EN / DA
Sygdom og behandling

Den biologiske spåmand

Vores liv synes at være styret af tilfældigheder: Hvor vi bliver født; hvad vi kommer til at lave; hvem vi møder; hvordan vi dør. Novozymes-prisvinderen Gunnar von Heijne har viet sit liv til at bringe orden i det kaos, som livet hele tiden skaber. Han er blevet ekspert i at forudsige, hvordan livet udfolder sig - og måske nærmest hvordan det folder. Von Heijne er nemlig en pioner inden for udvikling af biologiske forudsigelsesmetoder.

Proteiner er livets byggesten. De fleste proteiner folder korrekt - men folder de forkert, kan alvorlige sygdomme udvikle sig. Derfor er det afgørende for at forstå livet, at man forstår, hvordan proteiner foldes og transporteres til den rigtige destination inde i cellerne. En essentiel del af cellernes proteiner findes i cellemembranerne, hvor de fungerer som ionkanaler, pumper og receptorer og dermed sikrer, at cellerne får de rigtige signaler udefra og bevarer et bæredygtigt på inde i cellen.

"Omkring halvdelen af de medicinske stoffer, man kan købe på et apotek, er rettet mod membranproteiner. Af det totale antal proteiner er måske 30 % membranproteiner, men mere end 50 % af lægemidler er rettet mod membranproteiner. Så de er utrolig vigtige," forklarer professor Gunnar von Heijne fra Stockholms universitet, der til daglig er direktør på SciLifeLab National Cryo-EM Facility.

En kryptokemiker

Gunnar von Heijnes meget teoretiske tilgang i en ofte yderst eksperimentelt orienteret biologisk forskerverden har skabt store revolutioner, men hvorfor denne karrierevej? Et tilfælde, hævder han. Hans interesse for videnskab opstod meget tidligt. Han voksede op i 1960'erne - videnskabens og teknologiens gyldne dage - med et rumkapløb og computere, der begynder at blive udviklet. Meget sker i videnskaben, og de fleste mennesker er begejstrede for videnskab og teknologi.

"Jeg husker, at jeg fik et par bøget til jul: Den ene var en populærvidenskabelig bog om matematik, og jeg kan stadig huske et billede af en fransk matematiker, der lå på en sofa i sit kontor og kiggede op i loftet og tænkte dybe tanker om matematik. Det må have gjort indtryk på mig. Jeg må have tænkt, at det er sådan, jeg vil bruge mit liv."

Han fik også en anden julegave om raketter og rummet, men det var billedet af den liggende matematiker, der udløste hans interesse for videnskab. Den interesse fik hans kemilærer på gymnasiet til at give von Heijne mulighed for at deltage i Berzelius Days, som er en årlig begivenhed, men de farverige eksperimenter tændte ham ikke.

”Det eneste, jeg kan huske fra arrangementet, var et hæfte om kvantekemi – virkelig teoretisk kemi – som jeg ikke havde været udsat for i gymnasiet, og jeg kan huske, at jeg syntes, det var virkelig cool, at man kunne beregne ting om molekyler. Jeg følte mig tiltrukket af de teoretiske aspekter fra begyndelsen, men jeg havde en bedre kemilærer. Så jeg var slags en kryptokemiker."

Helt skør

Selvom den teoretiske fysik fascinerede von Heijne, fik den inspirerende lærer ham til at vælge de mere praktiske kemistudier ved Royal Institute of Technology i Stockholm. Men da han skulle vælge et emne til sit specialeprojekt, bad han sin lærer Stig Ljunggren om råd, og så ville skæbnen, at denne kemiker havde en fysiker skjult indeni:

"Jeg har lavet mikrobølgespektroskopi hele mit liv, men det kan du kun gøre på meget simple molekyler, og vi har allerede målt på alle de molekyler, du kan måle det på. Så der er ingen fremtid i det. Så kom ikke til mig for at lave dit speciale. Der, hvor det virkelig sker, er hos de teoretiske fysikere, så kontakt fysikafdelingen, og se om de skulle have noget, du kan lave," rådede læreren.

De teoretiske fysikere havde til gengæld ikke stor interesse for kemi. Heldigvis var en ung professor med en vis interesse for ’kemi eller biologi eller noget’ lige blevet ansat. Clas Blomberg blev senere også von Heijnes ph.d.-vejleder, men Blomberg ville ikke fortælle von Heijne, hvilket projekt han skulle vælge.

