Havet som medisinskap og energireserve Robert A. Johansen og Kjersti Lie Gabrielsen Havet har alltid vært et skattkammer for Norge. Fiskeriene, petroleumsvirksomhet og akvakultur har gjort landet velstående. Nå er det satt nasjonalt fokus på marine ressurser som vi ikke har utnyttet til nå det store antallet små dyr, alger og bakterier som lever i norske farvann. Disse organismene kan vise seg å inneholde unike gener og biomolekyler med egenskaper som kan utnyttes kommersielt. Menneskene har fra tidenes morgen utnyttet biologiske stoffer i planter og dyr til ulike formål. Over halvparten av legemidlene som er på markedet i dag har sitt opphav i molekyler isolert fra dyr, planter, sopp og bakterier. Jakten på nye molekyler har tradisjonelt fokusert på landlevende organismer. Det er først i de senere år man har fått øynene opp for at det er et stort uutnyttet potensial i marine organismer. I tillegg til gode muligheter for å finne nye molekyler, har forskning vist at de marine molekylene synes å være svært potente sammenlignet med tilsvarende molekyler funnet i landlevende organismer. Jakten på nye, interessante molekyler fra marine organismer har frem til nå hovedsakelig foregått i varme, tropiske farvann. Organismer fra våre havområder har derimot vært lite undersøkt Forskningsmiljøene, kommersielle interesser og ikke minst bevilgende myndigheter har nå fått øynene opp for det store uutnyttede potensialet rett utenfor kysten vår og i havområdene lenger nord i Barentshavet og rundt Svalbard. Med bakgrunn i dette satses det nå på å utforske disse ressursene i jakten på gener og molekyler som kan utvikles til produkter innenfor viktige områder som helse, mat, energi og miljø. Denne systematiske letingen kalles marin bioprospektering en spennende mulighet for ny verdiskaping basert på marine ressurser. Fastsittende dyr kan ikke flykte. De må forsvare seg på andre måter. Da spiller biokjemiske tilpasninger ofte en betydelig rolle. Ottar 304 2015 (1): 37 41 37 Ottar nr.1/2015.indd 37 06.02.15 11:06
Miljøbetingelser i nordlige havområder Nordatlantiske og arktiske havområder karakteriseres ved gjennomgående lave temperaturer og stor sesongvariasjon i næringstilgang. Mørke vintre og lyse somre krever spesielle fysiologiske og kjemiske tilpasninger hos organismene som lever i disse havområdene. De mørke vintrene i nord fører til at all vekst hos alger og planteplankton stanser opp. I vannmassene vil det ikke være noe planteplankton til stede. Dermed er det i denne perioden av året liten eller ingen tilførsel av ny næring fra vannsøylen ned til havbunnen. Om våren skjer det motsatte. Når sollyset kommer tilbake, sørger vinterstormene for omrøring av vannmassene. Da blir enorme mengder av næringssalter tilgjengelig i vannsøylen. Det gir opphav til store algeoppblomstringer. Algene er føde for hoppekreps og andre små dyr som beiter på planteplankton. På havbunnen blir det tilført næring fra plante- og dyremateriale fra vannmassene over. Den massive tilgangen på føde gir ringvirkninger hele vegen opp gjennom næringskjeden. De store variasjonene i miljøbetingelser og næringstilgang stiller krav til fysiologiske tilpasninger hos dyrene Ferdigsorterte dyr fra havbunnen (oppe). Prøvene bearbeides og analyseres i spesialdesignede testoppsett på laboratoriet. Foto: Robert Andrè Johansen/Marbank/ Havforskningsinstituttet. 38 Ottar nr.1/2015.indd 38 06.02.15 11:06
som lever i disse farvannene. Derfor er biokjemiske forbindelser fra for eksempel svamper eller koraller i arktiske og subarktiske strøk av stor interesse. De fleste av dem er bunndyr som mangler ryggrad (heretter bare kalt bunndyr). I disse bunndyrene kan det finnes nye og potensielt nyttige molekyler for utnyttelse innen farmasøytisk industri eller til andre industrielle formål. Enkelte grupper av bunndyr produserer molekyler som er mer biokjemisk potente enn andre grupper. Hvilke dyregrupper dreier det seg om, hvilken rolle spiller biokjemien her og hvorfor er det slik? Fastsittende versus mobile dyr Dyrenes evne til egenbevegelse er en av nøklene til å svare på spørsmålene over. Mobile dyr har i større eller mindre grad mulighet til å søke seg bort fra ugunstige forandringer i det omliggende miljøet, og til å flykte bort fra angripende rovdyr. Fastsittende dyr, som for eksempel svamper, sjøanemoner og mosdyr, er prisgitt den flekken de lever på og kan ikke flykte bort fra hverken overlegne konkurrenter i matfatet, angripende Oppe: Dyr fra havets bunn samles inn med en spesialtilpasset trål. Nede: Prøvene fra trålen sorteres om bord i forskningsfartøyet. 39 Ottar nr.1/2015.indd 39 06.02.15 11:06
