En af de mest fascinerende rejser starter, når kuldioxid – et af vor tid mest udskældte molekyler – trænger ind i den levende verden.
Når kuldioxid (CO2) er trængt ind i planternes grønne blade, begynder en af naturens mest unikke processer, der kombinerer fotoner fra solens lys og enzymatisk katalyse (katalyse er en proces, der accelererer en kemisk reaktion, der ellers ville være ubrugeligt langsom).
Når dette sker, omdannes et af livets mest simple molekyler – et kulstofatom bundet til to iltatomer – til de komplekse organiske molekyler, der er grundlaget for liv.
Denne proces – kendt som fotosyntesen – viser, hvor overlegen naturen er: Fotonerne fra solens lys er energikilden, der starter fotosyntesen, hvorved kuldioxid finder sammen med vand og danner kulhydrater.
Restproduktet fra denne proces i de grønne blade er oxygenmolekylet – O2 – der er grundlaget for, at blandt andet vi mennesker kan leve, idet oxygenmolekylet indgår i kroppens oxidationsprocesser, der omsætter alle de fødevarer, som vi indtager, så de kan forbruges i vores krop.
På den måde er CO2 faktisk fuldstændig grundlæggende for, at du og jeg eksisterer i første omgang. Jeg vil i denne korte artikel gerne slå et slag for og fortælle om min forskning i kulstof og dets fabelagtige verden.
\ Om Forskerzonen
Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.
Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra Lundbeckfonden. Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af Lundbeckfonden. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.
Livet er en fantastisk katalytisk rejse
Efter optagelsen i planter fortsætter kulstofatomets rejse, da de komplekse organiske molekyler, der er syntetiseret i de grønne planter, omdannes til andre og endnu mere sofistikerede molekyler.
Denne rejse er også bestemt af enzymernes unikke katalytiske egenskaber i mere avancerede levende systemer, for eksempel i et menneske.
Højdepunktet for kulstof, der er det vigtigste atom i de molekyler, der indgår i spermatozoen og ægget, er, når spermatozoen trænger gennem ægcellens membran og befrugter ægget, hvorved liv bliver skabt.
Vores liv er en kontinuerlig, fantastisk katalytisk rejse med kulstof som rejsepartner, fordi kulstof er det grundlæggende atom i de molekyler, der er fundamentet for livets udvikling, som vi kender det.
Efterhånden som livet skrider frem, bevæger vores kulstof sig ind i en ny fase for at følge med den hastighed, som vores krop forbruger og nedbryder disse kulstofholdige molekyler.
En dag må kulstoffet give op, og livet slutter; de komplekse kulstofholdige molekylers rolle er udspillet. Kulstoffet er nødt til at acceptere, at dets sofistikerede egenskaber kun var til låns i en begrænset periode, og at det nu skal konverteres tilbage til der, hvor det hele startede – kuldioxid.
Kulstoffet og dets to nærmeste venner, iltatomerne, vil derefter tage sig et hvil, indtil en ny fantastisk rejse begynder.
\ Læs mere
Katalyse kan ikke overvurderes
Katalyses rolle i det moderne samfund kan ikke overvurderes! Mennesket er et unikt produkt af enzymernes fantastiske egenskaber.
Vigtigheden af katalyse i industrien, for miljøet og vores hverdag er enorm. Katalyse er involveret i 80-90 procent af alle kommercielt producerede produkter– fra gødning til møbler, over til brændstoffet i vores biler.
Produkter baseret på katalyse er grundlaget for 25-30 procent af verdensøkonomien. Cirka 70 procent af de nitrogenatomer, der findes inden i os i form af aminosyrer, DNA, RNA og mange andre molekyler, stammer fra én enkelt katalytisk proces; Haber-Bosch-processen.
Læs mere om Haber-Bosch-processen i Forskerzonen-artiklen ’Store opdagelser: Fikseringen af luftens kvælstof’.
Kulstoffets katalytiske hemmeligheder
Som forsker er jeg en meget privilegeret person, for jeg har taget mig den frihed at låne kulstof på dets rejse og forsøge at aflure det dets katalytiske hemmeligheder.
