Insulin và công ngh
ệ sản xuất insulin trên thế giới
[10/10/

ời ta
đã nhận thấy rằng bệnh tiểu đường là một trong những c
ăn b
ọa nghiêm
trọng tới sức khoẻ của con ngư
ời.Trên thế giới, con số
ững ng
ười mắc bệnh tiểu đường ước tính khoảng từ 151 triệu đ
ến 171
ệu (n
ăm 2000), và dự kiến con số này sẽ là 221 triệu (n
ăm 2010), năm
2030 s
ẽ lên đến 366 triệu người. Và đương nhiên, việc gia tăng con s
ố
ững ng
ười mắc bệnh tiểu đường sẽ kéo theo sự gia tăng các bi
ến chứng
ăn b
ệnh này như thần kinh, xơ vữa động mạch… Theo ư
ớc tính, số
ời tử vong trên thế giới do bệnh tiểu
đường trong n
ăm 2000 là 2,9 tri
và con s
ố này sẽ còn tiếp tục gia tăng. Trong đó, tiểu đư
ờng type 2 chiếm

ảng h
ơn 90% tổng số ca bệnh. Điều đó đòi hỏi phải tìm ra những
ớng tiệp cận mới cho việc ng
ăn ngừa và điều trị căn bệnh này.
ệnh tiểu
đường là một căn bệnh chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Tiểu
đư
a do tác đ
ộng phức tạp giữa gene và các yếu tố môi trường, từ đó d
ẫn tới
ự bất bình th
ường trong quá trình điều hoà lượng glucose trong cơ th
ể liên
quan t
ới những vấn đề về hormone insulin.
Insulin
là một hormone được tiết ra bởi tế bào beta trong đảo Langerhans
củ
n
tụy khi động vật tiêu ăn thức ăn, đây là hormone quan trọng nhấ
t cho
nh lưu tr
ữ, sử dụng đường, acid amin và acid béo và duy trì lượng đườ
ng
má
u. Hàm lượng đường trong máu (hay còn gọi là hàm lượ
ng glucose
má
u) là nguồn năng lượng thiết yếu cho cơ thể. Nếu lượng đườ
ng trong

u không duy
trì ở mức bình thường có thể gây ra những căn bệ
nh nguy hi
m l
ượng đường trong máu tăng có thể gây ra sự bài tiết đường qua n
ướ
k
ết quả là bị mất glucose, hiện tượng này còn gọi là bệnh tiểu đường
.
trạ
ng này tiếp diễn trong thời gian dài, sẽ gây ra những biến chứ
ng nguy
m trong mô
, các cơ quan của cơ thể. Mặt khác, hàm lượng đườ
ng trong
m d
ẫn đến năng lượng cung cấp cho cơ thể bị thiếu hụt gây nguy hiể
m cho
duy
trì cơ thể sống.
m l
ượng đường trong máu được duy trì ở mức bình thường là do sự
cân b
cá
c yếu tố làm tăng lượng đường trong máu (như glucagon, hormone
cortisol
, catecholamine) với các yếu tố làm giảm lượng đường trong máu.
Insulin
hormone duy nh
ất có thể làm giảm lượng đường trong máu. Do đó, khi

khả
năng ti
ết hormone này giảm đi (do một số nguyên nhân) thì
insulin không cung
ủ
cho cơ thể gây ra bệnh tiểu đường phụ thuộc insulin (Insulin-
Dependent
Diabetes Mellitus
- IDDM), còn gọi là tiểu đường type I. Với những bệ
nh nhân
c ti
ểu đường type I thì insulin là phương thuốc điều trị duy nhất.
Insulin ng
ười là một polypeptide bao gồm một chuỗi A với 21 acid amin và
m
i B v
ới 30 acid amin, có một cầu nối disulfur trong chuỗi A và 2 cầu nố
i
disufur n
ối giữa hai chuỗi A và B. Insulin ban đầu được tổng hợp ở dạng
“preproinsulin”
(tiền insulin) trên ribosome trong tế bào beta trong đảo
Langerhans
của tuyến tụy. Preproinsulin là một phân tử dạng thẳng bao g
ồ
t peptide
tín hiệu chứa 24 acid amin (SP), chuỗi B, peptide C với 31
acid amin
và
chuỗi A nối với nhau theo thứ tự SP-B-C-A. Khi vận chuyển qua lướ

