Insulin: a point in favour for transgenics

Despite the arguments and positions against transgenics, it is undeniable that insulin is a great transgenic success. It is essential in some types of diabetes; and since it was discovered, the life expectancy of diabetics has increased more than 45 years. Therefore, let’s know in detail.

REMINDER OF GENETIC ENGINEERING

Genetic engineering allows to clone, that is, to multiply DNA fragments and produce the proteins for which these genes encode in organisms different from the one of origin. That is, if in an organism there is an alteration or mutation of a gene that prevents the genetic code from translating it into proteins, with the techniques of recombinant DNA a gene is obtained without the mutation in another organism. Thus, it is possible to obtain proteins of interest in organisms different from the original from which the gene was extracted, improve crops and animals, produce drugs and obtain proteins that use different industries in their manufacturing processes. In other words, through genetic engineering, the famous transgenics are obtained.

They offer many possibilities in the industrial use of microorganisms with applications ranging from the recombinant production of therapeutic drugs and vaccines to food and agricultural products. But, in addition, they have a promising role in medicine and in the cure of diseases.

And is that the result of obtaining a recombinant DNA, from it, will be made a new protein, called recombinant protein. An example of this is the case of insulin.

WHAT IS INSULIN?

Insulin is a hormone produced in the pancreas and with an important role in the metabolic process. Insulin comes from the Latin insulae, which means island. Its name is due to the fact that inside the pancreas, insulin is produced in the islets of Langerhans. The pancreas is related to the general functioning of the organism. It is located in the abdomen and is surrounded by organs such as the liver, spleen, stomach, small intestine and gallbladder.

Thanks to it we use the energy of the food that enters our body. And this happens because it allows glucose to enter our body. This is how it provides us with the necessary energy for the activities we must perform, from breathing to running (Video 1).

Video 1. Insulin, Glucose and You (Source: YouTube)

HOW DOES INSULIN WORK?

Insulin helps glucose enter the cells, like a key that opens the lock on the cell doors so that glucose, which is blood sugar, enters and is used as energy (Figure 1). If glucose cannot enter because there is no key to open the door, as with people with diabetes, blood glucose builds up. An accumulation of sugar in the blood can cause long-term complications. That’s why it’s important for diabetics to inject insulin.

Figure 1. Picture of the funcioning of insulin in cells (Source: Encuentra tu balance)

WHY DO WE USE TRANSGENIC INSULIN?

First, the insulin obtained from animals such as dogs, pigs or cows was used. But although, above all, pork insulin was very similar to human insulin, it was not identical and contained some impurities. This fact caused rejection and, in some cases, allergies. In addition, to be obtained from the pancreas of pigs, for each pancreas only insulin was obtained for the treatment of 3 days (at more than the cost of care of the animal). The result was low performance and high costs.

But with recombinant DNA insulins, more is obtained at a lower cost. For this reason, currently, the original insulin is obtained from a human of genetic engineering, despite the fact that animal insulins are still a perfectly acceptable alternative.

Through genetic engineering, insulin has been produced from the E. coli bacterium. It was in 1978 when the sequence of the insulin was obtained and introduced inside the bacteria so that it produced insulin. This is how E. coli has gone from being a common bacterium to a factory producing insulin. Insulin is extracted from the bacteria, purified and marketed as a medicine.

The advantages of “human” insulin, obtained by genetic engineering, are the easy maintenance of bacteria, a greater quantity of production and with lower costs. More or more, the compatibility of this insulin is 100%, however there may be reactions due to other components.

On an industrial scale, the production of recombinant proteins encompasses different stages. These stages are fermentation, in which the bacteria are cultivated in nutritious culture media; the extraction to recover all the proteins inside, the purification, which separates the recombinant protein from the other bacterial proteins; and finally the formulation, where the recombinant protein is modified to achieve a stable and sterile form that can be administered therapeutically.

Each of the previous phases implies a very careful handling of the materials and a strict quality control to optimize the extraction, purity, activity and stability of the drug. This process can be simple or more complex depending on the product and the type of cell used. Although the complexity of the process would increase the final cost of the product, the value will not exceed the expense of isolating the compound from its original source to reach medicinal quantities, which is what we have shown with insulin. That is, producing human insulin has a lower cost than obtaining insulin from pigs.

Genetic engineering allows numerous potentially therapeutic proteins to be made in large quantities. Currently, there are more than 30 proteins approved for clinical use, in addition to hundreds of therapeutic protein genes that have been expressed at the laboratory level and that studies continue to demonstrate their clinical adequacy.

REFERENCES

• Ramos, M. et al. El código genético, el secreto de la vida (2017) RBA Libros
• Alberts, B. et al. Biología molecular de la célula (2010). Editorial Omega, 5a edición
• Cooper, G.M., Hausman R.E. La Célula (2009). Editorial Marbán, 5a edición
• Naukas
• Vix
• Main picture: UniversList

La insulina: punt a favor pels transgènics

Tot i els arguments i les posicions en contra dels transgènics, és innegable que la insulina és un gran èxit transgènic. És imprescindible en alguns tipus de diabetis; i des de que s’ha descobert, l’esperança de vida de les persones diabètiques ha augmentat més de 45 anys. Per això, és necessari que la coneguem en detall.

RECORDATORI DE L’ENGINYERIA GENÈTICA

L’enginyeria genètica permet clonar, és a dir, multiplicar fragments d’ADN i produir les proteïnes per les quals aquests gens codifiquen en organismes diferents als de l’origen. És a dir, si en un organisme hi ha una alteració o mutació d’un gen que impedeix que el codi genètic ho tradueixi a proteïnes, amb les tècniques de l’ADN recombinant s’obté un gen sense la mutació en un altre organisme. Així, és possible obtenir proteïnes d’interès en organismes diferents de l’original del qual s’extreu el gen, millorar cultius i animals, produir fàrmacs i obtenir proteïnes que utilitzen diferents indústries en els seus processos d’elaboració. En altres termes, amb l’enginyeria genètica s’obtenen els famosos transgènics.