rovdyr eller ugunstige miljøbetingelser. Disse dyrene må ha andre typer forsvar, og her spiller biokjemiske tilpasninger ofte en betydelig rolle. For å illustrere de biokjemiske tilpasningene hos fastsittende organismer kan vi ta utgangspunkt i mosdyrene. Mosdyr er små (ca. én millimeter eller mindre), fastsittende bunndyr som lever av å filtrere næring fra vannmassene. Enkeltindividene lever sammen i kolonier som kan ha mange forskjellige vekstformer, f.eks. lavvekst, buskformet eller krypende. Mange arter er kalkdannende. En enkelt koloni kan bli opp til én meter, avhengig av art, men de fleste arter blir betydelig mindre enn dette. Det finnes ca. 400 beskrevne arter av mosdyr i norske farvann, hvorav mange er utpregede kaldtvannsarter. Generelt har mosdyr vist seg å inneholde spesielt potente molekyler. Disse molekylene benyttes som kjemiske forsvar mot ytre farer. Dette forsvaret har blant annet til oppgave å forhindre at mosdyrene ikke blir spist av rovdyr (antipredatorforsvar), samt hindre andre arter i å vokse over mosdyrkoloniene og på denne måten hemme eller tar livet av dem. Molekylene som vi finner i mosdyr kan være produsert av mosdyrene selv, eller av bakterier som lever i samliv, såkalt symbiose, med koloniene. Mengde bakterier og hvilke bakterier som finnes kan variere stort mellom forskjellige kolonier i samme område, mellom ulike lokaliteter og tiden på året dyrene er samlet inn. Denne variasjonen vil igjen gi seg utslag i hvilke biokjemiske forbindelser vi finner når mosdyr bearbeides og testes på laboratoriet. I mosdyr er det funnet flere unike molekyler som kan ha nytteverdi og stor kommersiell betydning. Molekyler fra mosdyr har vist seg å kunne drepe kreftceller. Andre molekyler har vist seg å virke mot flere kjente plantesykdommer forårsaket av sopp, og mot utvikling av parasitter hos dyr. Fra organisme til molekyl og kommersielt produkt Det er en lang vei fra små bunndyr, planter og mikroorganismer i havet og frem til funn av et nytt molekyl med dokumenterte egenskaper egenskaper som igjen kan ende opp i et kommersielt produkt. Marin bioprospektering er en lang tverrfaglig verdikjede. Først må de marine organismene samles inn og artsbestemmes. Deretter blir prøvene bearbeidet og analysert i spesialdesignede testoppsett på laboratoriet. Analyseresultatene her vil dokumentere om forbindelser fra de marine organismene kan drepe kreftceller, bakterier eller virus eller ha effekt mot diabetes, hjerte-karlidelser og andre sykdommer. Oppnås det positive resultater i testene, må den eksakte strukturen til molekylet bestemmes. Veien videre fra unikt molekyl fra havet til ny medisin er dog fremdeles Veien fra unikt molekyl fra havet til ny medisin er lang og krever testing, tid og ressurser. Foto: Gunnar Sætra/Havforskningsinstituttet. 40 Ottar nr.1/2015.indd 40 06.02.15 11:06
lang og krever ytterligere testing, tid og ressurser. Bare de færreste funnene ender i et farmasøytisk produkt. Veien fra molekyl til marked er gjerne raskere for andre produkter enn for ny medisin. Et eksempel på dette er anvendelse av marine enzymer. Det er en gruppe molekyler som virker som katalysatorer, dvs. de påvirker hastigheten til kjemiske og biokjemiske prosesser. Enzymer funnet i organismer fra kalde farvann er gjerne svært effektive og har høy aktivitet ved lave temperaturer. Dette kan for eksempel utnyttes i utvikling av nye vaskemidler som vasker effektivt ved lave temperaturer. Det kan også være enzymer som på annen måte har en industriell anvendelse og hvor høy effektivitet og lav temperatur er energibesparende og miljøvennlig. Marin bioprospektering har vist at man kan finne nye, interessante forbindelser i nær sagt alle typer organismer. Planteplankton er organismer som blant annet produserer marine oljer. Disse mikroalgene er primærprodusenter, de er mat for større organismer og er opphav til all organisk biomasse i havet. Mikroalgene vokser svært raskt og kan ved riktige betingelser dyrkes på lab og doble sin biomasse én til to ganger per dag. Industriell dyrking av mikroalger kan bli viktig for produksjon av omega-3 oljer eller andre forbindelser til fôr og matproduksjon. Marine oljer fra planteplankton eller andre marine organismer, for eksempel avskjær fra lakseoppdrett, har også et stort potensial innen framtidig energiproduksjon. I motsetning til fossilt brennstoff er marine oljer og biogass (fremstilles ved forråtnelse av biologisk materiale) en fornybar energiressurs som vil kunne bidra til å dekke fremtidige energibehov og samtidig gi en miljøgevinst. Organismene som lever i havet her nord har tilpasset seg et liv under spesielle fysiske betingelser. Det innebærer at molekylene og prosessene vi finner i disse organismene skiller seg fra det vi finner i organismer fra mer tempererte havområder. Marin bioprospektering har potensial til å gi økonomisk, kunnskapsmessig og samfunnsmessig betydning for Norge. Kanskje vil det i fremtiden komme et banebrytende produkt med opprinnelse fra havet i nord? Robert A. Johansen er marinbiolog og Kjersti Lie Gabrielsen er leder ved Marbank som er en nasjonal marin biobank tilknyttet Havforskningsinstituttet. Marbank samler inn, bearbeider og lagrer et bredt spekter av marine organismer fra norske farvann. Biobanken gjør det marine materialet tilgjengelig for forskningsmiljø og industri som driver forskning og næringsutvikling blant annet innen marin bioprospektering. E-post: robert.andre.johansen@imr.no og kjersti.gabrielsen@imr.no 41 Ottar nr.1/2015.indd 41 06.02.15 11:06