Sundhedsvidenskab > Månedens profil > Peter Eigil Nielsen

01. september 2009

Peter Eigil Nielsen

Genmedicin, livets oprindelse og hvordan biomolekyler genkender hinanden?

På Institut for Cellulær og Molekylær leder professor Peter Eigil Nielsen efter molekyler, som kan genkende specifikke steder på DNA. Det har ført til et helt nyt "livsmolekyle", PNA, der kan få en rolle i fremtidens genetiske lægemidler, og som samtidig peger bagud til selve livets oprindelse på Jorden.

Da Peter E. Nielsen stod med sin studentereksamen, vidste han, at fremtiden lå indenfor naturfag.
"Dengang var der to muligheder, universitet eller landbohøjskolen," husker han. "Der var slet ikke det virvar af retninger, som findes i dag. En kemiker med viden om det biologiske kunne blive biokemiker, så for mig blev det lidt en 'blød mellemvare' som ville give mig frihed efter studiet. For dengang vidste jeg ikke præcist, hvor jeg ville hen."

Under sin uddannelse blandende Peter E. Nielsen det kemiske med det biologiske. Han blev cand.scient i biokemi i 1976 fra Kemisk Laboratorium på HCØ Instituttet og Biokemisk Institut på Rockefeller (senere Panum), men specialet handlede mest om kemi. Men da han i 1980 modtog sin licentiatsgrad i kemi fra Københavns Universitet drejede afhandlingen sig mest om biokemi; et studie af protein-DNA-vekselvirkningen, helt specifikt kromatin, kromosomernes bestanddele, ved hjælp af fotokemiske prober.

Hvordan får vi molekyler til at genkende bestemte steder på DNA'et?
Undervejs arbejdede han et år som "pre-post doc" på Berkley i USA. Her var hans vejleder Melvin Calvin, den forsker, som var hovedansvarlig for i sin tid at opklare fotosyntese-cyklussen. "Jeg så på plante-ekstrakt-kemi", husker Peter E. Nielsen. "Forskerne forsøgte på det tidspunkt at finde alternative energikilder, da verden var stærkt påvirket af en global oliekrise. Det var sådan set biobrændsel, som nu igen er blevet moderne og meget vigtigt."

Professor Peter Eigil Nielsen
fra Institut for Cellulær og
Molekylær Medicin.
Foto: SUND

Hjemvendt fra USA og lige siden har Peter E. Nielsens forsket i at fremstille molekyler, som kan genkende og binde til DNA på forudbestemte steder.
"Grundlæggende er det stadig kemi, men det er kemi i biologiens tjeneste. Et felt, der i dag er defineret som kemisk biologi og lidt bredere syntetisk biologi"," fortæller han. "Vi undersøger hvordan bio-molekyler vekselvirker med hinanden. Hvordan genkender de hinanden, så de kan interagerer korrekt for organismen? For mig, har det altid været et centralt kemisk/biologisk spørgsmål."

Da han skulle starte specialet overvejede han, om det var muligt at fremstille de (bio)molekyler, som øger hastigheden af kemiske reaktioner: Kunstige enzymer. "Men det var tiden ligesom ikke rigtig moden til dengang," fortsætter han med et smil. "Det er siden blevet en hel disciplin, men mens vi kan lave om på biomolekylerne, er vi stadig ikke i stand til at designe dem fra bunden. Vi kan endnu ikke tage fx 100 aminosyrer, sætte dem sammen i en bestemt sekvens og få et protein, som har en helt forudbestemt funktion. Selv enzymerne i dit vaskepulver er naturlige enzymer, som er udvundet og modificeret ved at udskifte nogle aminosyrer, for at øge deres stabilitet etc.; men du har ikke ændret det basale i enzymets funktion."

