En populærvitenskaplig fremstilling av fagfeltet kitin og kitinaser
Kitin er et meget mekanisk sterkt karbohydrat som forekommer i store mengder i naturen. Kitin består av lange sukkerkjeder som er tett pakket sammen. Alle skalldyr har kitin i skallet og sopp bruker det til å stive opp celleveggen. Det er lett å trekke en parallell mellom kitin og cellulose. Cellulose er jo som de fleste vet, plantenes reisverk. Uten cellulose hadde planter og trær ligget slappe på bakken og vi hadde ikke kunne bygge trehus eller lage tremøbler. Det samme gjelder for kitin. Man lager jo ikke møbler av krabbeskall akkurat, men skalldyrene hadde vært skikkelig slappe hadde det ikke vært for kitinen i skallet deres. Når skalldyr skifter skall (som de gjør titt og ofte) må de løsne på det gamle skallet på et slags vis. Med andre ord, kitinen må løses opp for å få plass til det nye skallet som kommer under. Det er her kitinasene kommer inn i bildet. Kitinaser er enzymer som bryter ned kitin. Kitinaser benyttes ikke bare av skalldyr som skal skifte skall, men også av organsimer som bruker kitin som energikilde. Disse organsimene er først og fremst bakterier, men det finnes også tegn på at fisk og til og med mennesker kan bryte ned kitin! Du hadde kanskje ikke trodd det, men du har en kitinase i magen! Neste gang du spiser reker kan du spise dem med skallet på (hmm, det er vel egentlig ikke noen god ide når jeg tenker meg om). Det som er litt spesielt med kitin (og som er med på å skille det fra cellulose) er at det i tillegg til karbon, oksygen og hydrogen, også inneholder nitrogen. Nitrogen kan være ganske vanskelig å komme over, noe som medfører at kitin kan være ganske ettertrakta i naturen, spesielt blant bakterier. På grunn av dette har mange bakterier utviklet et meget godt system for å bryte ned kitin (mye bedre enn for eksempel pattedyr og fisk). Ofte har bakterien flere kitinaser som bryter ned kitin på forskjellige måter. Noe kitinaser klipper kitinen (som egentlig er kjempelange tråder som er hekta sammen) på helt vilkårlige steder, mens andre kitinaser klipper små kitinbiter til mindre. Til slutt finnes det en kitinase som klipper de miste bitene til helt enkle kitinbiter. Disse kitinbitene kalles monomerer (fordi de bare består av en enkelt (mono) kitinbyggestein). For å gjøre det litt vanskeligere kan man jo si at denne enkle kitinbyggesteinen også kalles for N-acetyl-glukosamin, eller forkortet NAG. En kitinkjede er da bygget opp av flere NAGer, gjerne ti-tusenvis.
Som du skjønner har hver eneste enhet i kitinkjeden en acetyl gruppe. Kitinkjeden har en tendens til å miste denne acetylgruppen (enten ved at et enzym som heter kitin deacetylase fjerner den, eller at den spaltes av kjemisk). Når omtrent 30% av disse acetylgruppene til en kitinkjede er spaltet av kalles plutselig kitinen for kitosan! Rent forskningsmessig er kitin vel så interessant som kitosan, men praktisk sett er kitosan mye mer spennende. Dette skal jeg komme tilbake til etterhvert. I naturen så forekommer det sjelden ren kitin (dvs. kitin som ikke har mistet noen acetyl grupper). Som oftest finner man kitin med 99% acylgrupper igjen helt ned til kitin med bare 1% acetylgrupper igjen (som da kalles kitosan). Kitinasene bryter det ned uansett, nesten, ihvertfall. Det har seg nemlig slik at mange kitinaser er avhengig av å ha en acetylgruppe til stede dersom den skal klare å spalte kitinkjeden. Dersom kitinen har få av disse acetylgruppene blir det vanskelig for kitinasene å gjøre jobben sin. Dette er mange bakterier klar over og har derfor utviklet kitosanaser som er enzymer som kan bryte ned kitosan (kitin med få acetylgrupper).
Så hvorfor er vi i PEP gruppen interessert i kitin, kitosan, kitinaser og kitosanaser? Først og fremst prøver vi å forstå mer av alle de grunnleggende mekanismene i den mikroskopiske enzym-verdenen. Hvordan klarer et enzym å klippe av en så utrolig sterk kjede? Hvorfor må det flere forskjellige kitinaser til for å få has på store kitibiter? Kan man bruke kitinen til noe nyttig? Det er selvsagt en hel rekke andre spørsmål som er spennende å besvare, men det er jo hovedsaklig det å finne ut noe nytt eller frembringe ny kunnskap som er hovedhensikten. Ikke minst håper vi at vår grunnleggende forskning på nedbryting av kitin og kitosan kan gi en del generelle innsikter i hvordan naturen bryter ned robuste karbohydrater. Og her tenker vi spesielt på cellulose. Dette fordi utvikling av effektive enzymteknologi for nedbryting av cellulose er av stor betydning for utvikling av bærekraftige former for bioetanol – et svært ”hot” tema!
