Herbert Prisen 2006

Oplysende forskning

Louise C. B. Olsen, bachelorstuderende i Biokemi og Molekylærbiologi, SDU

Farvespil. Bittesmå biologiske lygter kan få hele organismer til lyse. Lygterne er et værktøj som forskerne benytter til at undersøge alt fra bakterier og sygdomme til hanmygs umodne testikler. Nye teknikker udvikles hele tiden og med dem vokser vores viden om, hvordan vi udvikles og hvordan vi er sat sammen.

Den lille orm C.elegans spiser de grønne bakterier, som den her fodres med. Den grønne farve skyldes GFP-mole-kylet, og da ormen er gennemsigtig, kan bakteriernes vej gen-nem fordøjelsessystemet følges direkte i mikroskopet. Foto: Bente M. Jensen

Vi kender det alle. Man står i et kulsort rum og kan ikke se sin hånd foran sig. Pludselig ser man en lille lysplet, så lille at man først tvivler på, om man virkelig har set den. Men den er der, og selvom det er som at se et tændt stearinlys på flere kilometers afstand, opfatter vores øje det. Når man studerer noget, der er så småt som proteiner inde i kroppens celler, har mikroskopet det som vores øje i mørket. Alt, der er småt, er som hånden i mørket. Vi ved, det er der, men vi kan ikke se det, selv ikke med mikroskopet. Men hvis det lyser, kan vi. Hvad der før var for småt til at være synligt, kan pludselig følges i mikroskopet, fordi en lygte viser vej. Lygten kunne være GFP, grønt fluorescerende protein, som siden sin opdagelse er blevet et yndet molekylærbiologisk værktøj blandt forskerne. Det bliver anvendt inden for mange områder; undersøgelser af miljøet, når der skal udvikles ny medicin, hvis man skal bestemme hvilken sygdom en person har eller når forskerne ønsker at undersøge cellers biologi. Listen over GFP’s anvendelsesmuligheder er lang. Følgende kan være med til at kaste lys over, hvorfor denne biologiske lygte er så benyttet i videnskaben.

Altid seriøs forskning?

GFP er som nævnt et protein. Et protein er et molekyle der varetager et bestemt job i cellen, og da der er mange forskellige arbejdspladser i en celle, kræver det mange forskellige proteiner at få det hele til at fungere.

I mange vandmænd, søanemoner og koraller er der celler, der netop udbyder et lysmester-job. De proteiner der bestrider dette arbejde er fluorescerende proteiner, herunder GFP. GFP stammer fra vandmænd med det fine navn Aequora victoria, der lever i havet ud for Washington, USA. Da man i 1992 isolerede opskriften på GFP fra disse vandmænd, anede man ikke, at man havde skudt en molekylærbiologisk papegøje. Eller at man kunne bruge det til forsøg, der ved første øjekast forekommer en anelse absurde.

Selvom man ikke skulle tro det om seriøs forskning, så sker det, at forskerne sætter sig i hovedet at undersøge ting, der umiddelbart lyder som en dårlig vittighed. Det er følgende lille GFP-forsøg et eksempel på.

Blandt de små svirrende bananfluer, kendt fra fordærvet frugt, er det ikke tilfældigt, hvilken han der bliver far til afkommet. Det var et mysterium, der længe forundrede de forskere, der udfører forsøg med bananfluer. Det er nemlig ikke nødvendigvis den største eller hurtigste bananfluehan, der flyver med æren, men derimod den han, der er den sidste til at parre sig med hunnen. Under parringsseancen parrer en bananfluehun sig gerne med adskillige hanner. Intuitivt ville man forvente, at oddsene for at en bestemt han bliver far til afkommet afhænger af antallet af hanner der når at parre sig med hunnen. Forklaringen på, hvorfor det ulige faderskab opstår, kom da forskerne benyttede GFP til at undersøge, hvad der skete med de første hanners sæd. Ved hjælp af GFP gjorde man en bestemt bananfluehans sæd grøn. Man lod ham parre med en hun, og efter parringen tog man hunnen og lod hende parre med en almindelig han. I mikroskopet så man, at sæden fra den sidste han ganske enkelt fortrængte det grønne sæd fra den første han. Nu kunne man forklare, hvorfor den første han måtte se sig slået på målstregen. Men hvorfor overhovedet undersøge noget så lummert i første omgang? Simpelthen fordi bananfluen er en vigtig modelorganisme for forskerne, idet den er simpel og dog så kompleks i sin opbygning, at den på mange måder minder om os mennesker. Ved at skaffe sig så megen viden som muligt om den, åbner der sig måske nye veje for forsøg i menneskeceller. Det kunne være forsøg, der belyser, hvorfor en celle påvirkes til at blive en muskelcelle fx. Da mange forsøg med bananfluer involverer krydsninger, altså parringer mellem interessante individer, må man som forsker også kende til alle facetter omkring denne del af bananfluens liv.

