Proteinanalyse: Lys idé hjemsøgte forsker i to årtier
Fossile proteiner kan give et unikt indblik i fortiden, i tilfælde hvor DNA for længst er nedbrudt. Her kan du læse, hvordan proteinerne drillede og frustrerede, før ideen om dem endelig blev forløst.

Proteomics er analysen af proteiner i stor skala. Proteiner er en vital del af alle levende organismer og har mange funktioner. (Foto: roche.com)

I 1995 fik professor i biomolekylær arkæologi Matthew Collins en idé, som skulle komme til at optage hans tid og tanker i intet mindre end to årtier. Skabe frustration. Modløshed. Opgivelse.

For til sidst at munde ud i den helt store forløsning, da han i 2016 kunne høste frugterne af sit arbejde og publicere et studie, som viste, at han havde haft ret helt fra start: Analyse af fossile proteiner, proteomics, kan hjælpe os med at se ekstremt langt tilbage i tiden, potentielt tilbage til dinosaurernes tid på Jorden.

Proteiner slår DNA-rekord

Matthew Collins hårde arbejde mundede i år, 2016, ud i, hvad han selv kalder sit »mest spændende studie nogensinde«. I studiet viser han, at han med fossile proteiner kan se 3,8 millioner år tilbage i tiden - og potentielt meget, meget længere. Det kan du læse om i artiklen 'Proteiner giver DNA tæsk - ser rekordlangt tilbage i tiden'.

Men alt det vidste han ikke for 21 år siden, da det hele startede.

»Det startede for meget lang tid siden, i 1995, da vi fik den ide, at meget gamle proteiner måske ville blive stabiliseret på overfladen af mineraler. Hvis det var tilfældet, ville de overleve i ubegribeligt lang tid,« fortæller Matthew Collins, som fra 1. oktober arbejder ved Københavns Universitet.

Stabiliseringen af proteinerne behøver du ikke at forstå endnu – den vender vi tilbage til. I første omgang skal du bare vide, at Matthew Collins ide kort og godt gik ud på, at særlige proteiner under særlige omstændigheder ville kunne overleve i ekstremt lang tid og give et unikt blik ind i fortiden – i tilfælde, hvor DNA for længst var forsvundet.

LÆS OGSÅ: Proteiner giver DNA tæsk – ser rekordlangt tilbage i tiden

Fossile proteiner opførte sig skørt

I årevis forsøgte Matthew Collins ved hjælp af matematiske modeller at blive klogere på proteinernes nedbrydelse og få af- eller bekræftet sin ide; men han blev ved med at løbe panden mod muren.

Protein og DNA

Egentlig er proteiner og DNA to sider af samme sag, idet DNA’et koder for, hvilke proteiner skal komme til udtryk i cellerne.

Både proteiner og DNA nedbrydes over tid; forskellen er, at DNA-kæder falder fra hinanden 10 gange hurtigere end proteiner.

»Jeg indsamlede data, regnede på tallene og satte dem ind i computermodeller. Jeg kunne se, at proteinerne blev nedbrudt langsommere og langsommere, der skete mindre og mindre, og det virkede, som om der lå noget andet bag, end jeg kunne forklare,« siger han og fortsætter:

»I 10 år arbejdede jeg med denne ide og prøvede at forklare mine resultater, men det kunne jeg ikke.«

LÆS OGSÅ: Ældgamle proteiner åbner ny dør til fortiden

Proteiner i æggeskaller rykkede ikke

I år 2000 udgav Matthew Collins, dengang tilknyttet University of York, en videnskabelig publikation, hvor han dels fremlagde forskellige teorier for at forklare effekten, dels måtte konstatere, at han i bund og grund ikke anede, hvad der foregik.

De næste 5 år arbejdede han og hans kollegaer videre med små, syntetiske stykker af æggeskaller – de er gode at arbejde med, fordi de er tykke, slidstærke og overlever under mange forskellige miljømæssige betingelser.

Massespektrometri

Massespektrometri er en analysemetode til bestemmelse af molekylers masse og kemiske struktur.

Massespektrometri er en af de mest specifikke og følsomme analysemetoder til kvalitativ og kvantitativ analyse af et bredt udsnit af forskellige stoftyper.

