Hvert år dør 1,8 millioner mennesker av tuberkulose. Dagens medisiner mot den fryktede lungesykdommen er ikke gode nok. Tuberkulosebakteriene blir stadig mer motstandsdyktige mot antibiotika. Noen typer bakterier er allerede multiresistente.

Kjemikere har nå funnet en mulig løsning på hvordan tuberkulosebakterien kan knekkes. Løsningen er å studere bestanddeler i tuberkulosebakterien på atomnivå. Forskningen deres har tatt mange år og er i grenseland av hva som er teknisk mulig.

– Dette er som å løpe et hinderløp der du ikke vet hvor store hindrene er før du er i mål, forteller primus motor for tuberkuloseforskningen, professor Ute Krengel på Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo (UiO).

Enzymjakten

Akkurat som i cellene våre inneholder alle tuberkulosebakterier mange enzymer. Enzymer er livsnødvendige proteiner og fungerer som katalysatorer for å styre de kjemiske reaksjonene i cellene. Uten enzymer dør cellene.

For noen år siden fant Krengel et enzym i tuberkulosebakterien som tilsynelatende ikke er i bruk. Hun undret seg ettersom alle enzymer burde ha en spesiell oppgave.

Det var da hun oppdaget at dette enzymet bare fungerte om det slo seg sammen med et annet enzym, og at denne sammenslåingen var helt essensiell for at tuberkulosebakterien skulle overleve.

Hun fikk en lys idé: Tenk om man kunne sørge for at disse to enzymene ikke fikk kontakt med hverandre! Tanken var besnærende. En medisin mot denne sammenslåingen kunne ta innersvingen på tuberkulosebakteriene.

Dette er lettere sagt enn gjort.

Enzymer er satt sammen av et sett på 20 byggeklosser som kalles aminosyrer. Noen ganger er det lett å finne den atomære oppbygningen av et enzym. Andre ganger kreves det flere års hardt arbeid.

Mekanismene til en rekke enzymer er allerede godt kjent, men det finnes fortsatt noen enzymer som forskerne nesten ikke vet noe om.

Knekte koden

Uheldigvis har det vært svært vanskelig å finne den molekylære oppbygningen av det underlige enzymkomplekset i tuberkulosebakterien. Kjemikerne ved UiO er de første i verden som har klart å knekke denne koden.

Den eneste muligheten deres til å undersøke disse spesielle enzymene er å bruke en analysemetode som kalles røntgendiffraksjon.

– Det finnes mange forskjellige måter å studere molekyler på. De fleste gir indirekte informasjon om molekylene. Med røntgendiffraksjon får vi et fullstendig bilde av de molekylene vi ønsker avbildet, forklarer professor Carl Henrik Gørbitz på Kjemisk institutt.

Må krystalliseres

Men metoden deres har et stort aber. Den krever at de enzymene som skal undersøkes, først må krystalliseres. I krystalliserte stoffer er molekylene plassert i en ordnet gitterstruktur.

Her har forskerne støtt på en rekke hindre.

Når de har tømt alt innholdet fra bakteriene i en stor saus, bruker de ulike teknikker for å skille ut de enzymene som skal analyseres.

Så må stoffet krystalliseres. Da må de dampe inn vannløsning og prøve seg frem med riktig mengde salter, rett temperatur og rett surhetsverdi. Det er vanligst å bruke pipetter, men prosessen kan også styres med en robot. Da går det noe fortere.

Noen ganger kan det ta flere år å finne de riktige betingelsene for å lage slike krystaller.

– Denne gangen hadde vi flaks.

Krystallbiten må være av en viss størrelse for at det skal være mulig å analysere den. Minstestørrelsen er en hundredels millimeter tykkelse.

– Selv om det høres lite ut, består denne krystallsamlingen av noen hundre billioner molekyler, fremhever Gørbitz.

Når de har klart å lage krystallen, må den ligge i en helt spesiell væske. Hvis krystallklumpen blir tatt ut av væsken, kan den kollapse på under et halvt sekund.

