Ny banebrydende teknologi afslører proteinernes skjulte liv

Når hjernen bliver ramt af demens, sker der en langsom og ofte ubemærket nedbrydning af de proteiner, der holder vores hjerneceller i gang. Men hvordan og hvornår det sker, og hvad der i det hele taget får bestemte celler til at fungere eller bryde sammen, har længe været en gåde.

Nu har danske forskere udviklet en metode, der for første gang gør det muligt at se, hvordan proteiner opfører sig i den enkelte celle. Det kan give vigtig viden om sygdomme som demens, kræft og andre lidelser, hvor cellerne ændrer deres adfærd og aktivitet. Det kan føre til langt mere målrettede behandlinger af alvorlige sygdomme end dem, vi har i dag.

”Hidtil har vi alene kunnet måle, hvor meget protein, der er til stede i hver celle. Nu har vi udviklet en metode til også at kunne kortlægge, hvordan proteinerne bliver omsat, altså produceret og nedbrudt,” siger Jesper Velgaard Olsen, professor og vicedirektør ved Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research og hovedforfatter til det videnskabelige studie bag opdagelsen. Han fortsætter:

”Vi har nu mulighed for at se, hvilke proteiner der er aktive i hvilke celler – og hvordan de ændrer sig over tid.”

Kroppens arbejdsmænd

For at forstå, hvorfor det er så vigtigt at kunne måle proteinerne, må man kende deres rolle i kroppen. Vores gener, DNA’et, kan man kalde for opskriften – men det er proteinerne, der gør arbejdet. De sørger for, at celler deler sig, at energi bliver omsat, og at vi kan tænke, bevæge os og bekæmpe infektioner. Hver enkelt celle i kroppen indeholder tusindvis af proteiner, som konstant bliver produceret, brugt og nedbrudt. Men indtil nu har forskere blot kunnet se, hvor meget af hvert protein der var til stede i cellerne – ikke hvordan de opførte sig, og slet ikke i enkelte celler ad gangen.

Det er netop det, der har ændret sig med den nye metode.

”Det svarer lidt til, at vi før kun kunne se et stillbillede – nu kan vi følge en film og se, hvad der faktisk foregår inde i cellerne,” forklarer Jesper Velgaard Olsen.

Han og hans kolleger har døbt teknologien Single Cell Proteomics Technology. Det er den, der gør det muligt at undersøge proteinerne i én enkelt celle, og ikke bare i store grupper af celler, som man tidligere har gjort.

Det er vigtigt, fordi cellerne faktisk kan opføre sig meget forskelligt, selvom de umiddelbart ser ret ens ud. Ved at kigge helt ned på det enkelte celle-niveau kan forskerne se, hvilke proteiner der er aktive i lige præcis den celle, og hvordan de arbejder. Det kan afsløre detaljer, man ellers ville gå glip af, når man ser på mange celler samlet.

I stedet for at få et gennemsnit af mange celler, får man nu et meget præcist billede af, hvad der sker inde i hver enkelt celle – og det kan for eksempel hjælpe med at forstå sygdomme som kræft, hvor nogle celler opfører sig anderledes end andre.

En molekylær sporhund

Et af forskernes vigtigste værktøjer er massespektrometri, som adskiller ladede molekyler i et elektrisk eller magnetisk felt alt efter deres masse og ladning.

Resultatet er et spektrum – en slags molekylært fingeraftryk – som forskerne kan bruge til at identificere præcist, hvilke molekyler der er til stede, og hvor meget af dem der findes i det materiale, de undersøger.

Når det drejer sig om proteiner, betyder det, at massespektrometri kan afsløre, hvilke proteiner der findes i en celle, og i hvilke mængder. Det giver en meget detaljeret forståelse af cellens indhold og aktivitet.

Med det rette udstyr kan forskerne måle tusindvis af proteiner i enkeltceller. Ved at mærke cellerne på en bestemt måde kan forskerne følge, hvilke proteiner der er nye, hvilke der er gamle, og hvor hurtigt de udskiftes. Det giver helt ny indsigt i proteinernes aktivitet og deres betydning for den enkelte celle.

Det giver helt ny indsigt i, hvilke proteiner der er i spil – og hvor aktivt de bliver omsat i den enkelte celle.

For at følge omsætningen bruger forskerne to versioner af den samme aminosyre – proteinernes byggesten. Denne aminosyre adskiller sig i kulstofisotoperne, hvor ene er bygget op omkring det almindelige kulstof-12-atom, mens den anden er baseret på det tungere kulstof-13-atom.

”Vi kan se, at det samme protein kan opføre sig meget forskelligt afhængigt af, hvilken celletype det befinder sig i. Om det er i en kræftcelle, der deler sig eller ikke. Der kan være stor forskel på, hvordan et protein bliver omsat i fx en mavecelle. Det kan igen sige noget om, hvor aktivt proteinet er og hvor vigtigt, det er for bestemte celletyper,” pointerer Jesper Velgaard Olsen.

Fra kræft til stamceller

I det nye studie har forskerne brugt metoden i to slags eksperimenter. I det ene har de fulgt, hvordan proteinernes aktivitet ændrer sig, når stamceller udvikler sig til specialiserede celletyper som nerveceller eller hjerteceller. Det viser sig, at nogle proteiner bliver meget aktive i fx hjerteceller, mens de er næsten inaktive i nerveceller – selv om det er de samme proteiner.

