(Biotechnológi^kaland N^o61)

Az előéletem alapján egyféle gyújtópontjába kerültem a géntechnológiával kapcsolatos különleges híreknek, és így sokan küldik el nekem a találataikat és a hozzájuk kapcsolódó kérdéseiket. Ha válaszolni akarok, az arra inspirál, hogy utánanézzek az ügyben született eredményeknek és véleményeknek; hasonló technikával, ahogyan ezt az áttekintő szakcikkekben tesszük. Természetesen annak erősen könnyített, ismeretterjesztő válfajára gondolok, ami még így is kevésbé olvasmányos lesz, mint a hazai tudományos újságírásban szokás, vagyis igénybe veszi az olvasót. Ennek az az oka, hogy nem teszek tartalmi engedményt a befogadhatóság miatt. Inkább vállalom a kevesebb olvasót, és a tanítóktól várom, hogy lebontsák másoknak azt, amit hasznosnak találnak.

Kezdjük az őstörténetnél. Az állati bundákból készült ruházataink korszaka után kezdődő szövés-fonás már növényi rostokra és emlősszőrökre épült. Valamennyi textilipari célra használt vegyület kémiai szempontból polimernek minősíthető, amely egyszerűbb összetevő óriásmolekulává történő összekapcsolódásából jön létre. Növényeknél az alap a poliszacharidok közé tartozó cellulóz, emlősöknél a polipeptidek közé tartozó keratin, míg ízeltlábúaknál a fibroin és a szpindroin. A legismertebb további biopolimerek lehetnek növényi (gumi – poliizoprén, kutin és szuberin – biopoliészter, lignin – polifenol, pektin, agaragar, keményítő és cellulóz – poliszacharid, guargumi – heteropoliszacharid), állati (sellak – poliészter, szklerotin – kitin és katekolamin kopolimerje, fibroin és szpindroin – blokk-kopolimer polipeptid, glikogén – poliszacharid, kollagén – lizin-, prolin- és glicingazdag polipeptid, kazein – foszfo-polipeptid, keratin – glicingazdag polipeptid, elasztin – alanin- és glicingazdag polipeptid, fibrillin – poliglikoprotein) vagy az élővilágban széleskörűen elterjedt vegyületek (kitin – poliacetilglükózamin, melanin – tirozin-gazdag polipeptid és seregnyi egyéb biopolimer). Az utóbbi csoportból és ipari felhasználásukból ismert anyagok esetében az egyes megnevezések sokszor vegyületcsoportokat takarnak.

Napjainkban a növényi rostok közül a gyapottermesztést kell kiemelnünk, amely köztudottan a leginkább kemizált szántóföldi kultúránk. Az immuntoxikológia feljegyzései szerint Üzbegisztán gyapotövezeteiben a múlt században a légzőszervi, tápcsatornai és vesebetegségek emelkedtek kimutathatóan a mértéktelen növényvédőszer-használat miatt, amihez súlyos immunsztatikus állapot társult. Nincs okom azt feltételezni, hogy a többi fejlődő országban ez másként lehet. A gyapotrostok magszáleredetűek, ami egyedülálló. 2016-ban a gyapot, a természetes alapanyagot (pamut) felhasználó textilipar 77%-át adta. Használhatunk azonban textilipari célra háncseredetű rostnövényeket is: lent, de durva textíliák céljára kendert, jutát (Corchorus olitorius – a természetes rostok 11%-a kötődik ehhez a növényhez), kenafot (rostmályva – Hibiscus cannabinus), levélszárrostot termelő banánfélét, abakát (manilakender – Musa textilis), levélrostot tartalmazó szizált (Agave sisalana) is vagy kókuszt, mely utóbbinak meglehetősen durva gyümölcsrostja a természetes eredetű textilipar 4%-át adja. Több rostnövényt nem említek, de az egyik legrégibb ázsiai rostnövényt (200. kép), a hócsalánt (Boehmeria nivea) még igen, amely ma fürdőszobai textíliákban (pl. szappantartózsák) köszön ránk.

200.kép: A hócsalán (rami) rostjaiból szőtt fonal (Fotó: zedster66)

Az emlősállatok szőrei közül a különféle állatok gyapja (a természetes eredetű textilipar 4%-át adják) emelhető ki, közölük is a juhgyapjú, de a kecske (moher, kasmír – 201. kép), a nyúl (angora), illetve takarók készítésére a láma- (Lama glama), a teve- (vikunya – Vicugna vicugna, alpaka – Vicugna pacos, egy- és kétpúpú teve – Camelus dromedarius és Camelus bactrianus) gyapja, továbbá a lószőr is használatos. A teljes textilipari felhasználás 30%-a tartozik csak a természetes alapanyagokhoz, vagyis a szőrök felhasználása erős kisebbségben van.

