Der er kemi overalt i naturen – også i bakterier og svampe. Mange svampe danner stoffer, der kan anvendes i eksempelvis medicin og fødevarer. Både forskere og virksomheder har derfor en stor interesse i at udforske mangfoldigheden af naturens mange stoffer og deres strukturer. NMR -spektroskopi er et af de redskaber, der bruges i denne forskning.
Naturen har til dato vist sig at være overlegen i dannelsen af nye kemiske strukturer eller såkaldte ’strukturskeletter’, der kan bruges i lægemidler. Mange lægemidler er netop enten naturstoffer eller modificerede naturstoffer, som man ved, har en positiv effekt på et medicinsk problem. Medicinalindustrien er til stadighed på jagt efter nye lægemiddelkandidater eller såkaldte leads, der på sigt muligvis kan anvendes i et lægemiddel. Det kan f.eks. være et lægemiddel, der kan erstatte det antibiotika, som flere og flere bakterier bliver resistente over for. Et krav, industrien stiller til alle disse forbindelser, er kendskab til den nøjagtige struktur af et nyt lægemiddel-lead. DTU Kemi har instrumenterne til denne strukturanalyse, som kaldes NMR-spektroskopi.
Afsløring af nye stoffer i naturen
”NMR-spektroskopi er en af de mest informationsrige analytiske teknikker. Vi kan helt specifikt bestemme et givent stofs struktur,” fortæller lektor Charlotte H. Gotfredsen fra DTU Kemi, som står i spidsen for en forskningsgruppe, der foretager NMRspektroskopiske analyser på DTU. NMR-forskningsgruppen på DTU Kemi har et tæt samarbejde med blandt andre Center for Mikrobiel Bioteknologi på DTU Systembiologi. Som beskrevet i artiklen ’Den gådefulde skimmelsvamp’ i dette nummer af Dynamo arbejder forskerne på at efterligne naturens kendte stoffer og lave nye varianter af dem. Når et interessant kendt eller ukendt stof er blevet identificeret og isoleret, kan forskerne ved hjælp af NMR-spektroskopi karakterisere det nye stof, som måske har en såkaldt biologisk aktivitet – det vil sige, at stoffet vil kunne anvendes til f.eks. nye antibiotika eller cancer-lægemidler. For at efterligne naturens stoffer syntetiserer kemikerne specifikke stoffer, det vil sige, de laver kopier af eller stoffer, der ligner de naturlige stoffer. Selvom mange biologisk aktive stoffer som f.eks. morfin og penicillin er tilgængelige i store mængder fra naturlige kilder, er det desværre ikke altid tilfældet med alle stoffer. Meget ofte er det kun ganske små mængder, der kan isoleres fra planter, svampe eller andre organismer, og i så fald er kemisk syntese den eneste måde, hvorpå man kan sikre adgang til større mængder af biologisk interessante stoffer. Kemisk syntese giver også mulighed for at variere strukturen og dermed den biologiske aktivitet af komplekse naturstoffer. Kompleksiteten og mangfoldigheden af alle disse forbindelser er ofte strukturelt udfordrende og kræver både viden og kraftige NMR-spektrometre for at blive en succes. Begge dele findes på DTU Kemi og i særdeleshed på det nationale NMR-center – Danish Instrument Center for NMR Spectroscopy of Biological Macromolecules.
En succesfuld forskningsinfrastruktur
"NMR har en historisk stærk position på DTU, og forskerne på DTU Kemi har altid været meget aktive på NMR-området"
Jens Ø. Duus, professor ved Carlsberg Laboratorium
Dette nationale NMR-center har til huse på Carlsberg Laboratorium. NMR-centret blev en realitet i 1996 efter en stor bevilling fra Det Frie Forskningsråd og spiller en vigtig rolle i det stærke NMR-samfund i Danmark. Her mødes industrielle partnere og universiteter for at videndele og benytte sig af det helt store og meget kostbare høj-felts 800 MHz NMRspektrometer, som er placeret på NMR-centret.
