Kemi: Att väga och mäta livets molekyler

Årets Nobelpris i kemi ställer den levande cellens proteiner i fokus. Pristagarna som utsetts av Kungl Vetenskapsakademien heter John B Fenn, Koichi Tanaka och Kurt Wüthrich. De har, var och en på sitt sätt, bidragit till viktiga analysmetoder inom modern proteinforskning. Genom deras insatser har det blivit möjligt att identifiera, väga och avbilda proteiner i den form som dessa har när de arbetar i cellen.

Pristagarna har i hög grad bidragit till att skapa proteomiken, det nya forskningsfält som går ut på att kartlägga och förstå samspelet mellan de proteiner som deltar i livsprocesserna.

Proteiner i naturligt tillstånd

Proteiner är uppbyggda av s k aminosyror som är hopkopplade till långa oförgrenade strängar. Men dessa långa molekyler är inte färdiga att gripa in i livsprocesserna förrän de har antagit en bestämd struktur genom att veckas, vikas och snurras. Proteinernas funktion bygger i hög grad på den tredimensionella form som de spontant antar när de tillverkas i cellen.

Proteiner är känsliga – de skiftar ofta form när de utför sin särskilda uppgift och kan falla sönder när de hamnar utanför sin naturliga miljö. Därför har det stött på stora svårigheter att studera proteiner i den tredimensionella form som de förekommer i när de är aktiva.

De metoder som årets Nobelpris i kemi lyfter fram har funnits länge. Dock har deras användning varit begränsad till relativt små molekyler. Men tack vare banbrytande insatser från pristagarna kan numera stora och komplicerade molekyler analyseras. Framför allt går det att studera proteiner och andra biologiska makromolekyler i deras naturliga, vattenrika miljö.

Flygande proteiner

John Fenn och Koichi Tanaka har vidareutvecklat den s k masspektrometrin. Det är en kemisk analysmetod som i dag finns på nästan varje laboratorium världen över. I princip går den ut på att bestämma molekylers massa, med andra ord att väga dem. I massspektrometern accelereras förgasade och elektriskt laddade molekyler, joner, i ett elektriskt eller magnetiskt fält där de flyger fram mot en detektor. Den tid det tar för jonerna att nå detektorn är ett mått på deras massa och laddning. Små joner med hög laddning hinner snabbare fram till detektorn än stora joner med lägre laddning.

Men hur få riktigt stora proteiner att bilda joner och flyga utan att falla sönder i bitar? John Fenn kom på att det är möjligt om provet med proteinlösningen först sprejas ut i små droppar med hjälp av ett elektriskt fält. Dropparna blir elektriskt laddade, och när vattnet successivt avdunstar från dropparna koncentreras laddningarna till en allt mindre yta. Till slut sitter laddningarna så tätt att dropparna sprängs sönder. Proteinmolekylerna med sina laddningar sprids då, dras mot en yta med motsatt laddning och fortsätter in i masspektrometern (bild 2 till vänster).

Koichi Tanaka lyckades med ett liknande konststycke, i detta fall med hjälp av intensiv laser. Men provet, som är i fast eller trögflytande form, utsätts inte direkt för strålarna utan skyddas av en s k matris. Mjukt och fint överförs energi från matrisen till provet. Proteinerna släpper taget om varandra och knuffas i väg som svävande joner ut i ett elektriskt fält där de slutligen hamnar i masspektrometern (bild 2, till höger). Metoden kallas mjuk laserdesorption. På denna princip bygger många av dagens mest kraftfulla instrument för proteinanalys.

– Framtiden är mycket spännande för de ungdomar som väljer att studera livsmolekylernas kemi och biologi. De prisbelönta uppfinningarna har gjort att vi kan vänta oss stora framsteg inom avancerad kemisk biologisk forskning. Exempelvis kommer vi nu att kunna ta reda på hur proteiner omformas för särskilda uppgifter, hur stora och små molekyler samverkar i en cell och hur främmande ämnen som läkemedel påverkar livsprocesserna i cellen, säger professor Karin Markides vid Uppsala universitet, en av de främsta experterna på masspektrometri i Sverige.

Vätekärnor som riktmärken

Metoderna ovan ger svaret på vilka proteiner som provet innehåller, hur de omformas för sin uppgift och hur mycket det finns av dem. Men för att ta reda på hur proteinets tredimensionella struktur ser ut måste andra metoder användas. Inom detta område har den tredje pristagaren, Kurt Wüthrich, gjort sin stora insats.

NMR-metoden (nuclear magnetic resonance) bygger på ett fysikaliskt fenomen som på svenska kallas kärnmagnetisk resonans. Det går ut på att vissa atomkärnor, t ex vätekärnan, protonen, uppför sig som en liten magnet. Precis som magnetnålen i en kompass påverkas också protonerna av magnetiska fält.

Väteatomernas kärnor i en molekyl kan fås att ställa sig i en viss riktning i ett starkt magnetiskt fält. Om man samtidigt tillför pulser av radiovågor kommer vissa av kärnorna att ändra sin riktning i magnetfältet. Men detta sker endast vid bestämda frekvenser som ger resonans. Genom att registrera signalerna, dvs vilka frekvenser som ger resonans, och vilka väteatomer som påverkar varandras resonanser, dvs ligger nära varandra i proteinmolekylen, går det att räkna ut molekylens tredimensionella struktur.

Men proteiner är mycket stora och innehåller ett otal väteatomer. Kurt Wüthrich kom på olika sätt att bringa reda i den uppsjö av NMR-signaler som dessa jättemolekyler ger ifrån sig. Han har gjort det möjligt att para ihop varje NMR-signal med rätt vätekärna. Han har också visat att det går att bestämma det parvisa avståndet mellan ett stort antal vätekärnor i sådana molekyler (bild 1). Med hjälp av dessa avstånd kan molekylens geometriska form sedan räknas ut.

En av finesserna med NMR-analys av proteiner är att det kan ske lösningar som liknar cellmiljön och att det går att studera deras rörelser. Proteinernas funktioner i cellen bygger nämligen ofta på förändringar i molekylens form.

– Tidigare kunde det ta månader att ta reda på strukturen hos ett medelstort protein. Men i dag går det på en eller två veckor, berättar professor Astrid Gräslund vid Stockholms universitet, NMR-expert och sekreterare i Nobelkommittén för kemi.

Tidig diagnostik

De avancerade varianterna av massspektrometri och kärnmagnetisk resonans som pristagarna har skapat kan också användas för att studera andra biologiska makromolekyler som DNA, RNA och kolhydrater. De praktiska tillämpningarna är många och de blir ständigt fler.

Inom medicinen finns lovande försök till tidig cancerdiagnostik genom analys av blodets innehåll av proteiner. Det går också att undersöka om cancerceller utvecklar resistens mot cellgifter. Forskare har nyligen rapporterat att det genom proteinanalys av patientens blod går att diagnostisera malaria och följa hur medicineringen verkar. Innehållet av proteiner i livsmedel går snabbt och säkert att fastställa med de moderna metoderna.

Inom läkemedelsindustrin har NMR sin kanske viktigaste användning. Genom metoden är det möjligt att ta reda på hur olika tänkbara läkemedelsmolekyler växelverkar med kroppens proteiner. På så sätt kan ett stort antal molekyler testas tidigt under utvecklingen av ett nytt läkemedel.