EN / DA
Foto: Novo Nordisk Fonden
Krop og sind

Om at få struktur på livet

Alt liv er baseret på strukturer, der derfor er fundamentet for at forstå livet. Poul Nissen, modtageren af 2017 Novo Nordisk Prisen, har hele sit liv studeret de grundlæggende strukturer, der skaber sammenhæng i organismer.

At forstå livet handler om at bryde det ned i mindre bestanddele. Allerede som barn splittede Poul Nissen ofte ting fra hinanden for at forsøge at forstå, hvordan de fungerede. Som forsker er han fortsat med at gøre netop det og har løst nogle af naturens mest komplicerede strukturer af biologiske molekyler og systemer, som fx ribosomer og ionpumper.

"Du kan ikke forstå, hvordan en cykel fungerer, før du har set en og set nogen køre på den. Tilsvarende er det med molekyler og røntgenkrystallografi. Du er nødt til at tage mange forskellige snapshots af molekyler for at finde ud af, hvordan de fungerer," forklarer Poul Nissen, professor ved Institut for Molekylærbiologi og Genetik ved Aarhus Universitet.

Poul Nissen har brugt det meste af sin forskerkarriere på at udvikle og anvende røntgenteknikker, så de kan bruges til at bestemme nogle af de mest essentielle strukturer i biologien og dermed besvare grundlæggende spørgsmål om livet. Han håber, at man ved at forstå strukturer og mekanismer i biologiske molekyler i sidste ende kan udvikle bioteknologien og forstå og helbrede sygdomme. Et godt eksempel er strukturen af natriumkalium-pumpen (Na-K pumpen), som Poul Nissen og hans kolleger bestemte i 2007.

"Natriumkalium-pumpen skaber en koncentrationsforskel i antal ladede ioner på tværs af cellemembranen, der driver transporteres af mange andre stoffer ind og ud af cellen. Når en pumpe ikke fungerer, fx hvis den har en mutation, kan det forårsage en sygdom fx i centralnervesystemet. Ved at forstå hvordan pumpen virker, kan vi også regne ud, hvor det går galt i processen i den funktion, som den er koblet til. Og i sidste ende kan det hjælpe til at finde en kur mod en bestemt sygdom."

Landmænd præster og botanikere

Poul Nissen voksede op på en stor gård i Augustenborg på Als. Barndommen påvirkede hans fremtid på mange måder, især på grund af blandingen af mennesker omkring ham. Hans nærmeste familie omfattede præster, botanikere, lærere - og ikke mindst landmænd. Derfor fik han både filosofi, videnskab og især naturen ind under huden i en ung alder.

"At vokse op på en gård er som at vokse op i et kæmpe laboratorium. Man er i kontakt hele tiden med naturen, både omkring og på gården. At forstå, hvordan man interagerer med naturen, har virkelig påvirket mig meget. Og det gjorde mig nysgerrig på at forstå livets mekanismer. Hvorfor ting vokser, som de gør. Hvorfor tingene reagerer, som de reagerer. Og hvordan organismer er bygget op indeni. Det påvirkede mig meget. "

For Poul Nissen har det dog aldrig været nok at betragte ting på afstand. Han ønsker altid at komme under overfladen for at se, hvad der gemmer sig.

"Jeg har altid været meget interesseret i at forstå tingene i detaljer. Som barn ville jeg vide, hvad der var inde i tingene, og hvordan de fungerede. Jeg tror, det var, hvad der drev mig til forskning. At forstå de faktiske mekanismer for at kunne besvare de spørgsmål, vi stiller os selv."

Struktur på vildbassen

For Poul Nissen var det at forsøge at forstå livets processer derfor en naturlig udvikling. Da han var færdig med skolen og overvejede, hvad han skulle, virkede kombinationen af kemi og biokemi naturlig for ham. Her kunne han forsøge at forstå, hvordan molekylerne inde i cellerne virker.

