211service.com
Vitenskapen om slim
Katharina Ribbeck har hørt hver eneste slim, booger og loogie-vits i boken. Men hennes forskning på slim avslører at det er et vidunder av ingeniørkunst - og en kritisk forsvarslinje i immunsystemet. 19. desember 2018
Snøtt. Boogers. Slim. Snakken som drypper fra nesen når du er forkjølet. Uansett hva du kaller det, har slim et dårlig rykte som et ubehagelig avfallsprodukt, et tegn på sykdom.
Men til tross for sin høye ick-faktor, utfører det slimete stoffet en bemerkelsesverdig rekke vitale funksjoner. Tross alt er det mer enn 200 kvadratmeter av kroppen vår – fra munnen til fordøyelsessystemet, urinveiene, lungene, øynene og livmorhalsen. Den smører og hydrerer, lar oss svelge, bestemmer hva vi smaker og lukter, og filtrerer selektivt næringsstoffer, giftstoffer og levende celler som bakterier, sædceller og sopp. Det er en virkelig fantastisk barriere, sier Katharina Ribbeck, en førsteamanuensis i biologisk ingeniørfag. Det lar oss integrere næringsstoffer; det beskytter oss mot patogener. Det er også et stort hinder for levering av medikamenter. Men vi aner ikke hvordan det fungerer.
Ribbeck og elevene hennes er ute etter å endre det. Ved å studere denne klebrige hydrogelen håper hun å finne nye måter å diagnostisere og behandle menneskelig sykdom på. Det er mye informasjon om helsen vår i slim, sier hun. Målet vårt for de neste par årene er å utnytte denne underutnyttede kilden til bioinformasjon og bruke den.
En forkjemper for slim
Ribbeck hadde i utgangspunktet ikke til hensikt å fokusere sin forskning på slim. Ved Universitetet i Heidelberg i Tyskland studerte hun biologi og biokjemi, og på siste året dro hun til University of California i San Diego for å jobbe med diplomoppgaven i nevrobiologi. Da hun kom tilbake til Heidelberg for å studere, begynte hun å studere biologien til kjernefysiske porer - en kanal som regulerer kommunikasjonen mellom en cellekjerne og resten av cellen.
Slim, sier hun, var aldri på radaren min på grunnskolen. Men som slim fungerer kjernefysiske porer også som selektive barrierer: de lar noen partikler passere mens de blokkerer andre.
Etter å ha fullført doktorgraden planla Ribbeck å starte en forskningsgruppe i Tyskland, og fortsette studiene av kjernefysiske porer. Men så foreslo en venn ved Harvard Medical School at hun skulle bruke et år på å jobbe i laboratoriet hans. Det er tingene du ikke gjør du angrer på, sier hun. Så jeg bestemte meg for å dra dit, i påvente av et interessant, men egentlig ikke livsendrende år.
Mens han tilbrakte 2007 som besøkende vitenskapsmann der, hørte Ribbeck om et Harvard-stipend som ville gi et laboratorium, oppstartsfinansiering og status som uavhengig etterforsker. Fangsten? Søkere måtte foreslå å starte en ny studieretning.
Slim ble ikke godt studert da, men det var kjent for å spille en nøkkelrolle for å opprettholde helsen. Ribbeck argumenterte for å starte et slimlaboratorium - og fikk stipendiet.
Tidlig i løpet av sin tid ved Harvard innså hun at studiet av slim ville dra nytte av ekspertisen og verktøyene som ble utviklet i MITs avdeling for biologisk ingeniørvitenskap – innen vevsvitenskap og ingeniørvitenskap, mikrofluidikk og mer. Hun begynte på fakultetet i 2010, og fikk ansettelse i 2017.
