Indtil videre er forskerne kun i stand til at måle på levende celler (blå prikker) udefra. Men den kommende biosensor kan trænge ind i cellerne og undersøge, hvad der sker i deres indre. (Foto: Coleman and Caroline, Flickr).

'Hvilket værktøj savner du allermest i dit laboratorium?'

Det spørgsmål stillede professor i biokemi Jenny Emnéus fra DTU Nanotech for et par år siden til læger, biologer og kemikere, som hun mødte på konferencer og til videnskabelige møder rundt om i verden.

Uanset hvem hun spurgte var svaret det samme: Det, der stod øverst på ønskelisten var en lille biosensor, der kan trænge ind i en levende biologisk celle og udspionere den indefra.

For selv om forskerne efterhånden ved en hel del om, hvordan celler opfører sig i et bestemt miljø, så har de hidtil været afskåret fra at se, hvad der sker inde i dem.

Den idé syntes Jenny Emnéus, var intet mindre end fantastisk, så derfor gik hun straks i gang med at stable et forskningsprojekt på benene, der kunne realisere drømmen. Visionerne har nu udløst ca. 25 millioner kroner i støtte fra EU, og med de penge i ryggen er forskerne nu i fuld gang med at gøre sensoren til virkelighed.

Billedet viser teamets foreløbige biosensor i form af en nanoelektrode, der er omkring 200 nm i diameter. Den midterste, tykke, elektrode er den, der bliver skubbet ind i cellen. De andre bliver enten fjernet eller brugt som reference-elektroder. Elektroden er lavet af professor Jenny Emnéus kollega lektor Winnie Svendsen med flere på DTU Nanotech. (Foto:DTU Nanotech)

»I dag kan man kun måle på celler udefra, og så må man gætte sig til resten. Men lykkedes det os at skabe en biosensor, der kan trænge ind i cellerne uden at gøre skade, vil vi for første gang nogen sinde kunne se, hvad der foregår i deres ïndre og følge processerne trin for trin,« forklarer professor Jenny Emnéus fra DTU Nanotech.

Hun fortæller, at man i det øjeblik man har styr på processerne eksempelvis vil kunne se, præcist hvor og hvordan et bestemt lægemiddel påvirker dem.

Celler skal tvinges til at lystre

Selv om biosensoren stadig ligger på forskernes tegnebræt, så er forventningerne enorme.

Biosensoren vil nemlig være en adgangsbillet til en ukendt verden, som de vil få en mulighed for at udforske i alle afkroge og få fuld kontrol over.
Forskerne vil få en unik chance til at studere cellens arveanlæg og finde ud af, hvilke gener, der styrer cellen. Og dertil kommer, at de vil kunne kortlægge cellens stofskifte ned til allermindste detalje.

Selv om biosensoren stadig er fremtidsmusik, så har teamet bag Jenny Emnéus allerede mange forestillinger om, hvad biosensoren konkret vil kunne bruges til. Således vil mange patienter uden tvivl kunne få gavn af dem, som eksempelvis parkinsonpatienter.

På tegnebrædtet findes allerede detaljerede planer om, hvad biosensoren skal kunne: den skal være i stand til at kortlægge cellens (lysegul) stofskifte, udforske dens DNA samt kortlægge dens produktion af proteiner. (Illustration: DTU Nanotech)

Parkinsons opstår fordi patienten har for få dopaminproducerende celler i hjernen, og forskernes håb er, at de ved at sende biosensorer ind i stamceller og sætte gang i nogle processer kan tvinge dem til at producere dopamin. Herefter vil man kunne indsætte de dopaminproducerende celler i patientens hjerne og dermed helbrede sygdommen.

»Omkring 10 procent af stamcellerne er programmeret til at producere dopamin, men man kunne forestille sig, at sådan en biosensor vil kunne tvinge endnu flere celler til at gøre det. Det er en af grundene til, at stamcelleindustrien er interesseret i vores forskning,« siger hun.