"Han sagde: ’Du er nødt til at finde dit eget projekt at arbejde på’. I dag kan det virke helt vanvittigt, at man bare beder en ph.d.-studerende gøre det, men sådan var det i den afdeling, og for mig var det godt, fordi vi var et par ph.d.-studerende i den gruppe, og vi snakkede om mulige projekter, læste artikler og snakkede: ’Måske kan vi beregne det her, eller måske kan vi lave en model af det her'."

Spottet af en nobelpristager

Inspirationen til, hvad der skulle blive Gunnar von Heijnes livslange interesse, kom også ved lidt af et tilfælde. Han havde en meget god fransklærer på gymnasiet, og fordi han kunne lide fransk, gik han på aftenskole under sine ph.d.-studier, og så abonnerede på et populært fransk videnskabsmagasin: La Recherche.

"En dag læste jeg en lille artikel om den såkaldte signalhypotese. Der var en lille tegneserie, men den gav ikke mening for mig, fordi der var nogle underlige interaktioner mellem et protein og en membran, som jeg tænkte ikke kunne være rigtig. Så jeg fandt den originale artikel og læste lidt mere og indså, at her var noget, som jeg måske kunne lave en simpel teoretisk model af."

Den lille tegneserie var fra en artikel, der nu er meget berømt, og det førte senere til, at Günter Blobel vandt en Nobelpris. I artiklen løftede Günter Blobel og Bernhard Dobberstein det første af sløret for, hvordan proteiner udskilles fra en celle. Det viste sig, at von Heijne blev den første til at prøve at modellere dette, så Günter Blobel inviterede von Heijne til at præsentere sin model på et møde i USA.

"Alle var der. Det var her, forskningsfeltet startede, og folkene dér var alle unge forskere, der prægede feltet de næste 20 år. Jeg havde aldrig oplevet noget lignende. Alle havde 10-15 minutter til at præsentere. Det var superintenst og superspændende og så krydret ned den amerikanske måde at skabe spænding på. Det åbnede for en helt ny verden for mig."

Stort inden for farmaindustrien

Teorien på det tidspunkt var, at de proteiner, der skal ud af cellen, alle starter med en kort sekvens på 20-25 aminosyrer, som virker som en slags adresselabel og således fortæller cellen, hvis proteinet for eksempel skal sendes ud af cellen. Efter mødet i USA forsøgte von Heijne at forbedre sine modeller, men kunne ikke lave nogen eksperimenter, så han følte, han sad fast.

"Igen var jeg heldig. Folk begyndte at bestemme DNA-sekvenser, og jeg fik den tanke, at jeg måske kunne samle sekvenser og sammenligne dem, og se om de havde noget til fælles, der kunne definere, hvordan en molekylær adresselabel ser ud. Så jeg indsamlede måske 20-30 af disse sekvenser og sammenlignede dem."

Hvad der opstod, var et kanonisk design af den lille adresselabel – et såkaldt signalpeptid – der findes i begyndelsen af disse proteiner, som fortæller, om proteinet skal sendes ud af cellen.

"Hvis du talte fra spaltningsstedet fra den side, hvor peptidet spaltes fra proteinet, viste det sig, at de aminosyrer, der fandtes henholdsvis 1 og 3 positioner fra spaltningsstedet, altid var små aminosyrer. "

Sammen med Henrik Nielsen og Søren Brunak ved Danmarks Tekniske Universitet udviklede von Heijne avancerede forudsigelsesmetoder, der ikke kun forudsagde spaltningsstederne, men hele signalpeptid-sekvensen.

I dag har alle de store bioteknologiske og farmaceutiske virksomheder bygget disse værktøjer ind i deres egne sekvensanalyse-pipeline. Den nye viden blev derfor afgørende for at kunne producere proteinbaserede medicinske produkter ved anvendelse af mikroorganismer i stor skala.

Positiv på indersiden

Det næste skridt var naturligt for teoretikeren von Heijne. Mens han kiggede på den første del af proteiner, signalpeptiderne, lagde han naturligvis også mærke til resten af proteinet. Og mange proteiner, der har signalpeptider, er membranproteiner, da signalet målretter dem til cellemembranen.

"I stedet for at blive udskilt over membranen bliver segmenter af proteinet sat ind i membranen. Ved blot at se lidt udover signalsekvensen på andre dele af proteinet begyndte jeg at se, at membranproteiner har sekvenser af meget apolære hydrofobe aminosyrer, som til sidst ender med at ligge inde i selve membranen."

Disse sekvenser folder sig som helixer inde i den dobbeltlagede membran. Men mellem helix-segmenterne har proteinerne sekvenser, der skaber bøjninger i proteinstrukturen, så den næste dobbelthelix også kan gå gennem membranen. Disse bøjninger finder sted enten udenfor eller inde i cellen, og von Heijnes modelleringsevne førte hans næste fund direkte ind i biokemiske lærebøger.

