Hun valgte poesi frem for videnskab, men vendte tilbage for at revolutionere planteforskningen

Planter producerer mere end 1 million forbindelser, men man kender kun generne for omkring 50 komplette plantenaturlige produktveje. Således er forståelsen af, hvordan forbindelserne naturligt opstår, meget fragmenteret. Anne Osbourn har dedikeret sin karriere til at karakterisere plantebiosyntetiske gener, enzymer og veje og udnytte disse til medicinske, agronomiske og industrielle anvendelser.

Et stof, som Anne Osbourns laboratorium arbejder på, er det immunstimulerende middel QS-21, som er en nøglekomponent i vacciner mod helvedesild, malaria og COVID-19. Det bruges også i vacciner, der udvikles til kræft i æggestokkene, Alzheimers sygdom, tuberkulose og HIV. QS-21 udvindes i øjeblikket fra barken fra sæbebarktræet, som vokser i Chile.

“Interessen har været stigende for at finde måder at reducere miljøpåvirkningen og forbedre bæredygtigheden af fremstillelsen af denne meget vigtige forbindelse. Vi arbejder på at forstå hele processen for, hvordan QS-21 dannes. Og vi har udviklet en effektiv måde at få disse gener ind i et planteekspressionssystem, hvilket betyder, at vi kan gå fra konstruktioner til at lave stofferne på kun fem dage. Dette åbner muligheden for at producere QS-21 og andre strukturelt beslægtede adjuvanser optimeret til immunstimulerende aktivitet og velegnet til humane anvendelser – og dette har tiltrukket sig stor interesse,” forklarer Anne Osbourn, vicedirektør for John Innes Center og honorary professor ved University of East Anglia, Norwich, Storbritannien.

Poesi eller videnskab?

Anne Osbourn har altid været fascineret af den naturlige verden og især planter. Hun voksede op i en landsby i Yorkshire i det nordlige England. Der var skov og et vandløb i nærheden og heden, som Anne som barn elskede at udforske. Da hun var meget ung, begyndte hun allerede at lære navnene på planter.

"Jeg plejede at få min mor til at tage på picnic om vinteren for at prøve at finde blomster. Den første plante, der blomstrede, var følfoden. Mine barndomsminder handler om haver mere end huse. Da jeg var 3 år, kunne jeg allerede sige Primula denticulata. Jeg elskede planter og kunne bestemt ikke lide at dissekere dyr i biologi i gymnasiet. Så jeg endte med at studere planter."

Anne voksede også op i et hjem fyldt med bøger om klassisk litteratur. Hendes forældre både studerede og underviste i litteratur, så hun kom naturligt til at elske engelsk og det at skrive. Men i skolen blev hun tvunget til at vælge.

"Den sværeste beslutning, jeg måtte tage i skolen, var, om jeg skulle specialisere mig i kunst eller naturvidenskab. Mine forældres hus var fyldt med bøger – som et bibliotek: dobbeltstablet litteratur og skønlitteratur, så jeg tænkte, at den mulighed ville være der alligevel. Så min søster og jeg tog begge den videnskabelige vej, og jeg valgte botanik."

Foto: Primula denticulata eller Kugleprimula (Getty Images).

Effektfuld i dyreverdenen

Efter at have afsluttet sin kandidatgrad ved University of Durham tog Anne Osbourn til University of Birmingham for at lave sin ph.d. Det var i en genetikafdeling, hvor hun begyndte at studere interaktionen mellem planter og de patogener, der kunne angribe dem, i hendes tilfælde et svampepatogen kaldet Septoria, der forårsager en sygdom i byg og hvede kendt som gråplet.

"Det fik mig til at interessere mig for, hvordan mikrober og planter interagerer. Jeg havde muligheden for at flytte til Sainsbury Laboratory i Norwich, da det startede i 1988. Her startede jeg og oprettede et forskningsprogram i Mike Daniels laboratorium, der arbejdede med bakterielle patogener. Jeg begyndte derefter at arbejde med svampepatogener fra planter."