Metoden anvendes inden for forskning og rutineanalyse i områder som f.eks. kemi, biokemi, bioteknologi, geokemi, klinisk kemi og miljøkontrol.

Kilde: Den Store Danske

Men det rykkede ikke rigtig noget.

LÆS OGSÅ: Forskere aflurer farlige proteiners hemmelighed

Supercomputer gav afsæt til at komme videre

Det store gennembrud kom, da Matthew Collins stiftede bekendtskab med et hold eksperter fra University of Sheffield. Sheffield-forskerne arbejdede med at modellere proteiner, og hvordan de interagerer på mineralers overflade, og hvad bedre var:

De var i gang med at installere en ny, matematisk supercomputer – lige, hvad professoren havde brug for.

»I 2012 publicerede de et utroligt smukt studie på, hvordan proteinerne i kyllingers æggeskal danner æggets skal. Det er et utroligt kompliceret problem, et meget computerintensivt problem, og da jeg så det, sagde jeg bare: ’Jeg er nødt til at arbejde sammen med jer’,« fortæller Matthew Collins.

supercomputer

En supercomputer en computer, der overstiger alment tilgængelig computerkapacitet - her ses 'Iceberg', som befinder sig på University of Sheffield. (Foto: Sheffield University)

Springbræt: Én region af proteinet særligt stærk

Endnu et par år måtte professoren vente, før Sheffield-forskerne kunne smide problemet ind i computeren; men da de endelig gjorde, fandt de hurtigt ud af, at særligt én region i et af de to proteiner, Matthew Collins havde bedt dem kigge nærmere på, ifølge matematiske udregninger skulle binde markant stærkere til mineralets overflade end de øvrige.

Det var den information, der gav ham afsæt til at komme videre i teksten.

LÆS OGSÅ: Kina bygger verdens hurtigste supercomputer

Proteinets nedbrydelse blev bremset

Sideløbende med de matematiske beregninger, sekventerede Matthew og hans hold proteiner ved hjælp af massespektrometri. Det er en analysemetode, der bruges til bestemmelse af molekylers masse og kemiske struktur.

Entropi

Entropien blev oprindelig indført som et beskrivende begreb inden for termodynamikken i fysik og kemi.

Begrebet gør det muligt at formulere det, fysikerne kalder ’Termodynamikkens 2. lov’: Væksten i entropien for universet vil altid være positiv.

Loven kan bruges til at forstå universets udvikling, fordi alle processer i naturen forløber i en sådan retning, at universets entropi vokser, og entropiens vækst bestemmer retningen af ’tidens pil’.

Eller forklaret på en mere humoristisk måde: »You can't unscramble eggs«

Da University of Oxford meldte sig som de næste i rækken med en nyt og meget bedre massespektrometer, gik alt pludselig op i en højere enhed.

»Nu kunne vi se, at proteinets bindende region, som Sheffield-forskerne havde forudset skulle være mest klæbrig, faktisk også var det. Det blev vist så elegant, helt uafhængigt af hinanden, af to forskellige metoder: Mineralet bandt til proteinet, og proteinet blev stabiliseret.«

På almindeligt dansk betyder det, at proteinerne, som bliver nedbrudt med en højere rate under høje temperaturer, blev ’fanget’ på mineralets overflade. En høj temperatur, altså varme, er lig med molekyler, der bevæger sig, og når de bliver fanget – ja, så bremses nedbrydningen. Takket være entropi kunne forskerne lave en forudsigelse for, at proteinerne over tid ville bevæge sig længere og længere mod molekylets overflade. Jo længere mod overfladen, det kom, jo ’koldere’ blev dets omgivelser, og jo langsommere blev det nedbrudt.

Matthew Collins kunne pludselig forklare sine resultater.

LÆS OGSÅ: Derfor går tiden kun i én retning

strudseæggeskaller

De farvede prikker indikerer placeringen af de arkæologiske udgravninger. Selvom proteinerne blev fundet på strudseæggeskaller, som har ligget ekstremt varme steder, viste det sig, at de i realiteten 'oplevede' en temperatur på minus 9 grader. (Grafisk illustration: Den videnskabelige artikel)

Proteiner 'fryses fast' på mineralets overflade

»Selvom proteinerne i realiteten befinder sig et meget varmt sted som Afrika, oplever de faktisk en temperatur på mineralets overflade på minus 9 grader. Det er helt vildt! Og det er forklaringen på, at proteinerne kan overleve så ekstremt længe, selv når DNA for længst er nedbrudt. Pludselig kunne vi ikke bare se det, vi kunne også forklare det,« lyder det fra en begejstret Matthew Collins.

