Student Daniel finner molekyler i havdyr som kan bli nye medisiner

Skrevet av forsker Kine Østnes Hansen ved Marbio, Norges fiskerihøgskole.

I forskningsgruppa Marbio leter vi etter nye molekyler som kan utvikles til medisiner. Vi leter i planter, dyr og mikrober som lever i havet, fra kysten vår og opp til Nordpolen. Molekylene vi finner kan for eksempel brukes mot kreft og bakterier. Masterstudent i bioteknologi, Daniel Simonsen, er 24 år og kommer fra Vadsø. Han begynte i høst og skal være en del av vår forskningsgruppe i 10 måneder. Hos oss skal han finne og isolere molekyler fra et marint mosdyr, finne ut hvordan molekylene er bygd opp og teste hva de kan brukes til. Prøven Daniel skal jobbe med ble samlet inn fra havbunnen i Hinlopenstredet, som ligger mellom Spitsbergen og Nordaustlandet, i 2019.

I denne trålhaugen ligger flere kolonier av mosdyret som Daniel jobber med. Etter at (f.v.) Eivor, Renate, Gunilla og Gregg var ferdig med sorteringen, ble prøven sendt til Marbio for videre analyse.  Foto: Espen H. Hansen.

Vi mennesker har alltid brukt naturprodukter for å få bedre helse. Tannanalyser av neandertalerne viser at de tygde på bark, som vi nå vet inneholder salisylsyre. En variant av salisylsyre brukes fremdeles som smertestillende i medisinen Aspirin. Andre kjente eksempler på medisiner fra naturen er morfin og antibiotika. Faktisk har over 50% av alle medisiner opphav fra naturen. Felles for de fleste er at de kommer fra dyr, planter og bakterier som lever på land. Dette  er fordi livet på land  er mer tilgjengelig for oss mennesker sammenliknet de som lever i havet. Planter, dyr og mikrober som lever i havet har samme rike innhold av molekyler som livet på landjorda. Ny teknologi har gjort det mulig å samle inn flere marine arter, og vi begynner å få medisiner med opphav fra havet. Men havet er stort, og bare en brøkdel av livsformene som lever her har blitt undersøkt for innhold av molekyler som kan videreutvikles til medisiner. Havområder i Arktis, der vi i Marbio samler inn prøver, er lite undersøkt. Siden det er så stor del av dagens medisiner som stammer fra naturen er det ikke vanskelig å forstå hvorfor vi er motiverte til å lete etter nye medisiner der ingen har lett før.

Forskningsgruppen Marbio har i dag 15 ansatte og 3 masterstudenter. Professor Jeanette H. Andersen (fremst t.h.) er gruppeleder. De ansatte har bakgrunn fra bioteknologi, biokjemi, mykologi, farmasi, virologi og molekylærbiologi. Vi har arbeidssted i Siva innovasjonssenter Tromsø. Vi har en variert arbeidsdag og mange spennende prosjekter på gang. Marbio er en flott plass å jobbe!

Det er flere grunner til at Daniel skal lete i mosdyr etter molekyler som kan videreutvikles til medisiner. Mosdyr er invertebrater (virvelløse dyr). Det betyr blant annet at de ikke har like bra immunsystem som oss mennesker. De fleste mosdyrene sitter fast på en plass på havbunnen, hvor de får næring ved å filtrere sjøvann. Det gjør at de er sårbare for angrep fra rovdyr og bakterier, eller kan bli overgrodd av andre arter. For å overleve produserer flere av invertebratene molekyler som er giftige for artene som truer dem, som en måte å beskytte seg. Molekylene er blitt bedre og bedre gjennom evolusjon: dyrene som lagde molekyler som ga best beskyttelse, overlevde. Det er denne molekyltypen Daniel ønsker å finne. Marbio har lang erfaring med å analysere biomasse fra invertebrater. Tidligere har vi blant annet funnet molekyler som fungerer mot brystkreftceller i et nesledyr (Thuiaria breitfussi) fra havet utenfor Bjørnøya (1). Flere masterstudenter har også gjort liknende arbeid som det Daniel gjør nå (2). Vi leter også etter aktive molekyler fra marine bakterier og sopp.

