Se arkivet med udgivelser af Dansk Kemi her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her
n BIOTEKNOLOGI Nu skal der brygges insektferomoner til bæredygtig afgrødebeskyttelse Kærlighed mellem insekter kan bruges til at bekæmpe dem. Af Karolis Petkevicius, industriel ph.d.-studerende, the Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, DTU, BioPhero ApS Skader på afgrøder forårsaget af skadedyr er et stort problem i landbruget. I øjeblik ket er de mest populære løsninger baseret på brugen af kemiske insekticider eller genetisk modificerede planter, som er modstandsdygtige over for skadedyr. I de senere år er opmærksomheden dog øget omkring disse strategiers ulemper. Ska dedyr udvikler resistens over for insekti cider og genetisk modificerede afgrøder, hvilket gør metoderne mindre effektive over tid. Derudover mangler insekticider specificitet, hvilket betyder, at de kan have toksiske virkninger på mennesker og gavnlige insekter såsom bier. Da konventionelle strategier forårsager en række problemer, er der brug for alternativer. Feromoner, som naturligt produceres af forskellige insektarter, re præsenterer et sundheds- og miljøvenligt alternativ. Feromoner er attraktive, fordi de er biologisk nedbrydelige, artsspeci fikke forbindelser, som hverken skader gavnlige arter eller mennesker. Feromo ner gør det muligt at dyrke afgrøder på en mere uskadelig og bæredygtig måde. Mere end 60 års kemisk detektivarbejde ligger bag feromoner Feromoner spiller en fundamental rolle i insektkommunikation. Disse metabolitter frigives af hunner for at tiltrække beslæg tede hanner til reproduktion. Hannerne kan fornemme signalet og finde frem til hunnen for at parre sig. Det smukke ved dette kommunikationssystem ligger i dets specificitet. Evolutionen har gjort insekter i stand til at udsende og skelne artsspeci fikke signaler. Denne ”præcisionskemi” muliggør kommunikation mellem mod satte køn af samme insektart og sikrer selektivitet [1]. Reproduktionssystemer baseret på feromonsignaler har fungeret som inspi ration for avancerede skadedyrsbekæm pelsesstrategier. En af de mest effektive løsninger kaldes parringsforstyrrelse - en proces, hvor insekternes sexferomoner frigives i marken for at forvirre han nerne og forhindre dem i at finde hunner. Som følge heraf lægges der ingen æg, der udvikler sig til larver, som er hovedbi dragsydere til afgrødeskader. Det første kemisk karakteriserede insekt-sexferomon kommer fra silke orm Bombyx mori og kaldes bombykol ((10E,12Z)-Hexadeca-10,12-dien-1-ol). Siden opdagelsen af bombykol i 1959 er der blevet udført feromonkirtelanalyse af mange møl af økonomisk betydning i landbruget. Eksempler omfatter hærlarve ( Spodoptera frugiperda ), bomuldsorm ( Helicoverpa armigera ) og kålmøl ( Plu- tella xylostella ). Udredningen involverer udskæring af feromonkirtlen fra spidsen af bagkroppen efterfulgt af ekstraktion af metabolitter med organiske opløs ningsmidler. Ekstrakterne analyseres ved gaskromatografi-massespektrometri for at bestemme strukturen af feromonerne. Analyse af feromonkirtler fra forskel lige insekter har identificeret visse fælles strukturelle træk ved disse metabolitter. De fleste møl-sexferomoner er alifatiske alkoholer, aldehyder eller acetater med kæder på 10-18 kulstofatomer og en til tre dobbeltbindinger [1]. Ved at kombi nere forskellige kædelængder, funktio nelle grupper samt antal og position af dobbeltbindinger skabes der mulighed for en bred vifte af feromonstrukturer. Figur 1. Skematisk repræsentation af enzymatiske reaktioner katalyseret af to forskellige FAD’er. Bioteknologi revolutionerer produktionen af feromoner Kortlægningen af feromonstruktu rer har givet indsigt i, hvordan disse 18 Dansk Kemi, 103, nr. 3, 2022 -
BIOTEKNOLOGI n Figur 2. Bioreaktor hos BioPhero til gærfermentering. forbindelser biosyntetiseres i insekter, og kontinuerlige fremskridt inden for DNA-sekventeringsteknologi har gjort det muligt at identificere gen-kandidater og enzymer, som er ansvarlige for feromonproduktion. Indtil videre er der størst viden om fedt-acyl-CoA-desaturaser (FAD’er) og fedt-acyl-CoA-reduktaser (FAR’er). Begge typer enzymer virker på fedtsyrer esterificeret med coenzym A (substra ter). FAD’er introducerer en dobbelt binding i kulbrintekæden, mens FAR’er omdanner fedt-acyl-CoA’ere til tilsva rende alkoholer [2]. Bortset fra desatura tion og reduktion foreslås andre reak tioner såsom fedtsyrekædeforkortning, alkoholoxidering og acetylering at være involveret i feromonbiosyntese, men enzymerne, der udfører disse opgaver, kræver stadig mere udforskning. Afhængigt af kildeorganismen er FAD’er og FAR’er kendt for at have forskellige substratspecificiteter. For ek sempel virker en FAD kaldet Atrd11 fra navleappelsinorm ( Amyelois transitella ) udelukkende på palmitoyl-CoA (C16 fedtsyre) og introducerer en dobbeltbin ding i