- Nobelprisen i kemi - Elbo

16
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 5 | 2 0 0 8
N O B E L P R I S E R
Livets lys
- Nobelprisen i kemi
Forskere kan i dag kortlægge dannelsen af proteiner i celler ved at hæfte små
biologiske lygter på dem. Disse små lygter i form af det selvlysende protein GFP,
har revolutioneret biovidenskaberne – og kastet en Nobelpris af sig til pionererne
inden for området.
Af Carsten R. Kjaer
Det selvlysende protein GFP
(Green Flourescent Proteine)
er en af naturens forunderlige
opfi ndelser. For videnskaben har
dette protein vist sig at være af
enestående værdi, fordi det har
sat forskerne i stand til at studere
processer i cellernes indre.
Opdagelsen af GFP har populært
sagt afstedkommet en “grøn
revolution” inden for forskningen,
og i dag er proteinet et
standardredskab for tusindvis
af forskere verden over. Tre forskere,
der har bidraget afgørende
til denne udvikling, er i år
blevet hædret med Nobelprisen
i kemi.
På sporet af
lysende proteiner
Historien om GFP tog sin
begyndelse i 1950’erne, hvor
den ene af årets nobelpristagere,
Osamu Shimomura imponerede
den videnskabelige verden ved
som relativt uerfaren forskningsassistent
at isolere et lysende
materiale fra nogle små havlevende
organsimer kaldet Cypridina.
Når disse bløddyr blev
knust kunne man få resterne til
at lyse op ved at væde det med
vand, og en førende amerikansk
forskergruppe havde i lang tid
Vandmanden Aequorea victoria har spillet en vigtig rolle for den moderne biovidenskab, da man fra denne
organisme har udvundet det fl uorescerende protein GFP, der har hovedrollen i dette års Nobelpris i kemi.
forgæves forsøgt på at isolere
materialet. Materialet viste sig at
være et protein, der lyste 37.000
gange mere klart end resterne af
de knuste bløddyr.
Efter denne succes kom Shimomura
til USA, hvor han sammen
med Frank Johnson satte
sig for at studere et andet naturligt,
lysende materiale, som
fandtes i vandmanden Aequorea
victoria. Når denne vandmand
forstyrres lyser dens ydre kant
med en klar grøn farve.
Efter at have indsamlet materiale
fra mere end 10.000 vandmænd,
lykkes det forskerne at
oprense nogle få milligram af
lysende protein fra vandmanden,
som de døbte aequorin.
Mærkeligt nok lyste proteinet
blåt, når det kom i kontakt med
havvand, og ikke grønt ligesom
kanten på vandmanden.
Artiklen kommer fra tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab. Se mere på www.aktuelnaturvidenskab.dk
Det grønne protein
Da Shimomura og Johnson i
1962 beskrev den proces, hvormed
de havde isoleret aequrin,
nævnte de samtidig, at de også
havde isoleret et andet protein,
der var svagt grønligt i dagslys,
gulligt i lyset fra en elpære og
fl uorescerende grønt i ultraviolet
lys. I første omgang kaldte
de proteinet “det grønne protein”,
men omdøbte det senere
Foto: Tom Kleindinst

til GFP – det fl uorescerende
grønne protein. I 1970’erne
undersøgte Shimomura proteinet
nærmere, og han viste,
at GFP indeholder en særlig
kemisk gruppe kaldet en
chromofor, som absorberer og
udsender lys. Denne kemiske
gruppe er faktisk en del af den
aminosyrekæde, som danner
GFP-proteinet. Det drejer sig
om 3 specifi kke aminosyrer
nummer 65-67 (serine, tyrosine
og glycine). Når proteinet
foldes modifi ceres disse til hvad
der oftest kaldes chromoforen.
Når UV-lys eller blåt lys rammer
denne chromofor opsuges
energien, og i næste fase
udsendes energien igen som lys
med en bølgelængde inden for
det grønne område. I en vandmand
omformer den kemiske
gruppe i GFP-proteinet det blå
lys fra aequorin til grønt lys.
Det var således forklaringen på,
at vandmanden som sådan og
aequorin lyser med forskellige
farver.
Det revolutionerende nye
ved GFP var, at dette protein
– i modsætning til aequorin og
andre lysende proteiner – ikke
krævede en konstant tilførsel af
energirige molekyler for at lyse.
Det var nok blot at belyse proteinet
med UV-lys eller blåt lys.
Et nyt værktøj for forskerne
Opdagelsen af GFP var selvfølgelig
interessant i sig selv,
men det er de videnskabelige
anvendelser af proteinet,
der har gjort det til en darling
blandt forskere. Det var den
anden af årets nobelpristagere,
Martin Chalfi e, der for
alvor gjorde GFP til en del af
den biokemiske værktøjskasse.
