Kemometri: En disciplin med uanede muligheder
Kemometri er, populært sagt, en metode til at hive brugbar information ud af enorme datamængder - således har det uanede anvendelsesmuligheder. Og i Danmark er vi med helt fremme i den internationale forskningsfront på området.

 

Kemometri? Spørger man lægmand eller i forskerkredse er det de færreste, der ved, hvad den forskningsgren egentlig går ud på.

Men det skal der nu rådes bod på, for er der en forskningsgren, som bare ’går derudaf’ med syvmileskridt, er det netop kemometrien.

Det sker på Institut for Fødevarevidenskab (IFV) på Københavns Universitet, hvor man har fået samlet et team, som udgør den største akademiske kemometrigruppe i verden, og som udgør et såkaldt elitemiljø på fakultetet.

Beskæftiger sig primært med fødevarer

Kemometri-forskerne ved IFV – ca. 20 personer – beskæftiger sig primært med forbedring af fødevarekvalitet og fødevareproduktion.

Men forskerne arbejder også med muligheden for kunne diagnosticere kræft langt tidligere end tilfældet er i dag, med at forstå de vanskelige sammenhænge i udviklingen af sukkersyge og fedme og med at optimere medicinproduktionen - for blot at nævne nogle af de største udfordringer.

Kemometri er altså en meget bred videnskab, der støt finder flere og flere anvendelser.

En omvendt tilgang

Fakta

Kromatografi er en fysisk metode til at separere en prøve, så man kan se på enkeltdelene. Prøven, for eksempel en sjat kaffe, hældes igennem et rør, en kolonne, som indeholder noget klistret stads. Dernæst hældes der kontinuert væske som for eksempel alkohol igennem, som driver kaffen igennem kolonnen. De bestanddele af kaffen, som i mindst grad hænger fast i klisteret, kommer hurtigt igennem røret, mens de, der hænger godt fast, kommer sidst ud. På den måde får man adskilt prøven i dens bestanddele.

Kemometri er en videnskabelig disciplin, der omhandler udvikling og anvendelse af intelligente matematiske og statistiske metoder til behandling af store datamængder.

I traditionelle naturvidenskabelige metoder begynder man med at opstille en hypotese, hvorefter man udfører eksperimenter, som forhåbentlig kan be- eller afkræfte hypotesen.

Kemometri-forskere gør det modsatte: De måler først – det være sig på eksempelvis blod, sildelage, korn og ost – og får dermed en masse data, som derefter behandles matematisk.

På den baggrund er det muligt at redegøre for de sammenhænge, som talmaterialet afslører. De matematiske metoder er visuelle og gør det muligt at få et komplet overblik over potentielt meget store mængder data.

Undersøgende og hypotesegenererende

Ud fra de visuelle displays kan man få ideer til, hvilke sammenhænge og fænomener, naturen udviser i de målte data.

Kemometrien er således eksplorativ (dvs. undersøgende) og hypotesegenererende. Et eksperiment benyttes ikke udelukkende til at få ja og nej på en hypotese udtænkt i hovedet på forskeren.

Den klassiske kemiske analyse går ud på at nedbryde prøven destruktivt indtil en enkelt komponent kan registreres ved vejning eller lignende. (Tegning: L.Munck/T.Newlin)

Eksperimenter benyttes til at vise, hvad der sker i naturen og dermed give anledning til helt nye og måske overraskende hypoteser. Man lærer fra naturen.

 

Materialet finder relevant information

Kemometrien anvender således en anden måde at arbejde på. Her begynder forskerne ikke med at opstille begrænsninger, men lader i stedet materialet finde de relevante informationer.

Lad os som eksempel tage cancerforskningen og sætte det lidt på spidsen. Her har traditionelle forskere måske studeret i mange år, inden de har fundet et protein, som de mener, kan bruges til at detektere eller følge kræft.

De opstiller så en hypotese, bruger lang tid på at finde en metode til at måle proteinet, som de så tester. Mange gange finder de så ud af, at metoden ikke virker eller ikke virker godt nok, og man kan så starte forfra.

Denne klassiske fremgangsmåde kræver altså et stort forarbejde, og succesen afhænger helt af den ene opstillede hypotese, der startede projektet.

