- Nobelprisen i kemi - Elbo
- Nobelprisen i kemi - Elbo
- Nobelprisen i kemi - Elbo
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
16<br />
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<br />
N O B E L P R I S E R<br />
Livets lys<br />
- <strong>Nobelprisen</strong> i <strong>kemi</strong><br />
Forskere kan i dag kortlægge dannelsen af proteiner i celler ved at hæfte små<br />
biologiske lygter på dem. Disse små lygter i form af det selvlysende protein GFP,<br />
har revolutioneret biovidenskaberne – og kastet en Nobelpris af sig til pionererne<br />
inden for området.<br />
Af Carsten R. Kjaer<br />
Det selvlysende protein GFP<br />
(Green Flourescent Proteine)<br />
er en af naturens forunderlige<br />
opfi ndelser. For videnskaben har<br />
dette protein vist sig at være af<br />
enestående værdi, fordi det har<br />
sat forskerne i stand til at studere<br />
processer i cellernes indre.<br />
Opdagelsen af GFP har populært<br />
sagt afstedkommet en “grøn<br />
revolution” inden for forskningen,<br />
og i dag er proteinet et<br />
standardredskab for tusindvis<br />
af forskere verden over. Tre forskere,<br />
der har bidraget afgørende<br />
til denne udvikling, er i år<br />
blevet hædret med <strong>Nobelprisen</strong><br />
i <strong>kemi</strong>.<br />
På sporet af<br />
lysende proteiner<br />
Historien om GFP tog sin<br />
begyndelse i 1950’erne, hvor<br />
den ene af årets nobelpristagere,<br />
Osamu Shimomura imponerede<br />
den videnskabelige verden ved<br />
som relativt uerfaren forskningsassistent<br />
at isolere et lysende<br />
materiale fra nogle små havlevende<br />
organsimer kaldet Cypridina.<br />
Når disse bløddyr blev<br />
knust kunne man få resterne til<br />
at lyse op ved at væde det med<br />
vand, og en førende amerikansk<br />
forskergruppe havde i lang tid<br />
Vandmanden Aequorea victoria har spillet en vigtig rolle for den moderne biovidenskab, da man fra denne<br />
organisme har udvundet det fl uorescerende protein GFP, der har hovedrollen i dette års Nobelpris i <strong>kemi</strong>.<br />
forgæves forsøgt på at isolere<br />
materialet. Materialet viste sig at<br />
være et protein, der lyste 37.000<br />
gange mere klart end resterne af<br />
de knuste bløddyr.<br />
Efter denne succes kom Shimomura<br />
til USA, hvor han sammen<br />
med Frank Johnson satte<br />
sig for at studere et andet naturligt,<br />
lysende materiale, som<br />
fandtes i vandmanden Aequorea<br />
victoria. Når denne vandmand<br />
forstyrres lyser dens ydre kant<br />
med en klar grøn farve.<br />
Efter at have indsamlet materiale<br />
fra mere end 10.000 vandmænd,<br />
lykkes det forskerne at<br />
oprense nogle få milligram af<br />
lysende protein fra vandmanden,<br />
som de døbte aequorin.<br />
Mærkeligt nok lyste proteinet<br />
blåt, når det kom i kontakt med<br />
havvand, og ikke grønt ligesom<br />
kanten på vandmanden.<br />
Artiklen kommer fra tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab. Se mere på www.aktuelnaturvidenskab.dk<br />
Det grønne protein<br />
Da Shimomura og Johnson i<br />
1962 beskrev den proces, hvormed<br />
de havde isoleret aequrin,<br />
nævnte de samtidig, at de også<br />
havde isoleret et andet protein,<br />
der var svagt grønligt i dagslys,<br />
gulligt i lyset fra en elpære og<br />
fl uorescerende grønt i ultraviolet<br />
lys. I første omgang kaldte<br />
de proteinet “det grønne protein”,<br />
men omdøbte det senere<br />
Foto: Tom Kleindinst
til GFP – det fl uorescerende<br />
grønne protein. I 1970’erne<br />
undersøgte Shimomura proteinet<br />
nærmere, og han viste,<br />
at GFP indeholder en særlig<br />
<strong>kemi</strong>sk gruppe kaldet en<br />
chromofor, som absorberer og<br />
udsender lys. Denne <strong>kemi</strong>ske<br />
gruppe er faktisk en del af den<br />