Marbio deler kontorlandskap med Marbank, den nasjonale marine biobanken. Her studerer Daniel det rike utvalget av prøver vi har tilgang til.

Daniel startet arbeidet med kjemisk analyse av et ekstrakt fra mosdyr. I ekstraktet fant han det vi tror er et kjent molekyl og fire som vi tror er nye. Etter å ha funnet disse begynte den tidskrevende oppgaven med å isolere forbindelsene. For å gjøre dette brukte Daniel avansert kjemisk utstyr som kan trekke ut enkeltmolekyler fra ekstraktet. I metoden, der vi bruker noe som heter en HPLC-kolonne, sorteres molekylene etter hvor fettløselige og vannløselige de er. Det gjør at vi får rene forbindelser som vi kan analysere videre.   Etter flere måneder på kjemilaben er flere av prøvene til Daniel isolerte og klare til at vi skal finne ut hvordan de er satt sammen.

Daniel jobber med kjemisk isolering av fire antatt nye og et kjent molekyl fra mosdyrekstraktet.

Daniel skal finne ut hvordan molekylene er bygget opp med en kjemisk teknikk som heter NMR spektroskopi. Det skal han gjøre sammen med forskeren Johan Isaksson ved institutt for kjemi, UiT.

Utvalgte NMR spekter fra den tidligere kjente forbindelsen i Daniel sin mosdyrprøve. Spektrene forteller oss egenskapene til proton og karbonatomene i prøven, og hvordan disse atomtypene er plassert i forhold til hverandre.

Nå på våren skal Daniel teste om molekylene han  har funnet kan brukes mot blant annet kreftceller, bakterier, sopp og mot bakteriell biofilm. Kort forklart testes stoffene i ulike konsentrasjoner mot de forskjellige målene. Både for å se om de er «aktive» (om de fungerer) og for å finne ut hvor kraftig aktiviteten er. Medisiner må virke kun på det de skal treffe i kroppen vår. Dette er for at medisinen skal virke godt nok og ikke gi for mange bivirkninger. Det beste i en slik første testrunde er at stoffene viser aktivitet i en av testene. Hvis et stoff for eksempel viser aktivitet mot en kreftcelletype betyr det at stoffet kan videreutvikles til en målrettet kreftmedisin. Det betyr en medisin som bare virker på syke celler og ikke ødelegger friske celler i kroppen. Tidligere har Marbio funnet molekyler som virker bare mot brystkreftceller (1). Når vi testet disse stoffene så vi at brystkreftcellene døde, mens andre celletyper ikke ble påvirket. Vi jobber nå med å forstå hvilke prosesser inne kreftcellene molekylet «angriper». I tillegg jobber vi i Marbio med flere stoffer vi har oppdaget. Blant annet jobber vi med stoffer mot blodkreftceller og som forhindrer at insulinproduserende celler hos pasienter med diabetes type I dør.

Dette er de første resultatene som viste oss at vi hadde funnet marine molekyler som virket mot brystkreftceller. I de lilla brønnene er det levende celler, i de gule brønnene er cellene døde. Et av molekylene er her testet i en konsentrasjonsserie mot brystkreftceller, hudkreftceller og normale lungeceller. Vi så en målrettet effekt mot brystkreftcellene og at stoffet var aktivt ved lave konsentrasjoner. Hudkreftcellene og lungecellene ble ikke påvirket av stoffet.

Hva vi skal gjøre videre med molekylene Daniel har funnet vil de første testrundene vise oss. Hvis stoffene er aktive mot kreftceller kan vi gjøre oppfølgingsstudier for å få en forståelse av hvordan kreftcellene dør. Dette kan inkludere ulike stadier av cellesyklusen, om molekylene påvirker signalene imellom cellene eller om cellene dreper seg selv (dette kalles apoptose). Daniel sin masteroppgave vil være tilgjengelig i Munin i slutten av mai 2021.

