EN / DA
Miljø og bæredygtighed

Forskere kan endelig kontrollere cellemembraner

Forskere har fundet ud af, hvordan de meget nøjagtigt kan kontrollere, hvor flydende mikroorganismers cellemembraner er. Det betyder, at man en dag kan skabe nye organismer med brugerdefinerede egenskaber. Den nye viden hjælper også til bedre at forstå årsagen til en lang række sygdomme.

Cellemembranen ... Den er grundlaget for alt levende liv på Jorden. Det gælder både os mennesker og mikroorganismerne, for uden cellemembraner ville der ikke findes nogen celler overhovedet. Punktum. Cellemembranen holder på DNA’et, forhindrer cellens indre i at flyde ud i omgivelserne og udveksler alle mulige molekyler mellem cellen og omverdenen. Den er biologiens svar på en schweizerkniv.

Cellemembraner består af lipider, hvilket vil sige fedtstoffer, voks, steroler, fedtopløselige vitaminer og meget mere, og nu har forskere fundet ud af, hvordan de meget præcist kan manipulere med cellemembraner og styre, hvor flydende de er. Opdagelsen er revolutionerende og baner vejen for at manipulere sig frem til helt nye former for organismer med nye egenskaber samt at forstå forskellige sygdomme.

»Det giver os nogle helt nye muligheder for at manipulere med cellemembraner, så vi både kan studere dem nærmere og eksempelvis gøre mikroorganismer mere modstandsdygtige overfor varme, kulde eller tryk. Det har store perspektiver inden for blandt andet medicin og biokemisk syntese,« fortæller manden bag det nye studie, Jay Keasling, der er professor ved Keasling Lab på University of California, Berkeley og ved Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet.

Forskernes arbejde er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Science.

Cellemembraner er dynamiske

Selvom cellemembraner måske ser forholdsvis statiske ud med det blotte øje eller i hvert fald i et mikroskop, så er de det langtfra. Cellemembraner er i stedet meget dynamiske og ændrer konstant flydeevne, hvilket vil sige, hvor flydende og fleksible cellemembranerne er.

Når en celle eksempelvis skal vokse, er det vigtigt, at cellemembranen er meget flydende, så den kan strækkes og udvides. Når det er varmt, skal cellemembranen til gengæld ikke være for flydende, for ellers mister cellen hele sin struktur. Den vil være ligesom smør i varmt vejr. Omvendt skal cellemembranen heller ikke være for rigid, når det er koldt, for det gør cellen skrøbelig som en julekugle.

Til at kontrollere cellemembranens flydeevne er celler udstyret med genetiske og molekylære værktøjer til hele tiden at kunne ændre på sammensætningen af fedtsyrer i cellemembranen. Umættede fedtsyrer gør cellemembranen mere flydende, mens mættede fedtsyrer gør den mere rigid. Forholdet mellem de to former for fedtsyrer afgør flydeevnen.

Det er netop dette forhold mellem mættede og umættede fedtsyrer, som Jay Keasling med kollegaer har fundet ud af at kontrollere.

»Gennem årene har vi udviklet forskellige molekylære værktøjer, som gør os i stand til meget præcist at kontrollere forholdet mellem mættede og umættede fedtsyrer i cellemembraner. Det gør, at vi nu kan kontrollere, om eksempelvis en celle skal kunne vokse, eller hvor meget energi der kan passere gennem membranen,« forklarer Jay Keasling.

Manipulerede colibakterier til at lave flere umættede fedtsyrer

De værktøjer, som forskerne benytter sig af, består blandt andet af promotorer, som styrer udtrykket af de gener, der koder for enzymer til fremstilling af de fedtsyrer, de skal producere.

I deres forsøg genmanipulerede forskerne indledningsvis colibakterier og gærceller til at have en produktion af umættede fedtsyrer, som var under kontrol af en arabinose-promoter. Det vil sige, at når forskerne gav colibakterierne arabinose, som er et simpelt sukkerstof, satte bakterierne produktionen af umættede fedtsyrer i vejret.

På den måde havde forskerne hele tiden kontrol over forholdet mellem mættede og umættede fedtsyrer i colibakteriernes cellemembraner. Det er blot ét af de værktøjer, som forskerne benytter sig af.

»I det system, vi har lavet, kan man tænde eller slukke L-arabinose-produktionen af umættede fedtsyrer, så det fungerer ligesom en lyskontakt. Enten er den tændt eller slukket. Vi har til gengæld lavet en slags justerbar lyskontakt, så vi kan skrue op og ned for lyset, om du vil,« siger Jay Keasling.

Giver større indsigt i sygdomme

Da forskerne nu kan kontrollere cellemembraners flydeevne, skal værktøjerne benyttes til både at studere og manipulere.

For det første kan forskellige sygdomme kobles til ændringer i cellemembraners flydeevne. Det gælder blandt andet diabetes, hvor mange forskere mener, at en fedtholdig kost ændrer på sammensætningen af fedtsyrer i cellemembranerne og dermed ændrer på sukkeroptaget, insulin-signaleringen osv. En anden sygdom, som forskere kobler til ændringer i cellemembranernes flydeevne, er Huntingtons Sygdom.

Ved at kunne manipulere med cellemembraners flydeevne kan forskerne nu meget lettere studere, hvordan ændringer i flydeevnen muligvis kan være koblet til udviklingen af sygdommene.

Det gælder også andre folkesygdomme:

»Kolesterol sidder ligeledes i cellemembranen, og ved at være i stand til at manipulere med cellemembranen kan vi bedre studere, hvordan vi muligvis kan gøre noget ved de problemer med forhøjet kolesteroltal, som mange mennesker lider af,« siger Jay Keasling.

Kan lave bakterier til kemikalieindustrien

For det andet kan forskerne også begynde at manipulere nye egenskaber frem i mikroorganismer.

Blandt andet kan de ved at ændre på cellemembranens flydeevne designe mikroorganismer, som er modstandsdygtige over for kulde, varme eller tryk.

Mange virksomheder benytter sig af biokemisk syntese til at lave alt fra kemikalier til medicin, og de står tit over for problemet, at de celler - ofte colibakterier - som de gerne vil benytte i deres synteser, ikke kan tåle de temperaturer eller det tryk, som bedst egner sig til produktionen af de ønskede stoffer eller kemikalier.

»Vores opdagelse bringer os meget tættere på at kunne lave celler, som er specialdesignet til kemisk syntese. Man kan også forestille sig, at vi kan lave membraner med egenskaber, der gør, at man kan rense drikkevand. Der er mange store perspektiver i den her opdagelse,« fortæller Jay Keasling.

Artiklen ”Viscous control of cellular respiration by membrane lipid composition” er udgivet i tidsskriftet Science. Jay D. Keasling er professor ved Keasling Lab på University of California, Berkeley og ved Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet.

Jay D. Keasling
Professor
Biology is one of the most exciting areas of science and engineering because of its potential to solve a variety of global challenges. The Keasling Lab at the University of California, Berkeley and Lawrence Berkeley National Laboratory is an interdisciplinary team of scientists and engineers who focus on engineering the chemistry inside microbial cells to produce life-saving therapies, clean-burning fuels, and new materials for a variety of applications. We develop metabolic pathways to produce these valuable molecules, engineer genetic systems to control those pathways, develop technologies to make engineering biology easier, and explore fundamental questions in biochemistry and microbial biology.