Mens inspirationen til at læse biokemi kom fra Poul Nissens opvækst, så kom inspirationen til, hvad han skulle forske indenfor fra et helt andet sted, nemlig et studieophold i Spanien under hans universitetsstudier, som han fik finansieret gennem de såkaldte ERASMUS Mundus stipendier. Et ophold i Madrid blev på mange måder blev afgørende for hans videre karriere.

"Under mine tidlige studier havde jeg ikke været særlig fokuseret, men også brugt min tid til at nyde livet. Og det gjorde jeg også, mens jeg var i Madrid, men opholdet var også min første erfaring med eksperimentelt arbejde, og det inspirerede mig i høj grad til at fortsætte og senere få en ph.d.-grad. Havde det været i dag, havde jeg dog næppe fået chancen på grund af mit manglende studiefokus. "

Det blev en af pionererne bag indførelsen af de proteinkrystallografiske metoder i Danmark – Jens Nyborg – der gav Poul Nissen chancen, og han fik snart sat struktur på den unge forskers vildskab.

“Jeg vil aldrig glemme den første undervisning med ham. Første gang jeg så molekyler via elektrontæthedskort og dermed kunne se direkte, hvordan molekyler er opbygget tredimensionelt. Deres struktur og deres funktion. At se vandmolekyler interagere med en proteinoverflade og forstå hvordan biologi manifesterer sig på et meget elementært niveau. Det var meget inspirerende for mig."

Et perfekt match

Partnerskabet med Jens Nyborg viste sig at være et perfekt match. Gode resultater blev skabt hurtigt. I løbet af sine kandidatstudier blev Poul Nissen dybt involveret i bestemmelsen af den første struktur af den såkaldte elongeringsfaktor EF-Tu i dens aktive form - et essentielt protein i proteinsyntese og sandsynligvis stamproteinet for G protein-familien.

I 1995 - allerede halvvejs gennem sin ph.d.-uddannelse - havde Poul Nissen et andet stort videnskabeligt gennembrud som førsteforfatter til en artikel i Science, hvor han havde bestemt krystalstrukturen af EF-Tu sammen med transfer-RNA.

Dette resultat var et forbløffende og temmeligt enestående eksempel på molekylær mimicry, da strukturen af de EF-Tu – trods ringe sekvenslighed - viste sig at være næsten magen til en anden elongeringsfaktor, EF-G, også kendt som den ribosomale translocase. Identifikationen af strukturen af det store kompleks var en videnskabelig bestseller.

“Det skabte stor opstandelse, at en flok danskere var endt i verdens mest prestigefyldte videnskabelige tidsskrift. Dette var langt fra normalt på det tidspunkt. De danske medier lavede store features om os og skrev artikler om vores forskning. Det var ikke normalt på det tidspunkt, og vi blev måske nok set ned på af nogle. Det var slet ikke standard, at forskere var i medierne på det tidspunkt."

Men forskningen gav Poul Nissen smag på mere succes og tro på egne evner, og det satte ham i stand til at få et post.doc.-stipendium til at arbejde med den velrenommerede Tom Steitz, professor på Yale University i USA. Hans røntgenkrystallografi-projekt var også stort. Han skulle være med til at bestemme strukturen af en af cellens mest centrale proteinkomplekser - ribosomet.

Simple principper og store sammenhænge

Opgaven med at kortlægge strukturen af ribosomet var udgangspunktet og inspiration for mange af Poul Nissens senere forskningsprojekter. Ribosomet er ansvarligt for et centralt element i alle celler - nemlig at omsætte den genetiske kode og syntetisere de proteiner, der skaber strukturer og katalyserer processer i vores celler.

"Tom Steitz var en mester i at finde udfordrende projekter på det helt rigtige tidspunkt og i faktisk at færdiggøre dem. Han besad evnen til at forene, hvad der er spændende med det realistiske. Han vidste også altid, hvordan man gjorde forskning spændende og samtidig meget relevant. Det var meget motiverende for os unge forskere."

