Sekundære metabolitter

Naturstoffer kaldes også metabolitter. Når man i naturstofkemien studerer disse metabolitter, så opdeler man dem i to kategorier; primære og sekundære.

Primære metabolitter er essentielle for at organismen kan leve, og findes derfor på tværs af alle arter. Hos planter sørger de primære metabolitter for plantens basale processer såsom respiration, fotosyntese, udvikling og vækst. Det er stoffer som aminosyrer, nukleotider, klorofyl eller simple kulhydrater.

De sekundære metabolitter er ikke direkte involveret i de basale livsprocesser, men spiller en vigtig rolle i f.eks. planters kommunikation og forsvar. Det er typisk blandt de sekundære metabolitter at vi finder de spændende bioaktive stoffer med særlige effekter, som vi er interesserede i.

Men hvorfor producerer planterne disse komplekse stoffer?

Planter er stationære. De er bundet til et bestemt levested via deres rødder. De kan hverken flygte fra angreb eller ændringer i miljøet. De er altså tvunget til at udvikle sig, så de kan håndtere enhver situation, der hvor de befinder sig. Derfor producerer planter reaktionsstoffer – sekundære metabolitter der kan hjælpe planten med at forsvare og tilpasse sig eller med at tiltrække samarbejdspartnere såsom bestøvere. Nikotin er f.eks. tobaksplantens forsøg på at holde angribere såsom insekter væk. I håbet om at angriberne ikke vil kunne lide lugten og smagen, pumper planten nikotin ud i bladene. Man kan måle, hvordan insektangreb på planter medfører en øget produktion af sekundære metabolitter, som f.eks. gør planterne mindre attraktive som føde for insekter. Nogle planter producerer stoffer, der gør at insekter eller andre dyr ikke kan fordøje planten, eller gør planten direkte giftig. Men insekterne vil svare igen ved også at tilpasse sig kemisk, og på den måde kan arterne ligge i krig, indtil det bliver for energikrævende for enten planten eller insektet, at producere den forøgede mængde af stofferne. Mutationer og selektion vil så medføre at nye sekundære metabolitter overtager plantens forsvar. Produktionen af de sekundære metabolitter varierer følgelig efter ydre påvirkninger som f.eks. angreb fra dyr eller mikroorganismer, miljøbetingelser på vækststedet eller etablering af symbiose. Symbiose vil sige at planten etablerer gunstige samarbejder med andre planter, dyr eller mikroorganismer og her bruges de sekundære metabolitter som en form for kommunikation.

Figur 1. En plante kan tilpasse sig sine omgivelser på flere forskellige måder. Produktion af sekundære metabolitter kan bidrage til plantens forsvar, eller bruges til at tiltrække bestøvere og frøspredere. 

Plantens kemiske fabrik

Vi ved i dag at planter producerer en lang række af værdifulde stoffer i form af sekundære metabolitter, men den store udfordring er, at de sekundære metabolitter kun produceres i meget små mængder, og kun af helt specifikke arter, som svar på meget specifikke vækstbetingelser og interaktioner med andre arter. Smagsstoffet vanilje er et godt eksempel. Det produceres af nogle bestemte orkidéarter, som kun vokser få steder i verden under særlige forhold. For at vaniljeplanten kan producere vanilje skal den bestøves af en bestemt biart, der kun findes i visse områder af Mellemamerika. Indtil man opdagede, hvordan man kunstigt kunne bestøve vaniljeplanten, var det ikke muligt at dyrke vaniljeorkideen andre steder end i dette område. Dertil kommer at produktion af vanilje omfatter en tidskrævende fermenteringsprocess for at de høstede frugter udvikler de ønskede smagsstoffer. Dette er grunden til at ægte vanilje er et meget dyrt produkt. Men da efterspørgslen på vanilje er enorm, har man analyseret naturstoffet vanilje og fundet ud af, at det især er det kemiske molekyle vanillin, som giver den smag vi forbinder med vanilje. I dag er man i stand til at producere stoffet vanillin ved hjælp af kemisk syntese ud fra restprodukter enten fra råolie eller papirproduktion. Det betyder at man kan producere vanillin i store mængder og uden brug af vaniljeplanten overhovedet. Den kemisk fremstillede vanilje smager ikke helt, som den vanilje vaniljeplanten producerer, da den ægte vanilje indeholder et komplekst mix af flere forskellige stoffer. Der er derfor stadig stor efterspørgsel på ægte vanilje, men kun ca. 1 procent af verdens forbrug af vanilje kommer fra den ægte vare. Typisk er de stoffer, vi er interesserede i fra planterne,  så komplekse, at det slet ikke er muligt eller rentabelt at syntetisere dem kemisk. Så i stedet for en dyr og miljømæssigt belastende kemisk proces forsøger forskere at aflure, præcis hvordan planterne gør, for så at få andre planter eller simplere organismer til at producere de stoffer, vi er interesserede i. Men hvordan kan det lade sig gøre?

