindre projekt av hypotesdriven karaktär och större strategiska program med spetskompetens kopplat till infrastruktursatsningar. Den tekniska utvecklingen är mycket snabb och för att kunna vara internationellt konkurrenskraftig krävs över tiden hållbara investeringar i dyrbar utrustning ofta kombinerat med hög teknisk kompetens. Internationellt fokuseras mycket av investeringarna i infrastruktur tills större centra, men delar av infrastrukturen finns också mer decentraliserat. Ämnesbeskrivning Bioteknik kan definieras som användningen av biologiska system eller kunskap för att producera eller förädla produkter. Detta område omfattar också utvecklingen av biologiska processer för tillverkningen av material för medicinskt och industriellt bruk. Bioteknik kan delas ibland upp i fem delområden som sammanfattas med fem färger: grön (växt- och skogsbioteknik), röd (medicinsk bioteknik, inklusive läkemedelsutveckling), blå (marin vetenskap), vit (industriell bioteknik, inklusive bioenergi) och grå (miljöteknik). Närliggande områden som inte behandlas här är biomaterial och medicinsk teknik.

2 I denna skrivelse delas området upp i tre delar: (i) molekylär bioteknik som omfattar de livsvetenskaper där molekylärbiologiska verktyg integreras med bioinformatik systembiologi och nanobioteknik, (ii) medicinsk bioteknik som omfattar läkemedelsutveckling, biobanker, diagnostik och bioläkemedel och slutligen (iii) industriell bioteknik som bland annat omfattar utveckling av bioproduktion, syntetisk biologi och bioenergi. I det sistnämnda området har också växt- och skogsbioteknik inkluderas, samt miljöbioteknik. Molekylär bioteknik drivs av en mycket stark teknisk utveckling med många Nobelprisbelönade innovationer, såsom DNA-sekvensning, DNA syntes, genteknik, restriktionsenzymer, sirna, genfuseringar med mera. Forskningen inom molekylär bioteknik kan delas upp i olika delområden: Genomik Området omfattar analys av hela eller delar av arvsmassan (genom) från både människor, djur, växter och mikrober. Under de senaste fem åren har utvecklingen av ny instrumentering ( next-generation sequencers ) möjliggjort en storskalig analys både av genvarianter ( SNPs ) och hela arvsmassor hos patienter och även möjliggjort effektiv analys av genregelring i olika biologiska prover, inklusive epigenetiska förändringar. Av särskilt intresse är analysen av de mikroorganismer som finns i olika ekologiska miljöer, så kallad metagenomik, som används för att förstå biodiversiteten i biologiska nischer, men också för att utveckla nya biotekniska produkter baserade på denna komplexa genpool. Proteomik Området omfattar storskalig analys av proteiner ofta med höga krav på modern och dyrbar infrastruktur. De viktigaste plattformarna är massspektrometri (MS), högupplösande elektrofores, antikroppsbaserad immunoteknologi och olika varianter av genfuseringar ( gen-taggar ). Av särskilt intresse är analysen av prover från biobanker för att hitta biomarkörer för individualiserad behandling av patienter och globala analyser, inklusive interaktionsnätverk, för att uppnå en systembiologisk förståelse av cellens biologi. Metabolomik Området omfattar analys av metaboliter i olika biologiska och medicinska sammanhang. Två viktiga tekniska plattformar är MS och magnetresonans (NMR). Av särskilt intresse är analys av patienter för att hitta markörer för läkemedelsutveckling och/eller diagnostik. Bioimaging Området omfattar analys av biologisk och medicinsk material med olika typer av instrumentering, såsom konfokalmikroskopi, tomografi (PET, SPECT), elektronmikroskopi (EM) etcetera. Området karakteriseras av en stor del egen teknikutveckling både när det gäller instrument och mjukvara. Strukturbiologi Området omfattar strukturell analys av biologiska molekyler, inklusive teknologiska plattformar såsom röntgenkristallografi, magnetresonans (NMR) och olika elektronmikroskopmetoder (EM). Strukturgenomik är samlingsnamnet för systematiska tillämpningar som involverar högpresterande forskningsprogram för strukturbiologi. Protein engineering Området omfattar olika metoder för att modifiera och förbättra egenskaper hos proteiner med hjälp av riktade förändringar. Av särskild vikt är också utveckling och användning av kombinatoriska bibliotek där miljontals varianter skapas och selekteras med så kallad in vitro evolution. Bioinformatik och systembiologi Området omfattar teoretisk beräkningsbiologi, analys av stora mängder biologisk och medicinska data och systemintegrering av data från olika experimentella plattformar. Den explosion av data som den nya

