Forskere har udviklet en ny teknik til at aktivere inaktive gener i mikroorganismer, hvilket kan skabe nye potentielle nye lægemidler. Den opdagelse begejstrer forskere så meget, at de sammenligner deres arbejde med en veritabel skattejagt efter de kemiske våben, som mikroberne har udviklet gennem milliarder af år. Traditionelle metoder er nemlig mislykkedes med at afsløre de skjulte forbindelser, men teamet bruger en simpel gas nitrogenoxid til at vække de stille gener til live og afsløre nye kemiske strukturer. Resultaterne tyder på, at gennembruddet kan føre til nye behandlinger for mennesker med forskellige sygdomme og tilstande, hvorfor metoden også revitaliserer videnskaben omkring naturprodukters anvendelser.
Lægemiddelopdagelse lyder som noget, der sker ved et laboratoriebord. Selvom det involverer en del pipettering, starter rejsen ofte ikke i en petriskål, men i baghaver, vulkankratere og åbninger til hydrotermiske kilder.
Rob Capon er professor ved University of Queensland i Brisbane, Australien og tilknyttet Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability på Danmarks Tekniske Universitet. Han er en kemiker og søger det næste blockbuster-lægemiddel – men han er egentlig mere en mikrobe-skattejæger.
"Mikroorganismer kan ikke bide hinanden, og de bærer ikke skaller, de kan gemme sig i – så de har tendens til at kæmpe med omgivelsernes kemi," forklarer Capon. "De indeholder en milliard års kemisk krigsførelse," og i nogle tilfælde kan de kemiske våben løse menneskelige problemer, fra sygdom til skadedyrsbekæmpelse.
Nu har en ny opdagelse fået Capon til at gennemgå alle sine gamle fund for at tjekke for overset skatte. Forskerne har nemlig udviklet en teknik til at aktivere stille genklynger i mikrosvampe og andre mikrober. Deres resultater, offentliggjort i Journal of Natural Products, viser, at teknikken kan afsløre nye kemiske strukturer, der kunne have medicinske anvendelser.
Lavthængende frugter og hemmelige våben
Guldfeberen inden for naturprodukter videnskab varede fra omkring 1950'erne til 1980'erne, forklarer Capon – "Jeg plejer at sammenligne det med at gå ind i et nyt guldrigt område og samle klumper op fra bækken. Du behøvede ikke en skovl, du behøvede ikke at vende noget jord. Det var alle de lavthængende frugter, som man fandt."
Den boomperiode gav utallige mediciner og produkter, vi er afhængige af i dag: spinosad, et organisk pesticid til afgrøder, blev isoleret fra sukkerrør i 1985. Ivermectin, det antiparasitiske middel, blev fundet i jord uden for en golfbane i Japan i begyndelsen af 1970'erne. Svampebekæmpelsesmidler dukkede op overalt; og endda statiner, en af de mest ordinerede lægemidler i verden, blev fundet i en blå-grøn mug i en risbutik i Kyoto.
De dage er ovre, fortæller Capon, og nu skal kemikere inden for naturprodukter udføre seriøs sortering for at finde endnu uopdagede mikrober med potentielle anvendelser. Det består blandt andet i at opsamle ekstremofile bakterier, der lever ved hydrotermiske ventilationsåbninger på havets bund eller tage prøver fra kryptiske regnskovsdyr.
Men at finde de usædvanlige mikrober er ikke nok. Man skal nu også overbevise dem om at afsløre deres hemmelige våben.
I begyndelsen af 2000'erne, da sekventering af en mikrobers helgenomer blev billigt nok, "blev det tydeligt, at der er en hel masse ekstra genklynger derinde, som ikke under standard laboratoriebetingelser producerede de molekylerne, som de kodede for," forklarer Capon. "Mikrober kunne lave fem forskellige typer kemi, og de har hele 25 forskellige typer biospecifikke genklynger. Hvorfor i alverden det?"