position 11, mens en anden FAD fra æblevikler ( Cydia pomonella ) virker på lauroyl-CoA (C12 fedtsyre) og intro ducerer to dobbeltbindinger ved position 8 og 10 [3,4] (figur 1). På samme måde kan FAR’er have forskellige præferencer over for fedtsyrer af forskellig længde. Denne selektivitet gør det muligt for in sekter at biosyntetisere deres feromoner med et meget højt niveau af præcision. Gær kan bruges til at brygge feromoner Den hurtige udvikling inden for syn tetisk biologi har gjort det muligt at udnytte mikroorganismer til biobase ret produktion af relevante produkter. For eksempel kan genetiske elementer fra insekter indsættes i gær for derved at kunne producere insektferomoner (figur 2). Denne bioteknologiske tilgang benyttes af den danske virksomhed BioPhero, som har til formål at levere miljøvenlige løsninger til skadedyrsbe kæmpelse. Virksomheden kan nærmest siges at brygge feromoner i stedet for øl, på samme måde som Novo Nordisk producerer insulin. Sammenlignet med traditionel kemisk syntese har bioteknologisk gærbaseret produktion flere vigtige fordele. For det første bruges billige, genanvendte råvarer såsom sukkerarter eller glycerol i stedet for dyre, fossil-afledte kemikalier. For det andet involverer den biotekno logiske produktion typisk en enkelttrins biokonvertering med levende celler som eneste katalysator. I nogle tilfælde viderebehandles fermenteringsproduk terne yderligere via et eller to kemiske trin. I modsætning hertil involverer kemisk syntese af insektferomoner typisk flere trin, som er afhængige af kemiske katalysatorer. Da bioteknologisk produktion desuden anvender biosynteti ske insektenzymer, er det muligt at opnå en produktprofil, der svarer til den, der naturligt produceres i feromonkirtler fra specifikke insekter. For at opnå et højt udbytte ved biopro duktion af insektferomoner skal ikke kun korrekte genetiske elementer fra insekter benyttes. Den naturlige gærmetabolisme skal også justeres. Et højt udbytte kan opnås ved at eliminere metaboliske processer, som nedbryder målprodukter, eller ved at øge metabolitstrømmen mod forbindelser, der tjener som substrater for feromonproducerende enzymer. Kom bination af aktive og meget selektive insektenzymer sammen med korrekt afstemt gærmetabolisme kan give en ef fektiv, bæredygtig og omkostningseffektiv biofremstillingsproces [3]. Figur 3. BioPheros feromoner kan bekæmpe nogle af de værste skadedyr i nogle af verdens vigtigste afgrøder såsom majs og ris. ^ Perspektiver for gærfermentering i fremtiden Øget resistens over for genetisk modi ficerede afgrøder og insekticider med yderligere negativ indvirkning på miljøet er stærkt motiverende for at udvikle alternative tilgange til skadedyrsbe kæmpelse. Gær kan som beskrevet udgøre platformen for bæredygtig og kommercielt anvendelig produktion af insektferomoner. En sådan platform er i princippet uendelig skalerbar i forhold til produktion af nye typer af feromoner. Indtil videre er gærfermentering blevet brugt til at fremstille feromoner til ska dedyrsbekæmpelse i markafgrøder så som ris, bomuld og majs [3,5] (figur 3). Det er en stor bedrift, idet insektferomo ner fremstillet ved kemisk syntese er for bekostelige at bruge i stordriftsafhængi ge markafgrøder. Men der er også behov for at etablere bioteknologisk produktion af feromoner til beskyttelse af højværdi- afgrøder såsom vin og forskellige frugter for at efterkomme forbrugernes ønske om en reduktion af pesticidrester i frugt og grønt. I fremtiden vil den beskrevne bio baserede teknologi drage stor fordel af grundforskning, der sigter mod at afsløre andre egnede gen-kandidater fra insekter, og forsøg på at strømline den naturlige gærmetabolisme. Dette arbejde har modtaget støtte fra Innovationsfonden [8053-00179B] samt fra EU’s støtteprogram for forskning og innovation - Horizon 2020 [760798, 886662]. E-mail: Karolis Petkevicius: karolis@biophero.com Referencer 1. Ando T., Inomata S., Yamamoto M.: Lepidopteran sex pheromones. In The Chemistry of Pheromones and Other Semiochemicals I. Edited by Schulz S. Berlin, Heidelberg: Springer; 2004: 51-96. 2. Tupec M., Bucek A., Valterová I., Pichová I.: Biotechnological potential of insect fatty acid-modifying enzymes. Zeitschrift für Naturforschung - Sect C J Biosci 2017, 72:387-403. 3. Holkenbrink C., Ding B.J., Wang H.L., Borodina I., et al.: Production of moth sex pheromones for pest control by yeast fermentation. Metabolic Engineering 2020 Nov;62:312-321. 4. Lassance J.M., Ding B.J., Löfstedt C. Evolution of the codling moth pheromone via an ancient gene duplication. BMC Biology 2021, 19, 83 5. Petkevicius K., Koutsoumpeli E., Betsi P.C., Borodina I., et al.: Biotechnological production of the European corn borer sex pheromone in the yeast Yarrowia lipolytica. Biotechnology Journal. 2021 Jun;16(6):e2100004 - Dansk Kemi, 103, nr. 3, 2022 19