Efter resultaterne af de delvise strukturer var blevet offentliggjort i de førende tidsskrifter Cell og Nature, offentliggjorde Yale-holdet den første komplette struktur af den store ribosomale subunit i 2000 som to store artikler i tidsskriftet Science. Det blev en stor nyhed i aviser og på tv-kanaler over hele verden.

Begge projekter havde lært Poul Nissen, at god forskning altid skal være både spændende og nyskabende.

"Hvis du finder videnskaben spændende og kommunikerer din begejstring ærligt og klart, har andre en tendens til også at synes, at det spændende. Det, der driver os i videnskab, er vores nysgerrighed for ting, vi ikke forstår, og som vi ønsker eller endda er nødt til at forstå. Når du forsøge at finde svar på de spørgsmål, og søger dem med omtanke, vil det altid være god videnskab. Og pludselig får vi ny indsigt i mekanismer eller måske anvendelser, vi ikke engang har tænkt på."

I 2009 fik Tom Steitz Nobelprisen i kemi for sine studier af strukturen og funktionen af ribosomet. Tre af de vigtigste artikler bag hans nominering til Nobelprisen var udgivet sammen med Poul Nissen.

Hjem til Århus

Det meget vellykkede eventyr i USA omfattede også et research scholarship på Yale New Haven Hospital for hans kone, Marie Louise, og fødslen af to børn, Sigrid og Kristian. Nu var det tid for Poul Nissen og hans familie på fire til at vende tilbage til Århus.

Samtidig var det også tid til, at Poul Nissen skulle finde nye store biologiske udfordringer at løse på egne ben. I 2000 modtog han nemlig et Ole Rømer Research Fellowship fra de danske forskningsråd til at arbejde på Institut for Molekylær og Strukturel Biologi ved Aarhus Universitet - i dag Institut for Molekylærbiologi og Genetik.

"Dengang da protein-røntgenkrystallografi blev opfundet, var det en videnskab i sig selv at udvikle metoder og finde ud af, hvordan man rent faktisk kan bestemme strukturerne af kæmpemolekyler som fx proteiner. Man var i høj grad afhængig af, hvilke proteiner der kunne krystalliseres og diffraktere godt nok. I 2000 var protein-røntgenkrystallografi dog blevet så integreret i molekylærbiologien, at den i stedet blev drevet af de biologiske spørgsmål, vi ønskede at besvare. "

Frem for alt måtte forskerne dog lære at lave de krystaller, som var nødvendige for at bestemme strukturen af membranproteiner. En særlig udfordring ved et membranprotein er, at en del af proteinet findes inde i membranen i en fedtfase, men de er også udsat for et vandigt miljø inden i og uden for cellen.

"Når man tager membranproteiner ud af deres naturlige, fedtrige miljø, bliver de ustabile, og det gør det derfor meget vanskeligt at lave krystaller. Men omkring årtusindskiftet havde forskningen udviklet nye strategier til at overvinde de forhindringer, så selv om det stadig var et meget risikabelt projekt, var risici blevet meget mindre."

Poul Nissen besluttede derfor, at han ville forsøge at strukturbestemme kalciumpumpen i samarbejde med Jesper Vuust Møller fra Aarhus Universitet.

En Nature trilogi

Tingene gik dog ikke helt som planlagt. Poul Nissen var på vej til Danmark, da forskere fra University of Tokyo offentliggjorde den første struktur af kalciumpumpen. Men én struktur er heldigvis ikke nok til at forstå hele transportmekanismen ved en pumpe, og strukturer af adskillige andre ionpumper skulle også stadig findes. Poul Nissen besluttede derfor at holde fast i sine planer.

"Når du laver røntgenkrystallografi, er du nødt til at tage mange forskellige snapshots for at forstå, hvordan tingene fungerer og for virkelig at forstå mekanismerne. En ionpumpe binder fx ioner på den ene side, transporterer dem igennem en membran og frigiver dem på den anden side. Bestemmelsen af strukturen af proteinet i hvert af de trin fortæller os, hvordan molekylet fungerer."