Proteinsekvensen bliver så at sige ’frosset fast’ på mineralets overflade, og den effekt kan findes mange andre steder end på overfladen af strudseæggeskaller. Matthew Collins nævner tænder, skaller, keramik og kalkklinter som eksempler.

»Proteinet i det her studie er i sig selv ikke særligt interessant, men det er en nøgle til at låse op for meget ældre proteinsekvenser, fordi vi nu forstår, hvad der sker,« fortsætter professoren.

LÆS OGSÅ: Vi spiste kød for 1,5 millioner år siden

»Vi kan gå op mod 40 millioner år tilbage«

Menneskets evolution har efterladt de fleste af sine spor i Afrika, ofte refereret til som ’menneskehedens vugge’, men de høje temperaturer er hårde ved DNA, som stort set ikke findes fossilt i denne del af verden.

Derfor valgte Matthew Collins og hans kollegaer at lave deres analyser på æggeskaller fra Afrika, hvor DNA for længst er gået tabt – men teoretisk set kan man bevæge sig meget koldere steder hen i verden og gå endnu længere tilbage i tiden, mener han.

»Det her er et ‘proof of concept’, hvor vi fokuserer på mekanismer, der hjælper os med at forstå, hvorfor og under hvilke omstændigheder ting overlever,« siger han og fortsætter:

»Vi kan se protein-sekvenser, som er 50 gange ældre end den ældste DNA-sekvens. Det virker ikke usandsynligt, at vi nogle steder kan gå op mod 40 millioner år tilbage i tiden.«

LÆS OGSÅ: Sejlivet dinosaur kan have overlevet massedød

Proteiner og DNA går hånd i hånd

Proteiner kan ikke give forskerne de samme oplysninger, som DNA kan, og man skal derfor ikke tænke det som et ’enten-eller’, men som et ’både-og’ - nogle gange vil DNA kunne bibringe information, som proteiner ikke kan, og andre gange vil det være omvendt.

Sådan lyder budskabet fra en anden ekspert på området, adjunkt i EvoGenomics Enrico Cappellini.

»Oldtidsproteiner har en anvendelse, som kan være et supplement til DNA og kan gøre ting, som DNA ikke kan. Matthew er en af de første, som bruger og udvikler denne tilgang, men hans arbejde med fossile proteiner i æggeskaller er bare én måde at anvende fossile proteiner,« fortæller Enrico Cappellini, som er ansat ved Statens Naturhistoriske Museum på Københavns Universitet.

Det nyeste udstyr i DK

Proteinanalyserne vil ske i samarbejde med Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research på Panum Instituttet, som er verdensførende i proteomics og har det nyeste og bedste massespektrometriske udstyr til sådanne målinger.

Han har selv brugt fossile proteiner til at undersøge mammutknogler og mennesketænder – og har bidraget til en ph.d. om danske moselig, som tog udgangspunkt i proteinanalyser, og som Videnskab.dk beskrev tidligere i år.

Danmark er det bedste sted til proteinanalyse

Matthew Collins har planer om at sekventere en masse forskellige mineraler og proteiner i sin nye stilling på Københavns Universitet, hvor han kommer til at arbejde fuld tid fra 1. oktober. Han glæder sig til at komme i gang.

»Der er så mange muligheder og perspektiver i det her, og de ting, man kan begynde at undersøge nu, er virkelig spændende. Danmark er det bedste sted at udføre det arbejde, så jeg er super spændt på at komme til landet.«

Og vi skal være glade for at få en ekspert som Matthew Collins til Danmark, lyder det fra professor Mike Richards. Han forsker i menneskets evolution ved Simon Fraser University og ser gode muligheder for at bruge metoden i sit eget arbejde.

»Det er fremragende for Danmark, at I har fået trukket Matthew til landet. Han er pt, uden sammenligning, den førende forsker i verden på dette felt og vil sandsynligvis snart få tilbud fra Oxford, Cambridge og Harvard. Det er alletiders, at han er i Danmark nu og arbejder sammen med DNA-gruppen i København.«

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud

Det sker