Jeg ble umiddelbart imponert over den kraftige gnisten av kreativitet Katharina ga uttrykk for, sier Douglas Lauffenburger, avdelingsleder. Temaet for forskningsinteressene hennes virket til å begynne med ganske særegent, men hennes artikulering av dets brede betydning innen mikrobiologi og medisin, og om hennes mål om å forstå det grunnleggende på måter som kunne føre til design av verdifulle teknologier, var dypt overbevisende.
Avverge infeksjon
Blant fenomenene Ribbeck har undersøkt er at slim er svært vellykket med å temme normalt patogene mikrober. Inntil nylig trodde forskere at dette ganske enkelt var fordi det fungerte som en mekanisk barriere, og fanget bakterier og andre patogener. Imidlertid har Ribbecks arbeid vist at slim spiller en mye mer nyansert rolle.
De primære byggesteinene til slim er muciner - lange, flaskebørstelignende proteiner med mange sukkermolekyler kalt glykaner festet. Og muciner, oppdaget Ribbeck, forstyrrer faktisk mange nøkkelfunksjoner til smittsomme bakterier. I nærvær av muciner nedreguleres egenskapene som gjør disse patogenene virulente betydelig, sier hun. Det inkluderer utskillelse av giftstoffer, evnen til å skravle med hverandre og evnen til å feste seg til cellulære overflater.
Når disse kreftene er avskåret, kan bakterier ikke lenger kolonisere på en overflate for å danne vedvarende slimete lag kalt biofilmer, som har en tendens til å være mer skadelige enn cellene er individuelt: de kan forårsake et bredt spekter av helseproblemer, inkludert tannhuler og sår, og kan vise seg dødelig for personer med cystisk fibrose.
Ribbecks laboratorium fant ut dette ved å rense slim fra en grisemage for å isolere en mucin kalt MUC5AC, som er relatert til en som finnes i menneskets luftveier og mage. Forskerne laget deretter tredimensjonale matriser med og uten mucin og satt inn smittsomme bakterier kalt P. aeruginosa i begge. Bakteriene i matrisen uten MUC5AC festet til overflaten av matrisen, og danner tette biofilmer. I MUC5AC-matrisen ble det ikke dannet biofilmer. Men da forskerne slettet et gen i bakteriene som gjorde at de kunne fortsette å bevege seg, fant de noe interessant: de smittsomme bakteriene i MUC5AC-matrisen klumpet seg sammen, og etterlignet materialet som bygges opp for å produsere unormalt tykt slim i cystisk fibrose. Hva det betydde, fant Ribbeck, var at mens mucin fanger ting som støv og andre inhalerte partikler, gjør det det motsatte når det gjelder bakteriene, og holder dem i bevegelse slik at de ikke kan danne biofilmer. Gruppen hennes fant ut at det samme gjaldt med andre typer mikrober, inkludert Candida .
Ribbecks forskning avslørte også at glykaner - de komplekse sukkermolekylene i mucin - er nøkkelen til dens evne til å hindre patogener. Det hadde blitt antatt at deres primære rolle var å gjøre mucinpolymerer stive, og laboratoriet hennes og andre hadde isolert glykaner for å telle hvor mange forskjellige typer det var. Muciner, viser det seg, inneholder hundrevis av forskjellige glykaner. Men utover å telle dem, sammenlignet Ribbeck også glykanene i mucin i forskjellige deler av kroppen – og begynte å undersøke hva de faktisk gjør. Ved å sammenligne naturlige muciner med muciner som fikk fjernet glykanene sine, oppdaget hun at disse sukkerene er avgjørende for mucins evne til å frastøte bakterier og hindre dem i å feste seg til overflater. Først overrasket over dette funnet, innså hun at glykaner i morsmelk utfører en lignende funksjon, og hjelper babyer med å holde seg friske ved å tjene som løselige reseptorer som i hovedsak distraherer inntatte patogener, og hindrer dem i å feste seg der de kan forårsake infeksjon. På en måte, sier hun, er slim som morsmelk for voksne.
