Bioteknologi og alginat

Mange får ofte frysninger nedover ryggmargen når jeg sier at jeg studerer bioteknologi. Tankene går kanskje i refleks til genmodifiserte organismer, kreftfremkallende tomater og skumle forskere i kritthvite labfrakker.

Jeg får ofte oppfølgingsspørsmålet

Men hva bliiir du da?

Forsåvidt et ganske vanskelig spørsmål å svare på, fordi en bioteknolog kan brukes til veldig mye. Jeg kan jobbe i legemiddelindustrien, med miljøforvaltning, kreftforskning og jeg kan bli lærer hvis jeg ønsker det. Mange tror at jeg blir bioingeniør, men det er iallefall langt fra sannheten!

Den korrekte definisjonen

Bioteknologi er et vidt og vanskelig begrep, men Forskningsrådet definerer bioteknologi på følgende måte:

Bioteknologi er integrering av naturvitenskap og teknologi i den hensikt å oppnå anvendelse av organismer, celler, deler av disse og molekylære analoger til produkter eller til tjenesteyting.

I min masteroppgave modifiserer jeg en naturlig polymer for å innkapsle insulinproduserende celler til transplantasjon.

Hva er en polymer?

En polymer er en kjemisk forbindelse som er bygd opp av repeterende enheter kalt monomerer.

Kjemien til disse polymerene kan deles inn i to:

  • polymerkjemi
  • biopolymerkjemi

Polymerkjemi er kjemien om syntetiske polymerer. Ett eksempel er polyvinylklorid, kanskje bedre kjent som PVC. Biopolymerkjemi er kjemien om biopolymerer. Dette er polymerer som befinner seg i naturen, som for eksempel glykogen, DNA og alginat.

De to første har du kanskje hørt om fra før, men det siste er dessverre noe ukjent, selv om alginat er Norges nasjonalmolekyl.

Ja, du hørte riktig: Norge har faktisk et nasjonalmolekyl! Som du kanskje kan gjette ut i fra navnet, kommer alginat fra brunalgen, nærmere bestemt norsk stortare (bildet under). Alginat kan også høstes fra bakterier som Pseudomonas aeringosa.

Stortare

Stortare

Felles for champagne, syltetøy og iskrem!

Alginat er et fantastisk molekyl som har mange bruksområder. Hvorfor jeg syns det er fantastisk skal jeg beskrive gjennom mine innlegg i Masterbloggen. Men først skal jeg nevne hvor du kanskje har møtt alginat fra før.

Alginat brukes som fortykningsmiddel i blant annet syltetøy og iskrem. Det forhindrer at trykkfargen på papiret ikke sklir ut og hjelper ølet og champagnen til å bruse og boble.  Innenfor biologien og kjemien er alginat interessesant fordi den kan lage stabile geler og disse kan benyttes til innkapsling av celler.

Det kan kanskje virke som om innkapslingen av celler kan virke mindre matnyttig enn bobler i champagnen, men tenk for eksempel på alle som til daglig tar insulinsprøyter fordi de har diabetes. Dersom vi kan innkapsle insulinproduserende celler og deretter injisere disse i tomrom i kroppen (som for eksempel i bukhulen) trenger ikke diabetikere å ta insulin. Dette er den langsiktige planen til forskergruppen jeg skriver master for ved NTNU. Spennende, ikke sant?

Kapsler av alginat

I masteren min skal jeg undersøke hvordan vi kan lage kapsler som muliggjør at cellene kan vokse og overleve over lengre tid. For å forklare hvordan jeg gjør dette, må jeg begynne fra starten av og introdusere alginat og dens grunnleggende kjemiske egenskaper.

Alginat er som sagt en polymer, og en polymer er bygd opp av repeterende enheter kalt monomere. Alginat har to typer monomere som heter L-guluronsyre og D-mannuronsyre. Disse er nesten identiske, bortsett fra karboksylsyregruppen (-COOH) på karbonnummer 5. Syregruppen muliggjør at alginat kan foreligge som et negativt ladet ion ved pH verdier over 3.5. Siden alginat da får mange ladninger langs kjeden kalles det et polyanion.

