Biokemi. Sammanfattande bedömning. Ämnesbeskrivning

Transkript

1 Biokemi Sammanfattande bedömning Sverige var länge världsledande inom biokemi, främst analytisk biokemi och enzymologi, och nuvarande svensk bioteknisk och farmaceutisk industri har i många delar sitt ursprung i denna forskning. Svensk biokemi håller med dessa traditioner fortfarande hög internationell nivå. Svensk forskning i världsklass finns inom flera biokemiska forskningsfält där viktiga utmaningar måste bemötas. Biokemiska metoder och tänkesätt tillämpas brett inom biomedicin och bioteknik. Biokemins styrkor är analysmetodernas kraftfullhet och att biokemiska begrepp och förklaringsmodeller är centrala. Biokemi är därmed för alltid en del av all den biologi, medicin och bioteknik där en beskrivning på molekylär nivå krävs. Ämnets omfattning och tillämpning ökar medan anslag av forskningsmedel till grundläggande biokemisk forskning minskar. Detta beror delvis på förflyttning av forskare och medel till angränsande fält. Den grundvetenskapliga kärnan måste stärkas för att inte såväl utbildning och grundforskning som tillämpningar på sikt ska försvagas. Biokemi inkorporeras nu mer i större forskningsprogram som syftar till helhetsperspektiv i biologi eller medicin. En annan trend är kemisk biologi där samverkan mellan biokemister, organiska kemister och biologer för att utföra biokemiska experiment i levande celler leder till genombrott. Svensk biokemi kan med fördel integreras mer i större europeiska forskningsprogram. Infrastruktur och instrumentering för grundläggande forskning är i behov av uppgradering och underhåll. Dessutom behövs en snar lösning för hur basutrustning ska finansieras vid universiteten. Ämnesbeskrivning Biokemi är läran om livets kemi. I en levande cell samverkar och omvandlas molekyler i en myriad väl koordinerade biokemiska processer som styr hur cellen utvecklas och organiseras, använder och förvaltar det genetiska materialet, delar sig, sköter sin energiomsättning, försvarar sig mot yttre hot och reparerar skador, samt hur den kommunicerar med andra celler och i övrigt fyller en funktion i en organism eller i en ekologisk miljö. Biokemi syftar till att förklara dessa processer på en molekylär nivå. Forskning i biokemi fokuseras idag på: - att förstå biokemisk energiomvandling (bioenergetik), till exempel hur växter utnyttjar solens ljus för att omvandla vatten och koldioxid till syre och organiska molekyler (fotosyntes). Denna forskning kan till exempel tillsammans med oorganisk kemi bereda väg för framtida energikällor baserade på vatten och solljus; - att förstå relationen mellan biologiska molekylers tredimensionella struktur och deras funktion (strukturbiologi). Tidig strukturbiologisk forskning ledde till utveckling av molekylärbiologi som enskild disciplin och strukturbiologi är i många fall en förutsättning för rationell läkemedelsutveckling; - att förstå hur de proteiner som återfinns i cellens olika membraner fungerar. Till membranproteiner hör bland annat receptorer för hormoner och andra

2 signalsubstanser, jon- och vattenkanaler och proteiner som transporterar näringsämnen och metaboliter in och ut ur cellen. Förståelsen av membranproteinernas biokemi är central, då till exempel minst hälften av alla licensierade läkemedel binder till membranproteiner; - att kartlägga de komplexa biokemiska nätverk i vilka näring bryts ner och 100-tals mindre molekyler som behövs som byggstenar, energikällor eller signalsubstanser i cellen syntetiseras (metabolism), samt studier av de enzymer som katalyserar biokemiska reaktioner (enzymologi). En del av dagens forskning inom detta fält syftar till att förstå hjärnans biokemi (neurokemi); - att utveckla nya metoder för biokemiska analyser (analytisk biokemi). De senaste 10 åren har medfört en fantastisk utveckling av analysmetoder för storskalig forskning i biomedicin, och dessa bidrar till effektivare läkemedelsutveckling, snabbare och säkrare diagnostik, personligt utformade terapier med mera; - att förstå biokemiska reaktioner på atomär nivå. Här kombineras enzymologi och strukturbiologi med beräkningar och datorsimuleringar (teoretisk biokemi). Denna forskning syftar också till utveckling av nya enzymer för till exempel industriell omvandling av organiskt avfall och växter till biobränsle (proteinteknik; även kallat protein engineering ); - att förstå hur proteiner antar sin rätta tredimensionella struktur (proteinveckning). Detta är sedan det för år sedan upptäcktes att felveckade proteiner orsakar sjukdom ett centralt forskningsfält; - utvecklandet och användandet av statistiska metoder för analys av mycket stora mängder genetiska och biokemiska data och strukturdata (bioinformatik); - kemisk biologi utveckling och användning av nya kemiska verktyg för att direkt studera och/eller manipulera biokemiska processer i levande celler och vävnader, det vill säga att flytta de biokemiska experimenten från provrör och in i levande celler. Vidare tillämpas biokemiska metoder och biokemiskt tänkande brett inom biologi, biomedicin och bioteknik. Anledningen till att biokemin på detta sätt har svällt över sina breddar är att den utgör förklaringsmodell för molekylära biologiska mekanismer. Dessutom tillåter biokemiskt tänkande och experimenterande en övergång från naturfilosofiskt observerande till möjligheten att praktiskt gripa in i biologin för att testa hypoteser eller utveckla nya tekniker. Styrkor, svagheter och ämnesmässiga trender I ett historiskt perspektiv har svensk forskning i biokemi varit utomordentligt framgångsrik. Jöns Jakob Berzelius myntade ordet protein redan i början av 1800-talet och forskning i biokemi tog ordentlig fart drygt 100 år senare då utveckling av ny teknik möjliggjorde separation av biologiska makromolekyler och cellkomponenter. En stor del av denna utveckling skedde i Sverige. Svensk biokemisk forskning var under ett halvt sekel åren 1920 till 1970 mycket stark i ett internationellt perspektiv och till och med världsledande inom fält som analytisk biokemi och enzymologi. En stor del av Sveriges biotekniska och farmaceutiska industri har sitt ursprung i denna forskning. Under och 1980-talen upprätthöll Sverige en stark position i biokemi, nu kompletterad med forskning i bioenergetik och strukturbiologi. Svensk biokemi av årgång 2010 håller fortfarande hög internationell standard, bland annat inom strukturbiologi, membranproteiner, teoretisk biokemi, bioenergetik och proteinveckning. Stark svensk biokemisk forskning förekommer också i större program inriktade mot biomedicin eller bioteknisk utveckling.