Må ta røntgen

For å finne strukturen i enzymene nytter det ikke med mikroskop. Oppløsningen er ikke god nok. De må derfor ty til røntgen. Dette er Ute Krengels spesiale.

Røntgenanalysen, som skjer i en maskin til fem millioner kroner i underetasjen på Kjemisk institutt, er så god at de kan se hvor alle atomene er plassert i molekylet, unntatt hydrogenatomene, som er de minste atomene i universet.

Ved å tolke hvordan røntgenstrålene spres i krystallen, er det mulig å beregne hvordan atomstrukturen ser ut. Dette kan sammenlignes med å sende laserlys gjennom en sil. Ved å studere det lyset som spres av silgitteret, kan de beregne hvordan selve silen ser ut.

Hver eksponering er todimensjonal. For å ta et tredimensjonalt bilde, bestråler de enzymkrystallen med opptil 500 eksponeringer fra ulike vinkler.

Fotograferingen kan ta noen dager. Noen ganger drar de til synkrotronen i Grenoble for å skanne krystallbiten. Synkrotronen har en svær strålekilde med en omkrets på nesten en kilometer. Her kan avfotograferingen ta så kort tid som to minutter. Man skulle kanskje tro at røntgenbildene hjalp dem til veis ende, men tolkningen av molekylstrukturen kan ta både måneder og år.

– Hvis vi ikke forstår strukturen, kan vi ikke se hvordan enzymet påvirker omgivelsene.

I tolkningen må de anta hvor hydrogenatomene sitter. Den dagen det nye 15 milliarder dyre ESS-anlegget åpnes i Lund om noen år vil det bli mulig å avfotografere samtlige atomer i molekylet, inklusive hydrogenkjernene.

– Med dagens avbildning kan du gjøre antakelser om hvor hydrogenatomene er. Du har skjelettet, men du mangler dessverre noen av de fine detaljene, forteller stipendiat Helen V. Thorbjørnsrud.

Tunge beregninger

Men uansett om kjemikerne får vite hvor hydrogenatomene befinner seg eller ei, er de nødt til å bruke kvantekjemiske beregninger til å studere hvordan enzymene kjemisk fungerer og hvor mye energi de trenger for å komme frem til en bestemt tilstand.

– Kvantekjemiske beregninger er avgjørende for å forstå biologiske systemer, poengterer førsteamanuensis Michele Cascella på Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi ved UiO.

Dette er enorme beregninger som beskriver hvordan elektronene samhandler i hele molekylet.

Selv om enzymene er små, med bare tusen atomer hver, er de likevel for store til at det er mulig å gjøre helt presise, kvantekjemiske beregninger av hele molekylet. Resultatene blir derfor også her omtrentlige.

Modellbakterier

Ideen bak medisinen er besnærende enkel: De vil lage molekyler som skal hindre at de to enzymene i tuberkulosebakterien skal slå seg sammen.

– Vi håper dette skal bli en effektiv medisin, fremhever Krengel.

Selv om forskerne gjør hva de kan for å avsløre enzymenes hemmeligheter i tuberkulosebakterier, eksperimenterer de med helt ufarlige E. coli-bakterier. I bakteriefabrikken på bakrommet har de byttet ut en spesiell genbit, slik at bakteriene produserer nøyaktig de samme enzymene som tuberkulosebakteriene.

– Selv om bakteriene er ufarlige, blir de likevel drept etterpå, beroliger Krengel.

Det neste steget deres er å teste enzymene i en ufarlig modellbakterie som ligner mest mulig på tuberkulosebakterien.

– Hvis reguleringsmekanismene er de samme i disse bakteriene, kan vi bruke dem som et modellsystem for tuberkulosebakterier. Hvis systemet vårt fungerer, kan dette bli det første steget til å teste ny tuberkulosemedisin, forteller forsker Daniel Burchowsky på Kjemisk institutt.

Når denne testen er i boks, må medisinen til syvende og sist testes på virkelige tuberkulosebakterier, men det vil da skje i et hundre prosent sikkert laboratorium.