Rene og veldefinerede overflader: En guldelektrode cirka 3 mm i diameter skåret til, så den er absolut plan, også på det atomare niveau. Illustration: DTU Kemi

Slut med atomernes privatliv

fredag 02 dec 11
|

Kontakt

Jens Ulstrup
Professor, emeritus, dr. scient.
DTU Kemi
45 25 23 59
Inden for nanokemien kan man undersøge naturens aller- mindste byggesten, de enkelte molekyler og atomer. Resultaterne kan f.eks. bruges til at udvikle enzymer, som kan bruges i en lang række industriprocesser. Derfor er Novozymes en af de virksomheder, som følger den nanokemiske forskning tæt.

Dagens grundforskning kan blive morgendagens produktion. Derfor støtter verdens største producent af enzymer, Novozymes, forskningen i nanokemi på DTU, hvor en forskergruppe er med til at skabe det nødvendige videnskabelige grundlag for f.eks. udviklingen af ekstremt følsomme nanosensorer og anden elektronik i molekylær målestok. Virksomheden deltager også i den videnskabelige følgegruppe. ”Forskergruppen er i stand til at følge de processer, vi interesserer os for, under betingelser, der ligner dem, man møder i praksis, og i en skala, der tillader, at man undersøger enkelte molekyler. Novozymes har ikke tilsvarende udstyr selv, og samtidig er det inspirerende at samarbejde med en gruppe, der er internationalt førende på sit område,” siger science manager Esben Friis, Novozymes. Med avanceret udstyr – først og fremmest ’skanning tunnelmikroskopi’ (STM) – kan DTU Kemis nanokemiske forskningsgruppe kortlægge proteiner direkte. Forskerne anbringer proteinmolekyler på for eksempel guldoverflader, der selv skal være fuldstændig plane helt ned på det atomare niveau. Her kan det enkelte proteinmolekyle og dets biologiske processer så ’ses’ i aktion. Der foregår nanokemisk forskning mange steder i verden, men den danske gruppe har valgt en tilgang, der adskiller sig fra udenlandske kollegers. ”På universiteter andre steder i verden er man i stand til at studere tingene i ekstremt høj opløsning, men det forudsætter typisk ultrahøjt vakuum og temperaturer tæt ved det absolutte nulpunkt. Vi er i stand til at studere både enkelt protein- og dna-molekyler i vandige biologiske medier og ved stuetemperatur – altså praktisk taget under deres naturlige betingelser. Det er ret unikt, og her er vi indehavere af verdensrekorder både for høj opløsning og for undersøgelse af molekylernes elektriske, fysiske og kemiske egenskaber,” konstaterer professor Jens Ulstrup, DTU Kemi. 

Relevant i mange industriprocesser 

"Vi er ikke i tvivl om, at enzymer med særlige oxidationsegenskaber bliver et vækstområde i de kommende år"
Esben Friis, Novozymes

Der er tale om grundforskning med mulige anvendelser inden for en række bioteknologiske felter samt andre områder som eksempelvis katalyse. For Novozymes er det især den del af forskningen, som angår enzymer, som bliver fulgt tæt. Virksomheden er særligt interesseret i de nanokemiske undersøgelser af enzymernes såkaldte oxidationsegenskaber. Enzymer er katalysatorer. Det vil sige, at de er i stand til at øge hastigheden af reaktioner mellem andre stoffer uden selv at blive forbrugt. En stor gruppe af reaktioner inden for både organisk og uorganisk kemi er såkaldte redox-reaktioner, hvor et udgangsstof enten bliver tilført en eller flere elektroner (reduktion) eller afgiver en eller flere elektroner (oxidation). Visse enzymer er særligt egnede til at fremme eller hæmme redox-reaktioner. Et eksempel er enzymklassen laccase opkaldt efter det japanske laktræ, som enzymet tidligere blev udvundet fra. Laccaser fremmer redox-reaktioner og anvendes i en række vigtige industriprocesser lige fra omdannelse af træ til papir over fjernelse af korkpropsmag i rødvin til at få cowboybukser til kunstigt at se slidte ud. Man har fundet ud af, at laccasernes mangeartede funktion er nøje knyttet til nøjagtig fire kobberatomer i proteinet. Forskergruppen har kunnet følge og kontrollere laccase – og en række andre enzymer – i aktion helt nede på det enkelte enzymmolekyles niveau. ”Vi er ikke i tvivl om, at enzymer med særlige oxidationsegenskaber bliver et vækstområde i de kommende år,” siger Esben Friis, Novozymes. ”Denne type enzymer bruges allerede en række steder i industriel sammenhæng, og flere anvendelser begynder at nærme sig et kommercielt interessant stade.” 