"Jeg tror, jeg oprindeligt kiggede på 10-15 proteiner. Men selv med det lille antal var det nemt at se, at de indvendige bøjninger havde en meget forskellig aminosyresammensætning end de udvendige. Det, der især er forskelligt, er, at der findes mange flere positivt ladede aminosyrer i de indvendige bøjninger. Så blev det kendt som ’the positive-inside-rule’."

Gunnar von Heijnes positive-inside-rule beskrev for første gang, hvilken vej et protein ville vende, når det blev indlejret i en membran, altså hvilke dele vendte ind i, og hvilke dele der vendte ud for cellen. Ligesom signalpeptid-forudsigelserne viste denne regel sig at have stor effekt, da det gjorde det muligt for både videnskab og industri at forudse strukturen af membranproteiner, så de kunne konstruere nye.

En annonce på en væg

Gunnar von Heijnes karriere tog nu en ny og uventet drejning. I 1995 tilbragte von Heijne og hans kone en vinter i Los Angeles ved at besøge Bill Wickners laboratorium ved UCLA, mens deres børn stadig var små nok til, at de sagtens kunne tage til udlandet, uden at det gik udover skolegangen.

"Da jeg kom anstigende med min bærbare computer, så han lidt forsigtigt på mig og foreslog så, at jeg gjorde noget anderledes til en forandring. Han foreslog derfor, at jeg skulle prøve at gå i laboratoriet. Jeg besluttede derfor at afprøve effekten af positivt ladede aminosyrer til membranproteiners struktur."

Eksperimenterne viste, at von Heijne kunne vende op og ned på membranproteiner blot ved at flytte rundt på de positivt ladede aminosyrer. Endnu vigtigere flyttede denne oplevelse von Heijnes forskning i en retning, som ingen kunne have forventet bare seks måneder tidligere: Han blev eksperimentalist. Turen bragte ham endnu et heldigt tilfælde.

"Under et gruppemøde i Bill Wickners laboratorium kiggede jeg på væggen og så der en lille annonce fra Henrik Garoff, som lige var blevet professor i molekylærbiologi ved Karolinska Institutet i Stockholm. Han annoncerede efter forskere til sin afdeling. Jeg tænkte: ’Det er måske min chance’."

Indvendigt ude - udenfor inde

Gunnar von Heijne sendte en fax til Henrik Garoff og spurgte, om der var nogen chance for, at han kunne lave nogle eksperimenter i hans afdeling. Næste dag fik han en fax: "Hvornår vil du komme?" Hurtigt derefter flyttede von Heijne til Karolinska Institutet og begyndte straks at oprette et laboratorium.

"Det var måske den heldigste begivenhed i hele min karriere. Det er dejligt at lave teori, og det er dejligt at lave forudsigelser, og du kan finde ud af ting med teoretiske studier, men det er endnu mere fantastisk at se, at tingene fungerer i den virkelige verden, og at kunne designe et eksperiment og se, at systemet opfører sig, som du troede, det ville opføre sig. Eller måske endnu mere interessant: Hvis det ikke opfører sig, som du troede, det ville opføre sig."

På Karolinska lavede von Heijne masser af eksperimenter for at bestemme detaljerne omkring positive-inside-rule og for at forstå, hvordan samspillet mellem hydrofobe og ladede regioner påvirker foldningen af membranproteiner. Nogle år senere blev han professor ved Stockholms Universitet, og straks efter faldt han over et andet meget interessant aspekt af membranproteiner.

"Normalt ville man tro, at en del altid vender udad, mens en anden del altid vender ind i cellen, da den udvendige del har en anden funktion end den indvendige del. Men vi fandt en klasse af membranproteiner, der kan sætte sig ind i membranen, både den ene og den anden. Hvordan kan og hvorfor vil naturen designe et sådant protein?"

I første omgang troede von Heijne, at proteiner var en undtagelse, men i en række banebrydende artikler viste han, at ’dual topologi’-proteiner faktisk er meget almindelige og især blandt proteiner, der transporterer små molekyler frem og tilbage over membranen. For eksempel bruger celler den transportmekanisme til at neutralisere virkningen af giftige stoffer.

Det perfekte system

Gunnar von Heijnes blanding af teori og eksperimenter har vist sig at være potent og har løst langvarige videnskabelige gåder og sat nye standarder på området. På et møde ved University of Illinois Urbana-Champaign fulgtes von Heijne tilbage til hotellet med sin kollega Steve White.

