Sukker og proteiner mot gonoré og biovåpen

Å koble sukker til proteiner kan brukes til å lage vaksiner mot ulike sykdommer og for å beskytte mot biologisk krigføring.

Publisert
Michael Koomey (til høyre) og forskerne Wolfgang Egge-Jakobsen og Bente Børud jobber med å karakterisere glykoproteiner. Her forklarer Egge-Jakobsen hvordan han analyserer prøver i et såkalt massespektrometer. (Foto: Norunn K. Torheim)
Michael Koomey (til høyre) og forskerne Wolfgang Egge-Jakobsen og Bente Børud jobber med å karakterisere glykoproteiner. Her forklarer Egge-Jakobsen hvordan han analyserer prøver i et såkalt massespektrometer. (Foto: Norunn K. Torheim)

Fakta om gonoré:

Gonoré er en seksuelt overførbar sykdom som skyldes infeksjon med gonokokker (Neisseria gonorrhoeae). Sykdommen kan behandles med antibiotika.

I Norge smittes ca. 250 personer i året. På 1970-tallet var det derimot over 10.000 tilfeller årlig, og gonoré var da en av de viktigste årsakene til sterilitet. I 1978 ble det satt i gang store landsomfattende tiltak mot gonoré som ga en dramatisk nedgang. Det ble utført bedre diagnostikk og behandling i tillegg til en effektiv smitteoppsporing.

På verdensbasis er det 62 millioner nye tilfeller av gonoré årlig.
 

(Kilder: Store norske leksikon, Meldingssystemet for smittsomme sykdommer (MSIS), Smittevernboka, 2010)
 

Om prosjektet:

Forskningsprosjektet på gonorébakterien «O-linked protein glycosylation in bacteria» hadde støtte fra Forskningsrådets bioteknologiprogram FUGE i fire år og ble avsluttet tidligere i år. 

Professor Michael Koomey ved Institutt for molekylær biovitenskap ved Universitetet og Senter for molekylærbiologi og nevrovitenskap i Oslo har vært prosjektleder.

 

På engelsk heter det glyco engineering når forskere kobler sammen et karbohydrat, altså et sukkermolekyl, med et protein.

Et annet navn på sukkermolekylene som kobles på, er glykaner. Resultatet blir derfor et glykoprotein – et sukkerprotein. Først i 1995 ble det oppdaget at bakterier lager slike molekyler.

Forskningsgruppen til professor Michael Koomey ved Universitetet i Oslo har i flere år jobbet med glykoproteiner i gonokokkbakterien (Neisseria gonorrhoeae) som gir kjønnssykdommen gonoré. 

– Gonorébakterien lager flere ulike sukkermolekyler som settes på forskjellige proteiner. Det virker som om dette komplekse systemet er viktig for bakteriene, og vi er interessert i å finne ut hvorfor, sier Koomey.

Målet til forskerne er å utnytte kunnskapen om hvordan bakterien gir sykdom, til å utvikle nye behandlingsmetoder og til å begrense spredning av sykdommen.

Lurer immunsystemet

Koomey forteller at det spesielle med gonoré er at vi ikke kan bli immune mot sykdommen, i motsetning til andre bakteriesykdommer som vi gjerne får bare én gang i livet.

– Gonorébakterien har løst alle utfordringene med å unngå immunsystemet vårt. Derfor er den spesielt interessant å studere videre, selv om interessen for gonoré som sykdom ble langt mindre etter at HIV-viruset kom på begynnelsen av 1980-tallet. Gonoré kan vi tross alt kurere med antibiotika, men i dag er antibiotikaresistens i ferd med å bli et betydelig problem, sier han.

Etter at det ble oppdaget at bakterier lager glykoproteiner, er Koomey en av de forskerne i verden som har jobbet mest med å undersøke glykoproteiner i ulike bakterier.

– Nå vet vi at mange bakterier lager ulike glykoproteiner, mest sannsynlig for å infisere oss og for omgå immunsystemet vårt.

Nye vaksiner

Hos mennesker er glykoproteiner svært vanlig. Over halvparten av alle proteinene våre har sukkermolekyler festet til seg. Bakterier har imidlertid andre typer sukkermolekyler enn de som finnes på våre egne proteiner.

Forskerne tror derfor at de kan bruke «glycoengineering» til å lage glykoproteiner som kan brukes i vaksiner for å lære immunsystemet vårt til å kjenne igjen og ta knekken på sykdomsframkallende bakterier. Et annet alternativ er å lage medisiner som spesifikt hindrer at bakterien får laget glykoproteiner.

De tror dessuten at glykoproteiner kan brukes i kreftvaksiner slik at kroppen vår gjenkjenner bestemte typer kreftceller og tar knekken på dem.