Ofereixen moltes possibilitats en l’ús industrial dels microorganismes amb aplicacions que van des de la producció recombinant de fàrmacs terapèutics i vacunes fins a productes alimentaris i agrícoles. Però, a més, tenen un paper prometedor en la medicina i en la cura de malalties.

I és que la conseqüència d’obtenir un ADN recombinant, a partir d’aquest, és fabricar una nova proteïna, denominada proteïna recombinant. Exemple d’això és el cas de la insulina.

QUÈ ÉS LA INSULINA?

La insulina és una hormona produïda en el pàncrees i amb un paper important en el procés metabòlic. Insulina prové del llatí insulae, que significa illa. El seu nom es deu a que dins el pàncrees, la insulina es produeix en les illes de Langerhans. El pàncrees està relacionat amb el funcionament general de l’organisme. Es situa a l’abdomen i està rodejat per òrgans com el fetge, la melsa, l’estómac, l’intestí prim i la vesícula.

Gràcies a ella utilitzem l’energia dels aliments que entren al nostre cos. I això passa perquè permet que la glucosa ingressi en el nostre organisme. És així com ens proporciona l’energia necessària per les activitats que hem de realitzar, des de respirar fins a córrer (Vídeo 1).

Vídeo 1. La insulina, la glucosa i tu (vídeo en anglès amb subtítols en castellà) (Font: YouTube)

COM FUNCIONA LA INSULINA?

La insulina ajuda a la glucosa a entrar a les cèl·lules, com una clau que obre el pany de les portes de la cèl·lula perquè la glucosa, que és el sucre en sang, entri i sigui utilitzada com a energia (Figura 1). Si la glucosa no pot entrar perquè no hi ha la clau que obri la porta, com els passa a les persones que pateixen diabetis, s’acumula la glucosa en la sang. Una acumulació de sucre a la sang pot causar complicacions a llarg termini. Per això és important que les persones diabètiques s’injecten insulina.

Figura 1. Esquema del funcionament de la insulina en les cèl·lules (Font: Encuentra tu balance)

¿PER QUÈ INSULINA TRANSGÈNICA?

Primerament, s’utilitzava la insulina obtinguda d’animals com gossos, porcs o vaques. Però tot i que la insulina de porc era molt similar a la humana, no era idèntica i contenia algunes impureses. Aquest fet provocava rebuig i, en alguns casos, al·lèrgies. A més, al ser obtinguda del pàncrees dels porcs, per cada pàncrees només s’aconseguia insulina pel tractament de 3 dies (a més dels cost del manteniment de l’animal). El resultat era de baix rendiment i alts costos.

Però amb les insulines de l’ADN recombinant s’obté una major quantitat a un menor preu. Per aquest motiu, actualment, s’obté la insulina original d’humà de la enginyeria genètica, tot i que les insulines animals segueixen sent una alternativa perfectament acceptable.

Mitjançant l’enginyeria genètica s’ha aconseguit produir insulina a partir de la bactèria E. coli. Va ser al 1978 quan es va aconseguir obtenir la seqüència de la insulina i introduir-la a l’interior de la bactèria perquè aquesta produís insulina. És així com E. coli ha passat de ser una bactèria corrent a una fàbrica de producció d’insulina. La insulina s’extreu de la bactèria, es purifica i es comercialitza com a medicament.

Els avantatges de la insulina “humana”, obtinguda per enginyeria genètica, són el fàcil manteniment de les bactèries, una major quantitat de producció i amb menors costos. A més a més, la comptabilitat d’aquesta insulina és del 100%, no obstant poden haver reaccions degut a altres components.

A escala industrial, la producció de proteïnes recombinants engloba diferents etapes. Aquestes etapes són la fermentació, en què les bactèries són cultivades en medis de cultius nutritius; l’extracció per recuperar totes les proteïnes del seu interior, la purificació, que separa la proteïna recombinant de les altres proteïnes bacterianes; i finalment la formulació, on la proteïna recombinant és modificada per aconseguir una forma estable i estèril que pot administrar-se terapèuticament.

Cada una de les anteriors fases implica una manipulació molt curosa dels materials i un estricte control de qualitat per optimitzar l’extracció, la puresa, l’activitat i l’estabilitat del fàrmac. Aquest procés pot ser simple o més complex depenent del producte i del tipus de cèl·lula utilitzada. Tot i que la complexitat del procés augmentaria el cost final del producte, el valor no arribarà a sobrepassar el cost d’aïllar el compost des de la seva font original per arribar a quantitats medicinals, que és el que s’ha demostrat amb la insulina. És a dir, que produir insulina humana té un menor cost que obtenir la insulina de porcs.

L’enginyeria genètica permet que nombroses proteïnes potencialment terapèutiques puguin elaborar-se en grans quantitats. Actualment, existeixen més de 30 proteïnes aprovades pel seu ús clínic, a més de centenars de gens de proteïnes terapèutiques que s’han expressat a nivell de laboratori i que es segueixen fent estudis per demostrar la seva adequació clínica.

REFERÈNCIES

• Ramos, M. et al. El código genético, el secreto de la vida (2017) RBA Libros
• Alberts, B. et al. Biología molecular de la célula (2010). Editorial Omega, 5a edición
• Cooper, G.M., Hausman R.E. La Célula (2009). Editorial Marbán, 5a edición
• Naukas
• Vix
• Foto portada: UniversList