3 omics -eran (genomik, proteomik, metabolomik) inneburit har gjort detta område till ett av de viktigaste inom bioteknisk forskning. Området innefattar också forskning inom datalagring, bildanalys, algoritmutveckling och visualisering av data. Nanobioteknik Området omfattar utveckling av mikrofluidik och biomaterial baserat på nanoteknologi och flödesteknologi för små volymer. Viktiga tekniska plattformar är tillverkning av nanopartiklar med polymerteknologi och mikrofabrikation med hjälp av imprinting-teknologi. Applikationer spänner från medicinska tillämpningar med målsökande terapier till system för snabb och kostnadseffektiv diagnostik av prover. Ett delområde med svensk spetskompetens är utvecklingen av biosensorer för att detektera analyter i realtid. Medicinsk bioteknik har haft en mycket framgångsrik period under det sista decenniet med många tillämpningar främst inom läkemedelsområdet, med fokus på gentekniska läkemedel och antikroppsbaserad terapi, främst för cancer, inflammation och autoimmunitet. Några områden inom medicinsk bioteknik av särskild vikt är: Bioläkemedel Området omfattar utveckling av terapeutiska läkemedel ofta baserat på proteiner. Viktiga områden är utveckling av antikroppar för målsökande läkemedel, utveckling av system för längre halveringstid och lägre immunitetsreaktioner och utveckling som syftar till att kombinera riktad bindning till ett målprotein eller målcell med olika effektor-mekanismer. Läkemedelsutveckling Området omfattar bioteknisk kunskap och kompetens för att utveckla traditionella läkemedel baserade på organisk kemi. Viktiga områden är upptäckt (discovery) av nya mål (targets) för läkemedels-behandling och förståelsen av cellens nätverk och signalvägar. Diagnostik och individualiserad patient behandling Området omfattar utveckling av teknik och kunskap för att utveckla diagnostiska verktyg för analys av patienter. Av särskild vikt är stratifiering av patientgrupper med hjälp av biomarkörer, inklusive genvariationer, för att bestämma vilka patienter som ska behandlas med en särskild terapi. Det är också viktigt att få fram biomarkörer för tidig diagnos av sjukdomar. Stamceller Området omfattar utveckling av celler för terapeutiska tillämpningar. Detta innebär både en grundläggande förståelse för utveckling av celler från embryonala stadier till fullt differentierade celler och en mer tillämpad forskning för olika medicinska frågeställningar. Biobankprofilering Detta område omfattar analys av biobanker som samlats från patienter vid olika svenska sjukhus. Sveriges goda kvalité med avseende på register och kliniska data gör området mycket internationellt konkurrenskraftig. Industriell bioteknik har mycket breda tillämpningsområden, inklusive utveckling av produktionsmetoder för biotekniska produkter, cell engineering för att producera industriellt intressanta metaboliter, inklusive bioetanol och andra energislag. Ett nytt område har utvecklats under de senaste åren med samlingsnamnet syntetisk biologi (synthetic biology) med målet att skapa nya mikroorganismer optimerade för bioteknisk produktion, främst med det långsiktiga målet att producera billig bioenergi. I denna sammanställning inkluderas i detta område också växt- och skogsbioteknik samt livsmedelsbioteknik, med syfte att ta fram optimerade grödor med avancerad genteknik och bättre enzymer för olika delar av livsmedelsindustrin.