Biosyntese og bioinformatik

Planter producerer metabolitter gennem en række enzym-katalyserede reaktioner, hvor et substrat omdannes til et produkt. Dette kaldes biosyntesevejen, eller en metabolic pathway på engelsk. Enzymerne styres af gener, så opskrifterne på de stoffer som planten er i stand til at producere, ligger i plantens DNA. Indenfor de sidste 10-15 år er der sket store fremskridt i sekventeringsteknologi og forskellige analytiske teknologier. Det har gjort det muligt at kortlægge planters genomer, hvilket har medført at man nu kan identificere netop de gener og enzymer, der er involveret i produktionen af de spændende naturstoffer. Fremskridt indenfor bioteknologi har også gjort os i stand til at flytte gener fra en organisme til en anden, og derved få den nye organisme til at udtrykke genet, dvs. producere det stof vi er interesseret i. Men det er ikke så simpelt, som det måske lyder. Alle de forskellige trin i processen er meget komplekse og genererer enorme mængder af data. Derfor er denne type forskning afhængig af bioinformatikere, der kan producere, vurdere og analysere data. Bioinformatik er blevet et selvstændigt forskningsområde, hvor der hele tiden udvikles nye smarte metoder. I øvelserne til dette projekt får du muligheden for at afprøve nogle af bioinformatikerens metoder og værktøjer.

 

Figur 2. Biosynteseveje (metabolic pathways) består af en række enzymatiske reaktioner, som er kodet for i organismens genom. Generne transskriberes til mRNA, der translateres til de aktive enzymer. Sekundære metabolitter er eksempler på produkterne, af en række enzymatiske pathways. I det viste eksempel omdannes et substrat til en sekundær metabolit igennem 3 enzymatiske reaktioner. 

Medicin fra regnskoven

Et eksempel på et initiativ der sigter efter at udforske og udnytte disse forhold, er det det internationale bioinformatiske forskningsprojekt ’Amazon Rainforest Genome Ontology’ (ARGO). Ved at sekventere DNA fra planter og mikroorganismer i regnskovsområder i Brasilien og Malaysia vil de karakterisere både kendte værdifulde medicinplanter, truede plantearter, samt endnu ukendte planters genomer og metabolitter. Fordi biodiversiteten (antallet af arter pr. kvm) er så stor i regnskoven, er det netop også her man finder de vildeste og mest komplekse stoffer. Ofte er det plantegifte som planten bruger til at forsvare sig med, men den gift der kan være dødelig i store mængder, kan faktisk bruges som medicin i korrekt doserede mængder.

Lige nu arbejder et forskerhold på at kortlægge det samlede genom for nogle af planterne fra slægten Pilocarpus, hvoraf mange af planterne har det fælles navn jaborandi. Disse planter er meget interessante, fordi de syntetiserer et stof kaldet pilocarpin, der bruges til behandling af øjensygdommen grøn stær. Første step i processen er at ekstrahere og sekventere plantens DNA. Derefter skal DNA sekvenserne samles til det, man kalder et assemblet genom. Dette kan i sig selv være en udfordring, da planters genomer er ekstremt komplekse og kan være enormt store. F.eks. er et majsgenom på 3 mia. basepar (bp), hvor menneskets genom til sammenligning er på 3.2 mia. bp. Eller den japanske blomst, Paris Japonica, som består af 149 mia. bp, hvilket gør det næsten 47 gange større end menneskets genom. En anden udfordring er at planters genomer indeholder mange repetitive regioner (gentagende sekvenser), hvilket gør dem til en udfordring at samle korrekt. Dette kan du læse mere om i det følgende.

Regnskovens medicin

I nedenstående video fortæller Bent Petersen, lektor i bioinformatik på Københavns Universitet, om sit arbejde i regnskovene i Brasilien og Malaysia.