I det andet eksperiment har forskerne brugt metoden til at skelne mellem cancerceller, der deler sig, og dem, der ligger i dvale. Det kan bane vejen for bedre kræftbehandling, da mange kemoterapier angriber celler, der deler sig hurtigt. Hvis man kan identificere, hvilke kræftceller der er aktive, og hvilke der blot ligger og venter, kan man i fremtiden måske tilpasse behandlingen mere præcist.

De såkaldte histoner er en anden slags proteiner, der kunne være relevante at studere med den nye teknologi, vurderer Jesper Velgaard Olsen. Histoner fungerer som små spoler, som DNA-strengene vikles omkring inde i cellekernerne, så de ikke fylder for meget.

Udover at fungere som pakkemateriale spiller histoner også en vigtig rolle i at regulere, hvilke gener der er tændt eller slukket. De er således afgørende for, hvilke andre proteiner cellen producerer, og hvordan den i det hele taget opfører sig.

Ved hjælp af isotopmærkning kan vi se, hvordan histonerne afslører, om en celle er aktivt delende eller i dvale. Celler uden nylig opbygning af histoner deler sig ikke, mens dem med nye histoner i omløb er i gang med celledeling.

”På den måde gør teknologien det pludselig muligt for os at skelne mellem kræftceller, der vokser, og dem, der ligger stille,” påpeger han.

På kanten af det mulige

Det store håb er, at den nye metode på sigt kan bruges til at designe mere målrettet medicin. I stedet for at give den samme behandling til alle patienter med samme diagnose, kan man undersøge, hvordan de enkelte patienters celler faktisk opfører sig – og tilpasse behandlingen derefter. Det kaldes personlig medicin, og det er et område, hvor potentialet er enormt.

Jesper Velgaard Olsen understreger dog, at teknologien stadig er i udviklingsfasen.

”Det er bleeding edge technology – vi er helt ude i fronten af, hvad man overhovedet kan måle. Det er ikke noget, hospitalerne kan tage i brug i morgen. Men det er noget, vi allerede bruger i vores forskningslaboratorier til at besvare vigtige biologiske spørgsmål,” siger han.

Studiet er et resultat af mange års arbejde med at forbedre både teknologien og de biologiske modeller. At måle proteiners omsætning i enkeltceller har indtil nu været umuligt, netop fordi cellerne er så små, og fordi proteinerne ændrer sig konstant. Men ved at kombinere den isotop-mærkede aminosyremetode med ekstremt præcis massespektrometri har forskerne kunnet komme helt tæt på cellernes indre kemi – og følge den i realtid.

Ægceller er mærkelige

Et af de næste skridt er at bruge metoden til at undersøge de allerførste spirende faser af liv. Forskerne vil se, hvordan proteiner bliver nedbrudt og genopbygget i de tidligste stadier efter befrugtning – når et menneskeligt æg begynder at dele sig til to, fire, otte celler. Det kan give viden om arvelighed, sygdomme og måske også fertilitetsproblemer.

På den front har der været en del kontroverser med hensyn til at forstå, hvad der egentlig sker, fortæller Jesper Velgaard Olsen. Han beretter om, hvordan forskere indenfor feltet har været endog rygende uenige om, hvor meget proteinodannelse – også kaldet syntese – og hvor meget omsætning af proteinerne, der sker der under de tidlige udviklingstrin op til de første celledelinger. Svaret giver ikke sig selv, da ægget er ekstremt stort sammenlignet med de celler, som man i sidste ende ender op med i kroppen.

I starten, når den befrugtede ægcelle deler sig til 2,4, 8 celler, så ændres den samlede størrelsen ikke. Den er nogenlunde intakt. Men cellerne bliver mindre og mindre i takt med, at de deler sig. Og her kan man se, at nogle af proteinerne specifikt bliver degraderet, mens andre bliver syntetiseret i denne her proces.

”Måske kan vores nye teknologi hjælpe med at finde svar og dermed komme de barnløse forældre til undsætning,” siger Jesper Velgaard Olsen.

Han understreger, at der stadig er lang vej til, at Single Cell Proteomics Technology bliver standard på hospitaler. Men vejen er banet. For første gang har forskerne fået adgang til proteinernes skjulte liv. Og det kan få stor betydning for, hvordan vi kommer til at forstå og behandle sygdomme i fremtiden, fastslår han.

Anden gang er lykkens gang

Jesper Velgaard Olsen startede sin karriere som analytisk kemiker, hvor han arbejdede med massespektrometri – en teknologi, der kan analysere molekyler. Det var her, han opdagede, at samme metode kunne bruges til at kortlægge proteiner i celler, hvilket tændte hans nysgerrighed. Det, der virkelig fangede ham, var muligheden for at forstå, hvordan proteinerne ændrer sig og fungerer i kroppen – en slags hemmelig verden, der åbner sig gennem teknologien.

En skelsættende oplevelse var Jespers arbejde sammen med proteomics-pioneeren Matthias Mann i hans biotek-virksomhed i slutningen i begyndelsen af 2000’erne med ambitioner om at finde sygdomsmarkører gennem massespektrometri. Selvom firmaet ikke holdt, gav det Jesper en uvurderlig erfaring og satte kursen for hans videre forskning, hvor han vendte tilbage til universitetet, denne gang som et medlem af Matthias Manns forskningsgruppe, for at forske dybere i proteinernes rolle i sygdomme.

Nu, med det store gennembrud, kan Jesper konstatere, at timingen endelig er rigtig, og at teknologien er moden til at gøre en reel forskel i forståelsen af sygdomme og udviklingen af fremtidens medicin.