Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

Forskere må lete etter nyttige enzymer der de kan vente å finne dem. Som i komposten.
Forskere må lete etter nyttige enzymer der de kan vente å finne dem. Som i komposten.

Nå klarer forskere å åpne celler uten å ta livet av dem

Innholdet fra den levende cellen lekker ut, og der kan forskerne finne enzymer som kan være nyttige for mennesker.

Enzymer finnes overalt i våre egne kropper og i naturen. De sørger for å starte og sette fart på kjemiske reaksjoner i alt som lever. Disse stoffene kan også bidra til å bryte ned plast eller produsere fiskefôr.

– Naturen har en enorm kapasitet til å produsere enzymer, sier biolog Rahmi Lale ved Institutt for bioteknologi og matvitenskap på NTNU.

Enzymene finnes der de trengs

Enzymer finnes dermed i alle miljøer på jorden. De er i mikrober som trenger et bestemt enzym for å overleve.

Japanske forskere har for eksempel funnet bakterier som bruker to enzymer for å bryte ned plast. Disse bakteriene ble funnet utenfor en gjenvinningsfabrikk for plastflasker. I ørkenen finnes enzymer som gjør at organismer tåler varme.

Når forskerne har funnet et lovende miljø, undersøker de materiale derfra for å finne DNA-materiale. Dette kan for eksempel være jordprøver med encellede mikrober i.

Forskere jakter altså på ulike enzymer mange steder ved å åpne celler. De må først bryte ned cellemembranen, som er den tynne hinnen som omgir cellen.

Her oppstår et problem for forskerne: Når de bryter ned cellemembranen, så dør som regel alle cellene. Da er det ikke så lett å undersøke mikroben eller cellen for å lære mer om enzymene som finnes der inne.

Forskerne vil lete etter spesielle enzymer også i det kalde nord. Illustrasjonsbildet er fra en vinterdag i Lofoten.
Forskerne vil lete etter spesielle enzymer også i det kalde nord. Illustrasjonsbildet er fra en vinterdag i Lofoten.

Ny metode for å åpne cellene

Lale og kollegaene har utviklet en metode som ikke nødvendigvis ødelegger cellemembranen helt. Ved å lage et hull i cellemembranen lekker innholdet ut og forskerne kan analysere enzymer.

Den nye metoden kan åpne cellene uten at alle dør. Forskerne har nå en fordel når de vil undersøke cellene nærmere.

Hva er enzymer?

  • Ordet stammer fra gresk og kan oversettes til «det som er i gjær». Men enzymer er mer enn gjæring og fermentering. De er viktige for alt liv. Enzymer sørger for å starte eller sette fart på en rekke kjemiske reaksjoner.
  • Enzymene gjør at cellene kan trekke energi ut av mat. Enzymer gjør at cellene kan lagre energi som fett og karbohydrat, og å bygge opp alle de bestanddeler som en levende celle består av, inkludert enzymene selv.
  • Enzymer er stoffer, hovedsakelig proteiner, som altså katalyserer de kjemiske prosessene i levende organismer.
  • Liv er kjemisk sett resultatet av et kontrollert system av samarbeidende, enzymkatalyserte reaksjoner. Det er beskrevet vel 3000 forskjellige enzymer.

Kilde: snl.no

Dyrker milliarder av celler

Forskerne klarer nå å åpne celler kontrollert ved å justere konsentrasjonen av forbindelsen som bryter ned cellemembranen. Ved riktig konsentrasjon forblir noen celler hele.

– Fordi vi kan kontrollere hvor mange hull vi introduserer, kan vi også kontrollere hvor mange celler som dør. Vi dreper ikke alle, og det er viktig, sier Lale.

– Om noe interessant skjer med én bestemt dråpe, kan vi få tak i den dråpen. Siden celler vokser så raskt, kan vi ta dråpen, plassere den i et vekstmedium og ha milliarder av celler igjen den neste dagen. Derfra er det å få tak i DNA fra dem virkelig enkelt, forklarer han.