Heldigvis viste det sige, at Poul Nissen havde truffet den rigtige beslutning ved at fortsætte. I 2004 udgav han sine første artikler med nye strukturer af og ny indsigt i kalciumpumpen, bl.a. via to artikler i Science.

I 2005 modtog han et Hallas-Møller Investigator Fellowship fra Novo Nordisk Fonden på 5,2 mio. kr. Og i 2007 gjorde han rent bord sammen med sine kolleger og samarbejdspartnere. Med en forside og tre artikler i et enkelt nummer af Nature havde Poul Nissen effektivt sat Aarhus Universitet og dansk forskning på verdenskortet.

En af artiklerne viste en ny og afgørende struktur af kalciumpumpen, en anden strukturen af protonpumpen, og den tredje viste den første struktur af Na-K-pumpen - den pumpe, som den danske nobelpristager Jens Christian Skou - også fra Aarhus Universitet - havde beskrevet præcis 50 år tidligere.

"En bedre forståelse af pumper giver en bedre forståelse af, hvordan celler kontrollerer deres miljø, og hvordan de løser udfordringen med at opretholde høje og lave koncentrationer af forskellige ioner i og uden for cellen. At opretholde disse koncentrationsgradienter er helt afgørende for liv, da de driver transporten af stoffer gennem cellemembranen og til cellesignalsystemer."

I Skous fodspor

De tre Nature-artikler i 2007 markerede samtidig begyndelsen på en større forskningsindsats inden for biologiske membraner, da Poul Nissen tidligere på året var blevet direktør for Center for Membrane Pumps i Cells and Disease (PUMPkin Centre) - et videnscenter, der fik finansiering i 10 år af Danmarks Grundforskningsfond.

PUMPkin skulle undersøge funktionen og mekanismerne hos P-type ATPaser - membranproteinfamilien, der både omfatter de velkendte ion-pumper, men også andre celletransportsystemer fx af fedtsyrer.

Et særligt innovativt aspekt var indarbejdet i centrets DNA, da ny indsigt i mekanismer og funktioner af pumperne skulle omsættes til nye anvendelser inden for medicin, lægemiddelforskning og bioteknologi. Fordi pumperne er centrale for funktionen af celler, kan fx cancerceller bringes til at begå selvmord ved at påvirke funktionen af pumperne farmaceutisk. PUMPkin forskerne kunne, gennem viden om pumpens struktur og funktion, bedre forudsige, hvilke typer af stofferne der potentielt kan påvirke pumperne.

"Det allermest innovative ved PUMPkin var dog tværfagligheden. Vi havde eksperter i vigtige discipliner som strukturel biologi, biokemi, cellebiologi, elektrofysiologi og bioinformatik under samme tag. Det gjorde, at vi kunne belyse nye fund hurtigt og fra mange forskellige vinkler, så det var nemmere at afgøre, om vi kunne finde potentielle nye lægemidler. Eller om vores nye fund kunne skabe andre samfundsmæssige fordele."

I 2013 alene offentliggjorde PUMPkin-forskerne 31 peer-reviewed artikler - tre af dem i Nature, Nature Genetics og Science. Artiklerne varierede fra molekylær forskning i mutationer i Na-K-pumpen i adrenale tumorer til bestemmelsen af nye strukturer af Na-K-pumpen og kalciumpumpen.

Ind i sindet

Arbejdet med Na-K-pumpe-strukturerne og mekanismerne gav forskerne hidtil uset indblik i deres rolle i sundhed og sygdom i hjernen. Det gav også den nødvendige inspiration til Poul Nissens skridt henimod det næste store forskningscenter, the Danish Research Institute of Translational Neuroscience (DANDRITE), som Poul Nissen startede i 2013 sammen med kolleger ved Aarhus Universitet og Nordic-EMBL Partnership for Molecular Medicine finansieret via et åbent opslag fra Lundbeckfonden.