(1) Molekyl fra havet dreper brystkreftceller.

Searching the Arctic ocean for novel antimicrobials – our first research cruise experience

Written by Andrea Iselin Elvheim and Ataur Rahman.

Sea ice.

In august we attended a research cruise on the research vessel “Kronprins Haakon”, the Biodiscovery Cruise 2020. We were three scientists from our group: The Marine Bioprospecting Group, together with 14 other scientists mainly from UiT. The aim of our group was collecting marine invertebrates, marine sediments, and marine bacteria for discovering bioactive compounds. The discovery of novel bioactive compounds is important in combating the increasing amount of antimicrobial resistance in bacteria and finding new medicines. New compounds can also be useful in research and other industries.

The participants from the Marine Bioprospecting Group: Ataur Rahman, Klara Stensvåg and Andrea Iselin Elvheim, on Bear Island.

We started in Longyearbyen 4th of August and travelled north towards the ice edge. Our first sample was from the northernmost part of the cruise. Then, we sampled while moving south along the Atlantic Ridge. A major highlight was sampling from the Molloy Hole, the deepest part of the Arctic Ocean, with approximately 5550 m below the surface. With the help of the experienced crew, we finally succeeded in collecting sediments after three unsuccessful tries. We also sampled around and on Bear Island, before we travelled back home to Tromsø on 22nd of August.”

The stations where we collected samples.

In the northernmost parts of our journey, we got to experience large amounts of drift ice, a truly fascinating sight. After a week of nice weather and almost completely calm waters, we encountered the rough, undulating sea and experienced seasickness for the first time. That cost us one day of working! We went ashore on Bear Island, on a beautiful beach below a bird cliff with unfathomable amounts of birds. There were several species of birds including fulmars, seagulls and puffins. After the final sampling near Bjørnøya, we had the chance to catch some fish. We enjoyed sorting the fish, learning how to cut filets, and got to taste some fresh shrimps on board.

Puffins on Bear Island. Foto: Aleksander Eeg.

Life on board followed specific routines. It revolved around meals and collecting samples, in that order. We were sampling continuously through the day and night, and therefore had to work in shifts. Between the meals, our shifts, and when waiting for samples we had some spare time. This was mainly spent socialising, sleeping, reading, watching movies, exercising, knitting, or watching whales and birds. Parts of the journey, a young falcon accompanied us, after he lost his course and got stranded on the ship. He soon won everyone’s hearts and became the mascot of the cruise.

The falcon visiting RV Kronprins Haakon during the cruise. Foto: Aleksander Eeg.

For our group the sampling mainly consisted of isolating bacteria from marine invertebrates and marine sediment. We collected marine invertebrates, such as sponges, sea stars, sea anemones, and bryozoans from the bottom of the sea using a beam trawl, a small trawl that moves along the bottom. First, we rinsed the contents of the beam trawl were of sediments. Then, we sorted the animals. We crushed interesting invertebrates with sterile salt water, and plated this on agar plates. To collect sediments we used a box corer, a box with a lid for the bottom that closes after the box has been pressed into the sediments. The sediments are trapped in the box exactly as they were on the seabed. After collecting sediments we mixed it with sterile salt water and plated it on agar plates. In addition to growing bacteria, we also froze down big quantities of animals for chemical extraction of compounds.

The marine invertebrates we collected from the Molloy Hole.

Taking sediment sample from the box corer.

Now that we are back in Tromsø, we will continue with isolation, identification and characterization of interesting marine bacteria that could be a potential source of bioactive compounds. We are excited about getting some new equipment that will help with identifying bacteria, and we are optimistic that we will get some good results. For the two of us, this was our first research cruise. We had many new and amazing experiences, got to know some new people, and hopefully we will get some interesting results, helping us towards finishing our PhDs.

Bacteria from one of the marine invertebrates.