A harmadik – kereskedelmét tekintve csekély részarányt képviselő – természetes eredetű csoportot ízeltlábúak mirigyváladékaként könyvelhetjük el, és közülük a hernyóselyem (bábozódás előtti gubókészítésnél a selyemhernyó – Bombyx mori lárvájának alsó ajakmirigye termeli) és más vadon élő lepkefajoktól származó ún. vadselyem emelhető ki. A hernyóselyem a keleti díszes ruházatokban való megjelenésén túlmenően az ejtőernyő anyagaként jelent meg. A pókselyem (eltérő célokra a pókok különféle anális mirigyei termelik) felé napjainkban fordult a figyelem, amelyek közül a keresztespókok családjába tartozó Nephila-fajok (202. kép) termelte pókselymek emelhetők ki. Ez a csoport ihlette meg korunk géntechnológiáját. Puhatestűekből kagylóselymet (főként a sonkakagylóét – Pinna nobilis) is használtak régen (a kagylók az aljzathoz rögzítik magukat ezekkel az igen erős szálakkal), de előállítása igen drága volt. Ma főként sebészeti cérna készítésére használják, ahol a szakítószilárdság és az allergiás reakciók hiánya fontos szempont.

201.kép: Mongóliai kasmírkecskék (Fotó: Frederick J. Brown/AFP)

A természetes eredetű textilrostok mellé a vegyipar különféle származékai zárkóztak fel, amelyek nagy részt a kőolajra támaszkodnak. Változatos formában a teljes textilipar 70%-át adják, és főként az olcsó, illetve a nagyon drága, de speciális (víztűrő, hővisszatartó) ruhák piacát hódították el. A nylon (poliamid), akril (poliakrilnitril), elasztán (poliuretán) és poliészter közülük a leginkább használatban lévők. A nylon a II. Világháború idején leváltotta az ejtőernyőselymet. A hamisnak bizonyult kémiatörténeti legenda szerint a szó eredete eléggé különös – az ázsiai selyem reménybeli versenytársát fejlesztő Wallace Carothers a polimer sikeres előállításakor így kiáltott volna fel: „Now You Lousy Old Nipponese!” (Na, ti tetves öreg japcsik!), utalva arra, hogy az új műanyag véget vet Japán textilpiaci uralmának. A poliésztertípusú textíliák tették ki hamarosan az iparág közel 60%-ának forgalmát, vagyis helyettesítésük napjainkban jelentős lépés lenne a fenntarthatóság felé. Mára a textiliparban rendkívüli mennyiségű szintetikus vegyülettel találkozhatunk. Közülük a DuPont által gyártott aramid (aromás poliamid: Kevlar, Nomex, Trogamid), az Akzo által kifejlesztett para-aramid (Twaron) kereskedelmére az extrém-sportbeli és a katonai felhasználás jellemző (pl. Twaron golyóálló pajzs). A golyóálló mellény céljára a polioxazol (Zylon) anyagú műszálat alkalmazzák. Korábban hernyóselyemmel is próbálkoztak (meggyilkolásának napján például Ferenc Ferdinánd trónörökös is ilyet viselt Szarajevóban, de a lövés a nyakán érte). A DuPont sorona nevű anyaga (kétkomponensű polimer: kopolimerizált tereftalát és 1,3-propándiol) említhető még, amelynek összetevői közül a tereftalát kőolajipari eredetű. A 37%-ot kitevő 1,3-propándiol rekombináns Escherichia coli K-12 baktériummal már előállítható (megújuló forrás), és ilyen módon a géntechnológia textilipari megjelenésében az első képviselőnek tekinthető. A sorona biológiailag nem bomlik le, mint a többi kőolaj-eredetű társa sem, vagyis környezetvédelmi szempontból joggal képezi kritika tárgyát. Ma a műanyagipar természetben lebomló változatokkal próbálkozik, de ezt többen kritikával fogadják.