”Her på NMR-centret bringer vi NMR-brugere fra både industrien og universiteterne sammen. Vi komplementerer hinanden godt, og det styrker den faglige interaktion på NMRområdet,” fortæller professor Jens Ø. Duus fra Carlsberg Laboratorium, som står for den daglige drift af det nationale NMR-center. ”NMR har en historisk stærk position på DTU, og forskerne på DTU Kemi har altid været meget aktive på NMR-området,” siger Jens Ø. Duus om sit samarbejde med DTU-forskerne, som også benytter udstyret på NMRcentret, når DTU Kemis eget 500 MHz-spektrometer ikke er kraftigt nok til at foretage en given analyse. ”Derudover har vi stor glæde af det faglige fællesskab og den faglige sparring med DTU Kemi – både i forhold til arbejdet i NMR-centret og i forbindelse med vores egen forskning på Carlsberg Laboratorium” fortsætter han. På Carlsberg Laboratorium anvender forskerne også NMR-spektroskopi til at forske i eksempelvis kulhydraters struktur og funktion. Metoden anvendes både inden for generel bioteknologi med hovedvægten på plante-polysakkarider, det vil sige på kulhydrater eller sukkerarter fra planter, samt inden for produktion af bryggeri- og sundhedsingredienser. I dag studerer Jens Ø. Duus og hans gruppe det råmateriale, der skal til for at lave den øl, som har gjort Carlsberg til en af verdens førende øl-producenter. De kigger især på kulhydrater og på komplekse polysakkarider i kornsorten byg og anvender i den forbindelse NMR-spektroskopi. NMR-spektroskopi er enestående, fordi metoden er i stand til at give en meget detaljeret strukturel information om komplekse stoffer, såsom kulhydrater. Men analysemetoden har en næsten ubegrænset vifte af applikationer inden for biovidenskab.
Naturens enorme puslespil
Når det så er sagt, er det yderst kompliceret at bestemme kemiske stoffers strukturer og forstå informationen. Den videndeling, der foregår tværinstitutionelt, særligt via det nationale NMR-center, er derfor essentiel for forskningen. Processen med at fortolke de eksperimentelle data, de såkaldte NMRspektre, kan sammenlignes med at løse et enormt puslespil, hvor brikkerne skal samles rigtigt for at få det rette billede. I NMR-forskernes store puslespil skal de finde ud af, hvilke atomer der er i stoffet, og hvordan den kemiske struktur ser ud. Når man samler et almindeligt puslespil, er der normalt kun et motiv på den ene side. Men sådan er det ikke med de kemiske strukturer. Her kan billedet ses fra begge sider og som hinandens spejlbilleder. ”I et almindeligt puslespil ved man, hvordan det endelige resultat bliver, men når man bestemmer kemiske strukturer, er slutresultatet ukendt,” fortæller Charlotte H. Gotfredsen fra DTU Kemi. For at få lagt det fulde puslespil og få det endelige svar kan det være nødvendigt også at anvende andre analytiske teknikker, såsom røntgenkrystallografi, for at få det absolutte billede. NMR-spektroskopi kan bevise, om en given kemisk reaktion har givet det ønskede produkt, f.eks. et givent lægemiddel. Samtidig kan teknikken også bruges til strukturelle studier af kulhydrater, som har betydning for ølbrygning. ”Muligheden for at løse selv de mest komplekse strukturelle puslespil, er det, der driver os som forskere i NMR-spektroskopi,” siger Charlotte H. Gotfredsen.
I 1875 oprettede brygger J.C. Jacobsen Carlsberg Laboratorium som et forskningslaboratorium tilknyttet Carlsberg Bryggeriet, idet brygger Jacobsen mente, at det var nødvendigt at forstå øllets kemi bedre for at kunne forbedre dets kvalitet.
I dag er laboratoriet en del af Carlsberg Research Center. Forskningen har siden begyndelsen omfattet såvel grundforskning som forskning af betydning for brygningens forskellige processer. Siden 1996 har Carlsberg lagt hus til og stået for den daglige drift af det nationale NMR- center, hvor virksomheder og universiteter mødes for at videndele og benytte sig af centrets 800 MH z-store NMR- spektrometer.
Carlsberg fejrer i Kemiåret 2011 også 200 året for brygger Jacobsens fødsel.