EN / DA
Miljø og bæredygtighed

Skimmelsvampe skal hjælpe med at lave kræftmedicin

Skimmel er noget, de fleste helst er foruden, men samtidig med at svampene kan udgøre en reel sundhedsfare i vandskadede huse, producerer svampene en række potentielt helbredende stoffer. Et af stofferne, calbistrin, har i laboratorieforsøg vist sig at kunne dræbe kræftceller. Nu har danske forskere fundet en metode til at få svampene til at producere stoffet i store mængder. Opdagelsen kan både bane vejen for fremtidige kliniske forsøg med calbistrin og ændre den måden, man i fremtiden vil producere lignende medicinske stoffer på.

Når vi mennesker arver gener, sker det ved, at vi får halvdelen fra hver af vores forældre. Sådan er det ikke altid for skimmelsvampe. Gennem evolution har forskellige arter delt nyttige gener med hinanden, så de på den måde kan arve egenskaber, der er fordelagtige for deres overlevelse. Det faktum har danske forskere nu brugt til at aflure, hvordan skimmelsvampen Penicillium decumbens producerer den potentielle kræftmedicin calbistrin.

”I vores søgen efter de gener, som svampene bruger i produktionen af calbistrin, udnyttede vi en teknik, der kaldes retrosyntese. Ud fra den kemiske struktur af calbistrin kunne vi forudsige de enzymer og dermed de gener, som svampene må benytte for at producere stoffet. Da vi sidenhen fandt generne i hele tre skimmelsvampe, der kunne producere stoffet, men ikke i andre nært beslægtede skimmelsvampearter, vidste vi, at vi var på rette vej,” forklarer en af studiets hovedforfattere, lektor Rasmus J.N. Frandsen fra DTU Bioengineering.

13 relevante gener

Retrosyntese kan sammenlignes med, at man forsøger at regne ud, hvordan et Lego-hus er bygget, ved at se på dets overflade. Klodserne kan sættes sammen på mange måder og stadig give samme overflade. Antallet af mulige løsninger reduceres ved at fjerne én Lego-klods ad gangen fra det yderste lag, og derved afsløres de underliggende klodser.

”I forbindelse med calbistrin og lignende stoffer arbejder vi os sådan set bare baglæns fra den færdige struktur ved at fjerne de kemiske grupper, der højst sandsynligt var påsat sidst i biosyntesen, hvilket resulterede i et simplere stof, som vi så kunne gentage tricket på. Hver af de kemiske grupper påsættes én type enzym, og vi kan derfor ret præcist forudsige, hvilke gener der er behov for for at producere calbistrin.”

Med de forudsigelser kunne forskerne nu søge efter relevante typer af gener i arvemasse hos de svampe, der vides at producere stoffet. Ved at sammenligne arvemassen - DNA’et - for tre fjernt beslægtede skimmelsvampearter, der overraskende nok alle producerer stoffet calbistrin, fandt de frem til gener, der ville kunne kode for stoffets unikke biosyntesevej.

”Af dem fandt vi 13 relevante gener, der lå efter hinanden i genomet. Beviset for, at vi havde fundet de rigtige gener, fik vi ved at klippe gener ud af svampens arvemasse ved hjælp af DNA-saksen CRISPR-Cas9. Når vi på den måde fjernede generne, resulterede det i, at svampen ikke længere producerede calbistrin.”

Løsning afføder nye gåder

Mekanismen for, hvordan skimmelsvampearter kan dele gener på tværs af de normalt ubrydelige artsgrænser, er ukendt, men at det sker, giver forskerne et unikt værktøj til at finde de få relevante gener for produktion af de stoffer, man er interesseret i, blandt de tusinder af kandidater, der findes i svampenes arvemasse.

”Naturen hjælper os videre! Hver skimmelsvampeart kan producere mange forskellige bioaktive stoffer, der hver dannes via en unik biosyntesevej bestående af mange enzym-katalyserede trin. Heldigt nok så findes generne for hver biosyntesevej som små adskilte klynger af gener i skimmelsvampes arvemasse.”

I praksis betyder dette, at hvis man finder ét gen, der er essentielt for produktionen af et stof, så er der stor sandsynlighed for, at nabogenerne også er vigtige for produktion af samme stof. Forskerne ved derfor også ud fra deres første analyse af stoffet, at de stadig mangler at finde et gen, førend svampens produktionsapparat er fuldstændig kortlagt.