4 Några viktiga områden inom industriell bioteknik är: Bioproduktion Områden omfattar forskning och utveckling som syftar till effektiv produktion av biotekniska produkter, inklusive monoklonala antikroppar, gentekniska bioläkemedel och metaboliter av industriellt intresse. Metabolic engineering Området omfattar utveckling av celler för effektiv produktion av metaboliter. Av särskild vikt är systembiologiska angreppsvinklar där olika signalvägar och enzymsystem anpassas och modifieras för specifika industriella produkter, inklusive bioenergi. Livsmedelsbioteknik Området omfattar både utveckling av funktionella livsmedel och livsmedelstillsatser (functional food) såsom utveckling av enzymer och mikroorganismer för livsmedelsindustrin. Särskilt framgångsrikt har utveckling av enzymer för tvättmedel, bröd, vin och öl som gör att en majoritet av dessa produkter idag innehåller industriellt framtagna enzymer. Växt- och skogsbioteknik Området omfattar forskning och utveckling som syftar till grödor med bättre egenskaper för specifika användningsområden. Teknisk utveckling inom området gör att praktiskt taget alla växter och träd kan förändras med riktade teknologier och kommersiellt har detta fått mycket stort genomslag i USA. I Europa är GMO (genetically modified organisms) fortfarande hårt reglerade, men ett mer forskningsvänligt politikerklimat kan skönjas vilket gör det viktigt att behålla kunskap och kompetens på området. Syntetisk biologi Området är relativt nytt och syftar till att skapa helt nya mikroorganismer anpassade för industriella tillämpningar. På senare år har betydande framgångar skördas med skapande av mikroorganismer med helt syntetiska gener. Bioenergi Området är ett av det viktigaste för vår strävan mot ett hållbart samhälle. Utvecklingen kan karakteriseras av fyra generationer, den första är produktion av bioetanol från stärkelse och socker, framförallt från sockerrör och majs, den andra generationen innebär produktion av bioetanol från cellulosa, framförallt från restprodukter från livsmedelproduktion och eventuellt från skogsproduktion, den tredje generationen är produktion av biodiesel eller mer optimerade energislag istället för bioetanol från biomassa, och sist men inte minst produktion av bioenergi direkt i fotosyntetiserande mikroorganismer, såsom blåalger. Den första generationen är redan etablerad i USA och Brasilien och för den andra generationens system har nyligen pilotanläggningar börjat byggas, främst i USA och Kina. Tillsammans spänner dessa tre områden inom bioteknik över en mycket stor del av det moderna samhället. En viktig aspekt av en nationell forskningspolitik är därför att säkra kompetensförsörjning och egen forskning inom dessa områden. En balans mellan teknikvetenskaplig grundforskning, strategisk forskning via riktade program och tillämpad forskning som syftar till att konvertera idéer och innovationer till kommersiella lösningar är av särskild vikt inom detta område. Basen är dock en internationellt konkurrenskraftig bioteknisk grundforskning. Styrkor, svagheter och ämnesmässiga trender I Sverige har vi en lång och framgångsrik historik inom bioteknik. Många av pionjärarbetena inom bioteknik, framförallt på proteinområdet, gjordes av svenska forskare och här kan särskilt nämnas utveckling av ultracentrifug, elektrofores, kromatografi, immunteknologier, såsom ELISA, affinitetsrening, till exempel protein

5 A och protein G, amplifiering av DNA, såsom padlock-teknologin och DNAsekvensning, såsom Pyrosequencing. Även inom närliggande områden mot biofysik och medicinsk teknik har Sverige haft en framskjuten plats med pionjärarbeten inom så vitt skilda områden som konfokalmikroskopi, strålknivar för cancer, hjärtlungmaskiner, pacemakers etcetera. Ett av de första gentekniska läkemedlen som kom ut på marknaden, nämligen rekombinant tillväxthormon (HGH), utvecklades av det amerikanska bolaget Genentech tillsammans med det svenska bolaget Kabi i början av 80-talet. Det är också värt att notera att ett av världens största bolag inom proteinteknologi (GE Health, före detta Pharmacia Biotech) har sitt säte i Sverige och antal anställda i Sverige inom detta bolag har nära fördubblats under det senaste decenniet. Styrkor i Sverige inom bioteknik är baserat på en lång tradition av framgångsrik