Protein-analyse: Grundforskning med samfundsnytte
Grundforskningscentret inSPIN arbejder i disse år på at udvikle en ny teknologi til protein-analyser. Teknologien kan meget vel ende med at blive fundamentet for nye værdi- og vækstskabende industrier i Danmark.

Danske forskere har udviklet en teknologi, der kan hjælpe danske virksomheder til at være med helt fremme på videnfronten i så forskellige fagretninger som medicinalproduktion, sygdomsforståelse, bakteriebekæmpelse, miljøvenlig energi og skibsfart. Billedet er taget i laboratoriet for nmr-spektroskopi på Aarhus Universitet. (Foto: Søren Kjeldgaard; AU-foto)

 

Med økonomisk støtte fra Danmarks Grundforskningsfond satte en række af landets bedste forskere sig for syv år siden et mål.

De ville udvikle en teknologi til at blotlægge de ukendte atomare strukturer af proteiner i deres naturlige miljø i cellemembraner eller andre komplekse biologiske omgivelser.

Teknologien har forskerne nu udviklet, og de første proteinstrukturer er bestemt.

I slipstrømmen af det danske grundforskningscenters pionerarbejde ligger et stort dansk potentiale for at udnytte teknologien fremover.

»Mere end halvdelen af al medicin er sigtet mod membranproteiner. Alligevel kender vi ikke ret meget til membranproteinernes strukturer,« siger Niels Christian Nielsen, centerleder for inSPIN og professor ved Kemisk Institut, Aarhus Universitet.

»Vores mål var at udvikle en teknik til at tilvejebringe strukturel indsigt i disse proteiner i deres funktionelle miljø, da de har umådelig stor betydning for vores grundvidenskabelige indsigt og for muligheder for eksempelvis at designe medicin mod de største trusler mod folkesundheden,« fortæller Niels Christian Nielsen, der desuden er leder af det interdisciplinære Nanoscience Center (iNANO) ved Aarhus Universitet.

Proteinstrukturer giver nye muligheder

Til grund for inSPINs arbejde lå et langvarigt ønske fra både forskere og medicinalindustrien om at udvikle en teknologi til at kortlægge de atomare strukturer for den store klasse af såkaldte uopløselige proteiner.

Fakta

InSPIN blev dannet i 2005 med støtte fra Danmarks Grundforskningsfond, der forlængede støtten til grundforskningscentret med yderligere fem år i 2010. Foruden centerleder Niels Christian Nielsen koordineres inSPINs forskning af professor i organisk kemi Troels Skrydstrup, professor i biofysik Daniel Otzen, professor i proteinkemi Jan Johannes Enghild og professor i molecular dynamics Birgit Schiøtt – alle fra Aarhus Universitet. I alt råder inSPIN over 70 forskere og studerende, der arbejder frem imod det samme mål: at gøre det muligt at studere den atomare opbygning at proteiner i deres funktionelle naturlige omgivelser.

Hidtidige teknologier er kun i stand til at identificere denne struktur i proteiner, der enten er opløst i væsker eller sidder låst i et krystalgitter (se boksen under artiklen).

Da en stor del af kroppens proteiner sidder forankret i enten cellemembraner eller andre faste strukturer, findes der derfor en stor mængde proteiner, som forskerne ved meget lidt om.

»Men det er nødvendigt at vide, hvordan proteinerne ser ud, hvis man eksempelvis vil designe medicin, der skal interagere med dem. Ved at kende til strukturen får biokemikere et billede af, hvordan et gavnligt lægemiddelmolekyle kan designes til at binde til proteinerne i deres naturlige omgivelser. Dette var ikke muligt før,« siger Niels Christian Nielsen.

Ekstremt detaljerede billeder af proteiner

Teknikken kaldet faststof-NMR (Nuclear Magnetic Resonanse) er baseret på nogle iboende egenskaber i atomer, der får dem til at reagere på kraftige magnetfelter.

Ved at lade proteiner rotere hurtigt omkring Nordeuropas kraftigste magnet i en specifik vinkel på 54 grader kan forskerne skabe et ekstremt detaljeret billede af, hvordan hvert enkelt atom i proteinerne er placeret i forhold til hinanden i det tredimensionelle rum.

Denne viden kan bruges helt håndgribeligt af eksempelvis virksomheder, der forsøger at udvikle medicin mod en lang række alvorlige folkesygdomme.

»Tag demenssygdomme. Stigningen i udgifterne til personer med demenssygdomme er større end stigningen i Danmarks bruttonationalprodukt. Det er et kæmpe problem for folkesundheden. Demenssygdommene skyldes aflejringer af proteiner i hjernen, men vi ved ikke endnu, hvordan vi kan interagere med disse proteiner og måske undgå de skader, proteinaflejringerne medfører,« siger Niels Christian Nielsen.