Sainsbury Laboratory forsker i interaktioner mellem planter og mikrober. På det tidspunkt begyndte man at anvende molekylærbiologi til at forstå det mekanistiske grundlag for, hvordan patogener forårsager sygdom, og i sit tidlige arbejde med bakterielle plantepatogener var Anne den første til at udvikle en selektiv metode til at identificere de afgørende gener fra patogen, som blev udtrykt i værtsorganismen.

"Den metode, som vi udviklede i planter til at finde de gener, blev efterfølgende optaget af dem, der forskede i dyr, og det viste sig at være meget effektfuldt i dyreverdenen. Jeg husker, første gang jeg hørte om metoden 'in vivo-ekspressionsteknologi'. Min min chef dengang, Mike Daniels, og jeg kiggede lige en ekstra gang på hinanden, da vi indså, at vi faktisk var os, der havde opfundet IVET."

Dobbelt op

Teknologien blev en kraftfuld og gennemgående tilgang for mikrobiologer, som brugte den til at identificere bakterielle gener under infektion og de afgørende faktorer for potentielt dødelige svampepatogener som fx Candida albicans. Men gennem hendes undersøgelser af det mekanistiske grundlag for plante-mikrobe-interaktioner ændrede Anne Osbourns fokus sig.

"I stedet blev jeg fascineret af, hvordan planter forsvarer sig mod patogener. Jeg blev interesseret i, hvorfor planter fremstiller forskellige slags kemikalier. Kemikalierne er nemlig ikke kun affaldsprodukter. De menes også at have vigtige funktioner i interaktioner mellem planter og deres miljø og planter og andre organismer."

Anne Osbourn begyndte at forstå, hvordan planter naturligt fremstiller kemikalier, hvad de gør, og forstå de mekanismer, hvorved kemi diversificeres i planteriget. Arbejdet førte til en videnskabelig milepæl i 1991, hvor hun påviste, at en rodinficerende svamp kunne inficere havre, hvis den var i stand til at neutralicere avenacin – en antimikrobiel forbindelse produceret af planten.

"På det tidspunkt havde forskersamfundet mest fokuseret på de forsvarsreaktioner, der blev induceret som reaktion på patogenangreb. Vi viste, at planter producerer de her antimikrobielle forbindelser som en del af deres normale vækst- og udviklingsprogram, og at de kan beskytte mod sygdom og er meget vigtige i planteforsvaret."

En uventet udvikling fra arbejdet var opdagelsen af, at nedbrydning af sådanne kemikalier af svampepatogener kan give anledning til en dobbelteffekt.

"Ikke kun er planternes kemiske forsvar nedbrudt. Gennem nedbrydningen produceres også kemiske forbindelser, der blokerer patogernes respons mod værtens forsvar."

Foto: Candida albicans (Getty Images).

Anne og hendes havre 

Resultaterne fik Anne Osbourn til at lancere et stort program, der udnytter det faktum, at avenacin, den vigtigste antimikrobielle forbindelse i havrerødder, er naturligt fluorescerende under ultraviolet lys. Ved at screene for mutanter med reduceret rodfluorescens kunne hun isolere havrearter, der ikke havde ordentligt forsvar.

"Så vi isolerede mere end 100 mutanter af havre, der ikke lavede avenacin, og viste, at disse mutanter var mere modtagelige for sygdom. Så det gav bevis for, at disse molekyler er virkelig vigtige."

Det var således Anne Osbourns banebrydende arbejde, der var med til at skubbe det internationale forskningssamfund til at opfinde udtrykket phytoanticipin – der beskriver de præformede kemikalier, der adskillers sig fra phytoalexiner – kemikalier der først udskilles, når planten angribes.

Meget lig det menneskelige immunsystem, som også omfatter en medfødt og en erhvervet del. Men kun få forskere troede, at hendes resultater var universelle for planteriget.

"Så jeg blev nogle gange kaldt Anne, der arbejder på avenacin. Hun arbejder kun i havre. Det er det, hun gør. Men opdagelsen har også ført til meget bredere fund, en anden opdagelse, som vi faldt over helt uventet."

