Forskningsgenombrott löser ett 50 år gammalt mysterium – öppnar för ny behandling av nervgasförgiftning
Forskare från FOI och Umeå universitet ville utveckla behandlingen av nervgasförgiftning. Under processen lyckades de lösa ett 50-årigt mysterium där behandling av neurologiska tillstånd och blodtrycksstörningar skulle kunna bli teoretiskt möjligt.
Bilden visar den tredimensionella strukturen av ChAT och den hämmare som bildas genom en reaktion mellan en AVP och koenzym A. Den bildande hämmaren sänker ChAT:s aktivitet, något som forskarna hoppas kan leda till nya sätt att dämpa ett överaktiverat nervsystem. Bild: FOI.
– Herregud, kan det här verkligen vara sant?
Det var tanken som for genom teamledaren Fredrik Ekströms huvud när han såg informationen. Tillsammans med kollegorna Daniel Wiktelius, Tomas Bergström och Anders Allgardsson på FOI tittade han på röntgendata från ett experiment av ett okänt men viktigt enzym med stor betydelse för det centrala nervsystemet.
Det var hösten 2018 och forskningsteamet hade slitit i flera år med kolin acetyltransferas, förkortat ChAT, ett enzym som finns i det kolinerga nervsystemet. Dess primära uppgift är att syntetisera en viktig signalsubstans – acetylkolin (ACh) – som spelar en viktig roll för såväl musklernas rörelse som de kognitiva funktionerna och minnet.
Sjukdomar som Alzheimers och schizofreni kan kopplas till störningar i det kolinerga nervsystemet. Dessutom påverkar nervgaser det kolinerga nervsystemet med livshotande kramper som följd.
Acetylkolins betydelse för att det kolinerga nervsystemet fungerar var en av anledningarna till att Fredrik Ekström och hans kollegor blev intresserade av enzymet ChAT. Under 2016 höll Fredrik Ekström och hans team en workshop för att undersöka olika möjligheter för att på medicinsk väg motverka nervgasförgiftning. Det visade sig att ChAT hade en viktig roll att spela.
– Det har bedrivits lite vetenskaplig forskning på området och vi var angelägna om att göra något nytt, säger Fredrik Ekström och berättar att det började med som en hobby.
Men efter omfattande inläsning av befintligt forskningsunderlag behövde forskarteamet bestämma sig. Kollegan Tomas Bergström insåg tidigt att det saknades kunskap om ChAT.
– Med tanke på hur viktigt ChAT är för det centrala nervsystemets funktion så fanns det förvånansvärt lite om ämnet inom litteraturen. Vi frågade oss själva: ”Varför har ingen forskat om det här enzymet”?
Nästan fem år efter att de inledde sin forskning av ChAT, har teamet löst en gåta som gäckat forskare i årtionden genom att slå fast mekanismen bakom hur en hämmare kan binda med ChAT och att denna process faktiskt är en kemisk reaktion som äger rum i själva enzymet. Bild: FOI.
En del av svaret handlar enligt Tomas Bergström om bristande förståelse för hur ChAT-enzymet fungerar och speciellt hur det påverkas av hämmare. En hämmare är en kemisk substans som bromsar ett enzyms funktion. I ChATs fall, kan en sådan substans påverka antalet acetylkolin som produceras. En obesvarad fråga var huruvida detta skulle kunna minska aktiviteten på centrala nervsystemet.
– Om en ChAT-enzymhämmare skulle kunna identifieras och man kunde förstå dess funktion, skulle det rent teoretiskt kunna bana väg för behandlingar av tillstånd som uppstår på grund av en obalans i acetylkolinnivåer, säger Tomas Bergström.
Samtidigt som tidigare forskning visade att det var möjligt att blockera ChAT-enzymet, gav inget av resultaten några ledtrådar om hur hämmare fungerade. Och medan det fanns gott om forskning om ChAT från 60-och-70 talet, så hade dåtidens forskare gått vidare,
och lämnat mysterierna med ChATs funktion olösta.
Under lediga stunder i samband med en konferens i Schweiz 2018 granskade Daniel Wiktelius sina ChAT-dokument. Det var då han tog det han kallar ”ett betydelsefullt steg” mot att avslöja enzymets mysterium.