– Vi kan lage glykoproteiner ved å koble sammen sukkermolekyler og proteiner ved hjelp av enzymer i laboratoriet. Vi kan imidlertid kanskje gjøre det mer effektivt ved å få bakterier til å lage ferdig glykoproteiner for oss. Da må vi vite hvilke gener og genprodukter bakterien trenger for å få lage en bestemt type glykoprotein, forklarer Koomey.

Koomeys forskningsgruppe har derfor jobbet med å beskrive komponentene som deltar i å lage glykoproteiner i bakterien. De har konsentrert seg spesielt om enzymer som kobler sammen sukkermolekylet og proteinet, såkalte glykotransferaser.

– Vi har studert mange bakteriestammer for å se på ulikhetene i genene for glykotransferanser, og vi har sett på hvilke konsekvenser det får for hvilke glykoproteiner vi får i bakteriene, sier Koomey.

Harepestbakterien kan brukes som biovåpen. (Foto: Shutterstock)
Harepestbakterien kan brukes som biovåpen. (Foto: Shutterstock)

– Vi har vist at repertoaret av glykotransferaser er større enn vi trodde. Dette er nyttig kunnskap når vi skal lage vaksiner.

Harepest som biovåpen

De siste årene har Koomey samarbeidet med et svensk og et britisk biosikkerhetslaboratorium som jobber med bakterien som gir harepest (Francisella tularensis).

Harepest rammer ville dyr, spesielt harer og smågnagere. Mennesker kan bli smittet av kontakt med døde dyr, avføring fra dyr eller forurenset vann. I år har det vært flere tilfeller av harepest hos mennesker både i Trøndelag og Nord-Norge.

Koomey forteller at harepestbakterien er svært krevende å jobbe med fordi den er så smittsom og farlig, men derfor kan den også brukes som bioterrorvåpen, og interessen for bakterien har økt etter terrorangrepet i USA 11. september 2001.

Harepestbakteriens gener for glykotransferaseenzymene som fester sukkermolekyler på proteiner, likner veldig på gonorébakteriens glykotransferasegener. Derfor var det naturlig for Koomey å undersøke om også harepestbakterien lager glykoproteiner.

– Det finnes ingen godkjent vaksine mot harepestbakterien. Vi har vist at den har nesten samme system for å lage glykoproteiner som gonorébakterien, men at den fester andre sukkermolekyler til proteinene, forteller Koomey.

– Det ser ut som glykoproteinene er viktige for at harepestbakterien skal kunne gi sykdom hos mennesker. Dette kan vi forhåpentligvis utnytte til å lage en vaksine mot bakterien.

Koomeys forskningsgruppe har også funnet glykoproteiner i meningokokker (Neisseria meningitidis) som kan gi hjernehinnebetennelse og blodforgiftning. De har også bevis for at de finnes i bakterien Francisella noatunensis som gir alvorlig sykdom hos oppdrettstorsk.

Her ser vi gonokokkbakterier som er farget med fluorescerende grønnfarge og det vanligste glykoproteinet i rødt. (Foto: Hanne Winther Larsen)
Her ser vi gonokokkbakterier som er farget med fluorescerende grønnfarge og det vanligste glykoproteinet i rødt. (Foto: Hanne Winther Larsen)

– Vi finner trolig glykoproteiner hos alle bakterier, men i ulike former. Vi har bare sett toppen av isfjellet. Det er nok mye mer massivt enn det vi har sett til nå, tror Koomey.

Overraskende oppdagelse

Koomey har jobbet med gonorébakterien i tretti år. Han jobbet tidligere ved Stanford University i USA og hadde nært samarbeid med de to forskningsgruppene som i 1995 oppdaget at gonokokkbakterier har glykoproteiner.

– Før de oppdaget det ene glykoproteinet i gonorébakterien, trodde vi glykoproteiner var forbeholdt mer sofistikerte organismer som oss mennesker, og at det var noe som hadde kommet til gjennom evolusjonen, sier Koomey.

– Det var overraskende å se at proteinet jeg da hadde jobbet med i 15 år, viste seg å ha denne egenskapen. Det hadde vært der under radaren hele tiden uten å bli oppdaget.

Så hvorfor tok det så langt tid å oppdage at bakterier har glykoproteiner?

– Cellens gener koder for proteiner, og det er mulig å forutse hvilke proteiner en bakterie lager. Karbohydrater derimot lages av cellenes enzymer, så det er ikke mulig å se ut fra genene hvilke glykoproteiner cellen lager.

– Glykoproteinet ble oppdaget da de studerte proteinet ved hjelp av såkalt røntgenkrystallografi for å finne den tredimensjonale strukturen til det de trodde var et rent protein.

Det er en svært tid- og ressurskrevende å undersøke proteiner på denne måten, og det er ikke noe forskerne gjør til daglig. Derfor var det heller ingen som hadde oppdaget glykoproteinene i bakterier tidligere.