aminosyrekæde, som danner<br />
GFP-proteinet. Det drejer sig<br />
om 3 specifi kke aminosyrer<br />
nummer 65-67 (serine, tyrosine<br />
og glycine). Når proteinet<br />
foldes modifi ceres disse til hvad<br />
der oftest kaldes chromoforen.<br />
Når UV-lys eller blåt lys rammer<br />
denne chromofor opsuges<br />
energien, og i næste fase<br />
udsendes energien igen som lys<br />
med en bølgelængde inden for<br />
det grønne område. I en vandmand<br />
omformer den <strong>kemi</strong>ske<br />
gruppe i GFP-proteinet det blå<br />
lys fra aequorin til grønt lys.<br />
Det var således forklaringen på,<br />
at vandmanden som sådan og<br />
aequorin lyser med forskellige<br />
farver.<br />
Det revolutionerende nye<br />
ved GFP var, at dette protein<br />
– i modsætning til aequorin og<br />
andre lysende proteiner – ikke<br />
krævede en konstant tilførsel af<br />
energirige molekyler for at lyse.<br />
Det var nok blot at belyse proteinet<br />
med UV-lys eller blåt lys.<br />
Et nyt værktøj for forskerne<br />
Opdagelsen af GFP var selvfølgelig<br />
interessant i sig selv,<br />
men det er de videnskabelige<br />
anvendelser af proteinet,<br />
der har gjort det til en darling<br />
blandt forskere. Det var den<br />
anden af årets nobelpristagere,<br />
Martin Chalfi e, der for<br />
alvor gjorde GFP til en del af<br />
den bio<strong>kemi</strong>ske værktøjskasse.<br />
Chalfi e arbejdede i slutningen<br />
af 1980erne med en af forskningsverdenensyndlingsorganismer,<br />
rundormen C. elegans.<br />
Denne organisme består af kun<br />
959 celler, men på trods af dens<br />
lidenhed er en tredjedel af dens<br />
gener beslægtede med menneskets.<br />
Organismen er endvidere<br />
gennemsigtig, hvilket gør det<br />
let for forskerne at studere dens<br />
organer under et almindeligt<br />
mikroskop. Da Chalfi e på et<br />
seminar i 1988 hørte om proteinet<br />
GFP, indså han straks,<br />
at det ville være et fantastisk<br />
redskab, hvis man kunne bruge<br />
det som en bio<strong>kemi</strong>sk lygte,<br />
der kunne afsløre aktiviteten i<br />
rundormens celler. Chalfi es ide<br />
var, at hvis man kunne manipulere<br />
en organisme til at producere<br />
GFP og f.eks. hæfte<br />
det på et andet protein, man<br />
var interesseret i at undersøge,<br />
ville det grønne lys fra GFP let<br />
kunne afsløre, om proteinet<br />
blev dannet, og hvor i organismen<br />
dette skete.<br />
Før man kunne nå dertil<br />
måtte det gen, der producerede<br />
GFP først isoleres. Det skete et<br />
par år senere, hvor det lykkedes<br />
Douglas Prasher at isolere GFPgenet<br />
fra vandmanden Aequora<br />
victorias genom. Dette banede<br />
vejen for, at Chalfi es gruppe<br />
kort tid derefter ved hjælp af<br />
DNA-teknologi kunne manipulere<br />
bakterier af E. coli til at<br />
producere GFP, således at bakterierne<br />
lyste grønt, når man lyste<br />
på dem med UV-lys.<br />
Det næste skridt for Chalfi e<br />
og kolleger var at placere GFPgenet<br />
bag ved en “gen-kontakt”<br />
i rundormen C. elegans’ genom,<br />
som er aktiv i 6 specifi kke sansenerveceller.<br />
Resultatet var, at<br />
netop disse nerveceller i rundormen<br />
lyste klart grønt, når de<br />
blev belyst med UV-lys.<br />
Flere farver på paletten<br />
Med Chalfi es arbejde var vejen<br />
banet for brugen af GFP til at<br />
undersøge en lang række biologiske<br />
processer. Siden Chalfi es<br />
arbejde er teknikken med at<br />
bruge GFP blevet forfi net. Og<br />
i denne udvikling har den sidste<br />
af årets tre nobelpristagere,<br />
Roger Tsien, spillet en afgørende<br />
rolle.<br />
Tsien startede med at kortlægge,<br />
hvordan den <strong>kemi</strong>ske<br />
gruppe, der absorberer og<br />
udsender lys i proteinet i praksis<br />