En lysende sladrehank

Selve formen af GFP minder mest om en soda-vandsdåse med en lille pære placeret i midten. Pæren, der dannes automatisk i GFP, er en såkaldt fluorofor, en kemisk struktur, der er i stand til at fluorescere. Dåseformen danner et beskyttet miljø, hvor pæren kan dannes i fred og ro. Ved biokemisk at skifte pæren i sodavandsdåsen kan man lave et fluorescerende protein, der lyser i en anden farve og med tiden har forskerne udviklet et lygtearsenal som Las Vegas by Night. Men hvor fantastisk GFP end måtte synes at være, så er det ikke altid, det fungerer. Det kan skyldes, at noget i cellen bevirker, at GFP ikke tager form som en dåse, men måske som en kugle eller en banan, og derved kan pæren ikke dannes. I de tilfælde er det rart at have andre typer lygter at sætte ind, proteiner, som ikke antager en forkert form i den type celler.

Når forskerne bruger GFP som et værktøj i deres forskning, kan det gøres på to måder: Man kan sætte opskriften for GFP ind i cellens egen kogebog, så proteinet bliver tilberedt, som det står alene. Da vil lyspletterne fordele i cellen som grønt krymmel på en kage. Eller også sætter man opskriften ind i forlængelse af en allerede eksisterende opskrift. På den måde bliver resultatet en kombineret ret; et af cellens egne proteiner med en lille grøn lygte hæftet på. Lyspletterne vil da samle sig i et mønster, der afspejler, hvordan de proteiner, GFP er koblet til, fordeler sig i cellen.

Uanset hvilken metode man benytter i sit forsøg, kan man følge med i en biokemisk actionfilm – hvis blot man kigger gennem et mikroskop, mens man belyser sin prøve med blåt lys. Og GFP kan bruges på flere niveauer, alt efter hvilken slags film ens forsøg kræver.

Specialestuderende Bente M. Jensen fra Institut for Biokemi og Molekylærbiologi, SDU, benytter netop GFP i et forsøg med modelorganismen Caenorhabditis elegans. Hun undersøger de små orme, mens de guffer deres livret, bakterier, i sig. Pointen er blot, at hun har introduceret GFP i bakterierne, så de er pang-grønne. Da C.elegans er gennemsigtig, kan hun følge de små grønne bakterier hele vejen gennem ormens fordøjelsessystem – blot ved at kigge i mikroskopet. Hvis bakterierne invaderer ormenes væv undervejs gennem fordøjelses-systemet, kan yderligere forskning kaste lys over C.elegans’ immunsystem, og man kan drage paralleller til menneskets medfødte immunforsvar. Netop ormens gennemsigtighed gør, at nogle bakteriers invasionstaktik kan studeres og siden hen kan det undersøges, om den måde, de trænger ind i vores krop, er den samme.

Hormoner, hoved og hale

Som nævnt ovenfor kan GFP også sættes på et andet protein ved at kombinere generne. Fordi proteinet dermed bærer rundt på en lygte, kan man i et rigtig kraftigt mikroskop følge det rundt på dets arbejde i cellen. Det er interessant i de tilfælde, hvor man gerne vil vide mere om proteinets egentlige job. Et eksempel herpå kunne være en undersøgelse, der skal vise, om et protein kaldes på arbejde, når cellen påvirkes med hormoner. Man mærker det protein, man er interesseret i med GFP og tilsætter hormon til cellen. Et hormon er at sammenligne med en slags handske, der kan binde til den ”hånd” (receptor) på celleoverfladen, den passer til. Receptoren vil dernæst rette sin biokemiske megafon ind mod cellens indre. Dermed hidkalder den netop de proteiner, der har det job at viderebringe hormonets besked til cellekernen eller andre proteiner. Måske er et af disse proteiner lige just det protein, man har sat lygten på. I så fald vil man i mikroskopet se, at det grønne lys, og dermed ens protein, løber mod receptoren for at høre, hvad der skal ske.

Når en celle vil dele sig, bliver der givet en masse ordrer til proteiner rundt om i cellen. Efter delingen vil begge datterceller være tro kopier af modercellen. Første gang en befrugtet ægcelle deler sig, kan de to nye datterceller blive til et nyt individ eller to identiske individer, som man ser det hos bl.a. mennesker. Anderledes kritisk forholder det sig for C.elegans, den lille orm.