peptide
tín hiệu bị phân cắt tạo ra proinsulin (B-C-A). Proinsulin hình
thà
ố
i disulfur trong lưới nội chất, hình thành cấu trúc bậc ba. Proinsulin
bị
ở
i enzyme PC1/3 tại liên kết giữa chuỗi B và peptide C và sau đó bị
phân
ở
i enzyme PC2 ngay vị trí liên kết giữa chuỗi A và peptide C.
Hai acid amin
u N
của peptide nối với đầu C của chuỗi B khi bị phân cắt bởi PC1/3 sẽ
đ
phân c
ắt ra khỏi chuỗi B bởi enzyme carboxypeptidase H. Kết quả cuối cù
ng
quá trì
nh phân cắt tạo thành insulin.

Hình 1. C
ấu trúc của phân tử insulin
Trong năm 2005, nhu c
ầu insulin dùng trong trị bệnh tiểu đường ư
ớc tính khoảng
4.000 đ
ến 5.000 kg và dự kiến năm 2010 là 16.000 kg. Nhu c
ầu về insulin của
ế giới v

ượt qua con số vài tấn/năm và vì th
ế nguồn cung cấp insulin cho trị
ệnh tiểu
đường đang thiếu hụt. Từ những thập niên 1920 cho đ
ến những n
ầu của thập niên
1980, insulin được tạo ra bằng cách cô lập từ tuyến tụy
củ
ng v
ật như heo và bò. Tuy nhiên, insulin người có sự khác biệt trong thà
nh
n acid amin so v
ới insulin bò (hai vị trí trong chuỗi A và một vị trí
trong chu
và
insulin heo (một vị trí trong chuỗi B). Do đó gây ra những tác dụ
ng không
mong mu
ốn (như dị ứng) khi sử dụng insulin có nguồn gốc từ heo hay bò.
Ngoài
quá trình s
ản xuất và tinh sạch insulin từ đ
ộng vật còn gặp nhiều khó kh
Sau đó
, các phương pháp bán tổng hợp insulin người từ insulin heo và bò
c
phát triển bằng các sử dụng phản ứng chuyển peptide (
transpeptidation
ng trypsin
. Tuy nhiên, insulin tái tổ hợp được sản xuất bằ

ng công ngh
p di t
ruyền hiện đang được sử dụng chủ yếu do chi phí sản xuất thấ
p
quả sả
n xuất cao. Insulin người đư
ợc sản xuất bằng kỹ thuật di truyền
ạiCông ty Genetech (Hoa Kỳ) và sản phẩm này
được đưa ra thị trư
ờng vào
năm 1982. Trong l
ịch sử, đây cũng là lần đ
ầu tiên các nhà nghiên cứu ứng dụng
công ngh
ệ sinh học vào dược phẩm thành công.
ề sau
, nhiều phương pháp sản xuất insulin tái tổ hợp đã được phát triển.
Ví dụ
phương
pháp sản xuất của Tập đoàn Eli Lilly: phương pháp sản xuất nà
y bi
n chu
ỗi A và chuỗi B riêng biệt bằng cách sử dụng Escherichia coli,
sau đ
thu chu
ỗi A và chuỗi B, trộn với nhau in vitro tạo cầu nối disulfur. Phương
phá
có
hiệu quả sản xuất thấp. Do đó, Eli Lilly phát triển một phương phá
p

n hơn
, phương pháp này biểu hiện proinsulin thay vì biểu hiện chuỗi A
và
riêng bi
ệt như phương pháp cũ, tạo cầu nối disulfur in vitro, sau đó phân c
ắ
peptide C
khỏi hai chuỗi A và B bằng trypsin và carboxypeptidase, tạo thà
nh
insulin.