"Funktionen af pumper er afgørende for interaktionerne mellem neuroner i hjernen. Faktisk bruger hjernen omkring 40-70% af det samlede energiforbrug til at have ionpumperne kørende. Defekte pumper i hjerneceller kan medføre alvorlige neurologiske tilstande, som fx migræne, dystoni, epileptiske anfald og paralyse. Dette understreger, hvor dybt pumpefunktion er integreret i hjernens funktion. Hjernen var derfor det naturlige næste skridt i vores forskning."

DANDRITE fokuserer på, hvordan de molekylære mekanismer hænger sammen med cellulære netværk i hjernens kredsløb, og hvordan mekanismerne påvirkes ved sygdomme i hjernen. Forskerne håber, at den nye viden kan føre til udvikling af nye metoder til diagnose og behandling af hjernesygdomme.

"Hjernens funktion er afhængig af, om forskellige områder af hjernen kan løse opgaver og kommunikere sammen. Det styrer vores adfærd, og dette gigantiske netværk af celler bygger på den fælles interaktion af tusindvis af makromolekyler, fx membranproteiner. At forstå hvordan de arbejder sammen for at skabe avancerede funktioner - såsom fx vores samvittighed - er i mine øjne den næste store barriere, der skal overkommes af molekylærbiologien og den strukturelle biologi."

Videnskabens effekt

DANDRITE-centret følger EMBL-modellen, og fem unge gruppeledere fra førende laboratorier verden rundt i Basel, Cold Spring Harbour, San Diego, Wien og Stockholm er blevet rekrutteret til at etablere et banebrydende forskningsmiljø.

"EMBL-konceptet sikrer ikke kun banebrydende forskning, men er også med til at skabe morgendagens forskningsledere. Vi rekrutterer unge gruppeledere vel vidende, at de ikke vil eller kan blive hos DANDRITE for livet. De kan nemlig maksimalt blive i 9 år. Det betragtes derfor som en succes, når de får tilbudt stillinger som forskningsledere et andet sted. Et yderst vigtigt aspekt af forskningen er altså at uddanne nye generationer af forskere og forskningsledere."

Målet med EMBL-modellen er også at stimulere original og innovativ forskning. Dette er et aspekt af forskning, som Poul Nissen har fokuseret på gennem hele sin karriere, og det skal derfor også være et varemærke for DANDRITE.

"Jeg tror, at en af de bedste og mest stimulerende måder at uddanne nye generationer af forskere på er gennem grundforskning med åbne spørgsmål, der kræver kreativ tænkning. Samtidig er det vigtigt at opretholde en sund balance mellem grundforskning og anvendt forskning. Det er en stor fejl at tro, at alle unge forskere, der er uddannet til grundforskning, skal fortsætte med at lave grundforskning resten af livet. Langt fra endda."

Poul Nissen mener derfor, at den akademiske forskning har en meget vigtig rolle med at eksponere unge forskere for forskellige typer af forskning - nyskabende og langsigtede grundforskningsmål kombineret med anvendte forskningsmål. Anvendelser som udvikling af lægemidler, kliniske og industrielle samarbejder samt spin-out aktiviteter vil derfor også blive tilskyndet i DANDRITE. Poul Nissen er dog meget påpasselig med at forsøge at planlægge eller forudsige de mulige anvendelser.

"Det er jo indlysende, at folk i stenalderen ikke havde planlagt, at vi skulle køre elbiler og bo i huse med centralvarme. Den udvikling kom ud af en perlerække af uforudsigelige opdagelser - fulgt op af anvendt forskning. Dette er kraften i forskning, og det er derfor videnskab er så vigtig. Den vil altid åbne nye muligheder for os og hjælpe os med at opdage nye grænser."

Novo Nordisk Prisen 2017 blev d. 17. marts 2017 givet til professor Poul Nissen, Institut for Molekylærbiologi og Genetik - DANDRITE, Aarhus Universitet.

Poul Nissen
Professor
Poul Nissen has a background in crystallographic studies of translation factors and the ribosome. He became interested in P-type ATPases when he returned back to Denmark from his postdoctoral stay at Yale University where he worked on unraveling the structure and function of the ribosome in the laboratory of 2009 Nobel Prize laureate Thomas A. Steiz.