3 Svenska forskargrupper är dock i de flesta fall små eller i många fall mycket små jämfört med i andra europeiska länder. En orsak till detta är bristande resurser vid fakulteterna. En annan bidragande orsak är möjligtvis även att svenska forskare inte söker och/eller tar hem större forskningsbidrag från till exempel Europeiska kommissionen. Det finns flera framgångsrika undantag, men ett intryck är att svenska forskare i biokemi, om än starka, inte alltid har den flexibilitet och de drivkrafter som krävs för att växa sig starka i ett internationellt perspektiv. Strukturbiologi är nu mer dominerande i Sverige, även om den totala omfattningen antagligen inte har ändrats under de senaste åren. Dominansen beror delvis på att strukturbiologi är ett kraftfullt forskningsredskap, men även på att andra biokemiska forskningsfält, som till exempel forskning på metabolism och enzymologi har minskat i omfattning. Flera svenska strukturbiologer är internationellt uppmärksammade för utveckling av ny teknologi baserad på synkrotronljus och ny metodologi för att framställa proteiner för strukturbiologiska studier. Fortsatt stark svensk strukturbiologisk forskning kräver dock nyinvesteringar i instrumentering och framförallt uppgradering och underhåll av befintlig infrastruktur. Under de senaste 15 åren har svenska forskare etablerat mycket bra verksamhet för studier av proteiners veckning och felveckning. En styrka med svensk forskning i fältet är att den i flera fall är tätt sammanknuten med medicinsk forskning av hög kvalitet. De svenska forskare som är verksamma i teoretisk biokemi är i flera fall internationellt ledande fysikaliska och teoretiska kemister. Den bästa teoretiska biokemin återfinns inom större forskningsprogram som även omfattar experimentella studier och som syftar till en helhetssyn på någon biologisk process, till exempel proteinsyntes. Svensk forskning kring membranproteinernas biokemi håller utomordentligt hög klass. Framgångsrik svensk forskning omfattar strukturbiologiska studier för att förstå hur membranbundna enzymer fungerar, utveckling av nya metoder, samt mycket stark forskning kring hur membranproteiner antar en tredimensionell struktur på till exempel en cellyta. Det är viktigt att denna forskning får möjlighet att fortsätta utvecklas i Sverige det finns uppenbara risker att den kan komma att flytta utomlands. En svaghet i svensk biokemi är bristen på förnyelse inom traditionellt starka områden som enzymologi och metabolism. Pensionsavgångar och krympande forskningsbidrag till dessa fält kan komma att leda till att de försvinner i Sverige. Detta är olyckligt då de fortfarande är mycket viktiga. Grundforskning i enzymologi i omvärlden omfattar nu studier av enskilda enzymmolekyler och större molekylära maskinerier som fungerar som mekaniska motorer. Här kommer det sannolikt att ske genombrott av allmänt intresse, men forskningen är tyvärr inte representerad i Sverige. Vidare är enzymologi och metabolism högaktuell inom neurokemin. I ett läge där hjärnans kemi och botandet av demenssjukdomar framstår som en av de stora utmaningarna är det olyckligt att grundläggande biokemisk kompetens försvinner från de svenska universiteten. En tydlig trend i det biokemiska fältet är en pågående förskjutning av kompetens och frågeställningar mot biomedicin och bioteknik. Biokemiska metoder och främst analytisk biokemi utnyttjas i större så kallade teknikplattformar för medicinsk forskning. Dessa är laboratorier för storskaliga parallella analyser av biologiska prover. De används dels för forskning i bland annat genomik, proteomik och metabolomik, det vill säga forskning som syftar till kartläggning av olika geners funktion och vilka proteiner och mindre molekyler som förekommer i olika celler och vävnader. Dels syftar de till medicinsk profilering, vilket