Den nye teknologi kan bl.a. bruges til at kortlægge den strukturelle opbygning af naturligt forekommende antimikrobielle stoffer, der blandt andet udskilles fra huden hos fisk og frøer. Strukturinformationen kan så bruges til at efterligne de antimikrobielle stoffers funktion i eksempelvis cremer. (Foto: Colourbox)

»Med vores nye teknologi forsøger vi at tilvejebringe strukturel indsigt i disse proteiner. Potentialet er, at vi senere er bedre rustet til at designe medicin, der hæmmer udviklingen af skader forbundet med demenssygdommme. Det er en stor samfundsnyttig side af den grundforskning, vi laver,« fortæller Niels Christian Nielsen.

 

Samfundsnytte er en selvfølge

Netop det samfundsnyttige perspektiv i grundforskningen er en vigtig drivkraft i inSPIN.

Den nye teknologi, som grundforskningscentret udvikler, kan hjælpe danske virksomheder til at være med helt fremme på videnfronten i så forskellige fagretninger som medicinalproduktion, sygdomsforståelse, bakteriebekæmpelse, miljøvenlig energi og skibsfart (se også faktaboks under artiklen).

Derfor er det ifølge Niels Christian Nielsen også vigtigt, at grundforskningen får stillet nogle økonomiske muligheder til rådighed, der gør dem i stand til at forske i nye teknikker og ny indsigt, der på kort eller lang sigt kan udmunde i en stor grad af samfundsnytte.

»Som grundforskningscenter er vi jo gift med samfundet og har forpligtelser omkring at dirigere vores forskning i en retning, der kan komme os alle sammen til gavn. Når vi udvikler og patenterer ny viden eller teknologier, er det klart, at vi bliver meget interessante for både danske og internationale samarbejdspartnere. Denne interesse afføder både investeringer og jobskabelse,« siger han.

Foruden investeringer og jobskabelsen peger Niels Christian Nielsen på, at man ofte ser, at industrierne lægger sig geografisk tæt på de steder, hvor ny viden indenfor deres fagfelt bliver udviklet.

»Kigger man på universiteter, der investerer kraftigt i tung grundforskning, ser man, at rundt om universiteterne eksisterer et stort innovativt miljø af virksomheder, som køber kontorbygninger i omgivelserne,« beretter Niels Christian Nielsen.

Fakta

Action Pharma blev etableret i 2000, mens arbejdet med AP214 blev påbegyndt i 2004. Action Pharma beskæftiger op imod 30 personer. AP214 blev i maj 2012 solgt for 650 millioner kroner til medicinalvirksomheden Abbot. Virksomheden og produktet er udsprunget af grundforskningscentret Vand og Salt ved AU.

»Det gør de for at kunne sidde på første parket til ny viden, som kan omsættes til værdiskabende teknologier og produkter. Her er det klart, at hvis den nye viden bliver udviklet i Danmark, etablerer de innovative virksomheder sig også her,« siger Niels Christian Nielsen.

 

Ny sensor til skibsindustrien

Grundforskningscentret har på den baggrund allerede etableret samarbejde med danske virksomheder, der kan se det store potentiale i den nye teknik.

Eksempelvis samarbejder inSPIN med teknologivirksomheden NanoNord i Aalborg.

I samarbejdet bruger NanoNord grundforskningscentrets nye teknologi til at måle mængden af såkaldte ’cat fines’ – et restprodukt fra raffineringen - i skibes motorolie.

»Baseret på grundforskningen bygger vi nu faststof-NMR-sensorer til et helt andet formål. Cat fines er som sand i skibenes motorolie, og de kan decideret ødelægge skibsmotorerne, hvis der er for meget af det. Det er et af de største problemer for skibsfarten netop nu, da det hverken er nemt eller billigt at skifte sådan en motor,« fortæller Niels Christian Nielsen.

»Sammen med NanoNord har vi bygget sensorsystemer til at identificere cat fines og dermed medvirke til at undgå, at de kommer ind i skibsmotoren. Det kan godt gå hen og blive et dansk industrieventyr, hvis vi er heldige,« siger Niels Christian Nielsen, der forudser en lang række industrielle anvendelser af små NMR-sensorer á la dem, der fremstilles i projektet med NanoNord.

 

Tvillingebror viser vejen

Niels Christian Nielsen er ikke den første i Nielsen-familien, der bygger fundament for samfundsnytte med grundforskning.

Her ses to af landets førende forskere inden for grundforskning, Niels Christian Nielsen (t.h.), leder af det interdisciplinære Nanoscience Center (iNANO) ved Aarhus Universitet, og hans tvillingebror Søren Nielsen fra Institut for Biomedicin - Forskning og uddannelse, Syd. (Foto: Lars Kruse, AU Foto)

Hans tvillingebror, professor Søren Nielsen, der ligeledes er ansat ved Aarhus Universitet, har allerede vist, hvor stor værdi grundforskning kan bibringe samfundet.