"Han havde udviklet en ny hydrofobicitetsskala for aminosyrer, hvor de blev sat i rækkefølge efter deres tendens til at være inde i membranen i forhold til at være i vandfasen uden for membranen. Det, han havde brug for, var en måde at kunne måle inde i cellen på i stedet for i et reagensglas med oprensede proteiner. "

Da White forklarede det, gik det op von Heijne, at de allerede havde det perfekte system. Dette skabte et langvarigt samarbejde mellem de to med at konstruere en ny biologisk hydrofobicitetsskala.

"Det har givet kemikere uvurderlig indsigt i, hvad der kræves for at få en sekvens af aminosyrer indsat i en membran – viden, der er enormt vigtig i udformningen af nye enzymer til bioteknologiske og biomedicinske formål."

Biologiske kraftmålere

Imidlertid ændrede von Heijne endnu en gang – ved en tilfældighed – sit fokus og begyndte at arbejde med opløselige proteiner. Han læste et artikel fra en forskergruppe i Kyoto, ledet af Koreaki Ito. Artiklen beskrev korte sekvenser af protein, der har en exceptionel evne til at klæbe sig til tunnelen af protein-produktionsenheden – ribosomet.

"De her peptider passer ind i de små lommer i tunnelen, og de klæber til tunnelvæggene og forhindrer dermed, at proteinkæden kan forlænges. Oversættelsen af proteinet stopper derved. Derfor kaldes de ’arrest peptides’. Forskere har dog gættet på, at de her ’arrest peptides’ kan trækkes ud af ribosomet af eksterne kræfter, så proteinsyntesen alligevel kan fortsætte."

Gunnar von Heijnes idé var derfor at bruge disse ’arrest peptides’ som kraftmålere, der kan placeres inde i et protein, som kan måle de kræfter, der virker på proteinkæden, på et givet tidspunkt, når stoppet sker. Når den eksterne kraft på de voksende proteiner bliver tilstrækkelig stor, vil ’arrest peptides’ løsrive sig, og så kan syntesen fortsætte.

"Og det virker. Hvis du sætter et lille ’arrest peptide’ ind i et protein, kan du måle direkte på foldningsprocessen. Så nu har vi et kraftmåle-apparat, vi kan sætte ind i ethvert protein, så vi kan se på de kræfter, der virker inde i cellen på proteiner, mens de kommer ud af ribosomet."

Uden nogen særlig grund

Gunnar von Heijnes rejse fra teoretisk fysik til eksperimentel cellebiologi har skubbet hele det biologiske forskningsfelt frem mod mere fysisk tænkning og mere rationelt designede eksperimenter, som kan give ny vigtig information om ellers meget komplekse systemer.

"Jeg tror, jeg var heldig, for dengang var der ikke mange, der kom med min type baggrund, så der var meget lidt konkurrence. Ingen andre var skøre nok til at lave de her teoretiske ting, når de kunne arbejde i laboratoriet. Men molekylær cellebiologi er et så rigt felt, at det er en god ting også at løse de mere grundlæggende spørgsmål."

Ifølge von Heijne er livet kaotisk, og livshændelser sker meget ofte ved en tilfældighed og skubber én i den ene eller anden retning. Og man vælger tilsyneladende at gå den ene vej frem for den anden uden nogen særlig grund.

"Videnskaben forsøger jo på en måde at tage kontrol over vores liv og forstå nok til, at man kan forudsige og kontrollere alt, hvad der vil ske. På den måde er der noget særligt modsætningsfuldt ved at være biologisk spåmand og samtidig være et levende væsen med alt det kaos og de tilfældigheder, der dagligt omgiver os."

Selvom von Heijne har brugt hele sin karriere på at lave forudsigelser, havde han alligevel ikke forudsagt, at han ville modtage Novozymes Prisen. Han vidste imidlertid fra sine mange år som formand for og sekretær for Nobelpriskomiteen for Kemi, at prismodtagere ofte bliver overraskede, når de får den gode nyhed.

"Typisk udløser nyheden en af tre reaktioner. Nogle tror, det er en ”practical joke”, og det tager et stykke tid at overbevise dem. Andre igen tænker mener nok, at det sandelig var på tide, at de fik prisen, og siger: ’Ok, tak’. Endelig er den tredje gruppe og største gruppe. De bliver bare forbavsede og helt stille ved tanken om, at deres kolleger vil ære dem på denne måde. Jeg tilhører denne sidste gruppe og er dybt bevæget over, at forskere uden for mit felt har fundet mig værdig til at modtage prisen."

Novozymes Prisen 2017 blev fredag d. 16. marts 2018 uddelt til professor Gunnar von Heijne fra Stockholms universitet, der til daglig er direktør ved SciLifeLab National Cryo-EM Facility.