Enzymer er opbygget af aminosyrer. Aminosyrer og mange andre molekyler er baseret på, at kulstofatomet kan være tredimensionelt, og deres rumlige struktur har ofte afgørende betydning for deres egenskaber i levende organismer.
Afhængigt af hvordan disse tredimensionelle molekyler er sat sammen, kan de være enten forskellige fra eller identiske med deres eget spejlbillede.
Molekyler, som optræder forskelligt som spejlbilleder af hinanden, kaldes kirale molekyler (fra det græske ord cheir = hånd). Vores hænder er netop spejlbilleder af hinanden, men stadig forskellige fra hinanden – kun den højre hånd passer i den højre handske og omvendt.
Enzymernes aminosyrer kan også optræde som spejlbilleder af hinanden (Figur 1), men i levende organismer er det kun den ene spejlbilledform af aminosyren, der forekommer. Da aminosyrer indgår i opbygningen af enzymer, giver det enzymerne en unik tredimensionel struktur.
Sammen med forskergrupper i Californien så vi ved overgangen til det nye årtusinde potentialet i at bringe ikke kun enzymers (figur 2, venstre øverst), men også katalytiske antistoffers (figur 2, venstre nederst) egenskaber ind i det kemiske laboratorium, idet en af aminosyrerne, der udgør opbygningen af enzymer og katalytiske antistoffer, viste sig at have unikke katalytiske egenskaber. Denne aminosyre er prolin, som er vist til højre i figur 2 nedenfor.
Modificering af aminosyren prolins kemiske opbygning og ændring af dens kemiske egenskaber har været med til at skabe et nyt forskningsfelt – organokatalyse.
\ Læs mere
Molekylære LEGO-klodser
Ved Kemisk Institut på Aarhus Universitet har vi udviklet nye kemiske reaktioner ved hjælp af det, der kaldes organokatalyse. Det har gjort det muligt at styre kemiske reaktioner til fremstilling af molekylære byggeklodser på en ny og mere miljøvenlig måde.
Organokatalyse har været kendt i mere end 100 år og er karakteriseret ved at benytte små organiske molekyler som katalysatorer for organiske reaktioner og derved at kunne styre den tredimensionelle opbygning af molekyler.
At være i stand til at kunne styre den tredimensionelle opbygning af molekyler har enorm betydning inden for blandt andet medicinalindustrien, idet medicin baseret på disse principper har en forbedret virkning – og også færre bivirkninger – i vores krop.
Det at fremstille nye molekylære byggeklodser baseret på organokatalyse kan på en måske mere indlysende måde sammenlignes med at udvikle nye LEGO-klodser.
Med organokatalyse har kemikere fået adgang til nye 'molekylære LEGO-klodser'. Vores forskning er blevet anvendt til at indbygge vigtige molekylære enheder i nye molekyler i for eksempel medicinalindustrien.
Fra grundforskning til mere miljøvenlig kemi
Den amerikanske medicinalvirksomhed Merck i New Jersey, USA, har udviklet en kemisk proces baseret på organokatalyse til fremstilling af et molekyle – Telcagepant – til behandling af migræne.
Migræne er ikke den eneste sygdom, som man forsøger at fremstille ny medicin til via organokatalyse.
Der er for nylig også blevet patenteret en række fremstillingsprocesser for dannelsen af molekyler til behandling af influenza (Tamiflu), hepatitis C (Teleprevir), depression (Paroxetine) og forhøjet blodtryk (Tekturna).
Organokatalyse har ikke kun udvidet grænserne for, hvilke molekyler og dermed medicin, som vi kan skabe med kemiske reaktioner. Teknikken er også blevet beskrevet som grøn og bæredygtig kemi.
Herved har vi måske været med til også at udvikle mere miljøvenlige kemiske processer. Og ved at forske i de fantastiske kulstofatomers rejse kan vi altså være med til at sikre, at vi kan bevare det liv, som er skabt af dette atom.