Mannuronsyre forkortes til M og guluronsyre forkortes G. Når G-monomere ligger etter hverandre i alginat dannes denne hakkete strukturen, kjent som en G-blokk. Denne får en sikk-sakk-struktur som vist i bildet under:

 

Og når M-monomerer ligger etterhverandre kalles det en M-blokk og får en mer lineær struktur:

 

 

M’ene og G’ene kan også alternere nedover alginatkjeden og da ta denne konformasjonen, kalt et alternerende domene:

Strukturen på alginatet er derfor avhengig av hvordan monomerene ligger etter hverandre langs kjeden. Egenskapene til alginatet bestemmes også av kjedeoppbyggingen.

En av alginatets mest avgjørende kunster viser seg når flytende alginat dryppes ned i et vannbad med kalsiumkarbonat. Da binder G-blokkene seg rundt kalsiumionene og danner en gel! De taggete kjedene I figuren representerer en G-blokk, mens de glatte kjedene er M-blokker. I første trinn av figuren under vises alginatkjeder som tilsettes kalsiumioner. Kalsiumionene, de svarte prikkene, legger seg mellom G-blokkene. Denne modellen kalles “Eggboksmodellen”, fordi kalsiumionene ligger blant G-blokkene som egg i en eggekartong. Det andre trinnet viser hvordan kjeder med guluronan og kalsium legger seg ved siden av hverandre slik at de lager et tykt lag.

 

 

Bildet under viser hvordan dette ser ut på laben.Det grå som kommer dryppende ut fra sprøyten er alginat og det dryppes ned i en løsning med kalsiumkarbonat. Når alginatet treffer løsningen skjer det som er illustrert i figuren over; kalsium legger seg inne i G-blokker og det dannes alginatkuler!

 

Dersom kalsiumkloridløsningen også inneholder celler vil alginatet innkapsle cellene idet de treffer løsningen. Det er slik vi kan innkapsle celler som produserer insulin.

Det å innkapsle cellene er ikke en voldsom stor kunst, men å få cellene til å overleve inne i kapselen er vanskelig. Cellene klarer ikke å binde seg til overflaten på innsiden av kapselen og dermed klarer de ikke å vokse. Men, det er her jeg kommer inn i bildet.

Når cellene våre lever i kroppen er de til enhver tid omgitt av andre celler, de kommuniserer med hverandre, sender næringsstoffer og vokser ved hjelp av det ekstracellulære matrixet(ECM). Dette er et nettverk av proteiner og vekstfaktorer som er forankret i cellemembranen, men som stikker ut av cellen og omgir den som et vev. Bildet under viser hvordan det ekstracellulære matrixet ser ut.

Bildet viser cellemembranen med forankrede proteiner. De tubeformede, lange proteinene er kollagen, og de forgrenede proteinene er proteoglykankomplekser.

For at innsiden av alginatkapselen skal ligne mer på dens naturlige omgivelser, som vist på bildet av ECM, skal jeg koble på peptider på alginat.

Andre forskere, blant annet ved mitt institutt, har vist at en alginatkule som har bundet peptider er mer gunstig for at cellen skal overleve sett i forhold til en uforandret alginatkule. Jeg vil i løpet av denne bloggen forklare hvordan jeg går frem for å binde peptid på alginat og fortelle hvorvidt cellene overlever i kulene mine når jeg har kommet så langt.

 

  • LineKristin

    Så flink du er , Birgitte 🙂

    Håper vi ses i jula!

    • Birgitte McDonagh

      Tusen takk Line! Håpe æ ser dæ i jula 🙂

  • Kirsten

    Alle i redaksjonen her er enige i at du er mye smartere enn meg! 🙂

    • Birgitte McDonagh

      Det e ikke sant, Kirsten:)

  • Kjempebra at du tar deg tid til å skrive populærvitenskapelig om hva du gjør!

    • Birgitte McDonagh

      Tusen takk Alexander! Viktig å formidle forskning, som du vet like godt som meg 🙂

  • Gretemor

    Dette var interessant og viktig innen forskningen. Ønsker deg lykke til å at mange pasienter får nytte av dine resultater. Håper også å få se deg i jula – med eller uten alginat….

    • Birgitte McDonagh

      Tusen takk for det, gretemor!

  • beth

    kjempespennende og kjempenyttig Birgitte! tenk om alle diabetikere kan slutte å injisere insulin daglig.
    – ser at andre på bloggen håper å se deg i jula, det gjør vi også.

  • Aleksander

    Liker at du IHVERTFALL ikke blir bioingeniør… Jeg kan alt du har skrevet her i tillegg til masse annet til tross for at jeg “bare” er bioingeniørstudent.