(INTERVJU). Det är snudd på hissnande att forskare idag har verktyg som hjälper dem att i hög upplösning se enstaka atomer i proteiner som finns i cellernas membran. En sådan teknik heter kryoelektronmikroskopi (kryo-EM) och forskarna som utvecklade detta fick nobelpriset i kemi 2017.
Från början kallades avbildningstekniken skämtsamt för ”blobbologi” eftersom upplösningen då inte var den bästa. Det såg ut som oformliga klumpar som var svåra att tolka. Men utvecklingen att förfina kryo-EM har gått med rasande fart och nu hjälper kryo-bilderna forskarna att förstå mer kring vad som sker i cellen i ett givet ögonblick.
För en icke insatt ser bilderna ut som färgglada presentsnören som skruvar sig som serpentiner, men vad det egentligen föreställer är atomstrukturer för avancerade proteinkomplex.
Bildtex (klicka på bilden för större bild): Kryo-EM gör det möjligt att kartlägga proteinstrukturer på en extremt noggrann detaljnivå, och tekniken innebär också att det går att se hur enskilda små strukturer förändras i våra celler. Bilden föreställer TRPV2 i gult och vitt som binder till en småmolekyl i rött. Av: © Liying Zhang, försteförfattare till en av artiklarna.
Pontus Gourdon berättar att möjligheterna med kryo-EM gör att man kan ta fram extremt detaljerade ritningar över cellernas komplexa maskineri.
– En stor fördel med tekniken är att det krävs mindre cellmaterial när man avbildar proverna och att det går fortare att få fram strukturerna, säger Pontus Gourdon, som forskar vid Lunds universitet inom membranstrukturbiologi.
Cellens alla skrymslen och vrår
Detta är svårare att göra med andra tekniker. Kryo-EM gör att forskarna kan frysa ned molekyler och snabbt ta tredimensionella ögonblicksbilder av dem och på så vis studera processer i kroppen som tidigare inte gått att se.
Det här får betydelse för ren nyfikenhetsforskning där man vill lära sig mer om till exempel cellens alla skrymslen och vrår, men även för läkemedelsutveckling. Forskarna Peter Zygmunt och Pontus Gourdon är särskilt intresserade av proteiner som kallas jonkanaler i familjen TRP-kanaler och som finns i cellernas membran.
– De är viktiga för cellens funktion och bidrar till kommunikationen mellan cellen och dess omvärld, säger Pontus Gourdon.
Målproteiner för läkemedelsbehandling
Det är genom dessa jonkanaler som elektriskt laddade partiklar, såsom natrium, kalcium och kalium, transporteras in och ut ur cellen. På så sätt bildas smärtimpulser och frisättning av inflammatoriska ämnen ute i vävnaderna. TRP-kanalerna är därför mycket intressanta som målproteiner för läkemedelsbehandling av bl.a. smärta och inflammation. Man har till exempel hittat mutationer hos människans TRPA1 som gör att vissa individer har ökad smärtkänslighet för temperatur och irriterande kemiska substanser.
TRP-kanaler kan reagera på värme, kyla, temperatur eller tryck. År 2021 tilldelades David Julius nobelpriset för sin upptäckt av en sådan jonkanal, temperatur- och smärtreceptorn TRPV1, som reagerar på det kemiska ämnet kapsaicin som finns i chilipeppar.
Då ringde tyska journalister och var oroliga att senap kunde ge drogliknande effekter, eftersom TRPA1 även aktiverades av senap. Men så är det så klart inte...
Peter Zygmunt, professor i farmakologi vid Lunds universitet, har i samarbete med internationella forskargrupper nyligen publicerat två artiklar i Nature Communications. I den ena av artiklarna undersöktes temperaturkänsligheten hos jonkanalen TRPA1 som ursprungligen föreslogs vara en köldsensor för smärtsam kyla.