Da forskerne begyndte at se på, hvordan planter laver forsvarsrelaterede molekyler, er generne for disse flertrinsveje, i stedet for at være fordelt rundt om genomet, nogle gange organiseret i klynger – lige ved siden af hinanden.

"Det gennemsnitlige plantegenom har omkring 30.000 gener. Hvis du forsøger at finde de 10 eller 12 gener i det genom, som er nødvendige for at lave et bestemt kemikalie, er det at finde disse gener, som er spredt rundt i genomet, som at finde en 10-12 separate nåle i en høstak. Men det nu er blevet klart, at de mange steder er som perler på en snor – et fænomen, der kaldes biosyntetiske gener. Og det var et stort chok for samfundet."

Potentielt meget at miste 

Det hårde arbejde med at identificere mutanter og genetisk analyse var med til at skabe et paradigme, der lige siden har været afgørende for karakterisering af metaboliske synteseveje i planter og design. Genklyngerne blev dog dengang stadig betragtet som noget kontroversielle.

Hvad der derefter skete, var dog endnu mere kontroversielt.

”Jeg havde valgt naturvidenskab, taget en uddannelse indenfor botanik, en ph.d. i genetik, en postdoc og var veletableret i forskerverdenen. Men så i 2004 følte jeg bare, at der manglede noget. Jeg havde kigget på jobannoncer i Nature. Og jeg så en annonce fra en organisation kaldet National Endowment for Science, Technology, and the Arts."

Nesta blev oprettet i 1998 med lotteripenge for at fremme innovation og opfindelse i Storbritannien. Penge, der skulle gøre det muligt for talentfulde mennesker at udvikle originale ideer. Et program hed Dreamtime Fellowship – inspireret af den aboriginske walkabout dreamtime. 

"Jeg besluttede, at jeg havde fået nok af at skrive alle disse lærde videnskabelige artikler. Jeg havde lyst til at gøre noget anderledes i et stykke tid. Så jeg ansøgte om et af de her stipendier for at gå til School of Literature and Creative Writing ved University of Norwich, et af de førende steder i verden til at lære at skrive kreativt."

SAW Trust

Anne Osbourn blev tildelt et stipendium, hvor hun skrev poesi om, hvordan hun blev til den, hun var, og hvorfor hun gik ind i plantevidenskab.

“At udgive poesi er meget anderledes end at udgive videnskab – der er peer review, men ofte ingen feedback. Så det var ret radikalt anderledes. Jeg sagde bare, at jeg tager fri for skrive i et år. Jeg tror, at folk omkring mig var meget overraskede. Nogle mennesker var virkelig imponerede og nysgerrige, og andre syntes, det var lidt mærkeligt. Og det var på den tid, hvor det var ret risikabelt at gøre sådan noget og på et tidspunkt i karrieren, hvor jeg potentielt havde rigtig meget at tabe."

Under sit Nesta Fellowship grundlagde Anne Osbourn også Science Art and Writing (SAW) Trust – en international velgørenhedsorganisation, der fremmer innovation i kommunikation for at støtte udviklingen af tværfaglige videnskabelige uddannelsesprogrammer. Siden den blev grundlagt, har tusindvis af børn i Storbritannien, USA og Kina deltaget i SAW-projekter.

”Det er meget givende at spille en rolle i at inspirere unge forskere fra folkeskolen. Så disse børn kan gå hen at blive journalister på en avis, politikere, kunstnere eller forfattere, og hvis de har et grundlæggende kendskab til videnskab, så er det godt for alle."

Begyndte at støtte hinanden

På det tidspunkt, hvor Anne Osbourn kom med i Dreamtime Fellowship-programmet, havde hun en succesrig forskergruppe, og det gik godt, og hun ønskede, at hendes gruppe skulle fortsætte, indtil hun vidste, om hun ville fortsætte med at forske.