Proteiner flytter elektrisk ladning

En anden interessant mulig anvendelse af nanokemien er til kemiske sensorer. En nanokemisk sensor kan tænkes at blive ekstremt følsom, fordi blot nogle få molekyler af det stof, man leder efter, vil være nok til at give et udslag. Samtidig vil man kunne få svaret øjeblikkeligt, hvor traditionelle kemiske test kan tage timer eller tilmed dage. Det måske stærkeste argument for nanosensoren bunder i, at egenskaberne af et stof ændrer sig, når man kommer ned i atomar skala, hvor kvantemekanikkens love tager over. For eksempel betragter man traditionelt store molekyler som f.eks. proteiner, der består af tusindvis af atomer, som elektrisk isolerende. Men set på nanoniveau, hvor andre fysiske love gør sig gældende, er de i stand til at lede strøm særdeles effektivt. Det er en vigtig del af forskergruppens fokus at udrede de mekanismer, der ligger bag. ”Fuldstændig som i vores almindelige verden er der behov for at flytte energi i form af elektrisk ladning rundt i kroppens celler. Det sker ved at flytte elektroner fra det ene proteinmolekyle til det næste og siden fra én biologisk celle til den næste. Proteinerne er naturens store, komplekse byggeklodser, der er i stand til at flytte elektroner på en kontrolleret måde, i den rigtige rækkefølge og uden kortslutninger,” forklarer Jens Ulstrup, DTU Kemi. 

Gode argumenter for nanosensor 

Når man kender strukturen og de elektriske egenskaber af et stof, som man interesserer sig for, kan man ofte finde et andet molekyle, der matcher. Dette andet stof har man til stede i sin nanokemiske sensor. Når de to stoffer møder hinanden, ændres de elektriske egenskaber, så man får et signal fra sensoren. I princippet skal der blot være et enkelt molekyle af det stof, man interesserer sig for, i prøven for at give et udslag. ”Netop fordi der er tale om et elektrisk signal, vil man registrere det direkte i modsætning til metoder, der baserer sig på fluorescens eller andre traditionelle kemiske teknikker. Tilmed vil man få sine data på en form, der er let at udnytte i en computer,” fremhæver Jens Ulstrup. Yderligere fordele ved de bioteknologiske nanosensorer er, at de kan bringes til at fylde ekstremt lidt, og at de kan designes til at registrere mange former for biologisk funktion på samme tid. Dermed vil man kunne fremstille et ’laboratorium’, som screener eksempelvis en dråbe blod for indhold af en lang række stoffer, på et areal mindre end en fingernegl. ”Formentlig vil enzymer spille en rolle i nanokemiske sensorer, så det er bestemt relevant for os,” siger Esben Friis, Novozymes. ”Vi følger instituttets arbejde med nanokemi med stor interesse. Vi ser en række muligheder for anvendelser, hvor kemiske nanosensorer er en af dem.”

Atomare kræfter til kortlægning af proteiner og bakterievækst

DTU Kemis nanokemiske forskningsgruppe har for nylig udvidet sin forskning til også at omfatte atomar kraftmikroskopi (Atomic Force Microscopy, AFM). Her måles ikke elektriske strømme, men de kræfter, der virker mellem en meget spids nål og molekyler eller andre mikroskopiske objekter som eksempelvis bakterier på en fast overflade. 

Herved har de kræfter, der holder proteiner sammen og forhindrer deres udfoldning, blandt andet kunne bestemmes. I samarbejde med DTU Systembiologi og virksomheden Danish Micro Engineering A/S har denne form for mikroskopi desuden kunnet anvendes til studier af bakterievækst (biofilm) såvel som forebyggelse af denne vækst nede på den enkelte bakteries niveau (dvs. på brøkdele af en mikrometer). 

Sådanne resultater har betydning for eksempel i hospitalsverdenen, hvor biofilmdannelse er et stort problem, når man anvender kanyler, katetre m.m.

Relaterede Videoer  

Vis flere