Årsagen ligger i vores manglende viden om detaljerne af molekylernes egenskaber, og deres vekselvirkninger med hinanden. "Det fascinerende ved proteiner er bl.a., at du har en række aminosyrer i én dimension, der så 'ved', hvordan de skal folde, så proteinet får sin tredimensionelle struktur og dermed sine funktionelle egenskaber i kroppen," forklarer Peter E. Nielsen. "Men det er ikke trivielt." Skal vi udføre den bedrift, skal vi kende og kunne bregne alle de atomare vekselvirkninger så præcist, at vi kan finde den laveste energi-form, og dermed den form, som molekylet energimæssigt set vil vælge, samt "foldningsvejen" dertil. Der er vi ikke helt endnu.
Desuden befinder de fleste biomolekyler sig i vand eller vandige væsker. Det første lag vandmolekyler sidder ofte ret godt fikseret udenpå proteinet, og denne 'skal' af vand er også til at bestemme biomolekylets egenskaber. For at forstå vand og molekylerne udenom skal vi have termodynamikken og kinetikken med. Hvad sker der præcist, når to biomolekyler binder til hinanden? De får en bindingsenergi, men samtidig fjerner du vandmolekyler fra 'skallerne' og det skaber uorden og dermed entropi. Alt det skal vi have styr på, før vi kan beskrive de kemiske vekselvirkninger så nøjagtigt, at vi kan lave præcise biomolekylære forudsigelser."

Biomolekylær genkendelse kan give nye superlægemidler
Inden for lægemiddelindustrien og farmakologien har man i mange år forsøgt at designe små molekyler (ligander), der kan binde sig til og blokere biologiske receptorer (såkaldt "rational drug design"). "Det fungerer i princippet," fortæller PeN. "Men groft sagt virker det kun i meget begrænset omfang, da man ikke kan gøre det nøjagtigt nok. Medicinalkemien må stadig arbejde empirisk og prøve sig frem, lave forskellige kemiske modifikationer og udvælge de bedste.
Genmedicin søger i stedet at designe lægemidler mod udvalgte gener (fra start lave en nøgle, der passer). Ved at ramme nukleinsyrer (RNA og DNA) i stedet for proteiner, er det forholdsvist let at skabe sådanne stoffer udfra genets sekvensinformation (såkaldt antisense, RNA interferens og siRNA teknologi). Sammen med vores eksplosivt øgede forståelse af, hvordan generne virker og deres rolle i sygdomme, er der håb om, at vi med tiden kan designe genspecifikke lægemidler som både er mere virksomme og har færre bivirkninger end traditionel medicin."

PNA: Proteinet, der tror, det er et DNA-molekyle
I slutningen af 1980'erne opdagede forskere i USA og Frankrig, at ét DNA-molekyle kan genkende et andet i en såkaldt trippelhelix. Det førte i 1990 Peter E. Nielsen og hans kolleger Ole Buchardt, Michael Egholm og Rolf Berg til at skabe et molekyle, en protein-DNA kimær, eller som han selv kalder det: "Et protein, der tror, det er et DNA-molekyle:" Peptide nucleic acid (PNA). Hvor DNA'ets 'rygrad' er mindre stabil og negativt ladet fosfat-sukker, består PNA'ets af simple enheder kædet sammen af robuste uladede peptid-bindinger ligesom i et protein. Hvert led i PNA'et bærer så samtidig en nukleinsyrebase ligesom DNA.

"I sidste ende søger vi netop efter metoder til at slukke for defekte gener, og endnu vigtigere - reparere dem. Det vil sige irreversibelt gå ind i en celle og udskifte en enkelt base i DNA'et ved at udnytte cellens normale reparationsmekanisme og fx korrigere det gen, vi ved giver en forøget risiko for en bestemt type kræft eller er ansvarlig for cystisk fibrose. Og måske i fremtiden endda få mulighed for at forbedre eksisterende gener."
Peter E. Nielsen erkender dog, at udfordringen er enorm. Skal denne type genterapi virke, så skal den ind og rette defekten i DNA-strengen i en stor del af cellerne i bestemte væv i patientens krop.

De sidste ti år har Peter E. Nielsen forsket intenst i den nok største hindring for PNA'et i medicinsk sammenhæng: At få det til at opføre sig som et lægemiddel i kroppen. PNA'ets egenskaber gør, at så snart det er inde i cellen kan det hæmme udtrykkelsen af bestemte gener, eller helt ændre genets protein-opskrift. Peter E. Nielsen har derfor arbejdet med kemiske ændringer af PNA'et som gør det nemmere for molekylet at trænge ind i cellen og nå rundt  i organismen.
Lykkes det først at løse denne udfordring, åbner det hoveddøren til en helt ny verden af lægemidler, som omfatter nye typer antibiotika, anticancerlægemidler og stoffer mod metabolske og genetiske sygdomme (f.eks. muskeldystrofi).