76.ábra: Néhány pókfaj selymének szakítószilárdsága

A szintetikus textíliák többségének nedvességfelvétele rendkívül alacsony, így az izzadással nem tarthatnak lépést, emiatt magasabb páratartalmú és hőmérsékletű országokban nem számítanak kényelmes viseletnek. Használatuk azonban szinte kizárólagos akkor, amikor erősen vízálló (viharkabátok) vagy hőszigetelő (északi típusú kabátok és hálózsákok) ruházatra van szükségünk. Norvégiában közkeletű szólás, hogy nincs rossz idő, csak helytelenül megválasztott ruházat. Mondták nekem akkor is, amikor szakadó esőben motorcsónakkal makrélára mentünk a Norvég-tengeren. A fjordokba ezek a halak – más fajoktól eltérően – nem jöttek már be.

A selyem ára a többi szövetnél mindig is magasabb volt. Nem is véletlen, hogy a műselyem (rayon) a vegyipari érdeklődés tárgyát képezte; a csoporton belül a nitrát- (Chardonnet-selyem – ma már nem gyártják), viszkóz- (cellulóz-xantogenát alapú), acetát- (acetát-filamentumok vannak a cigaretta-füstszűrőben is) és rézoxid-műselymek (Bemberg-selyem) váltak ismertté.

Most jutottunk el ennek a cikknek a megcélzott tartalmához. A géntechnológia a gének által kódolt fehérjealapú rostok iránt mutat jelenleg érdeklődést, és mára – ahogy látni fogjuk – komoly iparág szerveződött erre a területre. A hernyóselyem szakítószilárdsága fele-harmada bizonyos pókok (Araneus gemmoides, Argiope argentata, Careostris darwinii, Latrodestus hesperus, Leucauge venusta stb.) selymének paramétereihez képest (76. ábra). Ez az oka annak, hogy az ipari érdeklődés a pókselyem felé fordult, és például az autós légzsákok készítői is találva érezték magukat. A Bolt Threads Inc. (Egyesült Államok), Spiber Inc. (Japán) és AMSilk GmbH. (Németország) azok a cégek, amelyeket ma lehetséges gyártóként kiemelhetünk.

A pókok hálója (203. kép) hamar felkeltette a biológusok, kémikusok és korunkban a genetikusok figyelmét. Nem minden pókfaj készít hálót (a törpepókok – Theridiidae – például csak kuszahálót képesek létrehozni, amiben nincs ragadós fonál. A szerkezetileg tagolt kerekhálót készítő fajoknál (Araneidae, Tetragnathidae, Nephilidae) megjelennek a ragadós fonalak is, amelyekben ez a tulajdonság glikoproteinekhez kötődik. A fajok pókselymei, így hálói között igen jelentős különbségek mutatkoznak. Ennek oka, hogy például a keresztespókoknál – amelyek kifejezetten haladó hálókészítők – hétféle pókselyemtípust ismernek, amelyeket az állatok elkülönült szövőcsévékben végződő anális mirigyeikben termelik. A mirigyben a pókselyem alapanyaga igen savas közegben folyékony állapotban van, és csak levegővel érintkezve szilárdul meg. A pókselyem kémiai értelemben blokk-kopolimernek nevezhető, amennyiben szerkezetében nagyobb, némiképpen eltérő szerkezetű alegységek váltakozva kapcsolódnak egymáshoz.

Az ipar figyelme a főszövőmirigy (major ampullate) által termelt pókselymekre irányult, amelyek kétfélék lehetnek: váz- (structural silk) vagy függeszkedő selyem (dragline silk). Az előzőt a háló vázkészítéséhez használja, míg az utóbbin függeszkedve várakozik (77. ábra) a pók. A β-redőket, β-spirálokat és 3₁₀-hélixeket egyaránt tartalmazó, alanin- és glicingazdag függeszkedő selyem polipeptidekből (szpindroin 1 és 2, melyek döntően prolintartalmukban térnek el egymástól) épül fel, hossza akár 3500 aminosav is lehet, melyben 30-40 aminosavból álló szekvenciák ismétlődnek. A Nephila clavipes függeszkedő selyem bioszintézisében három felelős gént írtak le: MaSp1A, MaSp1B és MaSp2. A Madagaszkáron élő Caerostris darwini pókfaj 2,8 m²-t megközelítő nagyságú hálót sző, melynek egyes vázszálai akár a 25 m-es hosszt is elérik. Ez a természetes pókselymek közül a legellenállóbbnak tűnik.

