Glutamat i hjärnan har oväntade egenskaper, visar forskare med ny mätmetod
Forskare på Chalmers och Göteborgs universitet har lyckats räkna antalet molekyler av signalsubstansen glutamat, när en signal överförs mellan två hjärnceller. Med den nya mätmetoden har de visat att hjärnan reglerar signalerna med glutamat på fler sätt än vad som hittills är känt.
Att kunna mäta aktivitet och kvantitet av glutamat hos hjärnceller har varit efterfrågat länge inom forskningen. Trots att glutamat är den signalsubstans som finns i störst mängd i våra hjärnor, där den påverkar ett stort antal viktiga funktioner, vet vi mycket mindre om molekylen än om signalsubstanserna serotonin och dopamin eftersom glutamat har varit svårare att mäta tillräckligt snabbt.
De nya rönen om glutamat har stor betydelse för att öka kunskapen om tillstånd och sjukdomar som rör hjärnan. Hur glutamat relaterar till neurologiska sjukdomar, vårt minne och vår aptit är några exempel på frågor som forskarnas upptäckter kan bidra till att ge svar på.
Hela vägen till nytta
– När vi började sa alla: ”det här kommer aldrig gå”, men vi gav oss inte. Nu har vi fått ett vackert exempel på hur tvärvetenskaplig grundforskning kan ge ett genombrott och gå hela vägen till att göra nytta, berättar Ann-Sofie Cans, som leder forskningen och är docent i kemi på Chalmers.
Nyckeln var att göra tvärtom mot tidigare. Istället för en biosensor med tjocka lager byggdes biosensorn av ett ultra tunt lager av det enzym som krävs för biologisk igenkänning. Forskarna säkerställde att enzymet bara var ett molekyllager i tjocklek. Det innebar att sensortekniken kunde göras tusen gånger snabbare än tidigare.
Därmed kunde tekniken bli tillräckligt snabb för att mäta frisättningen av glutamat från en enstaka synaptisk vesikel – den lilla vätskeblåsa som frisätter signalsubstans till synapsen mellan två nervceller – vilket sker på kortare tid än en tusendels sekund.
– När vi insåg vinsten med att förbättra sensorteknologin utifrån tidsaspekten istället för koncentration fick vi det att fungera, säger Ann-Sofie Cans.
Forskningen har genomförts i två steg. I det första gjordes genombrottet för att kunna mäta glutamat. Studien publicerades 2019 i den vetenskapliga tidskriften ASC Chemical Neuroscience. I del två, som den aktuella publiceringen gäller, har hon och forskargruppen gjort ytterligare banbrytande upptäckter.
– När vi hade byggt sensorn kunde vi ta det vidare och med hjälp av denna teknik tagit fram en ny metod för att kunna kvantifiera dessa mycket små mängder glutamat, fortsätter Ann-Sofie Cans.
Längs vägen har gruppen mött många intressanta överraskningar. Bland annat visade sig mängden glutamat i en synaptisk vesikel vara mycket större än vad man tidigare trott, och ligga på samma halt som serotonin och dopamin, vilket kom som en spännande chock.
– Vår studie ger en förändrad bild av glutamat. Till exempel verkar transport och lagring av glutamat i synaptiska vesiklar inte skilja sig så mycket åt jämfört med serotonin och dopamin som vi har trott, säger Ann-Sofie Cans.
Oräkneliga möjligheter
Forskarna har också visat att nervceller kontrollerar styrkan i den kemiska nervsignalen genom att reglera mängden glutamat som frisätts från enstaka synaptiska vesiklar.
Att det nu är möjligt att mäta och kvantifiera den här signalsubstansen kan ge nya verktyg för farmakologiska studier inom neurovetenskapen.
– Glutamatsensorn erbjuder oräkneliga möjligheter för att verkligen förstå vilken funktion glutamat har för hälsa och sjukdomar. Vår kunskap om vad som gör att hjärnan fungerar, eller inte fungerar, begränsas av vilka verktyg vi har för att kunna göra försök. Det här ultrasnabba verktyget tillåter oss att undersöka nervcellernas kommunikation på en nivå som vi inte har haft tillgång till tidigare, säger Karolina Patrycja Skibicka, docent i neurovetenskap och fysiologi på Göteborgs universitet.
– De nya upptäckterna – att glutamatbaserad kommunikation regleras av mängden glutamat som frigörs från synaptiska vesiklar – väcker frågan om vad som händer med regleringen vid hjärnsjukdomar som tros vara kopplade till glutamat, till exempel epilepsi.
Livsmedelsverket om Glutamat/glutaminsyra
Titel: Counting the Number of Glutamate Molecules in Single Synaptic Vesicles
Kontakt: Ann-Sofie Cans
Forskarna har lyckats mäta aktivitet och kvantitet av glutamatmolekyler som en hjärncell skickar ut från enstaka vesiklar, genom att bygga en glutamatsensor som fått ett ultra tunt enzymlager och blivit tusen gånger snabbare än tidigare.
Text och bilder från Chalmers