Og hvordan opstod livet på Jorden?
PNA'et har fået en rolle i en af de mest centrale og grundlæggende biologiske debatter: Livets oprindelse på Jorden.

"Hvordan kunne det overhovedet lade sig gøre, at organiske molekyler i tidernes morgen fandt ud af at organisere sig, reproducere sig og skabe en robust enhed, der ved kontrolleret at udnytte energi (metabolisme) til at fjerne entropi (uorden) fra systemet er orden i en uordnet verden? Hvad adskiller en samling organiske molekyler fra liv? Kan der skabes alternativt, kunstigt liv?"spørger Peter E. Nielsen.

I følge den fremherskende teori fandtes der før liv en form for præ-biologi, frie udgaver af biomolekyler som fx proteiner, RNA og DNA. Sammen med de metaboliske processer er de helt afgørende for alt liv på vores planet. Men hvad kom først

Det første selv-kopierende system?
DNA er selve kogebogen med opskrifterne på proteinerne, som så har en opgave i organismen. RNA blev længe betragtet som noget, der 'bare' skulle kopiere opskriften fra kogebogen, så proteinet kunne blive skabt. Den tanke blev vendt helt på hovedet, da forskere for over 25 år siden opdagede, at RNA-molekyler kan være katalytiske som et enzym, og dermed kan fungere som et protein.
"Har du et RNA-molekyle med en bestemt sekvens, som kan folde og dermed opnå evnen til at kopiere sig selv, er du meget tæt på noget, der begynder at minde om liv - et selv-kopierende system," fastslår Peter E. Nielsen. "Derfor kunne RNA umiddelbart være et godt bud på pre-biologi, før naturen fandt ud af, at proteiner er 'smarte'. Desværre er RNA meget ustabilt. Så hvordan skulle det være blevet dannet under de betingelser, som herskede på Jorden få 100 mio. år efter dens dannelse? Her var temmelig ubehageligt, også for et molekyle."

Urjorden kunne have dannet peptider
Under primitive forhold har kemien langt lettere ved at samle aminosyrer og peptider. "Og PNA er kemisk set et peptid," påpeger Peter E. Nielsen 

I 1953 udførte de to amerikanske forskere Stanley Miller og Harold Urey et berømt eksperiment, hvor de forsøgte at genskabe de kemiske omstændigheder på urjorden. De brugte kemiske gasser, som forskerne formodede fandtes dengang og sendte så strøm gennem suppen for at efterligne lynnedslag. "Bagefter fiskede de aminosyrer, proteiner og peptiders byggesten ud af blandingen," fortæller Peter E. Nielsen. "For få år siden udførte Miller et tilsvarende eksperiment, og her fik han molekyler, som minder om PNA. Det beviser naturligvis ikke, at PNA var forløberen for liv på Jorden, men det viser, at naturen har nemt ved at lave PNA. Og har vi først PNA'et, er det let at forestille sig, hvordan det kan have medvirket til, som stabilt molekyle, at danne mere komplicerede molekyler som RNA og DNA."

Peter E. Nielsen erkender, at det er svært at rekonstruere omstændighederne da livet opstod på Jorden, for vi kender ikke den helt præcise kemiske sammensætning af Jordens atmosfære, og de nøjagtige klimatiske forhold - desuden havde præ-biologien millioner og atter millioner af år til at udføre sine egne eksperimenter, før biologien opstod.

"Det vi kan undersøge er, hvad der reelt var muligt dengang?" forklarer han. "Vi er nødt til at have en idé om, hvad der er muligt, før vi kan lave troværdige hypoteser for, hvad der kunne være sket. Det er fascinerende at beskæftige mig med livets opståen på Jorden på et videnskabeligt niveau, for på den måde er jeg som biologisk kemiker med til at overveje, hvad liv dybest set er."

Links:

- Peter E. Nielsen >
- Scientific American: Triple helix: Designing a New Molecule of life >
- Nielsen, P. E. Peptide Nucleic Acid. A Molecule With Two Identities. Accounts of Chemical Research 1999, 32, 624-630 
- Nielsen, P. E. Modulating Gene Function With Peptide Nucleic Acids (PNA). In Antisense Drug - Technology; Crooke, S. T., Ed.; Taylor & Francis group, CRC Press: 2008; Chapter 18 
- Miller-Urey-forsøget >
PNAS: Peptide nucleic acids rather than RNA may have been the first genetic molecule