bliver dannet. Proteinet som<br />
helhed er et lille protein, der<br />
består af i alt 238 aminosyrer,<br />
og tidligere forskning havde<br />
fastlagt, at den særlige <strong>kemi</strong>ske<br />
gruppe (chromoforen) blev<br />
dannet ved en reaktion mellem<br />
aminosyrerne i position 65-67.<br />
Tsien viste, at denne <strong>kemi</strong>ske<br />
reaktion krævede ilt og forklarede,<br />
hvordan den kunne fore-<br />
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<br />
N O B E L P R I S E R<br />
Prismodtagerne<br />
De tre modtagere af <strong>Nobelprisen</strong> i <strong>kemi</strong> (fra venstre):<br />
Osamu Shimomura (f. 1928), Marine Biological Laboratory (MBL)<br />
Woods Hole, Boston University Medical School, Massachusetts, USA.<br />
Martin Chalfi e (f. 1947), Columbia University, New York, USA<br />
Roger Y. Tsien (f. 1952), University of California, San Diego, Howard<br />
Hughes Medical Institute, USA<br />
Struktur af GFP<br />
Strukturen af Det grønne fl uorescerende protein (GFP) minder om en<br />
øldåse med en lille pære placeret i midten. Proteinet er 238 aminosyrer<br />
langt og folder sig spontant sammen til den viste struktur. Selve<br />
pæren er en <strong>kemi</strong>sk struktur, der kan absorbere og udsende lys, og<br />
den dannes ved reaktion mellem tre aminosyrer – nr. 65, 66 og 67 i<br />
rækken. Strukturen absorberer ultraviolet lys og blåt lys og udsender<br />
lys i det grønne område. Forskere har i dag produceret en hel række<br />
varianter af proteinet ved populært sagt at udskifte pæren med pærer,<br />
der lyser i andre farver.<br />
Artiklen kommer fra tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab. Se mere på www.aktuelnaturvidenskab.dk<br />
17
18<br />
Foto: Livet and Lichtman, Harvard University<br />
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<br />
N O B E L P R I S E R<br />
Brainbow<br />
Tre af Tsiens proteiner er blevet brugt i et spektakulært eksperiment<br />
ved Harvard University, hvor mus er blevet genmanipuleret til at producere<br />
forskellige mængder af farverne gul, cyan og red i hjernens<br />
nerveceller. Denne kombination af farver svarer til, hvad man bruger<br />
i printere. Resultatet var en musehjerne, der lyste i alle regnbuens<br />
farver. Forskerne kunne følge nervefi bre fra individuelle celler i det<br />
tætte netværk i hjernen. Meget passende blev eksperimentet kaldet<br />
”The brainbow”.<br />
Den danske<br />
forbindelse<br />
Dansk forskning har spillet en afgørende rolle i den udvikling, som har<br />
gjort det grønne fl uorescerende protein GFP til et allestedsnærværende<br />
redskab i forskernes bio<strong>kemi</strong>ske værktøjskasse. Således var<br />
Ole Thastrup og hans forskningsgruppe ved Novo Nordisk de første,<br />
der erkendte de kommercielle muligheder i GFP inden for medicinsk<br />
forskning og lægemiddeludvikling. Forudsætningen for, at proteinet kan<br />
bruges til dette formål er, at det kan udtrykkes i dyre- og menneskeceller,<br />
hvilket det ikke kunne i den form, som Martin Chalfi e havde brugt i<br />
coli-bakterier og rundorm. Det lykkedes de danske forskere at lave en<br />
mutation i GFP-genet, så det også kunne dannes i celler fra mennesker<br />
og dyr, og der blev udtaget internationale patenter på dette nye protein.<br />
Denne GFP, der kaldes enhanced GFP (EGFP), er det globalt mest<br />
anvendte fl uorescerende protein. Dette tidlige og en række efterfølgende<br />
patenter har bl.a. skabt grundlaget for udvikling af helt nye typer<br />
lægemidler, der modulerer bevægelsen af specifi kke proteiner inden i<br />
cellerne. Dette princip har vist stort potentiale inden for behandlingen<br />
af en række kræftformer og sygdomme knyttet til stofskiftet.<br />
Ole Thastrup, der i dag er i biotekvirksomheden 2cureX, interesserer<br />
