Molekylær makeover for fyrretræ

Kemikere på Aarhus Universitet har omdannet et giftstof fra et amerikansk fyrretræ til et eksperimentelt kræfthæmmende stof, som ellers kun produceres af en havsvamp på den anden side af kloden.

Af Peter F. Gammelby

Thomas Poulsen og hans forskergruppe på Aarhus Universitet kunne næsten ikke få armene ned, da de opdagede, hvad det var for et molekyle, de netop havde skabt.

De var de første mennesker, det var lykkedes at fremstille det bioaktive stof strongylophorine-2. STR-2, som stoffet også kaldes, hæmmer bestemte signaler i celler, der er udsat for iltfattige omgivelser, og kan dermed muligvis bruges til at bremse spredningen af kræftceller.

Hidtil har produktionen været forbeholdt svampe af Strongylophora-slægten, der gror på følsomme koralrev i havet mellem Filippinerne, Okinawa og Papua Ny Guinea. Svampene producerer over 20 slags strongylophoriner foruden STR-2, men de gør det i så små mængder, at det vil være alt for besværligt at udvinde det fra dem – for slet ikke at tale om miljøproblemerne ved at høste i koralrevene.

Med kun otte syntesetrin er det lykkedes kemikere fra Aarhus Universitet at omdanne giftstoffet fra et amerikansk fyrretræ til et bioaktivt stof fra en havsvamp. Grafik: Thomas Poulsen

Fyr og lidt held

Derfor konkurrerer forskerhold rundt om på jorden om at syntetisere stoffer fra strongylophorin-familien i tilstrækkelige mængder til, at man kan begynde at udføre forsøg – og måske i sidste ende behandlinger – med dem.

Og det er det, der nu er lykkedes for en forskergruppe på Institut for Kemi på Aarhus Universitet.

Endda ved hjælp af et andet bioaktivt stof, som de hentede fra et amerikansk fyrretræ, Pinus Ponderosa, og som absolut intet har til fælles med svampestoffet. Samt ved hjælp af lidt held. Men som bekendt følger heldet først og fremmest den velforberedte, og det var Thomas Poulsen og hans gruppe.

Molekylerne blev nemlig dannet mindst en postgang hurtigere, end de havde regnet med. Kun 8 trin havde det taget dem. Skulle de syntetisere STR-2 fra scratch, hvilket er taktikken for mange af de konkurrerende kemikere, ville det formodentlig tage over 20 trin.

Farlig fyr for farmere

Thomas Poulsen og hans gruppe tog udgangspunkt i det eksisterende bioaktive stof isocupressic acid i stedet. Stoffet er grundigt undersøgt, for det findes i nåle og bark fra fyrretræet Ponderosa, og det får køer til at abortere, hvis de spiser store mængder af nålene fra træet. Toksinet har i snart 100 år skabt problemer for amerikanske farmere, som har svært ved at forhindre deres free range kvæg i at græsse blandt disse træer.

Intet tyder i øvrigt på, at isocupressic acid er skadeligt for andre dyr eller mennesker.

Selv om toksinet altså intet har at gøre med STR-2, havde forskergruppen opdaget, at dets molekylære struktur indeholdt elementer, der i princippet kunne muliggøre en genvej til at skabe strongylophorin-molekyler. Isocupressic acid er i bund og grund en slags simpel lipid, kaldet terpen, der findes i et utal af variationer i planteverdenen, hvor de bruges til bl.a. duftstoffer og forsvarsmidler. Og strukturen af STR-2 er i nogen udstrækning mage til en terpens.

Ganske vist havde de kemiske transformationer, som ville være nødvendige for at omdanne isocupressic acid til STR-2, aldrig før været udført under så komplekse betingelser. Men gruppen kastede sig ud i det og fik fat i bark fra Ponderosa-træet fra et Californisk savværk.

Pinus Ponderosa gror i Nordamerika - og er plantet enkelte steder i Danmark, hvor den kaldes Gul Fyr. Her har Thomas Poulsen fundet et velvoksent eksemplar i Forstbotanisk Have i Aarhus. Men det kunne han ikke så godt tage bark fra. Foto: Lars Kruse, Aarhus Universitet

Tre års arbejde fra A til X

Efter at have udvundet større mængder isocupressic acid fra barken fulgte tre års intenst arbejde med at udvikle en rækkefølge af kemiske reaktioner, som kunne omsætte det til STR-2.

Og i den forbindelse opfandt gruppen en helt ny type reaktion, som i et enkelt trin kunne indbygge en høj grad af kompleksitet i strukturen.

”Vores gennembrud kom, da vi opdagede en reaktion, som gjorde det, vi egentlig ville, men fra et helt andet startpunkt end vi havde ventet,” fortæller Thomas Poulsen.
Og kommer med følgende, overordentligt forenklede, beskrivelse:

— Vi lagde ud med stof A, som vi ville omdanne til stof B, som vi så ville konvertere til et andet stof X, som vi håbede på at kunne omdanne til STR-2 over et par trin. Det havde vi svært ved, for vi kunne ikke finde gode måder at lave stof B ud fra stof A.