"I starten, da jeg havde mit år med poesi, tænkte jeg, at det var det. Jeg kommer ikke tilbage til videnskaben. Jeg skal være forfatter. Men så tænkte jeg, jamen, jeg vender tilbage til videnskaben et stykke tid."

Heldigvis fortsatte hendes forskergruppe med at have succes, mens hun var væk. Det var et overraskende produktivt år.

"Selvom jeg havde et sabbatår, gik jeg stadig i laboratoriet én dag om ugen. Jeg tror, at folk, delvist fordi jeg ikke var der hele tiden, gjorde særlige ting, så de kunne vise mig dem sidst på ugen. Og det endte så sjovt nok med faktisk at fremskynde processerne."

Efterhånden indså Anne Osbourn, at de tre forskellige tråde – forskning, kommunikation og poesi – ikke konkurrerede med hinanden. De begyndte at støtte hinanden.

"Så jeg begyndte at integrere arbejdet med skoleaktiviteter i et almindeligt forskningsprojekt, og det blev meget godt modtaget. Og jeg begyndte at udgive poesi i videnskabsmagasiner.” 

Efter at have afsluttet sit Nesta Dreamtime Fellowship blev Anne tildelt et meget prestigefyldt Branco Weiss Society in Science Fellowship for at fortsætte med at udvikle sine tværfaglige aktiviteter, hvilket hun gjorde sideløbende med at vende tilbage til videnskab fuldtid.

Foto af Anne Osbourn er taget af Mette Frid Darré.

Reglen – ikke undtagelsen

Kort efter hun kom tilbage efter stipendiet, flyttede Anne Osbourn til John Innes Center i Norwich – rangeret øverst i verden med hensyn til videnskabelig impact inden for plante- og dyreforskning. Der fik hun en gruppelederstilling, fast besluttet på at bevise, at hun ikke bare var Anne med sine havreneg, så hun igangsatte et bredere program om naturlige planteprodukter: hvordan de laves, hvad de gør, og hvilke mekanismer der understøtter metabolisk diversificering.

"Jeg vidste, at hvis generne for naturlige produktveje faktisk er organiseret i klynger, ville dette åbne store muligheder for at opdage nye veje og nye gavnlige naturlige planteprodukter. Men planteverdenen sagde stadig: 'Nå, ja, men du ved, det er bare sære undtagelser.'"

Mange troede, at genklynger var opstået ved genoverførsler fra de mikrober, der levede ved siden af planterne. Men i en skelsættende Science-artikel fra 2008 viste Anne Osbourn sammen med kollegaen Ben Field, at genklynger af de kemisk og farmakologisk vigtige triterpenoider har udviklet sig af flere omgange.

Dette fund tyder på, at plantegenomer har bemærkelsesværdig plasticitet, og at disse genklynger kan samles i det virkelige liv og ikke kun blev arvet fra bakterier.

Foto: John Innes Center i Norwich.

Forårsager unormale udviklingsmønstre

Yderligere forskning viste, at disse operonlignende genklynger faktisk havde samlet sig for nylig og uafhængigt i både havre og i almindelig gåsemad, Arabidopsis thaliana. I løbet af de sidste 5 år er der rapporteret mere end 35 klyngede naturlige produktveje fra planter.

"Disse omfatter medicinske alkaloider fra valmue, anti-ernæringsmæssige forbindelser i tomat og agurk og mange, mange andre eksempler. Så dette er et spændende fænomen. Og vi kunne diskutere i timevis, hvorfor disse genklynger eksisterer. Det afgørende er, at det betyder, at vi kan bruge computeralgoritmer til at scanne plantegenomer for at lede efter nye genklynger og dermed kandidater til stoffer, der kan blive fx til medicin."

Anne Osbourns efterfølgende arbejde førte til den hypotese, at gruppering af gener i planter giver mening, da det minimerer risikoen for at akkumulere skadelige metaboliske mellemprodukter. Og hun viste, at forstyrrelsen af klyngede veje og deraf følgende akkumulering af mellemprodukter i flere tilfælde påvirker plantevæksten negativt og kan forårsage unormale udviklingsmønstre.