teknikutveckling, proteinforskning och styrka inom biobanker och medicinska register. Internationellt framgångsrika forskargrupper som utvecklar ny teknik finns vid alla svenska universitet och här kan särskilt nämnas nya DNA-sekvensmetoder, detektion av single molecules med hjälp av eleganta förstärkningsreaktioner, bibliotek av biomolekyler för in vitro selektion och utveckling av verktyg för att studera proteiner. Ett av världens största projekt för kartläggning av människans proteiner leds från Sverige med noder i Stockholm, Uppsala och Lund och med samarbete med grupper i Asien (Kina, Indien och Sydkorea). Detta projekt kan förhoppningsvis användas som bas för både grundforskningsmässiga och tillämpade projekt i Sverige i framtiden. Svagheten i Sverige är naturligtvis förknippade med vår litenhet som gör de svårt att nå spetskompetens inom alla områden. En viktig komponent i svensk forskningspolitik är därför att medverka till att spetskompetens inom vissa områden sprids mellan universiteten och att infrastruktursatsningar på olika områden inte nödvändigtvis sker på alla lärosäten. Hittills har större satsningar på infrastruktur inom bioteknik från statligt håll varit mycket blygsamma. Sådan finansiering har främst skett via stiftelser. De strategiska satsningar som regeringen gjorde med start 2010 är i viss mån syftande till att minska denna svaghet i det svenska systemet. En tydlig trend inom bioteknik är den ökade betydelsen av bioläkemedel för läkemedelsindustrin. Detta parat med en ökat intresse för individualiserad behandling baserad på bioteknisk diagnostik gör att läkemedelsutvecklingen blir allt mer bioteknisk. En annan trend inom biotekniken är det ökade beroendet av kunskap och kompetens inom området bioinformatik och systembiologi. De allt större datamängderna som genereras inom ramen för genomik, proteomik och metabolomik och det faktum att allt större mängder data finns tillgängligt via publika databaser gör att behoven av effektiv dataanalys och integrering av stora datamängder allt mer krävande. En tredje trend är att biotekniska verktyg används i ökad utsträckning för utveckling av industriella och agrikulturella processer, såsom träd för produktion av cellulosa, mikroorganismer för produktion av bioenergi och enzymer för att ersätta kemiska beståndsdelar i livsmedel och andra hushållsprodukter. Slutligen är en tydlig trend att stora delar av den biotekniska forskningen kräver omfattande infrastruktur med integrering av dyrbar utrustning, teknikutveckling och analys av stora datamängder. Detta gör att behovet av resurscenter med spetskompetens ökar.

6 Hot och möjligheter Den biotekniska utvecklingen leds idag från USA och Europa. Den satsning som idag görs i delar av Asien, främst Kina, Sydkorea, Japan, Indien och Singapore, gör dock att det inte är osannolikt att mittpunkten för bioteknisk grund- och tillämpad forskning kommer att förskjutas österut. Sverige har stora möjligheter att utnyttja detta genom goda relationer med forskargrupper i dessa länder. För att Sverige ska vara en attraktiv samarbetspartner måste dessa samarbeten baseras på en inomvetenskaplig styrka och det är därför viktigt att en framtida forskningspolitik fortsätter en offensiv forskningsfinansiering med fokus på spetskompetens. Ett hot för Sverige är att den del av bioteknikforskningen kräver tunga infrastrukturinvesteringar och det är svårt i ett litet land som Sverige (se nedan). Forskningsinfrastruktur En av de viktigaste strategiska frågorna för svensk forskningsfinansiering är att hitta en balans mellan projektstyrda anslag och stöd till infrastruktur och riktade program av strategisk betydelse. Detta är av särskild betydelse inom området bioteknik där mycket av forskningsfronten under det närmaste decenniet kommer att ske med hjälp av dyrbar infrastruktur, till exempel inom omics -applikationer, såsom genomik, proteomik och metabolomik. En viktig del i detta blir att balansera decentraliserade infrastrukturer som varje universitet måste ha och mer specialiserade resurscenter med nationellt eller till och med internationellt ansvar. En strategi för detta kan vara att skapa center för storskalig biologi och medicin med satelliter runt om i landet där infrastrukturer skapas kring spetskompetens inom viktiga biotekniska forskningsområden.