Hình 2. S
ản xuất insulin tái tổ hợp với chuỗi A và chuỗi B riêng biệt
t phương
pháp khác được phát triển bởi tập đoàn Novo Nordisk,
phương
nà
y biểu hiện miniproinsulin bao gồm chuỗi B và chuỗi A nối vớ
i nhau b
acid amin
, được biểu hiện trong nấm men, sau đó xử lý
miniproinsulin in vitro
ng trypsin
tạo thành insulin. Phương pháp này có nhiều thuận lợi như c
ầ
disulfur đ
ược hình thành trong quá trình biểu hiện và quá trình tiế
t miniproinsulin
miniproinsulin

này được tách chiết và tinh sạch dễ dàng do được tiết th
ẳ
ườ
ng nuôi cấy.
tạ
i, người ta vẫn tiếp tục phát triển những phương pháp sản xuấ
t insulin
p
. Công ty Hoechst đã đưa ra một phuơng pháp sản xuấ
t insulin bao g
u hi
ện một dạng dẫn xuất mới của insulin hoặc biểu hiện preproinsulin
E. coli
; tạo các cầu nối disulfur invitro; sau đó, xử lý bằng
lysylendopeptidase ho
ặc clostripain/carboxypeptidase B; cuối cùng tạ
o ra insulin
i đây nh
ất, Công ty Bio-Technology General đã đưa ra một phương
phá
Trong phương
pháp này, một dạng protein dung hợp (fusion protein) bao g
ồ
superoxide dismutase
(SOD) gắn với proinsulin được biểu hiện trong tế bà
o
B
ằng cách này, hiệu suất của quá trình biểu hiện protein và hiệu
quả củ
quá trì

nh hình thành các cầu nốii. Sau đó, proinsulin được chuyển thà
nh insulin
ử lý
với trypsin và carboxypeptidase B. Bằng những cách tương tự
như
ng
ười ta đã đưa ra ngày càng nhiều các phuơng pháp sản xuấ
t insulin
và cả
i tiến nhièu hơn để nâng cao hiệu quả của các quá trình biểu hiệ
n
protein
, hình thành cầu nối disulfur, chuyển proinsulin thành insulin.

Hình 3. S
ản xuất insulin tái tổ hợp trên vi khuẩn
ện nay, hầu hết những ph
ương pháp sản xuất insulin thương mại đ
ều dựa trên
các ch
ủng nấm men (Saccharomyces cerevisiae) hoặc vi khuẩn (E. coli) k
ết hợp
ới các kỹ
thuật gene để sản xuất insulin người tổng hợp. Ngư
ời ta nuôi cấy các
ủng này trên quy mô lớn
, trong những bồn lên men bằng thép đặt tiền,
sau đó
insulin đư
ợc ly trích ra, tinh sạch để được sản phẩm cuối cùng.

ề cá
c hệ thống tế bào dùng để biểu hiện insulin tái tổ hợp, người ta s
ử dụ
t đa
dạng từ vi sinh vật tới tế bào động vật và cả thực vật. Trong số đó, t
ế bà
vi sinh v
ật được sử dụng nhiều nhất do chúng dễ thao tác, dễ đưa vào áp
dụ
quy mô s
ản xuất công nghiệp, nhiều nhất là E. coli và nấm men. Gần đây,
ng
ta đưa ra m
ột hệ thống biểu hiện khác cho các loại protein tái tổ hợp – đó
Bacillus brevis
.
c đ
ích của những nghiên cứu, phát minh hiện tại là muốn phát triển mộ
t h
ng bi
ểu hiện và 1 phương pháp sản xuất insulin có năng suất cao và hi
ệ
n xu
ất phải ngang bằng hay vuợt trội hơn so với những hệ thống sản xu
ấ
insulin đ
ã từ trước tới nay. Hay nói cách khác, các nghiên cứu trong giai đ
oạ
y nh
ằm cải tiến phương pháp cổ điển chuyển các tiền chất của insulin

thà
insulin
; nghiên cứu tìm ra môi trường tối ưu cho việc hình thành các cầu n
ố
t cho vi
ệc biểu hiện hoạt tính của insulin; tìm ra một hệ thống biểu hiệ
n insulin
cho năng su
ất, sản luợng cao.