 

Nye muligheder for succes

Det, kemometrikerne typisk gør, er følgende:

Fakta

Spektrometri eller spektroskopi er studiet af vekselvirkningen mellem stof og udstrålet energi. Det kan for eksempel være at måle lysintensitet, som man gør i et digitalt kamera. I et sådant måler man lys af farven rød, grøn og blå, mens man videnskabeligt ofte arbejder med hundrede eller tusinder af farver. Og ofte også i andre områder end blot synligt lys. Eksempelvis er infrarød spektroskopi meget anvendeligt i fødevareanalyse.

De laver indledningsvis en blød formulering, for eksempel at kræft må manifestere sig i blodet. Og så bruger de den indsigt, der allerede er på området om eksempelvis et eller flere proteiner.

Så går de i gang med at måle på ikke ét, men 1.000 stoffer og ikke mindst deres samspil. Ud fra det talmateriale, som opstår, er forskerne efterfølgende i stand til at se sammenhænge og eventuelle afvigelser.

Det giver nye muligheder for succes. Det kræver dog også langt flere data og informationer end traditionel naturvidenskabelig metode og også en langt mere gennemgribende validering af eventuelle resultater.

 

Hjalp med at måle på korn

Kemometrien er ca. 40 år gammel. Det første gennembrud kom i slutningen af 1970’erne, da man med nærinfrarødt (NIR) lys og kemometri pludselig blev i stand til at måle vand-, fedt- og proteinindholdet direkte på korn med et apparat udviklet af firmaet Foss (dengang Tecator).

Det betød blandt andet, at landmanden nu nemt og hurtigt kunne afregnes efter kornets vandindhold osv. uden forudgående langsommelige, dyre og kemikalieforbrugende analyser.

Det er i dag en global standard at analysere eksempelvis korn på denne måde og ved anvendelse af kemometriske metoder.

 

Omdannes til meningsfyldte parametre

Kemometrien gør det muligt at trække den relevante information ud og yderligere lære nye ukendte fænomener. (Tegning: L.Munck/T.Newlin)

Kemometri er ofte baseret på avancerede målinger som for eksempel spektroskopiske data og meget ofte målt direkte på for eksempel smør eller lignende.

Resultatet af sådanne målinger er tusindvis af tal, der reflekterer den komplicerede kemiske og fysiske tilstand af prøven – et såkaldt fysisk/kemisk fingeraftryk.

I sig selv giver disse tal ikke meget mening, men de matematiske modeller, som kemometrien anvender, kan omdanne tallene til meningsfyldte parametre såsom koncentrationen af et stof, mørheden af kødet, risikoen for at få cancer, forbrugerens præference osv.

 

Én måling kan give mange informationer

Det betyder, at man med én måling pludselig kan få mange informationer, og at man kan få mere relevante informationer end med traditionelle metoder.

Det betyder også, at man kan få nye ideer om en problemstilling fra målingerne selv frem for udelukkende at basere sig på hypoteser postuleret på forhånd.

Det er det meget væsentlige eksplorative, altså udforskende, aspekt i kemometrien.

 

Giver forståelse for biologiske sammenhænge

Eksempel på komplekst kemisk fingeraftryk – et fluorescens-landskab af smør. Fluorescens registrerer speci­fikke kemiske stoffer. Mange af disse er særdeles interessante i forbindelse med at forstå harskning af eksempelvis ost og smør. Hver 'bjergtop' i landskabet repræsenterer et kemisk stof og højden af bjerget afspejler koncentrationen. Ved hjælp af avancerede matematiske modeller kan landskabet adskilles i 'enkeltbjerge', og dermed får man mængde og identitet af de kemiske stoffer – et kemisk fingeraftryk.

På IFV er det primært inden for fødevarekvalitet og forståelse af komplekse biologiske sammenhænge, at kemometrien finder anvendelse.

For eksempel anvendes kemometri til at bestemme funktionelle egenskaber af pektin (som blandt andet bruges som fortykningsmiddel) eller til at optimere produktionen af chokolade.

Der er dog også mange andre områder, som drager nytte af statistiske og matematiske værktøjer.

For eksempel arbejdes der med kemometri for at forstå komplicerede sammenhænge i udvikling af diabetes, fedme og lignende livsstilsrelaterede sygdomme.

