Iskald jakt på kjemiske skatter

Kulde, vind og næringsfattige forhold presser organismene som lever i Arktis til å utvikle unike overlevelsesmekanismer. I de iskalde miljøene nord for polarsirkelen leter forskere og bioteknologer etter ny kjemi og fremtidens legemidler.

En kald, klar høstdagsvever en drone lavt over snøen på Svalbard, som et mekanisk insekt over et landskap der få mennesker setter sine spor. Noen hundre meter unna studerer forskere fra forskningsinstituttet NORCE det frosne landskapet på en skjerm. De er på jakt etter mikroorganismer spesielt tilpasset et liv i ekstreme omgivelser.

Det var en gang

Gjennom millioner av år med evolusjon har enkelte mikroorganismer utviklet tilpasninger som gjør dem i stand til å overleve i miljøer der de fleste andre arter ikke kan eksistere.

– Arter som lever i ekstreme miljøer må tåle betingelser som ville ødelagt DNA, proteiner og cellefunksjoner hos de fleste andre organismer. For å fungere under slike forhold har mikroorganismene som lever her utviklet spesialiserte biokjemiske løsninger, i form av særegne gener, enzymer, proteiner og andre molekyler, forteller Antonio Garcia-Moyano, seniorforsker hos NORCE og prosjektleder for EU-prosjektet XTREAM, til GENialt.

I prosjektet XTREAM samler forskerteam fra flere europeiske land inn mikrober fra noen av klodens mest ekstreme miljøer; fra isbreer og arktiske dyphavsområder til varme kilder, sure gruvemiljøer, og innsjøer med høyt saltinnhold.

– Vi leter for eksempel etter varme- eller kuldetilpassede enzymer, som kan ha mange ulike anvendelser innen farmasi eller industri, og ser også etter molekyler eller proteiner som gir motstandsdyktighet mot ekstreme forhold, ulike typer bioaktive forbindelser og medisinske stoffer, men også mikroalger tilpasset et liv i kulden, forteller forskeren. (Les mer om hva forskerne leter etter i faktaboksen nederst i saken)

Til lands, til havs og i luften med

Garcia-Moyano forteller at prosjektnavnet XTREAM spiller både på at forskerne leter i ekstreme miljøer, og på ambisjonen om å strømlinjeforme oppdagelsesprosessen. Teknologiutvikling er en sentral del av prosjektet. På Svalbard tar forskerne i bruk droner for å få mer målrettet og bærekraftig prøveinnsamling.

– Bruk av droner er særlig nyttig i områder som er vanskelig tilgjengelige, og i verneområder der det er avgjørende å begrense påvirkningen på naturen. Målet er å identifisere biologiske «hotspots» som er spesielt interessante. På sikt håper vi også at dronene i visse tilfeller kan brukes til selve prøveinnsamlingen, sier NORCE-forskeren.

Mens forskerne i XTREAM-prosjektet leter etter spennende molekyler hos mikroorganismer på Svalbard, jakter forskerne i forskningsgruppen Marbio ved Universitetet i Tromsø (UiT) på nye medisinske virkestoffer også i større, marine organismer.

I over 20 år har Marbio samlet inn prøver fra havområdene i nord, fra strandkanten utenfor Tromsø, og fra dypet av Nordishavet.

– Prøveinnsamling kan være alt fra å vasse i fjæren, til å sende avansert utstyr ned til havbunnen fra forskningsskip, forteller professor Jeanette Hammer Andersen, leder for Marbio, til GENialt.

Tilgangen på forskningsskip gjør det mulig å samle prøver samtidig med annen kartlegging.

– Vi bruker både trål, skrape, dykkere og sedimentbokser som tar med seg hele biter av havbunnen opp fra dypet, forteller hun.

Jeg fant, jeg fant

På kjølerommet til Marbio i Forskningsparken i Tromsø står prøveglass tett i tett. De rommer alt fra sjøpølser og svamper til merkelige edderkopplignende skapninger fra havdypet. I ett av glassene ligger et tilsynelatende beskjedent nesledyr, en fjern slektning av brennmaneten.

– Da vi undersøkte stoffene dette dyret produserer, fant vi et molekyl som dreper kreftceller effektivt og selektivt. Kreftceller dør, mens friske celler blir spart, forteller Andersen.

Nesledyret ble hentet opp fra havbunnen utenfor Bjørnøya, som ligger mellom Tromsø og Svalbard.

– Dette funnet ble et gjennombrudd for oss. Det bekreftet hypotesen vår om at hvis vi drar langt nord og samler inn organismer, så kan vi finne helt ny kjemi, forteller Andersen.

Hva fant du nå da?

Men å finne frem til det aktive stoffets kjemiske struktur, skulle vise seg å være alt annet enn enkelt. Forskerne måtte samarbeide med kollegaer rundt i verden for å løse den tredimensjonale strukturen til stoffet de hadde funnet. Det viste seg å være noe helt nytt.

Den virkelige skattejakten begynner nemlig først etter at prøvene er samlet inn. I laboratoriet deles organismene opp i råekstrakter og fraksjoner som testes i en rekke biologiske analyser.

– Én organisme blir raskt til mange underprøver. Totalt har vi gjort kanskje hundretusener av screeningtester for å finne noen få treff det er verdt å gå videre med, sier Andersen.

Og det er sjelden mulig å vite på forhånd hvilke organismer som kan skjule noe interessant.