– Det blev uppenbart för mig att något saknades. Varför kunde ingen förklara varför en
förening var aktiv och en annan inte? Jag insåg att det nog skulle löna sig att jobba med ChAT. Det blev tydligt att det fanns en kunskapslucka som vi skulle kunna fylla.
Motiverade av förhoppningen om att återuppliva forskningen inom det delvis missförstådda enzymet, ökade teamet sina ansträngningar. Inledningsvis använde de röntgenkristallografi för att skapa 3D-bilder av ChAT tillsammans med flera blockerare som hittats i 50 år gamla forskningsdokument.
Efter ett tag kom Daniel Wiktelius att minnas ett forskningsdokument från 1969 som visade att somliga ChAT-fenomen endast kunde observeras om det även fanns en kofaktor kallad acetyl-koenzym A närvarande. Acetyl-koenzym A är den molekyl som levererar de acetylgrupper som används vid syntesen av acetylkolin – ChATs huvudfunktion. Han gav då Anders Allgardsson, teamets kristallograf, rådet att se vad som hände om han tillsatte koenzym A till ChAT- och hämmareblandningen under framställningen av kristallerna.
Inledningsvis använde forskarna röntgenkristallografi för att skapa 3D-bilder av ChAT tillsammans med flera hämmare som hittats i 50 år gamla forskningsdokument. Bild: FOI.
Anders Allgardsson utvecklade ett system för att tillsätta koenzym A och genomförde en process som genererade en stor mängd data. Ur denna data kunde en 3D-bild av enzymet utvecklas.
En sen lördagskväll i oktober 2018 började Fredrik Ekström att gå igenom all data. När han zoomade in för närmare granskning av enzymet kunde han knappt tro sina ögon. Hämmaren hade på något sätt förenats med koenzym A inne i en ”tunnel” som löpte genom mitten av ChAT-enzymet.
– Jag trodde att det var något fel. Normalt trivs inte molekyler med att vara så nära varandra. Det verkade bara inte vara möjligt, minns Fredrik Ekström.
Efter en närmare granskning insåg teamet att det överraskande resultatet berodde på en unik kemisk reaktion inne i enzymet.
Men innan man korkade upp champagnen över denna till synes banbrytande upptäckt, genomförde Tomas Bergström fler tester i förhoppning om att kunna bekräfta att 3D-bilden från röntgenkristallografin stämde med teamets misstanke.
Tomas Bergström undersökte spektrometerfynden. Molekylernas samlade massa stämde överens med vad som förutspåtts av 3D-bilden. Han blev så uppspelt att han genast mejlade en bild av spektrumet till kollegorna.
– När jag såg resultatet var det ett riktigt ”halleluja-ögonblick”, nu hade vi ett riktigt bevis, berättar Tomas Bergström.
Efter upptäckten följde ett intensivt arbete med att försöka förstå alla detaljerna kring den unika reaktionen. Norman Hoster, doktorand vid Företagsforskarskolan på Umeå universitet, har studerat hur reaktionen dramatiskt ökar ChATs stabilitet, genom att
använda en metod kallad Cirkulär Dikroism, eller CD.
– Jag tycker att det här arbetet är ett ypperligt exempel på fördelarna med samarbete. Både universitetet och FOI får ut mer än vad de har investerat enskilt, säger han.
Nästan fem år efter att de inledde sin forskning av ChAT, har teamet löst en gåta som gäckat forskare i årtionden genom att slå fast mekanismen bakom hur en hämmare kan binda med ChAT och att denna process faktiskt är en kemisk reaktion som äger rum i själva enzymet.
– All gammal data var bristfällig eftersom den mätte fel sak. Forskarna trodde att det var själva molekylen som var hämmaren. De visste inte att det var en kemisk reaktion som höll på att ske, förklarar Daniel Wiktelius.
– Vi har nu levererat ritningarna som visar hur och var hämmaren binder till ChAT.
Exakt hur dessa ritningar kan användas återstår att se. Mer forskning kommer att behövas innan det blir möjligt att utveckla mer effektiva medicinska motåtgärder mot nervgasförgiftning. Men att ha fått artikeln godkänd för utgivning i den prestigefyllda internationella upplagan av Angewandte Chemie International Edition – det tyska kemisamfundets tidskrift – är ett viktigt nästa steg mot att möjliggöra ytterligare forskning.