Forskere har udviklet en mikroskopiteknik til at studere strukturen af de sukkermolekyler, der sidder på for eksempel proteiner eller andre biologiske molekyler. Muligheden for at studere sukkermolekylerne kan gøre forskere klogere på blandt andet sygdomme og hvordan man bedst kan behandle dem.
Biologiske systemer er en rodebutik af tusindvis af forskellige molekyler, der kommer i tusindvis af forskellige varianter.
To proteiner kan, som eksempel, se meget ens ud, men alligevel have forskellig funktion, fordi der på dem sidder forskellige sukkermolekyler, som modificerer effekten af proteinerne.
Det vil sige, at sukkermolekylerne i sig selv har stor betydning for biologiske processer, såsom signalveje og cellulær kommunikation, men det har indtil nu ikke været muligt for forskere at studere strukturen af sukkermolekylerne enkeltvis og derfor heller ikke at blive klogere på, hvordan ét sukkermolekyle, for eksempel, giver et protein én funktion, mens et andet sukkermolekyle giver proteinet en anden funktion.
Alt det bliver der dog rådet bod på nu, idet forskere har udviklet en mikroskopiteknik til at studere strukturen af enkelte sukkermolekyler på en bred vifte af biologiske molekyler.
Med teknikken kan forskere nærstudere sukkermolekylerne og også blive klogere på, hvordan de spiller ind i sundhed og sygdom.
”For at få en tilbundsgående forståelse af funktionen af biologiske molekyler er vi nødt til at kunne kortlægge den variation, som findes på det molekylære niveau og som er med til at bestemme de biologiske molekylers egenskaber og funktion. Ved hjælp af en tværfaglig tilgang har vi nu gjort det muligt at studere sukkermolekyler på proteiner og andre biologiske molekyler med meget høj præcision på enkelt-atom-niveau,” fortæller en af forskerne bag udviklingen af mikroskopiteknikken, seniorforsker Kelvin Anggara fra Max Planck Institute for Solid State Research.
Forskningen vedrørende teknikken er offentliggjort i Science.
Sukkermolekyler har stor biologisk indflydelse
At det overhovedet er interessant at studere sukkermolekyler på proteiner skyldes, at de er involveret i næsten alle biologiske processer.
Tænk, som eksempel, på to celler, der støder ind i hinanden.
Cellerne har ingen øjne eller ører, så den eneste måde, de kan finde ud af, om de er hinandens venner eller fjender, er ved at molekyler på overfladen af cellerne interagerer.
Disse molekyler involverer blandt andet proteiner, og på disse proteiner sidder forskellige sukkermolekyler, som gør det muligt for cellerne at genkende hinanden.
Blandt andet derfor går immunforsvaret ikke til angreb på kroppens egne celler, mens det hamrer løs på bakterier.
Problemet for forskere har længe været, at det er meget svært at studere strukturen af sukkermolekylerne på proteiner.
Analyserer man, som eksempel, en biologisk prøve, vil der i den være millioner og atter af millioner af sukkermolekyler, og det gør det næsten umuligt at finde ud af, hvordan det enkelte sukkermolekyle ser ud.
”Feltet har længe kæmpet med at blive klogere på betydningen af variationen i sukkermolekylerne, fordi de ikke har haft teknikken til at studere de enkelte sukkermolekyler hver for sig og kortlægge strukturen af dem,” forklarer Kelvin Anggara.
Mikroskop fungerer ved minus 262 grader Celsius
For at komme omkring problemet udviklede forskerne en metode til at studere sukkermolekylerne på enkelt-molekyle-niveau.
Forskerne videreudviklede den form for mikroskopi, der hedder scanning tunnelling microscopy, hvor de først afsætter et sukkerdækket biologisk molekyle på en overflade.
Forskerne undersøger derefter overfladen med det biologiske molekyle ved hjælp af et kraftigt mikroskop, der fungerer i vakuum og ved minus 262 grader Celsius.
Mikroskopiteknikken fjerner alle forstyrrelser, så det er muligt at studere den præcise struktur af de enkelte sukkermolekyler, samt hvordan de sidder fast på blandt andet proteiner, lipider og andre biologiske molekyler.
Teknikken til at studere sukkermolekylerne er faktisk alt andet end ny, omend forskerne har modificeret den en smule for at få den til at fungere med biologiske molekyler. Nyopfindelsen består blandt andet i at udvikle teknikken til at få de biologiske molekyler til at sætte sig på den faste overflade, uden at de går i stykker.
”Scanning tunneling mikroskopi blev opfundet i 1980'erne og har været brugt i mange år til at kortlægge for eksempel den mikroskopiske struktur af metaloverflader i nanometer. Det er et meget effektivt værktøj til at studere ting i nanostørrelse eller på det nær-atomiske niveau. Men selvom teknikken er velkendt fra fysikken, har den ikke før været brugt inden for biologien. Her bygger vi bro mellem to forskningsfelter for at løse et eksisterende problem i den biologiske forskning,” siger Kelvin Anggara.
Kan lede til bedre forståelse og behandling af forskellige sygdomme
Kelvin Anggara fortæller, at teknikken åbner op for helt nye forskningsområder, der kan få betydning for blandt andet forståelse af sygdomme og udvikling af medicin.
For eksempel vil det nu være muligt for forskere at kortlægge strukturen af kræftspecifikke sukkermolekyler på overfladen af kræftceller og derefter designe lægemidler, der binder sig specifikt til den sukkerstruktur, som kun findes på overfladen af kræftcellerne.
Teknikken kan også benyttes til at udvikle diagnostiske værktøjer til at identificere netop kræftceller eller andre typer af sygdomsfremkaldende proteiner, lipider, mm.
Det kan have betydning inden for forståelse og behandling af sygdomme.