Gennem milliarder af år har mikrober udviklet et arsenal af kemiske våben, gemt i deres genom – men de bruger kun disse våben, når det er nødvendigt. Genetikere har forsøgt at kopiere og indsætte disse normalt stille genklynger i andre systemer for at aktivere dem, men Capon siger, at den strategi generelt kun fører til målrettet produktion af de molekyler i meget små mængder.
I stedet, som en traditionel kemiker, foretrak Capon at "få mikroberne, der oprindeligt tilegnede sig færdigheden, og overbevise dem om at tænde den for genklyngerne igen - for min skyld."
En nøgle i en lås
Capons nuværende forskningsretning startede med en tur til stranden.
En kandidatstuderende i Capons laboratorium overbeviste sin mentor om at lade ham tage med en anden gruppes feltekskursion til Heron Island i den sydlige del af Great Barrier Reef og lovede at samle jordprøver fra fjerne strande.
Den studerende kom hjem med solbrændt og nogle ikke så imponerende videnskabelige prøver. "Det var som de magiske bønner fra Jack og Bønnestagen," husker Capon. "Jeg betalte 2.000 USD, og han gav mig tre små poser med sand? For Guds skyld!"
"Sandheden var dog, at de tre poser med sand viste sig at være ekstremt værdifuld," siger Capon. Forskerne fandt inden i dem to mikroorganismer låst i en ældgammel kamp, der kom til inspirere mere end et årtis forskning.
Hver for sig havde de to mikrober, en bakterie og en svamp, kedelig kemi. Men sætter man dem sammen, så petriskålen eksploderede i lysende rødt.
Grundigere undersøgelse afslørede, at "svampen producerede et meget svagt antibakterielt stof – et ubrugeligt lille molekyle, der knap kunne dræbe bakterier, men nok til at irritere dem." Som svar begyndte den irriterede bakterie at forstærke sine egne kemiske forsvar ved at producere kvælstofoxid, en forbindelse der påvirkede udtrykket af dens antifungale gener.
Men til forskernes overraskelse syntes kvælstofoxidet også at fungere som en nøgle i en lås for svampen. "Svampen lukkede ned for biosyntesen af alt undtagen dens antibakterielle stof," siger Capon.
"Vi lærte gennem hele denne undersøgelse, at kvælstofoxid var en uventet spiller i styringen af nogle af disse ellers usynlige biosyntetiske genklynger," hsuker Capon. Capon og hans team kunne ikke lade være med at spekulere på – kunne kvælstofoxid virke for andre mikrober?
Panorering efter bioaktivt guld
I løbet af de næste flere år udviklede Capon og kolleger en teknik kaldet "nitric oxide-mediated transcriptional activation" (NOMETA) for at tvinge mikrober til at afsløre deres skjulte våben.
"Du har måske set gamle sort-hvide film, hvor nogen har et hjertetilfælde," siger Capon. De griber sig til brystet, "griber efter en pille, stikker den under tungen og føler sig pludselig bedre." Denne "gammeldags medicin der rammer angina pectoris ", består af nitroglycerin, og virker også ved at frigive kvælstofoxid. "Dette stof er så billigt, så det var det vi brugte til at påvirke kulturerne."
I 2019 havde forskerne bekræftet, at kvælstofoxid "tænder produktionen af kemi i en hel del svampe og bakterier."
Men for at søge efter nyt guld indenfor lægemidler, havde de brug for volumen. De måtte genbesøge tusindvis af gamle prøver med kvælstofoxiden og derefter omhyggeligt katalogisere hver forbindelse, mikroberne producerede, for at tjekke for nye hots.
Capon fortæller, at denne kraftpræstation kun var mulig på grund af Global Natural Products Social Molecular Networking-platformen, et system der gør det muligt for forskere at uploade massespektrometridata og sammenligne aflæsningerne med en enorm database af kendte forbindelser.
"De bruger meget smarte algoritmer og dataanalyse og visualisering, sådan at vi i dag, med i løbet af 3 min på et rutinemæssigt tilgængeligt instrument, kan kortlægge hele metabolomet - alle de små-molekylære kemikalier, i en mikrokultur," forklarer Capon. "Vi kan gøre dette på en brøkdel af et mikrogram materiale – meget hurtigt, meget billigt, meget sikkert."