— Samtidig ville vi også lave et stof C, som via de samme processer ville muliggøre fremstilling af et stof Y, som kunne gøres til en unaturlig form for STR-2. Det er helt almindeligt, at man forsøger at lave sådanne divergerende synteseruter – altså at lave strukturer, der ligner men er forskellige fra det, man oprindelig vil lave.

— Vi kunne let lave stof C fra stof A, men så skete der altså det, at det Y, vi efterfølgende troede, vi havde lavet, i virkeligheden var X. Og det var fremkommet gennem en hidtil uset kaskadereaktion, hvor en række forskellige delprocesser skete samtidig, og hvor stof C faktisk blev til stof B undervejs i reaktionen.

Færre trin giver større udbytte

Den metode, som gruppen ville bruge til at konvertere stof B til stof X med, hedder polycyklisering, og går ud på at få kædeformede molekyler til at samle sig i ringe; det er den type kemiske reaktion, naturen bruger til bl.a. at fremstille vore hormoner med.

”Den nye kemi, vi har opdaget, er at en anden type reaktion kan ske samtidig med en polycykliseringsproces. Dermed sparer man flere kemiske processer, så der bliver mindre spild og højere udbytte. Kaskadereaktionen er nøglen til at lave store nok mængder til, at man kan lave omfattende bioforsøg med STR-molekylerne. Den samme type proces vil givetvis kunne bruges som strategi til at syntetisere andre bioaktive molekyler,” siger Thomas Poulsen.

Gruppens resultat er netop publiceret i det ansete videnskabelige tidsskrift Angewandte Chemie.

Strongylophorine-2 er i øvrigt ikke det endelige mål for forskergruppen – det udgør et slags molekylært vejkryds til at fremstille mange andre medlemmer af strongylophorin-familien. Gruppen har således indtil nu syntetiseret seks andre strongylophoriner samt nogle unaturlige varianter.

Med en robust forsyningslinje på plads kan gruppen nu tage fat på omfattende studier af strongylophorinernes biologiske aktivitet - herunder deres mulige potentiale som våben mod kræft.

Naturlige nåle i kemiens høstak

Den mest komplette database over kendte organiske molekyler, Pubchem, indeholder ca. 70 millioner forskellige molekyler, hvoraf langt hovedparten er syntetiske stoffer. Kun en lille fraktion af de 70 mio. stoffer er naturstoffer – altså stoffer, som så at sige forekommer naturligt i naturen.

Naturstoffernes potentiale som medicin er til gengæld gevaldigt. Over en fjerdedel af alle receptpligtige medikamenter er baseret på planter, og naturstoffer udgør grundlaget for halvdelen af alle de lægemidler, der er eller har været godkendt til behandling af kræft af de amerikanske sundhedsmyndigheder.

Videnskaben er konstant på jagt efter på nye bioaktive stoffer, og det handler i høj grad om at lede de rigtige steder. Det kan lyde indlysende, men her er det særligt vigtigt; antallet af teoretisk mulige molekyler, hvis atom-sammensætning ligner den, man typisk finder i bioaktive molekyler, er nemlig estimeret til hele 1060 (dvs. et ettal efterfulgt af 60 nuller). Det “kemiske rum” er med andre ord så uendeligt stort, at det er umuligt at afsøge alle områder og systematisk finde frem til de særlige molekyler, som udviser biologisk aktivitet.

”Man har kort sagt brug for de helt rigtige startpunkter. Den evolutionære konkurrence mellem forskellige organismer, der har udspillet sig over millioner af år, har heldigvis gjort meget af det arbejde for os. Naturstoffer eksisterer kun, fordi de udfylder en særlig funktion, hvilket for langt størstedelen indebærer en evne til at kunne binde sig til bestemte proteiner og dermed ændre disses funktion,” siger Thomas Poulsen.

Stærkest under overfladen

Og så er vi tilbage ved svampen på et koralrev i det vestlige Stillehav. For hvorfor producerer den et stof, der hæmmer processer, som er involveret i spredning af kræft?

Overordnet set er svampe i samme situation som planter: de kan hverken slås eller stikke af, så de tyr til kemikalier, når de skal forsvare sig mod infektioner, snyltere og plante- eller svampeædere. Disse biokemiske forbindelser kaldes sekundære metabolitter, og opdeles i mange forskellige grupper – som f.eks. terpener, alkaloider (nikotin, kokain, koffein, codein mfl.) og mycotoxiner (svampegifte).

Det særlige ved havsvampenes kemiske kampstoffer er, at de er nødt til at være ekstremt effektive, fordi de bliver fortyndet i vandet. Adskillige metabolitter fra havsvampe har vist sig at hæmme bakterier, vira, svampe og kræftceller, selv om stofferne ikke nødvendigvis er beregnet til det i svampenes verden. Derfor foregår biologernes jagt på nye bioaktive stoffer i stigende grad iført dykkerdragter.