DTU-forsker har udviklet en metode, der ved hjælp af røntgenstråler lynhurtigt kan se, hvilke stoffer et ukendt pulver indeholder. Den nye teknik kan genkende avancerede biologiske molekyler som proteiner. Derfor har metoden et kæmpe potentiale i både fødevareproduktion og i lægemiddelindustrien, hvor den giver nye muligheder for kvalitetskontrol af f.eks. proteinbaserede lægemidler.
Det er sjældent nok at læse indholdsdeklarationen, hvis man har brug for at vide, præcis hvilke stoffer et produkt indeholder. Så enten må man være en meget dygtig kemiker, eller også skal man være supermand med røntgensyn, der kan se lige ind i stoffers molekylære strukturer. Post doc Christian Grundahl Frankær fra DTU Kemi er næsten begge dele, for han har udviklet en metode, der gør ham i stand til at se ind i biologiske stoffer ved hjælp af røntgenstråler.
Stoffets fingeraftryk
Teknikken kaldes pulverdiffraktion og går ud på, at man udsætter sin prøve for en intens røntgenstråle. Når røntgenstrålen rammer prøven, spredes den, ligesom når lys rammer en discokugle. Herved opstår et mønster, som afspejler strukturen i materialet. Hvert stof har sit helt eget mønster, en slags fingeraftryk, som gør, at man hurtigt kan genkende det, når resultatet køres gennem en database.
Pulverdiffraktion anvendes i dag til identifikation af simple stoffer som sukre, salte og mineraler, men at samme teknik kan bruges til at karakterisere avancerede biologiske molekyler som proteiner, er noget nyt. Og derfor har metoden et kæmpe potentiale i både fødevareproduktion og i lægemiddelindustrien, hvor man satser mere og mere på proteinbaserede lægemidler.
“Jeg har testet forskellige typer af modermælkserstatninger, proteinpulvere, og vaskepulvere. Og ved at tage en lille smule pulver og udsætte det for røntgenstråling kan jeg indenfor 10 minutter identificere, hvilke stoffer pulveret indeholder, og i hvilke koncentrationer. Typisk vil analysen også afsløre noget om, hvordan produktet er produceret”, fortæller Christian Grundahl Frankær. Denne metode er derfor oplagt til kvalitetskontrol af nye produkter på markedet.
Proteinet insulin i to forskellige krystalformer. Til højre ses to forskellige krystalformer af insulin ved hjælp af enkrystaldiffraktion og graferne til venstre viser to forskellige fingeraftryk for insulin lavet med pulverdiffraktion.
Krystalformer afgør egenskaber
Proteiner er store molekyler med komplekse 3D-strukturer. Formen af et protein eller dets krystalstruktur, kan ændre proteinets egenskaber markant. Et protein som insulin kan have mange forskellige krystalformer, og alt efter hvilken form stoffet optræder i, kan det variere f.eks. i opløselighed, eller i hvor aktivt det er. Det kan få betydning for, hvordan proteinet opfører sig, når det kommer ind i kroppen. Derfor er netop analyser af proteiners krystalformer oplagt både i produktionen og i kvalitetskontrollen af proteinbaserede lægemidler, men det har bare ikke været praktisk og økonomisk muligt at udføre denne type analyser før nu, fortæller Christian Grundahl Frankær:
“Vi har nu vist, at man faktisk kan bruge pulverdiffraktion på biologisk stof som proteiner. Resultatet er ikke så detaljeret, som ved énkrystaldiffraktion, hvor man kan løse hele proteinets struktur, men til gengæld kan vi hurtigt og nemt få de her fingeraftryk ud, så man kan identificere proteinet og dets krystalstruktur. Og det er værdifuld viden, når man arbejder med produktion af proteiner.”
Hurtigt svar
Metoden har et stort potentiale i forhold til optimering af både kvalitet og fremstillingsprocesser i alle produktioner, hvor faste stoffer indgår. Med den nye metode vil man løbende kunne detektere om der forekommer ændringer eller omdannelser af stoffer i produktionsprocessen.
“Fordelen ved vores metode er, at man kan tage prøven direkte ud af en produktion og så et kvarter efter, har man et svar på, hvad der findes af krystallinsk materiale. Og den røntgenstråling vi har brugt er ikke stærkere, end at det kan gøres med almindeligt laboratorieudstyr”, fortæller Christian Grundahl Frankær
Og de opløftende resultater er kun begyndelsen:
“Noget vi gerne vil i fremtiden, er at teste, hvor langt kan vi presse metoden. Nu har vi set, at det virker for proteiner, men virker det også for andre komplekse produkter. Og hvad sker der, hvis vi tager prøverne med på Synkrotronen i Grenoble, hvor man har en røntgenstråling, der er 1 million gange kraftigere, end den vi selv har i laboratoriet?”, spørger Christian Grundahl Frankær.
|
|
Den nye metode gør det muligt hurtigt at afgøre, hvilke stoffer et produkt på pulverform indeholder både af proteiner og andre stoffer. F.eks. påviste en hurtig analyse af vaskepulver udviklet til det danske marked et højt indhold af zeolitmateriale som binder kalken fra det hårde vand vi har i Danmark, mens en prøve fra Marokko var helt fri for dette. En anden prøve på vaskepulver viste, at ”aktivt oxygen” blot er forbindelsen natriumpercarbonat, dvs. bundet brintoverilte.
Foto: Iben Julie Schmidt
|
Skrevet af: Iben Julie Schmidt
Røntgendiffraktion bruges til at undersøge materialer med periodisk opbygning, dvs. krystaller eller fiberstrukturer, og kan anvendes både på énkrystalprøver (énkrystaldiffraktion) og pulverprøver bestående af mange små krystallitter (pulverdiffraktion).
Fordelen ved pulverdiffraktion er at prøven kan analyseres med et minimum af forudgående prøveforberedelse. Derved opnås hurtige analyseresultater.
I et diffraktionseksperiment bestråles en prøve indeholdende krystallinsk materiale med røntgenstråling. Når strålen rammer prøven, diffrakteres den, dvs. strålen spredes og danner et mønster, som kan opsamles med en røntgenfølsom detektor.
Dette diffraktionsmønster er et unikt fingeraftryk af prøvens krystallinske bestanddele og indeholder information om det tredimensionelle arrangement af atomer i materialet.