Kemometrien bruges også til at optimere produktionen af medicin og til at forstå kompleksiteten i forurenet jord.

De danske forskere på IFV er førende inden for metabonomics, hvor man måler et metabolisk fingeraftryk (100 eller tusindvis af stofskiftekomponenter i for eksempel urin) og søger at relatere disse målinger til for eksempel kostindtag eller sygdom.

 

Bedre styr på processerne

På billedet ses Francesco Savorani ved et NMR-instrument (Nuclear Magnetisk Resonans), der kan give et meget komplekst kemisk fingeraftryk af eksempelvis en urinprøve eller mælk. Tusindvis af prøver kan måles på relativt kort tid. Det muliggør screening og store forsøgsrækker. (Foto: Morten Nielsson)

Som de første i verden søsatte forskerne ved IFV i 2006 en uddannelse i procesanalytisk teknologi – et initiativ, der blev støttet af såvel de amerikanske sundhedsmyndigheder (FDA) og de fleste større medicinalvirksomheder.

Procesanalytisk teknologi er et begreb, som dækker over metoder, der kan bruges til at få en mere dybdegående forståelse for en proces, således at man kan producere et produkt af bedre kvalitet.

I bund og grund er procesanalytisk teknologi nye metoder såsom netop kemometri og spektroskopi. Når disse bringes i anvendelse i produktionsøjemed, får man nye muligheder for at styre og optimere processer på et rationelt og meget bedre grundlag.

 

Kan automatisere i højere grad

I dag styres mange processer i industrien ud fra erfaring og tommelfingerregler og på baggrund af det forhåndenværende søms princip.

Ved hjælp af procesanalytisk teknologi kan man forstå og kontrollere processer langt mere effektivt og rationelt.

Dermed kan man automatisere og optimere processer og også håndtere processer, når de erfarne operatører ikke er til stede.

 

Målet er at kunne måle på mere

Der ligger komplekse matematiske og statistiske beregninger bag, men resultatet af en kemometrisk analyse er oftest et meget visuelt display, som gør det muligt for alle med kendskab til problemstillingen at være med til kritisk at evaluere de komplekse modeller. Figuren her viser en kromatografisk analyse af oste produceret på to forskellige fabrikker. Jo tættere de røde og sorte 'oste' ligger, jo mere ens er aroma-profilen på de to fabrikker. (Efter Sørensen & Benfeldt, International Dairy Journal, 11 (2001) 355-362)

Virksomheden Novozymes har for eksempel tidligere implementeret sådanne metoder for med det samme og uden besværlige laboratorieanalyser at kunne sige, om produktionen af et enzym kørte som forventet.

Det langsigtede perspektiv i kemometrien er at kunne måle – og måle meget hurtigere – på mange flere ting end tilfældet er i dag.

På sigt vil forskerne måske også blive i stand til ud fra målinger at afgøre, at en person kun har 13 år tilbage at leve i – lidt af et skrækscenarium – ligesom forskningen måske i en nær fremtid kan udruste folk med en ’pistol’, som de kan skyde på kødet i supermarkedets kølemontre med og derefter aflæse, hvor gammelt kødet er og hvor det kommer fra.

 

Samarbejde med industrien

Mere konkret arbejder forskerne blandt andet med et stort perspektivrigt projekt omkring cancerdiagnostik, som er finansieret af VILLUM FONDEN.

Her forsøger forskerne at anvende helt nye måleprincipper på blodprøver og avancerede matematiske modeller til at kunne sige rettidigt om en patient er ved at udvikle kræft.

Et andet interessant projekt er QbD (Quality by Design), hvor forskerne sammen med blandt andet Novo Nordisk, Arla, Lundbeck, CMC Biologics og Carometec forsøger at udvikle bedre metoder til at producere for eksempel insulin og ost af høj og ensartet kvalitet.

Kemometrien har et meget stort potentiale. Anvendelsen af kemometri startede for omkring 40 år siden og har stille og roligt bredt sig til så forskelligartede områder som molekylmodellering, miljøovervågning, ernæringsforskning, sporbarhedsanalyser og en række andre områder. Kun fantasien sætter grænser.