sig stadig for fl uorescerende proteiner. På Galathea-3 ekspeditionen<br />
deltog han sammen med Peter Roepstorff og Martin Røssel<br />
Larsen fra Syddansk Universitet i et projekt, der skulle fi nde nye<br />
fl uorescerende proteiner i koraller i havet omkring Salomonøerne. Ved<br />
at dykke på koralrevene om natten og lyse på korallerne med særlige<br />
lamper med blåt og ultraviolet lys, kunne forskerne let afsløre organismer,<br />
der lyste op.<br />
I alt hentede forskerne 126 forskellige prøver med lysende proteiner<br />
fra både koraller, søanemoner, orme, snegle og fi sk lægges<br />
med hjem til nærmere undersøgelse. Siden har det vist sig, at to af<br />
proteinerne virker særligt lovende – et der lyser rødt og et, der lyser<br />
grønt.. Det særligt interessante ved disse proteiner er, at de kun vejer<br />
halvt så meget som GFP. Fordelen ved det er, at jo mindre sådanne<br />
“lygteproteiner” er, jo større er chancen for at de ikke vil ødelægge<br />
funktionen af det protein, man hæfter det fast på. Med lidt held vil<br />
forskernes værktøjskasse derfor blive suppeleret med endnu et par<br />
selvlysende redskaber i fremtiden.<br />
komme uden at andre proteiner<br />
var involveret i processen.<br />
Tsien eksperimenterede derefter<br />
med at udskifte forskellige<br />
aminosyrer i forskellige dele<br />
af proteinet med det formål<br />
at få proteinet til absorbere og<br />
udsende lys i andre dele af spektret.<br />
På den måde udviklede<br />
Tsien en hel række varianter af<br />
GFP, som lyste stærkere og i farver<br />
som cyan, blå og gul. Fordelen<br />
ved dette er blandt andet, at<br />
forskerne kan mærke forskellige<br />
proteiner med forskellige farver<br />
og studere, hvordan de vekselvirker.<br />
Tsien kunne imidlertid ikke<br />
producere en variant, der lyste<br />
rødt. Rødt lys gennemtrænger<br />
let biologisk væv, og er derfor<br />
særligt interessant for forskere,<br />
som vil studere celler og organer<br />
i kroppen.<br />
Russiske forskere havde imidlertid<br />
fra fl uorescerende koraller<br />
udvundet et GFP-lignende protein,<br />
der lyste rødt. Uheldigvis<br />
var dette protein større og tungere<br />
end GFP og bestod af fi re<br />
aminosyrekæder i stedet for en<br />
enkelt, hvilket gjorde det mindre<br />
egnet som markør i biologiske<br />
eksperimenter. Det lykkedes<br />
Tsiens forskergruppe at løse problemet<br />
ved at redesigne det røde<br />
protein, så det blev stabilt med<br />
kun en enkelt aminosyrekæde.<br />
Lys over land<br />
I dag bruges GFP i en perlerække<br />
af eksperimenter, der er<br />
med til at øge vores forståelse af<br />
processerne i vores krop. Og det<br />
har også fundet meget konkrete<br />
anvendelser. F.eks. har man produceret<br />
bakterier med GFP, som<br />
bruges til at spore arsen i drikkevandsboringer,<br />
som er et stort<br />
problem i Sydøstasien. Forskere<br />
har også lavet bakterier, der lyser<br />
grønt ved tilstedeværelsen af det<br />
eksplosive stof TNT eller tungmetaller<br />
som cadmium.<br />
Brugen af GFP har været en<br />
af de vigtige årsager til biovidenskabernes<br />
hastige udvikling de<br />
sidste årtier. Og der foregår den<br />
dag i dag en intens jagt på nye<br />
proteiner, som kan supplere den<br />
efterhånden omfattende palet af<br />
små biologiske lygter, som forskerne<br />
kan bruge til at kaste lys<br />
over livets hemmeligheder. <br />
Om forfatteren<br />
Artiklen kommer fra tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab. Se mere på www.aktuelnaturvidenskab.dk<br />
Af Carsten R. Kjaer er<br />
redaktør ved<br />
Aktuel Naturvidenskab.<br />
red@aktuelnat.au.dk<br />
Videre læsning:<br />
Artiklen bygger på materiale<br />
publiceret på <strong>Nobelprisen</strong>s<br />
hjemmeside<br />
www.nobel.se