Ny forskning i C.elegans har vist, at dens befrugtede æg deler sig asymmetrisk i sin allerførste deling. Ved hjælp af GFP-mærkede proteiner kunne man se, at lyset samlede sig i den ene ende af cellen, hvorefter celledelingen fandt sted. Sammensætningen af proteiner er altså ikke ens i de to datterceller. Denne asymmetriske deling har vist sig at være første skridt i retningen af, hvad der skal være hoved og hale på ormen. Og det har vist sig, at hvis man forpurrer denne asymmetriske de-ling, ved cellerne ikke længere, hvem der skal grundlægge hoved eller hale, og udviklingen går i stå. Med GFP kan man altså undersøge fordelingen af et givent protein i en hel celle, og se om lyset klumper sammen. Fordelingen af protein kan have betydning for hvad en celle skal give ophav til senere.

Malaria og grønne gonader

En af styrkerne ved GFP er, at det ikke kun er enkelte celler, men også hele organer, ja, hele organismer, man kan gøre grønne. Netop på organniveau har GFP for nyligt været benyttet i et forsøg på at finde en måde at kontrollere malaria på.

I den tredje verden er malaria blandt de største plager. Alene i 2003 kostede malaria dagligt 3000 afrikanske børn livet (WHO). Diverse insektgifte har været benyttet, men en række forskere søger alternative veje til malarias udryddelse. Sygdommen malaria skyldes den lille snylter P.falciparum, der i den ene halvdel af sit liv lever i myg og den anden i bl.a. menneskers blodceller. Det er kun hunmyg der stikker og derved kan overføre parasitten. Den ødelægger blodcellerne og svækker derved værten og medfører ofte døden. Men hvis malariamyggen bliver udryddet, kan man undgå, at så mange folk bliver syge. For så har parasitten ikke længere et transportmiddel. Men hvor passer GFP så ind i billedet her? Svaret er, at GFP passer perfekt ind i gonader, som er forstadiet til hanmyggelarvers testikler. Idéen er simpel: På larvestadiet er det ikke til at kende forskel på hanner og hunner, men ved hjælp af GFP kan man gøre hanlarvernes gonader grønne. En specialbygget maskine, der er følsom over for larver, der lyser grønt, er i stand til at sortere hanlarverne fra hunlarverne og sterilisere dem ved bestråling. De mange steriliserede hanner sættes derefter fri, så de kan parre sig med de vilde hunner. Nu er naturen så heldigt indrettet, at malariamyggehunner kun parrer sig én gang, inden de dør, så hvis de vælger en steriliseret han, vil det ikke resultere i noget afkom. Tanken er, at hvis nok sterile hanner sættes fri, burde antallet af malariamyg et givet sted være kontrolleret i løbet af kort tid. Og det uden brug af insektgifte.

Det ideelle værktøj

GFP er, set med forskerøjne, et ideelt stykke værktøj til mange forsøg, fordi det er et lille protein. Det har stor betydning, især når det sættes i forlængelse af et andet protein. Det skal være en lygte, ikke en fodlænke. Desuden er GFP fluorescerende i sig selv, det behøver blot blåt lys. De fleste andre kendte bioluminescerende molekyler kræver, at man tilsætter andre stoffer før de lyser. Sidst, men ikke mindst, hvis nok protein koblet til GFP bliver lavet i cellen, er det nemt at følge proteinet ved at belyse cellen med UV-lys.

En vej ud af mørket

Senere i år tager et hold forskere fra Syddansk Universitet af sted på den danske forskningsekspedition Galathea 3. De skal finde, isolere og karakterisere nye lysende proteiner fra marine organismer. For selvom paletten af fluorescerende proteiner allerede spænder vidt, bygger en stor del af de kendte lygter på kemiske ændringer i GFP og andre proteiner. Nok er GFP og dets ”søskende” nogle af de mest anvendte fluorescerende proteiner for tiden, men de er ikke vidunder-proteiner til alle forsøg. Værktøjskassen trænger til fornyelse, udvalget skal være større, så forskerne kan nå længere i stamcelle- og kræftforskningen, udvikle ny medicin og udføre sofistikerede undersøgelser af miljøet. GFP er blot et protein blandt mange, der med tiden vil kaste lys over nogle af videnskabens sorte huller, hvor vi ikke kan se hvad der sker – endnu.

Ordliste

Genom – Et genom er blot et flot ord for en organismes samlede DNA, en slags livets kogebog. I denne kogebog findes flere tusinde opskrifter, også kaldet gener, og hver opskrift forklarer cellen hvordan et givent protein skal fremstilles og hvordan det skal se ud.

Modelorganisme – En organisme der besidder egenskaber der gør den velegnet til videnskabelige forsøg, hvor de fungerer som modeller for hvad der sker i mennesker. Kendte modelorganismer er gær, C.elegans, bananfluer, mus etc.

Fluorescens – Fluorescens er en egenskab i nogle stoffer, der gør at de opsuger lys af en bølgelængde, fx blåt lys, og udsender lys af en anden bølgelængde, fx grønt.

Bioluminescens – beskriver det fænomen at levende organismer udsender lys. Det kendes bl.a. fra sankthansorme, ildfluer og dybhavsdyr.