Leter videre i laboratoriet

Forskerne kan isolere DNA fra prøvene de har samlet inn og kutte det opp i mindre deler i laboratoriet. Deretter limer de det inn i velkjente mikroorganismer som E. coli-bakterier. Dette kalles kloning.

Så leter de etter reaksjoner som enzymene er involvert i. Her blir det mer vrient.

– Det er lett å samle inn DNA, lett å klone det og lett å føre det inn i disse mikroorganismene. Men plutselig har du hundrevis av millioner ulike celler. Hver og en av dem bærer på noe unikt, men du vet ikke hvilken som bærer på det du er interessert i. Det er som å finne nåla i høystakken, sier Lale.

Ved å studere væsker som beveger seg innenfor en utstrekning på under en millimeter, såkalt mikrofluidikk, kan forskerne lete blant cellene 10.000 ganger raskere enn før.

Forskerne fikk bekreftet sin nye teknikk ved å bruke mikrofluidikk-chips laget i NTNU NanoLab.

Mikrofluidikk hjelper til når forskerne skal finne enzymer med nyttige egenskaper.
Mikrofluidikk hjelper til når forskerne skal finne enzymer med nyttige egenskaper.

Hjelper forskerne på rett spor

Forskerne ønsker å analysere DNA-prøver fra flere miljøer som kan gi oss interessante enzymer. De vil lete i prøver fra kalde steder i Nord-Norge, det varme klimaet i Spania og kompostdynger i Storbritannia.

– Om du ser på disse interessante miljøene, er sjansen for å finne noe høyere, sier Lale.

Teknikken kan også hjelpe forskerne med å få mikrober til å lage enzymer med bestemte egenskaper. Forskerne kan lage genetiske mutasjoner i laboratoriet som påvirker mikrobene i ulike retninger. Så kan forskerne kanskje finne den mikroben som kom nærmest å lage det enzymet de vil ha tak i.

Lale og kollegene har søkt om et stipend for å bringe forskningen videre som del av et konsortium ledet av kolleger ved University of Cambridge. Forskningen er delvis finansiert av Norges forskningsråd og EU-programmet Horizon 2020.

Referanse:

Che Fai Alex Wong, Rahmi Lale mfl.: A Titratable Cell Lysis-on-Demand System for Droplet-Compartmentalized Ultrahigh-Throughput Screening in Functional Metagenomics and Directed Evolution. ACS Synth. Biol., 2021. Doi.org/10.1021/acssynbio.1c00084


Forskerne vil bruke den nye metoden for å lete gjennom DNA-prøver fra flere miljøer som kan gi oss interessante enzymer. Det inkluderer kalde steder i Nord-Norge, det varme klimaet i Spania og kompostdynger i Storbritannia.
Forskerne vil bruke den nye metoden for å lete gjennom DNA-prøver fra flere miljøer som kan gi oss interessante enzymer. Det inkluderer kalde steder i Nord-Norge, det varme klimaet i Spania og kompostdynger i Storbritannia.
Enzymer. Illustrasjonen viser mikrofluidikk.

Mikrofluidikk hjelper til når forskerne skal finne enzymer med nyttige egenskaper. (Illustrasjon: Husnain Ahmed)

Med det nye systemet kan forskerne kontrollere hvor stor del av cellene som overlever.
Med det nye systemet kan forskerne kontrollere hvor stor del av cellene som overlever.

Mikrofluidikk

  • Når forskere bruker mikrofluidikk, flyter væsker gjennom ørsmå kanaler som er etset inn i en chip. Det gjør at forskerne kan sjekke mikrobene 10.000 ganger raskere enn med tidligere metoder.
  • Mikrobene ligger i vanndråper som er omgitt av en oljebasert væske. Væsken frakter mikrobene gjennom kanalene.
  • Fordi flesteparten av de mulig nyttige enzymene lages inni mikrobene, må cellene åpnes for å kunne teste dem. Den nye metoden åpner cellene uten at alle dør.
  • Et substrat venter på at enzymet skal komme og reagere med det. Om de har en positiv match, trigger det en reaksjon.
Powered by Labrador CMS