”Heldigvis er det ikke et begrænsende trin i svampens produktion af calbistrin, men vi fortsætter selvfølgelig jagten, og sådan er det jo ofte i videnskab: Når man har løst én gåde, så afføder det oftest en række nye gåder, man så kan kaste sig over.”

Grundlag for cellefabrik skabt

Med de gener, der nu er identificeret i skimmelsvampene, er det muligt at ændre i svampens arvemateriale, så den producerer calbistrin i store nok mængder til, at man grundigt kan undersøge calibistrins anvendelighed til kræftbehandling. Resultaterne er skabt i forbindelse med et stort EU-konsortie-projekt (QuantFung) bestående af såvel universiteter som virksomheder.

De er potentielt interesserede i at bruge nye skimmelsvampearter i deres produktion af fx medicin. I dag bruger de et meget begrænset antal svampe- og bakteriearter til at producere nyttige stoffer, hvilket begrænser, hvilke stoffer man kan producere.”

Årsagen til denne praksis er, at virksomheder har investeret årtiers forskning i dels at udvikle nødvendige genetiske værktøjer til at ændre i svampenes arvemasse, samt fremavlet varianter, hvis vækst er let at styre, når de dyrkes i store væksttanke.

”De fleste nye stoffer med medicinsk potentiale findes dog oftest i svampearter, der ikke betragtes som industrielle arbejdsheste, og som ikke producerer nok af det ønskede stof, når de dyrkes i væksttanke.”

Skiftet ikke lige om hjørnet

Løsningen for virksomhederne er i dag typisk at flytte produktionen over i en af ’standard’-svampene. Det kræver dog, at man først identificerer de gener, som koder for produktion af medicinen. Derefter skal man flytte generne over i standard-svampen, som virksomheden normalt bruger.

”Desværre viser det sig ofte, at generne ikke virker optimalt i den nye organisme, og det tager ofte lang tid at optimere produktionen, så den når niveauer, der svarer til dem, de originale svampe kan præstere i naturen. Formålet med forskningsprojektet har været at muliggøre, at de originale svampe kan benyttes direkte til at producere stofferne i tilstrækkeligt store mængder.”

Og resultaterne viser, at de fleste af de naturlige svampearter faktisk opfører sig pænt i væksttanke, men endnu ikke godt nok til at producere nok af de ønskede stoffer under disse vækstbetingelser.

”Dette kan der dog ændres på, da vi også har vist, at deres arvemateriale kan modificeres med CRISPR-Cas9, hvorved man kan opregulere produktionen. Samlet set betyder dette, at det i fremtiden ofte vil være mere rentabelt at udnytte den naturlige organisme og så eventuelt manipulere den, så dens produktion øges.”

Forskerne håber derfor, at studiet kan åbne virksomheders øjne for potentialet i at bruge andre organismer som fx skimmelsvampe til at producere medicin. Da medicinalindustrien dog typisk er stærkt reguleret og kræver strenge godkendelser, er Rasmus J.N. Frandsen godt klar over, at skiftet til nye organismer ikke nødvendigvis ligger lige om hjørnet.

”Det bliver et langt, sejt træk at ændre. Det er også en af grundene til, at vi gør en særlig indsats på DTU for at uddanne vores studerende i alle trinene i de her processer, så fremtidige generationer af forskere i industrien har værktøjer og viden til at videreudvikle den industrielle produktion af denne type stoffer ved hjælp af nye skimmelsvampearter.”

Artiklen ‘Identification of the decumbenone biosynthetic gene cluster in Penicillium decumbens and the importance for production of calbistrin’ er udgivet i Fungal Biology and Biotechnology. Lektor Rasmus John Normand Frandsen modtog i 2015 støtte af Novo Nordisk Fonden til projektet ’A platform for microbial production of aromatic and cyclic compounds’.

Rasmus John Normand Frandsen
Associate Professor
Filamentous fungi are important producers of secondary metabolites, low molecular weight molecules that often have bioactive properties. Calbistrin A is a secondary metabolite with an interesting structure that was recently found to have bioactivity against leukemia cells. It consists of two polyketides linked by an ester bond: a bicyclic decalin containing polyketide with structural similarities to lovastatin, and a linear 12 carbon dioic acid structure. Calbistrin A is known to be produced by several uniseriate black Aspergilli, Aspergillus versicolor-related species, and Penicillia. Penicillium decumbens produces calbistrin A and B as well as several putative intermediates of the calbistrin pathway, such as decumbenone A-B and versiol.