Videnskaben om slim

Katharina Ribbeck har hørt hver eneste slim, booger og loogie joke i bogen. Men hendes forskning i slim afslører, at det er et vidunder af ingeniørkunst - og en kritisk forsvarslinje i immunsystemet. Ved

• Anne Trafton arkiv side

19. december 2018

Snot. Boogers. Slim. Den klø, der drypper fra din næse, når du er forkølet. Uanset hvad man kalder det, har slim et dårligt ry som et ubehageligt affaldsprodukt, et tegn på sygdom.

Men på trods af sin høje ick-faktor, udfører det slimede stof en bemærkelsesværdig række vitale funktioner. Det dækker trods alt mere end 200 kvadratmeter af vores kroppe – fra vores mund til fordøjelsessystemet, urinvejene, lungerne, øjnene og livmoderhalsen. Det smører og fugter, lader os synke, bestemmer, hvad vi smager og lugter, og filtrerer selektivt næringsstoffer, toksiner og levende celler såsom bakterier, sædceller og svampe. Det er en virkelig fantastisk barriere, siger Katharina Ribbeck, der er lektor i biologisk teknik. Det giver os mulighed for at integrere næringsstoffer; det beskytter os mod patogener. Det er også en stor hindring for medicinafgivelse. Men vi aner ikke, hvordan det fungerer.

Ribbeck og hendes elever er ude på at ændre det. Ved at studere denne klæbrige hydrogel håber hun at udtænke nye måder at diagnosticere og behandle sygdomme hos mennesker. Der er meget information om vores helbred i slim, siger hun. Vores mål for de næste par år er at udnytte denne underudnyttede kilde til bioinformation og bruge den.

En forkæmper for slim
Ribbeck havde i første omgang ikke til hensigt at fokusere sin forskning på slim. På universitetet i Heidelberg i Tyskland studerede hun biologi og biokemi, og for sit sidste år tog hun til University of California i San Diego for at arbejde på sin diplomafhandling i neurobiologi. Da hun vendte tilbage til Heidelberg for at studere, begyndte hun at studere biologien af ​​den nukleare pore - en kanal, der regulerer kommunikationen mellem en celles kerne og resten af ​​cellen.

Slim, siger hun, var aldrig på min radar i gymnasiet. Men ligesom slim fungerer nukleare porer også som selektive barrierer: de tillader nogle partikler at passere igennem, mens de blokerer andre.

Efter at have afsluttet sin ph.d. planlagde Ribbeck at starte en forskergruppe i Tyskland for at fortsætte sine studier af den nukleare pore. Men så foreslog en ven på Harvard Medical School, at hun skulle bruge et år på at arbejde i hans laboratorium. Det er de ting, man ikke gør, man fortryder, siger hun. Så jeg besluttede at tage dertil i forventning om et interessant, men ikke rigtig livsændrende år.

Mens han tilbragte 2007 som gæsteforsker der, hørte Ribbeck om et Harvard-stipendium, der ville give et laboratorium, opstartsfinansiering og status som uafhængig efterforsker. Fangsten? Ansøgere skulle foreslå at starte en ny studieretning.

Slim var ikke godt undersøgt dengang, men det var kendt for at spille en nøglerolle i at opretholde sundheden. Ribbeck argumenterede for at starte et slimlaboratorium - og fik stipendiet.

Tidligt i løbet af sin tid på Harvard indså hun, at studiet af slim ville drage fordel af den ekspertise og værktøjer, der blev udviklet i MIT's Department of Biological Engineering - inden for vævsvidenskab og teknik, mikrofluidik og mere. Hun kom til fakultetet i 2010 og fik ansættelse i 2017.

Jeg blev straks imponeret over den kraftige gnist af kreativitet, Katharina gav udtryk for, siger Douglas Lauffenburger, afdelingens leder. Emnet for hendes forskningsinteresser virkede først ret ejendommeligt, men hendes formulering af dets brede betydning inden for mikrobiologi og medicin og af hendes mål om at forstå det grundlæggende på måder, der kunne føre til design af værdifulde teknologier, var dybt overbevisende.