For at undersøge, om cellen er i stand til at producere dopamin, har forskerne hidtil været nødt til at slå cellen ihjel. Herefter har forskerne studeret cellernes indmad i et mikroskop i jagten på et bestemt enzym, der regulerer cellernes dopaminproduktion. Indeholdt cellen enzymet, var det et indirekte bevis på, at cellen var dopaminproducerende.

Skal kortlægge DNA

Forskernes håb er, at biosensoren vil kunne gøre det samme arbejde ved ubemærket at studere cellen indefra. Kan det lade sig gøre at få biosensoren ind i cellen, vil den også kunne lede efter de genetiske koder for enzymet i en bestemt del af cellens arvemateriale kaldet mRNA. Derudover vil den kunne registrere selve enzymet og samtidigt undersøge, om cellen rent faktisk producerer dopamin.

Men én ting er, hvad biosensoren skal kunne. En anden ting er at lave den i laboratoriet, og det er det arbejde, som forskerne nu skal i gang med. Officielt lød projektets startskud i september 2008, og efter en masse bureaukratisk benarbejde, tripper forskerne nu for at komme i gang.

I dag kan man kun måle på celler udefra, og så må man gætte sig til resten. Vi vil skabe en biosensor, der vil kunne trænge ind i cellerne og se præcis hvad der sker trin for trin

- Jenny Emnéus

En betingelse for, at en biosensor overhovedet kan trænge ind i en celle er, at den er mindre end cellen selv. En typisk celle er omkring 10000 nanometer i diameter, hvilket er betydeligt mindre end punktummet efter denne sætning. Jenny Emnéus og hendes kolleger satser derfor på at konstruere nogle nanostrukturer der er mindre end det, helt ned til 50 nanometer i diameter. Skulle forskerne nå det mål, er det dog ikke noget, de vil stille sig tilfreds med, for på længere sigt satser de på, at sensorerne skal være endnu mindre.

Den største udfordring at give biosensoren en form og en indpakning, der gør, at den kan trænge ind i cellen uden at gøre skade. Det er lettere sagt end gjort, for hidtil er det ikke lykkedes at lave sådan et overgreb på en celle uden at det udløste en eller anden form for reaktion - og jo større nanostrukturen var, des voldsommere reagerede cellen.

Celler kan få stress

Alfa og omega er derfor at gøre biosensoren så lille som overhovedet mulig, og i det hele taget at finde en måde at konstruere den på, så cellen ganske enkelt ikke opfatter den som et fremmedobjekt, der skal udstødes af cellen eller brydes ned.

»Vi vil finde ud af, hvordan celler reagerer, når de har en biosensor inde i sig igennem et stykke tid. Så derfor holder vi øje med, om sensoren påvirker cellernes genudtryk, og om det fremprovokerer nogle stressgener i cellen,« forklarer hun.

Også materialevalget er helt afgørende for biosensorens succes. I dag laves biosensorer typisk af guld, platin eller sølv, men fælles for de tre metaller er, at de laver aflejringer, som ødelægger kredsløbene over tid. Derfor vil Jenny Emnéus arbejde på at udvikle biosensorer af kul, som ikke giver det problem.

Foreløbigt har projektet fået penge til tre år, og til den tid skal teamet kunne fremvise de første fungerende to- og tredimensionale biosensorer for EU. Disse biosensorer skal kunne trænge ind i en celle og på et basalt plan være i stand til at undersøge, hvordan cellen virker.

»Den biosensor, som vi vil udvikle, vil først og fremmest blive et værktøj for stamcelleforskningen til at kunne forstå, hvorfor en stamcelle udvikler sig til én slags celle og ikke til en anden. I første omgang er der altså tale om ren og skær grundforskning. På længere sigt håber vi dog på, at teknologien også vil kunne føre til nogle kommercielle produkter, som biotek- og medicinalindustrien vil kunne få glæde af,« siger Jenny Emnéus.