"Men ude i felten var vi nødt til at finde ud af, hvordan vi dyrke mikrober i helt lille skala," siger Capon. Capon og hans team udviklede en speciel opsætning, der gjorde det muligt for dem at teste mikrober fra felten i ekstraordinær små volumen. "Vi kunne lave 1000 forskellige kulturer i et rum, der normalt kun ville være stort nok til måske et dusin."
Uindbudte middagsgæster og kulstofskelletter
Med det nye NOMETA system færdigudviklet besluttede Capon og hans team at sætte det på prøve. Men denne gang testede de ikke nogen eksotiske prøver – for Capon kunne de nye mikrober faktisk ikke være tættere på hjemmet.
"En termitrede spiste store dele af mit hus" i Pullenvale, Queensland, forklarer Capon. "Det gav mig en masse ærgrelser." Da han først opdagede de uindbudte middagsgæster, "var deres rede omkring en halv meter høj – en mudret slags høj, som beton. "Jeg borede et hul i toppen og hældte Terminal, en termitdræber, ned i."
Efter omkring et års husreparationer kom Capon i tanke om termitspøgelsesbyen og besluttede sig for at "åbne den," fortæller han. Hans belønning var en farverig blanding af fnug, tråde og bulede klumper – et rigt økosystem af ukendte svampe. "Jeg satte det i en stor spand og tog det med til laboratoriet."
Ved hjælp af NOMETA og Global Natural Products Social Molecular Networking fokuserede forskerne på en mikrobe, der syntes at være årsag til usædvanlig kemi i tilstedeværelse af kvælstofoxid – et sæt af fire forbindelser, Capons team døbte dem pullenvalener til ære for den delvist ødelagte forstad, hvor svampene blev opdaget.
Pullenvalenerne er karakteriseret ved et triterpen-kulstofskelet, en hidtil ukendt naturlig stofgruppe med endnu uopdagede egenskaber, når det virker i et biologisk system.
"Når vi isolerer et molekyle fra en mikrobe, er det slutresultatet af en evolutionær proces, der har designet proteiner, samlet dem i produktionslinjer og skabt et genetisk element, der er blevet bevaret i evigheder," forklarer Capon. "Det er klart, at hvis det kun er hvis evnen til at lave den her type kemi har været vigtig, at mikroberne har holdt fast ved det så længe."
Anvendelser og kemiske rum
Når de støder på en ny kemi i naturen, kører Capon og hans team gennem en standardrække af tests for at tjekke for superkræfter. De nye forbindelser testes mod menneskelige kræftceller og antibiotika-resistente bakteriestammer.
Forskerne så i første omgang, at pullenvalenerne ikke viste interessant aktivitet mod disse mål. Men et negativt resultat på de første test betyder ikke nødvendigvis enden for en unik kemisk forbindelse.
"Selvom vi måske ikke ved, hvad det biologiske formål med nogle af disse molekyler er, afspejler det blot vores mangel på forståelse - ikke mangel på værdi," siger Capon.
"Nutildags bruger vi mere avancerede assays, hvor vi ikke er interesserede i selektiv cytotoksicitet," eller at dræbe nogle celler, mens vi sparer andre, forklarer Capon. "Vi prøver at kontrollere Alzheimers sygdom, vi prøver at kontrollere inflammation. Vi leder efter bedre smertestillende midler."
I øjeblikket har Capon og hans team flere jern i ilden – et projekt søger naturlige produkter til at hjælpe med at kontrollere husdyrparasitter og udrydde hjerteorm hos katte og hunde. "Vi har også lige startet et selskab for at udvikle et nyt antiinflammatorisk middel til irritabel tarm fra en menneskelig tarmmikrobe isoleret fra raske folks afføring," fortæller han.
"Jo mere du forstår om den kemi, som naturen har anset for værdifuld, jo mere har du en anelse om de kemiske rum, hvor du kan søge efter de her molekyler," forklarer Capon. Ellers "vi slår bare atomer sammen og krydser så fingre for, at de bliver bioaktive."