Afværge infektion
Blandt de fænomener, Ribbeck har undersøgt, er, at slim har stor succes med at tæmme normalt patogene mikrober. Indtil for nylig troede forskerne, at dette simpelthen var fordi det fungerede som en mekanisk barriere, der fangede bakterier og andre patogener. Ribbecks arbejde har dog vist, at slim spiller en meget mere nuanceret rolle.

De primære byggesten i slim er muciner - lange, flaskebørstelignende proteiner med mange sukkermolekyler kaldet glykaner knyttet. Og muciner, opdagede Ribbeck, forstyrrer faktisk mange nøglefunktioner af infektiøse bakterier. I nærvær af muciner nedreguleres de egenskaber, der gør disse patogener virulente, betydeligt, siger hun. Det inkluderer sekretion af toksiner, evnen til at sludre med hinanden og evnen til at binde sig til cellulære overflader.

Med disse kræfter afbrudt, kan bakterier ikke længere kolonisere på en overflade for at danne vedvarende slimede lag kaldet biofilm, som har tendens til at være mere skadelige, end cellerne er individuelt: de kan forårsage en lang række sundhedsproblemer, herunder tandhuler og sår, og kan vise sig dødelig for mennesker med cystisk fibrose.

Ribbecks laboratorium fandt ud af dette ved at rense slim fra en grisemave for at isolere en mucin kaldet MUC5AC, som er relateret til en, der findes i menneskets luftveje og mave. Forskerne lavede derefter tredimensionelle matricer med og uden mucin og indsatte smitsomme bakterier kaldet P. aeruginosa i begge. Bakterierne i matrixen uden MUC5AC fæstnet til overfladen af ​​matrixen og danner tætte biofilm. I MUC5AC-matrixen blev der ikke dannet biofilm. Men da forskerne slettede et gen i bakterierne, der gjorde det muligt for dem at blive ved med at bevæge sig, fandt de noget interessant: De smitsomme bakterier i MUC5AC-matrixen klumpede sig sammen og efterlignede det materiale, der bygges op til at producere unormalt tykt slim i cystisk fibrose. Hvad det betød, fandt Ribbeck, var, at mens mucin fanger ting som støv og andre inhalerede partikler, gør det i tilfælde af bakterierne det modsatte og holder dem i bevægelse, så de ikke kan danne biofilm. Hendes gruppe fandt, at det samme var tilfældet med andre slags mikrober, herunder Candida .

Ribbecks forskning afslørede også, at glycaner - de komplekse sukkermolekyler i mucin - er nøglen til dets evne til at forhindre patogener. Det var blevet antaget, at deres primære rolle var at gøre mucinpolymerer stive, og hendes laboratorium og andre havde isoleret glycaner for at tælle, hvor mange forskellige typer der var. Muciner, viser det sig, indeholder hundredvis af forskellige glykaner. Men udover at tælle dem, sammenlignede Ribbeck også glykanerne i mucin i forskellige dele af kroppen - og begyndte at undersøge, hvad de faktisk gør. Ved at sammenligne naturlige muciner med muciner, der fik fjernet deres glycaner, opdagede hun, at disse sukkerarter er essentielle for mucins evne til at afvise bakterier og forhindre dem i at binde sig til overflader. Til at begynde med overrasket over dette fund indså hun, at glykaner i modermælk udfører en lignende funktion, og hjælper babyer med at forblive sunde ved at tjene som opløselige receptorer, der i det væsentlige distraherer indtagne patogener, og forhindrer dem i at hæfte sig, hvor de kan forårsage infektion. På en måde, siger hun, er slim som modermælk for voksne.

