Dansk forsker hiver protein igennem mikroskopisk hul

Mennesker, giraffer, bænkebidere eller slanger.

Alle levende organismer bærer rundt på proteiner, og de er en fuldstændig essentiel del af livets byggesten.

Men hvordan ser de bittesmå proteiner egentlig ud?

En forsker på Aarhus Universitet har fundet en ny måde at afsløre visse detaljer om, hvordan proteinmolekyler er opbygget.

»Fordelen ved teknikken er blandt andet, at den er ekstremt sensitiv, og vi kan derfor detektere helt små karakteristika ved proteinerne,« siger ph.d.-studerende Christian Bech Rosen fra iNANO-centeret ved Aarhus Universitet.

Han står bag den nye undersøgelse, som for nyligt blev publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Biotechnology.

Hiver protein igennem kanal

Det nye ved undersøgelsen er ikke, at man kan afsløre vigtige oplysninger om, hvordan proteinet er sammensat – det har forskerne allerede været i stand til at gøre i en årrække.

Det nye er den metode, som Christian Bech Rosen bruger til at gøre det.

Kort fortalt er det lykkedes ham at hive et enkelt protein ad gangen igennem en lillebitte kanal i en membran.

Og ved at aflæse, hvad der sker, i netop det øjeblik proteinet ryger igennem kanalen, kan han analysere sig frem til vigtige detaljer om proteinets opbygning – nemlig hvorhenne på proteinet, der sidder en såkaldt fosfatgruppe.

Fosfat-grupper er vigtige for dit liv

Fosfatgrupper er små grupper af stoffer, som har stor betydning for livet – hele kroppens energistofskifte er for eksempel afhængig af fosfatgrupperne.

Når en fosfatgruppe binder sig til et protein kaldes processen fosforylering, og Christian Bech Rosens nye undersøgelse viser netop en ny vej til at undersøge, hvorhenne et protein er fosforyleret.

»Fosforylering sker overalt i naturen – det er en af naturens mest udbredte måder at styre proteiners funktion på. Hos nogle proteiner fungerer fosforyleringen faktisk som en slags tænd/sluk knap.«

»Derfor er det rigtig vigtigt at få viden om, hvordan proteiner er fosforylerede,« siger Christian Bech Rosen.

Fedtmembran opdeler saltvandskar

I sin nye undersøgelse benyttede Christian Bech Rosen et velkendt apparatur, der består af et kar med saltvand, som bliver opdelt på midten af en fedt-membran.

I membranen blev indsat en kanal – en såkaldt nanopore – som var det eneste sted, hvor et protein ville kunne slippe fra den ene side af karret over til den anden side.

Herefter sørgede Christian Bech Rosen for, at der blev skabt en spændingsforskel imellem de to sider af karret, så der løb en strøm (altså små ioner fra saltet i vandet) igennem kanalen.

Beklæder proteinet med DNA

Men proteinet kan ikke af sig selv følge med strømmen – for at lokke proteinet til at smutte med over på den anden side af karret, lavede Christian Bech Rosen først lidt om på selve proteinet.

»Proteinet vil ikke af sig selv vandre igennem poren. Det kræver, at noget trækker det igennem,« forklarer Christian Bech Rosen.

Han beklædte derfor proteinet med et lillebitte stykke DNA, som var elektrisk ladet, og som derfor kunne hive proteinet med over på den anden side af membranen i saltvandskarret.

Det særlige ved forsøget var nu, at i netop det øjeblik, hvor proteinet røg igennem hullet i membranen, blokerede det for, at strømmen – altså ionerne fra saltvandet – kunne ryge igennem hullet.

»Når proteinet bliver trukket igennem nanoporen, bliver den delvist blokeret, og det kan vi aflæse, som en kortvarig ændring af ionstrømmen,« forklarer Christian Bech Rosen.

Ionstrøm giver hint om fosfatgrupper

Oplysningerne om, hvordan strømmen i karret blev ændret, kunne Christian Bech Rosen og hans kolleger bruge til at tyde, hvorhenne på proteinet fosfatgrupper sad fast.

