I hela världen dricker en majoritet av alla barn – cirka 75% – modersmjölksersättning under sina första sex levnadsmånader, antingen som enda näringskälla eller som ett komplement till amning. Men även om modersmjölksersättning ger viktiga näringsämnen till växande barn kan den för närvarande inte återskapa bröstmjölkens fullständiga näringsprofil.
Det beror delvis på att bröstmjölk innehåller en unik blandning av cirka 200 prebiotiska sockermolekyler som bidrar till att förebygga sjukdomar och främja tillväxten av friska tarmbakterier. De flesta av dessa sockerarter är dock fortfarande svåra – om inte omöjliga – att tillverka.
Ny forskning ledd av forskare vid University of California, Berkeley, och University of California, Davis, visar hur genetiskt modifierade växter kan hjälpa till att överbrygga denna klyfta.
I en ny studie som publicerades idag i tidskriften Nature Food omprogrammerade forskargruppen växternas sockertillverkningsmaskineri för att producera en mängd olika sockerarter från bröstmjölk, även kallade oligosackarider från bröstmjölk. Resultaten kan leda till hälsosammare och mer prisvärd modersmjölksersättning för spädbarn, eller mer näringsrik växtmjölk utan mejeriprodukter för vuxna.
”Växter är dessa fenomenala organismer som tar solljus och koldioxid från vår atmosfär och använder dem för att tillverka sockerarter. Och de tillverkar inte bara ett socker – de tillverkar en hel mångfald av enkla och komplexa sockerarter”, säger Patrick Shih, huvudförfattare till studien och biträdande professor i växt- och mikrobiell biologi samt utredare vid UC Berkeleys Innovative Genomics Institute. ”Vi tänkte att eftersom växter redan har den här underliggande sockermetabolismen, varför inte försöka omdirigera den till att göra oligosackarider av humanmjölk?”
Alla komplexa sockerarter – inklusive oligosackarider från bröstmjölk – är tillverkade av byggstenar av enkla sockerarter, så kallade monosackarider, som kan kopplas samman för att bilda en mängd olika kedjor och grenade kedjor. Det som gör oligosackarider från bröstmjölk unika är den specifika uppsättning kopplingar, eller regler, för att koppla ihop enkla sockerarter som finns i dessa molekyler.
För att övertyga växter om att tillverka oligosackarider från bröstmjölk manipulerade studiens försteförfattare Collin Barnum de gener som ansvarar för de enzymer som skapar dessa specifika kopplingar. I samarbete med Daniela Barile, David Mills och Carlito Lebrilla vid UC Davis introducerade han sedan generna i växten Nicotiana benthamiana, en nära släkting till tobak.
I en ny studie har forskarna omprogrammerat Nicotiana benthamiana-plantor så att de producerar en rad olika nyttiga sockerarter som finns i bröstmjölk, så kallade oligosackarider från bröstmjölk. Kredit: Collin Barnum
De genetiskt modifierade växterna producerade 11 kända oligosackarider från humanmjölk, tillsammans med en mängd andra komplexa sockerarter med liknande kopplingsmönster.
”Vi tillverkade alla tre huvudgrupper av oligosackarider från bröstmjölk”, säger Shih. ”Så vitt jag vet har ingen någonsin visat att man kan tillverka alla dessa tre grupper samtidigt i en och samma organism.”
Barnum arbetade sedan med att skapa en stabil linje av N. benthamiana-växter som var optimerade för att producera en enda oligosackarid från bröstmjölk, kallad LNFP1.
”LNFP1 är en fem monosackarider lång oligosackarid från bröstmjölk som ska vara mycket fördelaktig, men som hittills inte har kunnat tillverkas i stor skala med traditionella metoder för mikrobiell fermentering”, säger Barnum, som slutförde arbetet som doktorand vid UC Davis. ”Vi tänkte att om vi kunde börja tillverka dessa större och mer komplexa oligosackarider från bröstmjölk skulle vi kunna lösa ett problem som industrin för närvarande inte kan lösa.”
För närvarande kan en liten handfull oligosackarider från bröstmjölk tillverkas med hjälp av modifierade E. coli-bakterier. Det är dock en kostsam process att isolera de nyttiga molekylerna från andra giftiga biprodukter, och endast ett begränsat antal modersmjölksersättningar innehåller dessa sockerarter i sina blandningar.
Som en del av studien arbetade Shih och Barnum tillsammans med Minliang Yang vid North Carolina State University för att uppskatta kostnaden för att producera oligosackarider från humanmjölk från växter i industriell skala och fann att det sannolikt skulle vara billigare än att använda mikrobiella plattformar.
”Tänk dig att kunna tillverka alla oligosackarider från bröstmjölk i en enda växt. Då skulle man bara kunna mala upp växten, extrahera alla oligosackarider samtidigt och tillsätta dem direkt i modersmjölksersättningen”, säger Shih. ”Det skulle innebära en hel del utmaningar när det gäller implementering och kommersialisering, men det är det stora målet som vi försöker sträva mot.”
Ytterligare författare inkluderar Bruna Paviani, Garret Couture, Chad Masarweh, Ye Chen, Yu-Ping Huang, David A. Mills, Carlito B. Lebrilla och Daniela Barile från UC Davis; Kasey Markel från UC Berkeley; och Minliang Yang från North Carolina State University.
Ytterligare information: Collin R. Barnum et al, Engineered plants provide a photosynthetic platform for the production of diverse human milk oligosaccharides, Nature Food (2024). DOI: 10.1038/s43016-024-00996-x