202.kép: Nephila clavipes és hálója (Fotó: Charles J. Sharp)

A Bolt Thread módosított élesztősejtekkel állíttat elő pókselyemfehérjét. A fermentáció végén a géntechnológiai úton módosított sejteket elölik, és az általuk készített mikroszálakat használják fel. Hasonló technológiával dolgoznak, mint a GM-inzulin és számos GM-vakcina esetében. A Spiber nevében is tükrözi, hogy pókselyem alapú fehérjével foglalkozik (203. kép). A termeltetést ma már transzgenikus E. coli baktériummal végeztetik. A North Face vállalattal közösen dolgoztak a Moon Parka márkajelű expedíciós kabáton (204. kép), amelynek Japánban 1000 US $ az ára, s amely ruha biológiai lebomlása miatt vált hírré. Az AMSilk úgyszintén pókselyemmel dolgozik, amit BioSteel néven jegyez. A termelést géntechnológiai úton módosított kecskékkel kezdték. Eredetileg a kanadai, azóta bankcsődöt jelentő Nexia Biotechnologies állította elő. A GM-kecskék tejében jelent meg a pókselyem, amelyből történő kivonás után a nanotechnológia is szerepet kapott a rostkészítésben. Az izolált transzgének a Nephila clavipes pókfajból származtak, amelynek selyme speciálisan szép színű. A GM-kecskék tejéből előállított termék azonban kereskedelmi méretű textilipari gyártásra alkalmatlan, és az állatvédők támogatását sem nyerte el. A rekombináns E. coli mutatott a lehetséges megoldás felé, mint ma több kisebb vállalat esetében is: Araknitec, Spidey Tek, KAIST. A terméket már, így az Adidas vállalat is használja (címkép), s természetes színű sportcipőmodelljét is bemutatta.

77.ábra: A keresztespókfélék selyemmirigyei és termékeik (Forrás: Spiber Technologies)

Megjegyzések: aciniform (szőlő vagy bogyó alakú) mirigy – a tojáscsomó belső kibélelése és az áldozat bepólyálása; aggregate (csoportosító) mirigy – a ragadós bevonathoz; cylindrical vagy tubiliform (hengeres) mirigy – a tojáscsomó külső takarására (cocon); flagelliform (ostoros vagy fonalas) mirigy – a spirális magfonálhoz; major ampullate (főszövő-) mirigy – a hálóvázfonál készítéséhez; minor ampullate (mellékszövő-) mirigy – kiegészítő fonál a spirális magfonálhoz; pyriform (körte alakú) mirigy – a vázfonál rögzítéséhez.

Transzgenikus rovarokkal a Kraig Biocraft Laboratories Inc. próbálkozik, és extrém erősségű pókselyem után kutat. Húsz különféle speciális pókselymet fejlesztettek ki eddig, és közülük Dragon Silk és a Monster Silk vált ismertté. Mindkettőt GM-selyemhernyók állítják elő (piggyBac vektor), bár összetételük és szerkezetük szerint a hernyóselyem (fibroin) és pókselyem (szpindroin) kopolimerjei. A pókselyem termeltetése ugyanis gyors fejlődésű növényevővel sokkal hatékonyabb, mint a tömegtenyésztést illetően kezelhetetlen ragadozó fajjal. A termékek közül a Dragon Silk ellenállóbb és előreláthatólag a védelmi célú piacon jelenik meg. Az Egyesült Államok hadserege mutat érdeklődést iránta. Új fejlesztésük a SpiderPillar, amelyet ipari célra szánnak. További fejlesztéseik (Gen 3) a sebészeti és ipari felhasználást célozzák. Érdeklődési körükbe került a rekombináns E. coli technológia is. A pókselyemmel (a szpidroin-1 fehérjét kódoló gén, MaSp1) kapcsolatban több tudományos cikk jelent meg például a neves PNAS folyóiratban is. Itt már a TALEN genomszerkesztési technológiát alkalmazták, és géncserét hajtottak végre.

