Från cancerkunskap till grön kemi i cellens innersta

Jästceller som både modeller och fabriker – det är kärnan i Wallenberg Scholar Jens Nielsens forskning. Genom genförändringar och dataanalys får han ny kunskap om människokroppen och stora folksjukdomar. Men han kan också få jästen att tillverka miljövänliga bränslen och kemikalier.

Jens Nielsen

Professor i mikrobiell bioteknik och systembiologi

Wallenberg Scholar

Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola

Forskningsområde:
Systembiologi och bioteknik. Studerar bland annat regleringsvägar hos eukaryoter för att utveckla effektiva cellfabriker för hållbar produktion av biobränslen och kemikalier.

Jäst är sedan länge en favoritorganism för forskare, lätt att odla i laboratorium. Hela jästens arvsmassa är kartlagd och kunskapen växer om den komplicerade process där generna får cellen att tillverka ämnen i olika mängd vid olika tillfällen – det som kallas metabolism. Cellmetabolism är just vad Jens Nielsen, professor i mikrobiell bioteknik och systembiologi vid Chalmers, forskar kring. Med hjälp av datorprogram och matematiska modeller kan han kartlägga och analysera såväl jäst- som människoceller, och ibland använda jästen för att förstå människan. 

– I mänskliga celler förändras metabolismen när man blir sjuk. Kanske mest dramatiskt är det i cancerceller där det sker en stor omvandling, säger Jens Nielsen.

Genom matematiska analyser av labbprover från vården har hans forskargrupp identifierat metaboliska förändringar som är typiska för bland annat blåscancer och prostatacancer. De utvecklar nu tester för urin och blod som gör det möjligt att studera biomarkörer, se hur halterna av vissa ämnen går upp och ner. På så sätt kan man upptäcka återfall eller se om en behandling har önskad effekt. Biomarkörerna testas nu vid bland annat Sahlgrenska universitetssjukhuset. 
Jens Nielsens matematiska modeller gör det också möjligt att hitta nya samband i kroppen vid komplexa tillstånd, som hjärt-kärlsjukdomar.

– Vi har kanske femtusen metaboliter som flyter runt i vårt blod och många av dem är nära kopplade till varann genom att till exempel en kan omvandlas till en annan via ett specifikt enzym. Våra modeller och AI-system kan koppla ihop de här sakerna, så att vi inser att uppgång av ett ämne samtidigt med nedgång av ett annat troligen beror på att enzym som ändrat sin aktivitet.

"Att bli Wallenberg Scholar har varit otroligt avgörande. Även om jag har finansiering från andra håll så har detta gjort att jag kunnat satsa på några mer riskfyllda projekt. Som att göra de inledande försöken kring våra biomarkörer.”

Jästceller som små fabriker för kemikalier

Datorprogrammen kan också användas till att testa nya frågeställningar och planera experiment på jästceller. De kan användas som små fabriker som genom genmodifiering fås att producera ämnen man vill ha. Konceptet är inte nytt; i tusentals år har vi använt jäst för att bryta ner socker och tillverka etanol, alkohol, vid tillverkning av öl och vin. Men jästen kan göra mycket mer.

– Många av industrins kemikalier produceras i dag med olja som råvara och det skulle behövas ett mer hållbart sätt att tillverka dem. Vi har lyckats omvandla jästmetabolismen till produktion av närmare 30 sådana kemiska ämnen, som jäst inte producerar naturligt, säger Jens Nielsen.

För att det ska hända behöver man sätta in främmande gener i jästen. Om jästcellerna utsätts för elektricitet öppnar sig deras hölje lite, och nya gener kan föras in. De sätts på plats med hjälp av exempelvis tekniken Crispr/Cas9. Därefter får jästcellerna växa i en lösning, samtidigt som de producerar de ämnen som de nya generna kodar för. Efter en tid kan man filtrera bort jästen, och kvar i lösningen finns de önskade ämnena. 

En av de saker jäst borde kunna göra är biobränslen med högt energiinnehåll, så kallad biodiesel, som behövs i flygplan och tyngre fordon. 

– Vi har försökt få jästen att först producera fettsyror, sedan utföra en kemisk process som förvandlar fettsyrorna till kolväten. Produktionen gick bra, men omvandlingen till kolväten är inte tillräckligt effektiv än. 

En ny väg till biodiesel

För några år sedan var han optimistisk om att frågan snart skulle lösas, men så sjönk oljepriserna och därmed intresset för biodrivmedel. I dag ser han efterfrågan öka igen, nu på grund av det sociala trycket från klimatrörelsen. Och han har börjat tro på en ny väg.

– På sista tiden har vi sett flyg- och energibolag öka sina köp av fettsyror som de själva omvandlar till kolväten. Om vi effektiviserar jästens tillverkning av fettsyror, så kan kanske kemiindustrin sköta det sista steget själv och producera biodiesel med vårt material som råvara. 

Fettsyrorna kan också användas på en mängd andra områden – i läkemedel, livsmedel, kosttillskott, kosmetika och kemikalier. Jens Nielsen och hans kollegor har redan tagit flera patent och startat ett bolag som kommersialiserar tekniken. Gruppen utför också grundforskning där de tar fram ny kunskap om hur metabolismen hänger samman med andra cellfunktioner, och utvecklar de matematiska modellerna för dataanalys. Men det är ingen slump att Jens Nielsen, från början ingenjör vid Danmarks Tekniske Universitet, lägger så mycket kraft på tid på forskning som kan leda till nya produkter.

– Jag kommer inte från en akademisk familj. Mina släktingar sysslade med handel och produktion, pappa drev fabrik. Det har alltid varit viktigt för mig att hitta praktisk användning för det jag gör och bidra till förändring. Jag arbetar gärna nära industrin och försöker lista ut vilka lösningar de behöver. De vill inte att jag ska förbättra deras processer, det gör de jättebra själva. De vill att jag ska hitta de frågor som kommer att bli viktiga för dem om fem år.

Text: Lisa Kirsebom
Bild: Magnus Bergström