4 innebär studier av hur sammansättningen av till exempel proteiner och mindre molekyler korrelerar med utveckling, åldrande eller olika patologiska tillstånd. En annan trend är mer fokus på kemisk biologi. Inom detta fält samverkar forskare med biokemisk, organisk-kemisk och cellbiologisk expertis. Kemisk biologi har på kort tid etablerat sig som ett nytt koncept för biologisk forskning; möjligheten att kunna utföra biokemiska experiment direkt i levande celler öppnar tidigare oanade möjligheter. Utvecklingen har under flera år skett vid främst universitet i USA, men flera svenska forskare börjar nu med viss framgång tillämpa tekniker och tänkesätt. En tredje trend, som även återfinns inom andra biovetenskaper, är att svenska biokemister nu i större utsträckning deltar i bredare forskningsprogram och större nätverk. Dessa syftar ofta till att studera biologiska processer i ett helhetsperspektiv, det vill säga hela vägen från organism till molekylära processer, eller omvänt, hela vägen från biokemiska mekanismer till någon sjukdom. Dessa typer av frågeställningar kallas ibland translationell forskning. Hot och möjligheter Biokemins styrka som förklaringsmodell och biokemiska forskningsmetoders styrka och användbarhet innebär en möjlighet för svenska biokemister att i större utsträckning än tidigare framgångsrikt bidra i forskning som syftar till en helhetsförståelse av biologiska eller medicinska frågeställningar. För en framtida positiv utveckling av biokemi i Sverige krävs dock antagligen att svenska forskare fortsatt och i större utsträckning samverkar i internationella och främst europeiska forskningsprogram. Biokemins framgång och tillämpning inom angränsande biomedicin och bioteknik innebär både ett hot och en möjlighet. Denna har nämligen lett till en förflyttning av biokemister från frågeställningar inom kärnämnet och institutioner för biokemisk grundforskning till nya tillämpade områden och andra institutioner. I många fall följer forskningsfinansieringen med i denna förskjutning. Man kan tydligt urskilja en urholkning av biokemins kärna, vilken redan nämnts vad gäller metabolism och enzymologi. På sikt kan urholkningen innebära försvagad grundkompetens vid biokemi-institutionerna och en ond spiral i form av sämre utbildning, rekrytering och forskning. Då de framgångsrika tillämpningarna av biokemi i mycket baseras på grundforskning så kan detta i ett längre perspektiv leda till försvagningar även inom den bredare biovetenskapliga och medicinska forskningen. En lösning är att med framtida forskningsfinansiering stärka just kärnämnet biokemi. Någon större oro för att tillämpningarna då blir lidande bör inte föreligga. De stora biomedicinska forskningsprogrammen (med ingående biokemi) kommer ändå att finansieras. Om befintliga styrkor, svagheter, möjligheter och hot beaktas på ett bra sätt så är de övergripande möjligheterna mycket goda för att svensk forskning i biokemi ska bidra till naturvetenskapens och samhällets utveckling. Forskningsinfrastruktur Finansiering av infrastrukturen för forskning i biokemi vid svenska universitet är tyvärr ett problem och befintlig äldre instrumentering är i akut behov av underhåll och uppgradering. För inte alltför länge sedan (15 till 20 år) kunde man på de flesta håll utrusta biokemilaboratorier med finansiering från fakulteter, forskningsråd och andra finansiärer. Så är inte längre fallet och det finns i många fall inga möjligheter till finansiering av basutrustning i kostnadsintervallet 0,5 till 10 miljoner kronor. Till och med vid mycket stora samlade forskningscentra med flera representerade fakulteter och/eller universitet kan det i

5 många fall inte finnas ett enda fungerande basinstrument av en viss typ (till exempel analytisk ultracentrifug eller plattläsare med temperaturreglering ). Denna situation är ett uppenbart hot, men å andra sidan ett tydligt problem med tydliga lösningar. Vidare krävs en översyn av om och hur större laboratorier av nationell karaktär ska finansieras med avseende på uppgraderingar, underhåll och drift. Till dessa laboratorier hör de strålportar vid MAX-lab i Lund som utnyttjas för strukturbiologi och Svenskt NMR-centrum i Göteborg som utnyttjas för flera typer av biokemisk forskning.