203.kép: A Moon Gold színű Spider Inc. pókselyem (Fotó: spoon-tamago.com)

Számítások szerint a textilipar tehető felelőssé a felszíni vizek szennyezettségének közel 20%-áért. Csak a növényi eredetű rostnövények közül a gyapotra koncentrálva világos, hogy nagy termőterületet foglal el Kína, India, Egyesült Államok, Pakisztán, Brazília és Üzbegisztán területein, ahol nagy mennyiségű növényvédő szert használnak fel emiatt. A textillé való feldolgozáshoz – beleértve a fonást és festést is – szükséges hatalmas vízigénye miatt jelentős környezetszennyezéssel járó munkáról van szó. Ehhez képest a zárt rendszerű mikroorganizmus-fermentáció miatt nincs szántóföldfoglalás, és a környezetszennyezés tekintélyes része sem valósul meg. Természetesen itt is vannak melléktermékek, de a kezelésük könnyebbnek tűnik. Sokkal inkább kritikus a felhasznált GM-mikrobák – ez különösen vonatkozik a jövő fermentoraira – szigorúan zárt rendszerű kezelése, hiszen ezek a transzgenikus mikroorganizmusok a környezetbe jutva és ott a természetes előfordulású népességekkel keveredve komoly gondot okozhatnak. Az Egyesült Királyságban tartja magát az a hiedelem, hogy abban az időben mikor nem volt még szabályozás, egy sor módosított élesztő került ki a gyakorlatba, melyeknek forráselfogadó képessége meghaladta a korábbiakat. Ezek mára keveredtek a klasszikus törzsekkel, és így nem hívhatók vissza. Egy ismerősöm, aki sokáig élt az Egyesült Királyságban, ma is onnan hoz sütőélesztőt, mert azzal a házilag készített kenyere egészen más állagú lesz (sokkal levegősebb, akár a bolti pékáruk), mint a hazai élesztővel.

A géntechnológia által érintett textilipari esetekben megújuló alapanyagforrásról van szó, és a termék is természetes lebomlásra képes. A módosított mikrobiális pókselyem tulajdonságai hasonlók az eredeti biopolimerhez. A környezettudományok ellenvetéseivel a termék így alig találkozik. Természetesen szigorúan teljesítenie kell a zárt technológia biztonsági előírásait, és folyamatosan ellenőrizni a hulladékkezelést. További nagy előnyként sorolhatjuk fel, hogy a módosított szervezet nem kerül ki a fermentorból, mert az előállítás után azt magas hőmérsékleten elölik, majd a terméket kivonva hasznosítják. A géntechnológiával módosított tisztított termékek érthetően könnyített engedélyezési eljárásra számíthatnak, bár természetes, hogy itt is esetről esetre változhat az értékelés. A textilipari felhasználás nem von maga után dietétikai veszélyeket, és a pókselymek nem tartoznak az erősen allergizáló fehérjék közé. Pontosabban a pókhálókba ragadó, allergiát kiváltó pollenek esetét tekintve ez is ismert, de a fermentációból származó pókselyemre ez nem lehet érvényes. Ugyanakkor az előállított textil közvetlenül érintkezik az emberi bőrfelülettel, ami folyamatos kitettséget jelent. Jó kérdés a mikrobiális pókselyem festésére felhasznált anyagok köre (ezek mellékhatása jelentős lehet), amelyben a gyártók a természetes alapú festőanyagokra szavazhatnak.

A technológiát több oldaltól is támadják, például helytelenül a felszíni vizek mikroműanyag-szennyezettsége miatt is. A környezeti katasztrófát azonban kőolaj-eredetű, szintetikus, lebomlásképtelen műanyagok okozzák. Ez esetben valóban biológiailag lebomló (komposztálható), megújuló anyagról van szó, amely a körkörös gazdaság (bioökonómia) koncepciójába is beleillik.

204.kép: Golden Parka expedíciós pókselyem-kabát (Fotó: mtvox.com)

Veszélyezteti-e a rekombináns mikroszervezetek által előállított pókselyem a jelenlegi természetes hernyóselyem-kereskedelmet. A hernyóselyem 82%-át Kína, míg 16%-át India adja. Pillanatnyilag nehezen elképzelhető a számomra, hogy a tradicionális selyemvásárlók géntechnológiával előállított termékek felé fordulnának, bár a divattrend átmenetileg ezt is átírhatja. Azt hiszem egészen más versenyhelyzet alakulhat ki a nagy igénybevételű sporttermékek piacán, ahol a vízállóság, az alacsony fajlagos súly és a kopásállóság fontos. Túrázók, sportolók és katonasági érdeklődők valószínűsíthetők. Nem tartom véletlennek a North Face és az Adidas vállaltokon túlmenően az ipari (autós légzsákok) és katonai érdeklődést, vagyis a szintetikus textíliák piacára gyakorolt hatás lehet jelentősebb, ami szerintem szerencsés fordulat lehetne. A sebészeti felhasználás további lehetőség, hiszen a selyemfélék a gerinces eredetű polimerekkel rokon vegyületek.

Darvas Béla