»Lad os sige at et protein kan fosforyleres to steder. Hvis det er fosforyleret ét sted, får man en strømsignatur, som ser ud på én bestemt måde, mens man får en anden signatur, hvis proteinet er fosforyleret et andet sted,« siger Christian Bech Rosen.

Han understreger dog, at teknikken endnu ikke er færdigudviklet.

»Vi har ikke et færdigt produkt til at studere proteinfosforylering, men forhåbentlig er det startskuddet til fremtidige resultater, hvor man kan bruge nanoporeteknologi på denne her måde,« siger Christian Bech Rosen.

Forsker: Ingen praktisk anvendelse

Når forskerne skal finde ud af, hvordan proteiner er opbygget og fungerer, bruger de i dag hovedsageligt en teknik, som kaldes massespektrometri. Det er kort fortalt en avanceret vægt til at måle den præcise molekylevægt af proteiner og dele af proteinerne.

Forskningsleder Martin Røssel Larsen fra Syddansk Universitet er netop ekspert i at analysere sig frem til, hvordan proteiner er fosforyleret ved hjælp af massespektrometri, men han har svært ved at se fordelene ved at bruge den nyudviklede nanopore-metode til at gøre det samme.

Han påpeger blandt andet, at metoden kræver, at forskerne ’manipulerer’ med proteinet – altså sætter DNA fast på det.

»Der er tale om grundforskning til at karakterisere enkelte kunstige proteiner, som er fosforylerede på et eller få steder, og hvis du spørger mig direkte, har det ikke nogen praktisk anvendelse. Der er mange andre metoder, som kan gøre det samme eller mere.«

»I fremtiden vil det måske kunne bruges til noget, men sådan som det ser ud nu, har vi bedre metoder til at gøre det samme og endda til at studere tusindevis af fosfatgrupper på proteiner på én gang,« siger Martin Røssel Larsen, som er leder af Center for Klinisk Proteomanalyse ved Syddansk Universitet.

Sådan undersøger SDU-forskere fosforylering

Martin Røssel Larsen var i 2005 selv med til at udvikle en teknik, som kombinerer massespektrometri med andre analysemetoder – og som på den måde kan bruges til at kortlægge, hvordan proteiner er fosforyleret, og hvordan fosforyleringen indvirker på en celles dynamik.

»De metoder, vi bruger i dag, er nogle, vi har udviklet i Odense, og som bliver brugt af folk over hele verden lige i øjeblikket.«

»Vi bruger nogle specielle kugler, som er dækket af titaniumdioxid, og med dem kan vi meget selektivt hive alle de elementer ud, som har en fosfatgruppe siddende på sig og efterfølgende studere dem ved hjælp af massespektrometri,« siger Martin Røssel Larsen.

Professor forsvarer nanopore-metode

Hagan Bayley, som er professor på University of Oxford og medforfatter på det nye studie, mener dog, at nanoporeteknologien udgør et særdeles stærkt værktøj, som på mange områder overgår eksisterende teknikker.

»Massespektrometri har uden tvivl været under stor udvikling de seneste to årtier, men nanopore-teknologi bevæger sig nu fremad med hastige skridt.«

»Vores artikel er det allerførste eksempel på at kunne studere protein-modifikationer ved brug af nanoporer og væsentlig videreudvikling kan helt sikkert forventes. En gang forestillede man sig massespektrometri som en mulighed for genom-sekvensering, men det er nu ved at blive overhalet af alternative teknikker, heriblandt nanopore-teknologier,« siger Hagan Bayley.

Ifølge Christian Bech Rosen giver studiet også grund til optimisme i forhold til at kunne studere andre kemiske modifikationer på proteiner med nanoporer.

»Det er i sig selv bemærkelsesværdigt, at vi kan identificere en lille fosfatgruppe på et stort og komplekst intakt protein ud fra, hvordan det blokerer nanoporen. Det åbner op for muligheden for at kunne studere mange andre små – men essentielle – ændringer i proteinstrukturer med nanoporeteknologi,« siger Christian Bech Rosen.