Søren Nielsen og hans kollegers grundforskning i blandt andet Grundforskningscentret ’Vand og Salt Centret’, som Søren Nielsen var leder af, resulterede for godt 10 år siden i en interessant opdagelse.

Opdagelsen dannede grundlag for udvikling af et nyt lægemiddel mod organskader, der er forbundet med nedsat eller ophørt blodforsyning ved eksempelvis nyreskader, som ses ved kirurgiske indgreb, eller blodpropper i hjertet.

Med afsæt i, hvad de havde fundet ud af, dannede Søren Nielsen og hans kolleger biotekfirmaet Action Pharma A/S, der skulle forsøge at udvikle den nye medicin på baggrund af de nye resultater.

Det konkrete og kontante resultat var lægemiddelkandidaten AP214, som Action Pharma A/S solgte til den amerikanske farmaceutiske virksomhed Abbott for 650 millioner kroner i maj måned sidste år.

»Det er et eksempel på værdien af grundforskning. Ved at drive grundforskning på højeste internationale niveau kan vi sideløbende med forskningen udtage patenter og etablere firmaer, der tiltrækker nationale og internationale investorer. Det betyder jobs, skatter og øget interesse for at investere venturekapital i danske vidensvirksomheder,« fortæller Søren Nielsen.

 

Ren grundforskning giver samfundsnytte

Ifølge Søren Nielsen er der kun én vej frem for dansk forskning:

»Vi skal fokusere på en fri grundforskning i international konkurrence, som skaber internationalt stærke faglige miljøer. Det er fra de dygtigste forskere, at drivkraften, engagementet og de vilde ”thinking outside the box”-ideer kommer fra. De kommer ikke fra topstyring,« siger Søren Nielsen.

»Strategisk og anvendt forskning skal så baseres på den frie grundforskning, hvis vi vil gøre os forhåbninger om at udvikle fremtidens job og vækstskabende vidensvirksomhederi Danmark,« vurderer Søren Nielsen.

Sådan har forskerne hidtil analyseret proteiner

Traditionelt benytter forskere sig af to gængse teknikker til analyse af proteiner – ’Røngten-diffraktion’ og ’væske-NMR-spektroskopi’.

Røngtendiffraktion er den mest udbredte. Her krystalliserer forskere proteiner i krystalgitre - på samme måde som salt eller sukker krystalliseres – hvorefter de kan bestemme den atomare struktur ved at røngtenbestråle proteinerne.

Væske-NMR-spektroskopi udsætter proteiner i væskeform for et stærkt magnetfelt og radiofrekvens-bestråling til at måle signaler, der grundet proteinernes hurtige bevægelse i væskefase giver velopløste NMR-spektre. Signalet fra atomerne kan forskerne bruge til at bestemme de enkelte atomers position i proteinet.

Fælles for begge teknikker er, at ingen af dem er velegnede til at analysere proteiner, der er naturligt forankret i komplekse biologiske omgivelser såsom membraner, fibre og aggregater, hvilket er tilfældet for en tredjedel af alle kroppens proteiner.  

Det kan inSPINs faststof-nmr-spektroskopi bl.a. bruges til

  • Kortlægge strukturen af proteiner, der ophober sig som plak/amyloid i hjernen og medfører demenssygdomme.
     
  • Udnytte den strukturelle information omkring sygdomsrelaterede proteiner til at designe medicin, der er møntet direkte på netop de sygdomsfremkaldende proteiner.
     
  • Lave sensorer til analyse af cat fines i skibsolie. Her har inSPIN allerede udviklet sensorerne i samarbejde med virksomheden NanoNord.
     
  • Kortlægge den strukturelle opbygning af naturligt forekommende antimikrobielle stoffer, der blandt andet udskilles fra huden hos fisk og frøer. Strukturinformationen kan bruges til at efterligne de antimikrobielle stoffers funktion i eksempelvis cremer.
     
  • InSPIN publicerer i disse måneder de første højopløste strukturer af proteiner, der befinder sig i deres komplekse, naturlige omgivelser. Forskerne kigger her specifikt på antennesystemet i grønne svovlbakterier. Proteiner og pigmenter i antennesystemet danner en meget vigtig komponent, der tillader, at svovlbakterierne meget effektivt trækker energi direkte ud af selv meget få doser af lys på dybt vand. Denne evne kan potentielt være meget interessant for energisektoren, og her er strukturen af proteinerne en vigtig brik i forståelsen af hele svovlbakteriens energikonverteringssystem.

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