– Vi har tidigare visat att jonkanalen även aktiveras av värme. Den har en inneboende temperaturkänslighet och nu visar vi att det är två olika delar av jonkanalen som svarar dels för värme, dels för kyla, säger Peter Zygmunt och fortsätter:
– Och vi menar att under normala förhållanden i cellen så är den här temperatursensorn ”tystad”, men om det uppstår en vävnadsskada eller en kronisk inflammation exponeras delar känsliga för temperatur. Detta i sig leder till att jonkanalerna får en annan konfiguration där delar som är känsliga för temperatur exponeras.
Det här skulle kunna påverkas av bland annat oxidativ stress i cellerna, alltså när fria radikaler genereras i högre takt än vad kroppen klarar av att ta hand om, eller av inflammationsämnen som utlöses i kroppen. Pontus Gourdon och Peter Zygmunt vill nu titta vidare med kryo-EM hur TRPA1 rör sig vid kyla och värme beroende på oxidationsgrad och i närvaro av inflammatoriska ämnen.
– Som farmakolog har jag i princip alltid arbetat i blindo med intakt vävnad eller med celler. Jag har aldrig någonsin varit på den här nivån och fått se vad som sker i så hög upplösning. Det är helt fantastiskt, konstaterar Peter Zygmunt.
Cannabismolekyl
Kryo-EM gör det möjligt att skapa en ögonblicksbild över både öppna, stängda och halvöppna jonkanaler, från samma prov. På så vis har forskarna sett hur olika substanser påverkar en annan TRP-kanal som kallas TRPV2 och som finns i olika typer av nerver och celltyper i hela kroppen. Forskarna använder sig av naturprodukter för att studera jonkanalerna, i det här fallet en kemisk molekyl som finns i cannabis och som kallas cannabinoid. Dessa ämnen aktiverar jonkanalen som bland annat finns i smärtnerver och många celltyper i vårt immunförsvar.
– Cannabis är en av de äldsta medicinalväxterna, man kan dokumentera att de använts 4 000 år tillbaka. Cannabis består av 500 olika kemiska substanser och de cannabinoider vi använder i experimenten ger inte de sinnesförändrande effekter man vill undvika med själva drogen, förklarar Peter Zygmunt.
I den publicerade artikeln har forskarna identifierat ett helt nytt ställe i jonkanalen TRPV2 som cannabinoider kan binda till. Man visade också att läkemedlet probenecid, som verkar på en annan del av TRPV2, förstärker cannabinoideffekten. Det innebär att molekylerna var för sig och tillsammans kan finjustera aktiviteten i jonkanalen och påverka om hur mycket kanalen öppnas eller stängs. Öppen eller stängd kanal har betydelse .
– Det är väldigt intressant om man kan hitta ett sätt att reglera immunologiska celler eller cancerceller, där vi vet att den här jonkanalen kan spela både en positiv och negativ roll. Jonkanalen verkar också intressant i hjärtmuskelceller för att de ska dras samman, säger Peter Zygmunt.
Peter Zygmunt minns när han publicerade en studie som visade att TRPA1 aktiveras av tetrahydrocannabinol (THC), som står för den psykoaktiva effekten av cannabis.
– Då ringde tyska journalister och var oroliga att senap kunde ge drogliknande effekter, eftersom TRPA1 även aktiverades av senap. Men så är det så klart inte för den psykoaktiva effekten av cannabis går via aktivering av cannabinoid receptorn CB1 och den aktiveras inte av senap.
På sikt hoppas forskarna att forskningen kan leda till klinisk betydelse.
– Det vore så klart önskvärt om forskningen snabbt kan bidra till nya läkemedel som hjälper människor med kronisk smärta, men det är fortfarande mycket långt kvar innan vi är där. Då känns det tungt när man blir kontaktad av de som lider av långvarig smärta och som tror att våra fynd öppnar för omedelbar smärtbehandling. Det är i grund och botten ren nyfikenhetsforskning. Men fynden skulle på sikt kunna användas i läkemedelsutveckling även om resan dit är lång, säger Peter Zygmunt.