Chalfi e arbejdede i slutningen
af 1980erne med en af forskningsverdenensyndlingsorganismer,
rundormen C. elegans.
Denne organisme består af kun
959 celler, men på trods af dens
lidenhed er en tredjedel af dens
gener beslægtede med menneskets.
Organismen er endvidere
gennemsigtig, hvilket gør det
let for forskerne at studere dens
organer under et almindeligt
mikroskop. Da Chalfi e på et
seminar i 1988 hørte om proteinet
GFP, indså han straks,
at det ville være et fantastisk
redskab, hvis man kunne bruge
det som en biokemisk lygte,
der kunne afsløre aktiviteten i
rundormens celler. Chalfi es ide
var, at hvis man kunne manipulere
en organisme til at producere
GFP og f.eks. hæfte
det på et andet protein, man
var interesseret i at undersøge,
ville det grønne lys fra GFP let
kunne afsløre, om proteinet
blev dannet, og hvor i organismen
dette skete.
Før man kunne nå dertil
måtte det gen, der producerede
GFP først isoleres. Det skete et
par år senere, hvor det lykkedes
Douglas Prasher at isolere GFPgenet
fra vandmanden Aequora
victorias genom. Dette banede
vejen for, at Chalfi es gruppe
kort tid derefter ved hjælp af
DNA-teknologi kunne manipulere
bakterier af E. coli til at
producere GFP, således at bakterierne
lyste grønt, når man lyste
på dem med UV-lys.
Det næste skridt for Chalfi e
og kolleger var at placere GFPgenet
bag ved en “gen-kontakt”
i rundormen C. elegans’ genom,
som er aktiv i 6 specifi kke sansenerveceller.
Resultatet var, at
netop disse nerveceller i rundormen
lyste klart grønt, når de
blev belyst med UV-lys.
Flere farver på paletten
Med Chalfi es arbejde var vejen
banet for brugen af GFP til at
undersøge en lang række biologiske
processer. Siden Chalfi es
arbejde er teknikken med at
bruge GFP blevet forfi net. Og
i denne udvikling har den sidste
af årets tre nobelpristagere,
Roger Tsien, spillet en afgørende
rolle.
Tsien startede med at kortlægge,
hvordan den kemiske
gruppe, der absorberer og
udsender lys i proteinet i praksis
bliver dannet. Proteinet som
helhed er et lille protein, der
består af i alt 238 aminosyrer,
og tidligere forskning havde
fastlagt, at den særlige kemiske
gruppe (chromoforen) blev
dannet ved en reaktion mellem
aminosyrerne i position 65-67.
Tsien viste, at denne kemiske
reaktion krævede ilt og forklarede,
hvordan den kunne fore-
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 5 | 2 0 0 8
N O B E L P R I S E R
Prismodtagerne
De tre modtagere af Nobelprisen i kemi (fra venstre):
Osamu Shimomura (f. 1928), Marine Biological Laboratory (MBL)
Woods Hole, Boston University Medical School, Massachusetts, USA.
Martin Chalfi e (f. 1947), Columbia University, New York, USA
Roger Y. Tsien (f. 1952), University of California, San Diego, Howard
Hughes Medical Institute, USA
Struktur af GFP
Strukturen af Det grønne fl uorescerende protein (GFP) minder om en
øldåse med en lille pære placeret i midten. Proteinet er 238 aminosyrer
langt og folder sig spontant sammen til den viste struktur. Selve
pæren er en kemisk struktur, der kan absorbere og udsende lys, og
den dannes ved reaktion mellem tre aminosyrer – nr. 65, 66 og 67 i
rækken. Strukturen absorberer ultraviolet lys og blåt lys og udsender
lys i det grønne område. Forskere har i dag produceret en hel række
varianter af proteinet ved populært sagt at udskifte pæren med pærer,
der lyser i andre farver.
Artiklen kommer fra tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab. Se mere på www.aktuelnaturvidenskab.dk
17

18
Foto: Livet and Lichtman, Harvard University
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 5 | 2 0 0 8
N O B E L P R I S E R
Brainbow
Tre af Tsiens proteiner er blevet brugt i et spektakulært eksperiment
ved Harvard University, hvor mus er blevet genmanipuleret til at producere
forskellige mængder af farverne gul, cyan og red i hjernens
nerveceller. Denne kombination af farver svarer til, hvad man bruger
i printere. Resultatet var en musehjerne, der lyste i alle regnbuens
farver. Forskerne kunne følge nervefi bre fra individuelle celler i det
tætte netværk i hjernen. Meget passende blev eksperimentet kaldet
”The brainbow”.