Ribbeck undersøger nu de specifikke funktioner af de hundredvis af glykaner, der har udviklet sig til at interagere med og deaktivere forskellige patogener på en række forskellige måder. Hun tænker på, at muciner indeholder et stort bibliotek af forskellige molekyler, der står klar til at blive tjekket ud for at engagere sig i alle mikrober, uanset om de er vira, bakterier, svampe eller parasitter. Forestil dig, hvor er det smukt, siger hun.

Ingeniører har længe været interesseret i at designe materialer, der efterligner slim, hovedsageligt for dets smøreevne. Imidlertid har de spændende antimikrobielle egenskaber, som Ribbecks laboratorium har afdækket, fået mange forskere til at begynde at arbejde på syntetiske versioner af muciner til mulig brug til behandling eller forebyggelse af infektionssygdomme. Nogle foreløbige undersøgelser fra Ribbecks laboratorium tyder på, at muciner effektivt kan behandle sår inficeret med bakterier, der er resistente over for traditionelle antibiotika.

Et diagnostisk værktøj
Ribbecks laboratorium analyserer også, hvordan klæbrighed og andet biofysisk egenskaber af slim ændres under sygdom , som kunne hjælpe forskere med at opdage biomarkører, der kan bruges til at diagnosticere mange forskellige sygdomme. Hun har i de senere år offentliggjort undersøgelser, der viser, at ændringer i livmoderhalsslim hos gravide kan afsløre deres risiko for at gå for tidligt i fødsel.

Mere end 10 % af babyer født på verdensplan ankommer før fuld termin, defineret som 37 ugers graviditet, men der havde ikke været nogen pålidelig måde at forudsige for tidlig fødsel. I håb om at komme med en nyttig forudsigelse analyserede Ribbeck de kemiske og mekaniske egenskaber af livmoderhalsslim. Hun har fundet ud af, at slimet fra kvinder med høj risiko for tidlig fødsel er mekanisk svagere, mere elastisk, mere permeabelt og mindre klæbende. For tidlig fødsel kan forekomme, fordi livmoderhalsslimet er mere modtageligt for invasion af mikrober, der kan forårsage infektion.

Andre tilstande, der ændrer slim, omfatter fordøjelsessygdomme som Crohns og colitis ulcerosa samt luftvejssygdomme. Den hellige gral af diagnostik, siger Ribbeck, er at forbinde ændringer i spytsammensætning med sygdomme, der påvirker slimhindernes overflader i hele kroppen.

Hvis man har afvigende slimproduktion i munden, er der en chance for, at det gælder for andre dele af kroppen, siger hun. Så vi kan muligvis opsamle, fra spyt, sygdomstilstande på fjerntliggende slimhindeoverflader. Det bliver meget spændende, for det er selvfølgelig ikke-invasivt, men alligevel informativt.

Grossologi 101
Ribbeck siger, at hendes forskning er et naturligt emne af interesse for børn, som hun udnytter til at få dem begejstret for videnskab. Ved Grossology-sommersessioner, der tilbydes på Bostons Museum of Science, lærer hun og hendes elever grundskole- og mellemskoleelever, hvordan man laver polymernetværk ved at bruge slim som deres foretrukne materiale. Børnene lærer også om slims unikke barriereegenskaber, og hvorfor det føles så slimet.

Hensigten her er virkelig at introducere et felt for de kommende generationer, så de vokser op med at forstå, at slim ikke er et affaldsprodukt. Det er en integreret del af vores fysiologi og en rigtig vigtig del af vores sundhed, siger hun.

Hun arbejder også på en børnebog med en formskiftende karakter lavet af slim, der fremhæver de mange roller, det spiller i vores kroppe.

Børn er virkelig fascineret af slim, og jeg tror, ​​at en del af den fascination måske ikke forsvinder for voksne, siger Ribbeck. Den anden ting, der gør det spændende for så mange mennesker, inklusive mig selv, er et element af overraskelse, når man finder så udsøgte og elegante stykker ingeniørkunst i noget så almindeligt som slim.

skjule