Ribbeck undersøker nå de spesifikke funksjonene til de hundrevis av glykaner som har utviklet seg til å samhandle med og deaktivere forskjellige patogener på en rekke måter. Hun tenker på muciner som inneholder et enormt bibliotek av forskjellige molekyler som står klare til å bli sjekket ut for å engasjere alle mikrober som skjer av, enten de er virus, bakterier, sopp eller parasitter. Tenk så vakkert det er, sier hun.
Ingeniører har lenge vært interessert i å designe materialer som etterligner slim, hovedsakelig for sine smøreevner. Imidlertid har de spennende antimikrobielle egenskapene som Ribbecks laboratorium har avdekket, ført til at mange forskere begynte å jobbe med syntetiske versjoner av muciner for mulig bruk i behandling eller forebygging av infeksjonssykdommer. Noen foreløpige studier fra Ribbecks laboratorium tyder på at muciner effektivt kan behandle sår infisert med bakterier som er resistente mot tradisjonelle antibiotika.
Et diagnostisk verktøy
Ribbecks laboratorium analyserer også hvordan klissete og andre biofysiske egenskapene til slim endres under sykdom , som kan hjelpe forskere med å oppdage biomarkører som kan brukes til å diagnostisere mange forskjellige sykdommer. De siste årene har hun publisert studier som viser at endringer i livmorhalsslimet til gravide kan avsløre risikoen for å gå i fødsel for tidlig.
Mer enn 10 % av babyer født over hele verden kommer før full termin, definert som 37 uker med svangerskap, men det hadde ikke vært noen pålitelig måte å forutsi prematur fødsel. I håp om å komme opp med en nyttig prediktor, analyserte Ribbeck de kjemiske og mekaniske egenskapene til livmorhalsslim. Hun har funnet ut at slimet fra kvinner med høy risiko for tidlig fødsel er mekanisk svakere, mer elastisk, mer permeabelt og mindre klebende. Prematur fødsel kan oppstå fordi livmorhalsslimet er mer utsatt for invasjon av mikrober som kan forårsake infeksjon.
Andre tilstander som endrer slim inkluderer fordøyelsessykdommer som Crohns og ulcerøs kolitt, samt luftveissykdommer. Den hellige gral av diagnostikk, sier Ribbeck, er å koble endringer i spyttsammensetning med sykdommer som påvirker slimhinneoverflater i hele kroppen.
Hvis du har avvikende slimproduksjon i munnen, er det en sjanse for at dette stemmer for andre deler av kroppen, sier hun. Så vi kan kanskje plukke opp, fra spytt, sykdomstilstander på fjerntliggende slimhinneoverflater. Det blir veldig spennende, for det er selvfølgelig ikke-invasivt, men likevel informativt.
Grossology 101
Ribbeck sier at forskningen hennes er et naturlig tema av interesse for barn, som hun utnytter for å få dem begeistret for vitenskap. På Grossology sommerøkter som tilbys ved Bostons Museum of Science, lærer hun og elevene hennes grunnskole- og ungdomsskoleelever hvordan de lager polymernettverk, ved å bruke slim som deres valgmateriale. Barna lærer også om slimets unike barriereegenskaper og hvorfor det føles så slimete.
Hensikten her er å virkelig introdusere et felt for generasjonene som kommer, slik at de vokser opp med å forstå at slim ikke er et avfallsprodukt. Det er en integrert del av fysiologien vår og en veldig viktig del av helsen vår, sier hun.
Hun jobber også med en barnebok med en formskiftende karakter laget av slim, som fremhever de mange rollene den spiller i kroppen vår.
Barn er virkelig fascinert av slim, og jeg tror at en del av den fascinasjonen kanskje ikke forsvinner for voksne, sier Ribbeck. Den andre tingen som gjør det spennende for så mange mennesker, inkludert meg selv, er et overraskelsesmoment når du finner slike utsøkte og elegante konstruksjoner i noe så vanlig som slim.