Den danske
forbindelse
Dansk forskning har spillet en afgørende rolle i den udvikling, som har
gjort det grønne fl uorescerende protein GFP til et allestedsnærværende
redskab i forskernes biokemiske værktøjskasse. Således var
Ole Thastrup og hans forskningsgruppe ved Novo Nordisk de første,
der erkendte de kommercielle muligheder i GFP inden for medicinsk
forskning og lægemiddeludvikling. Forudsætningen for, at proteinet kan
bruges til dette formål er, at det kan udtrykkes i dyre- og menneskeceller,
hvilket det ikke kunne i den form, som Martin Chalfi e havde brugt i
coli-bakterier og rundorm. Det lykkedes de danske forskere at lave en
mutation i GFP-genet, så det også kunne dannes i celler fra mennesker
og dyr, og der blev udtaget internationale patenter på dette nye protein.
Denne GFP, der kaldes enhanced GFP (EGFP), er det globalt mest
anvendte fl uorescerende protein. Dette tidlige og en række efterfølgende
patenter har bl.a. skabt grundlaget for udvikling af helt nye typer
lægemidler, der modulerer bevægelsen af specifi kke proteiner inden i
cellerne. Dette princip har vist stort potentiale inden for behandlingen
af en række kræftformer og sygdomme knyttet til stofskiftet.
Ole Thastrup, der i dag er i biotekvirksomheden 2cureX, interesserer
sig stadig for fl uorescerende proteiner. På Galathea-3 ekspeditionen
deltog han sammen med Peter Roepstorff og Martin Røssel
Larsen fra Syddansk Universitet i et projekt, der skulle fi nde nye
fl uorescerende proteiner i koraller i havet omkring Salomonøerne. Ved
at dykke på koralrevene om natten og lyse på korallerne med særlige
lamper med blåt og ultraviolet lys, kunne forskerne let afsløre organismer,
der lyste op.
I alt hentede forskerne 126 forskellige prøver med lysende proteiner
fra både koraller, søanemoner, orme, snegle og fi sk lægges
med hjem til nærmere undersøgelse. Siden har det vist sig, at to af
proteinerne virker særligt lovende – et der lyser rødt og et, der lyser
grønt.. Det særligt interessante ved disse proteiner er, at de kun vejer
halvt så meget som GFP. Fordelen ved det er, at jo mindre sådanne
“lygteproteiner” er, jo større er chancen for at de ikke vil ødelægge
funktionen af det protein, man hæfter det fast på. Med lidt held vil
forskernes værktøjskasse derfor blive suppeleret med endnu et par
selvlysende redskaber i fremtiden.
komme uden at andre proteiner
var involveret i processen.
Tsien eksperimenterede derefter
med at udskifte forskellige
aminosyrer i forskellige dele
af proteinet med det formål
at få proteinet til absorbere og
udsende lys i andre dele af spektret.
På den måde udviklede
Tsien en hel række varianter af
GFP, som lyste stærkere og i farver
som cyan, blå og gul. Fordelen
ved dette er blandt andet, at
forskerne kan mærke forskellige
proteiner med forskellige farver
og studere, hvordan de vekselvirker.
Tsien kunne imidlertid ikke
producere en variant, der lyste
rødt. Rødt lys gennemtrænger
let biologisk væv, og er derfor
særligt interessant for forskere,
som vil studere celler og organer
i kroppen.
Russiske forskere havde imidlertid
fra fl uorescerende koraller
udvundet et GFP-lignende protein,
der lyste rødt. Uheldigvis
var dette protein større og tungere
end GFP og bestod af fi re
aminosyrekæder i stedet for en
enkelt, hvilket gjorde det mindre
egnet som markør i biologiske
eksperimenter. Det lykkedes
Tsiens forskergruppe at løse problemet
ved at redesigne det røde
protein, så det blev stabilt med
kun en enkelt aminosyrekæde.
Lys over land
I dag bruges GFP i en perlerække
af eksperimenter, der er
med til at øge vores forståelse af
processerne i vores krop. Og det
har også fundet meget konkrete
anvendelser. F.eks. har man produceret
bakterier med GFP, som
bruges til at spore arsen i drikkevandsboringer,
som er et stort
problem i Sydøstasien. Forskere
har også lavet bakterier, der lyser
grønt ved tilstedeværelsen af det
eksplosive stof TNT eller tungmetaller
som cadmium.
Brugen af GFP har været en
af de vigtige årsager til biovidenskabernes
hastige udvikling de
sidste årtier. Og der foregår den
dag i dag en intens jagt på nye
proteiner, som kan supplere den
efterhånden omfattende palet af
små biologiske lygter, som forskerne
kan bruge til at kaste lys
over livets hemmeligheder.
Om forfatteren
Artiklen kommer fra tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab. Se mere på www.aktuelnaturvidenskab.dk
Af Carsten R. Kjaer er
redaktør ved
Aktuel Naturvidenskab.
red@aktuelnat.au.dk
Videre læsning:
Artiklen bygger på materiale
publiceret på Nobelprisens
hjemmeside
www.nobel.se