Per år produseres det ufattelige 1 milliard tonn kitin i naturen og mye av dette blir hvert år fraktet i land av verdens fiskere og havbrukere i form av reke- og krabbeskall, ikke minst i Norge. Dette betyr at det produseres store mengder kitin-holdende avfall og det er derfor stor interesse i å finne metoder for å utnytte dette avfallet. Når det gjelder den praktiske anvendelsen av kitin har man kommet over mange spennende muligheter, men dette gjelder foreløpig først og fremst for kitin med få acetylgrupper, med andre ord kitosan. Kitosan har i mange år blitt brukt i slankeprodukter da det hjelper til med å kapsle inn fett (virker som en emulgator) slik at det ikke tas opp i kroppen. Søker du på kitosan (eller chitosan som det heter på engelsk) på internett får du nok flest treff på slankekurer. Kitosan kan såvisst brukes til annet enn slanking. Kosmetikkindustrien har tatt i bruk kitosan i produkter som hudkremer, deodoranter og hårsprayer. Innen medisin bruker man kitosan blant annet innen kreftbekjempelse og sårleging. Store mengder kitosan brukes også til vannrensing siden det klumper seg med smusset i vannet.
PEP-gruppen satser på å finne helt nye anvendelsesområder for kitin og kitosan. Vi satser på områder som krever mye teknologi men som samtidig kan vise seg til å stor verdi. Det vi satser på er å utvikle teknologi for å produsere spesifikke korte fragmenter av kitin og kitosan som er bioaktive. Det er slik at disse korte fragmenter har en lang rekke interessante anvendelsesområder. Her er det snakk om mulig bruk som insektisid, fungicid, medisin (asthma, malraia), og som plantevernmiddel. For å oppnå effektiv produskjon av bioaktive komponenter satser vi på å utvikle en verktøykasse med spesialtilpassede enzymer for bearbeiding av kitin og kitosan. Verktøykassen skal brukes til å omdanne lange kitin og kitosankjeder til korte fragmenter med bestemt lengde og sammensetning. Når vi klarer dette vil vi teste de biologiske effkter av slike korte kitinfragmenter.
Paradoksalt nok er en del av de mulige anvendelsesområder av disse kortre fragmenter basert på at de kan hemme kitinaser. Vi bruker altså kitinaser for å bryte ned kitin eller kitosan, for så å ende op med produkter (= korte fragmenter) som hemmer andre kitinaser. Siden sopp og insekter har kitin i henholdsvis celleveggen og skallet trenger de kitinaser for å vokse (se tidligere i teksten). Derfor er det en ide at man muligens kan hemme vekst av disse organismer med hjelp av stiffer som hemmer kitinasene, og dermed også veksten av organismen. Kitinasehemmere er også interessant innen medisin. For eksempel, så har det vist seg at parasitten som forårsaker malaria er avhengig av en kitinase for å komme seg fra magen til myggen og ut til spyttkjertlene. Dette er et trinn i malariaparasittens livssyklus som må intreffe, ellers kan ikke parasitten spre seg videre når myggen suger blod! Ved å forhindre at malariaparasitten får brukt kitinasen (ved å tilsette en kitinase hemmer) kan man forhindre spredning av malaria, og dermed redusere antall mennesker som dør hver år av denne tropiske sykdommen (flere millioner!). Et annet eksempel gjelder asthma – det finnes indikasjoner at hemming av humane kitinase-lignende enzymer kan føre til mindre asthma. Dette er et av de temaene vi skal se på i de neste to-tre år.
I våre kitin og kitosan projsketer jobber vi meget tett sammen med Norsk Biopolymer Laboratorium (NOBIPOL) ved NTNU i Trondheim. Kontaktpersonenen ved NOBIPOL er Kjell M. Vårum . I Trondheim jobbes det med framstilling av kitosaner og kromatografisk separering av kitooligosakkarider (= korte fragmenter). Videre jobber man med detaljkarakterisering av kitooligosakkarider ved hjelp av kromatografi og NMR. I PEP gruppen jobber vi først og fremst med enzymer og utvikling av enzymteknologi.