– Det handler først og fremst om å jobbe systematisk og teste bredt, forklarer forskeren.

Langt og lenger enn langt

Selv etter at forskerne har identifisert et stoff med lovende egenskaper, er jobben langt fra over. Veien fra et spennende funn i laboratoriet til et ferdig legemiddel eller produkt er nemlig både lang og kostbar.

– Å finne et virksomt stoff er bare starten. Derfra kan det ta ti til femten år før et nytt virksomt stoff er ferdig utviklet til å bli et legemiddel på markedet, forklarer Andersen.

For en forskningsgruppe ved et universitet er det vanskelig å ta denne reisen alene. Utvikling av legemidler krever omfattende testing, dokumentasjon og betydelige investeringer som overstiger det akademiske miljøer kan stå for alene.

– Vi er helt avhengige av støtteordninger og samarbeid med aktører som kan ta en del av risikoen og kostnadene i den videre utviklingen, sier forskeren.

Hun forteller at en utfordring er at både private investorer og det offentlige virkemiddelapparatet ofte har kortere tidshorisonter og lavere risikovilje enn det som kreves for å ta et nytt, lovende legemiddel fra forskning og frem til markedet.

– Skal flere funn fra norske forskningsmiljøer faktisk bli til nye medisiner, må det finnes mekanismer som gjør det mulig å tenke langsiktig, også når utfallet er usikkert, understreker Andersen.

Et norsk biotekeventyr

Historien til det børsnoterte Tromsø-baserte bioteknologiselskapet ArcticZymes Technologies viser at funn fra arktisk natur kan bli til internasjonale produkter og arbeidsplasser.

Selskapet har rundt 55 ansatte og spesialiserer seg på å utvikle, produsere og selge enzymer. Disse brukes til molekylær forskning, diagnostikk, og i biofarmasøytisk produksjon av blant annet vaksiner og gen- og celleterapier for kreftbehandling.

– Kunnskapsgrunnlaget fra marin bioprospektering har vært helt sentralt for innovasjonen vår, forteller Olav Lanes, direktør for FoU- og applikasjon i ArcticZymes Technologies, til GENialt.

Selskapet spesialiserer seg på enzymer som er effektive ved lave temperaturer og høyt saltinnhold, men samtidig er varmelabile. Det betyr at enzymet inaktiveres ved oppvarming til rundt 50 grader.

– At enzymene er varmelabile kan være en stor fordel i analytiske og industrielle prosesser som krever flere trinn. Da må hver reaksjon være presis, men også kunne stoppes effektivt, uten å skade prøven eller produktet, forklarer Lanes.

Og nettopp slike enzymer kan man finne i marine arter som lever i kalde farvann. En av selskapets største suksesshistorier startet bokstavelig talt i fjorden utenfor Tromsø. Enzymet Cod UNG, som i dag brukes i diagnostikk og forskning verden over, kan spores tilbake til én enkelt torsk. Torsken halte Lanes opp fra fjorden da han var doktorgradsstudent ved Universitetet i Tromsø (UiT). Senere ble genet som koder for det spesielle enzymet i torsken identifisert og karakterisert gjennom et forskningssamarbeid ved UiT. I dag produseres det samme enzymet i mikrobielle produksjonsorganismer i ArcticZymes Technologies lokaler.

Trenger gode hjelpere

Selve kunnskapsgrunnlaget for selskapets produkter var forskning bygget opp over mange år ved Universitetet i Tromsø, men tilgang på kapital, samarbeid med industrielle kunder og god oppstartshjelp fra et støttende innovasjonsmiljø ble helt avgjørende for å ta enzymet fra forskningslaboratoriet og ut i markedet.

– Dette startet som offentlig finansiert forskning ved Universitetet i Tromsø. Men helt avgjørende for at vi har lykkes, er at vi har hatt et miljø rundt oss med industrikompetanse, kapital, og infrastruktur, som egnede industrilokaler. Det var helt nødvendig for å komme i gang med produksjon og utvikling, sier Lanes.

Tidlig utvikling og god timing var også viktige suksessfaktorer. Torskeenzymet Cod UNG ble kommersialisert allerede på midten av 2000-tallet. Det første gjennombruddet kom da enzymet ble tatt i bruk i en test for å detektere HIV-virus.

– Det var da vi forsto at dette kunne bli starten på en kommersiell suksess, sier Olav Lanes.

Denne tidlige anvendelsen gjorde at selskapet investerte videre i produksjon og tidlig etablerte en robust produksjonslinje for enzymet. Et valg som skulle vise seg avgjørende flere år senere. Da covid-19-pandemien traff og behovet for raske og presise PCR-tester eksploderte, hadde selskapet både teknologien og produksjonskapasiteten på plass, og torskeenzymet ble tatt i bruk i diagnostiske tester verden over.

En verktøykasse for framtiden

For Jeanette Andersen i Marbio handler bioprospektering ikke bare om enkeltfunn og produkter, men om å bygge en kunnskaps- og ressursbase for framtiden.

– Hvis vi skal ha en verktøykasse i framtiden, blant annet i kampen mot antibiotikaresistens, må vi ha flere ting klare i skuffen. Marin bioprospektering er en av strategiene, sier hun.

Drømmen er at noe som i dag ligger i et glass på et kjølerom i Tromsø, en dag kan gjøre en reell forskjell.

– Det er det som er drivkraften: At noe vi finner i naturen til slutt skal komme pasienter og samfunnet til gode, sier Andersen.