"Kom de fra mikrober? Er det derfor, de er klynget? Svaret på det ser ud til at være entydigt nej. De er opstået ved genduplikation og erhvervelse af nye funktioner og er formentlig et resultat af selektionspres. Ellers ville dette ikke ske."

Foto: Field og Osbourn fandt i 2015 en genklynge i planten Arabidopsis thaliana, der er nødvendig for syntesen af de såkaldte triterpener.

Mængder i gramskala

Planter er en fremragende kilde til nye nyttige forbindelser, som fx lægemidler. Tilgængeligheden er dog begrænset af adgang til planterne og lav forekomst i hver plante. Mikrober er derfor traditionelt blevet brugt som værter til fremstilling af planteafledte forbindelser, men de har også væsentlige begrænsninger, og optimering er langt fra triviel, da der mangler grundlæggende viden om forskelle i cellulære processer mellem planter og bakterier.

"Så vi har, ligesom mange grupper rundt om i verden, brugt mikrober til at udtrykke gener for disse naturlige planteforbindelser. Men en af mine kollegaer, George Lomonossoff, gjorde en opdagelse, mens han arbejdede med en slægtning til tobak, Nicotiana benthamiana."

Næsten tilfældigt fandt George Lomonossoffs gruppe ud af, at hvis de kombinerede et grønt fluorescerende protein, med en stærk promotorsekvens foran selve genet, og så en lille smule fra RNA-2-genet fra en planteinficerende virus, kunne de få massivt forhøjede niveauer af grønt fluorescerende protein i N. benthamiana.

"Det sker meget hurtigt. Fem dage senere kan du se dit grønne fluorescerende protein blive udtrykt. Så George var meget begejstret for dette. En dag kom han til mit kontor og sagde: Nå, hvorfor prøver du ikke at gøre det med dine naturlige planteprodukter? Og det gjorde vi, og vi fandt ud af, at den er utrolig hurtig og kraftfuld. Vi fandt ud af, at vi kan samle synteseveje på over 20 trin. Og man kan meget nemt skalere op, og det har gjort os i stand til at rense mængder op til gramskala af ren kemisk forbindelse."

Du behøver ikke at vide det

Den nye kraftfulde planteplatform fungerer som et vigtigt proof-of-concept med åbenlys bioteknologisk værdi. Men selvom der sandsynligvis eksisterer omkring 1 million naturlige planteprodukter, kender vi stadig kun gernerne for omkring 50 naturlige planteproduktveje.

"Plantegenomer har mere end 30.000 gener, så det er noget af en udfordring at finde de 10 eller 20 gener i en syntesevej, der gør det, du er interesseret i. Men det er ved at blive muligt."

Sammen med avancerede algoritmer til genom-mining, har den nye ekspressionsbaserede syntetiske biologi-platform åbnet vejen for systematisk analyse af det metaboliske mørke stof, der er indeholdt i plantegenomer.

"Det betyder, at vi nu ikke kun begynder at forstå syntesevejene for kendte plantekemikalier, men kan også søge på tværs af planteriget og bygge en værktøjskasse af gener og enzymer, der gør os i stand til at lave nye kemikalier, som ikke tidligere var blevet rapporteret. Fordi vi kan blande og matche fra hele skattekisten af plantegenomsekvenser derude."

Ideen om at bruge algoritmer som dem, der er blevet brugt i mikrober, til at forudsige nye pathway-genklynger, er ved at blive meget attraktiv. 

"Du behøver ikke engang at vide, hvilket molekyle du leder efter. Du kan bare scanne genomet for gener, der forudsiges at kode for forskellige klasser af proteiner, der tilsammen ser ud som om de kan være en biosyntetisk vej."

Sæbebarktræet

Den mest spændende nyere udvikling ved brug af den nye platform er saponinforbindelser fra et vildt sydamerikansk sæbebarktræ (Quillaja saponaria). Træet laver mere end 100 strukturelt beslægtede saponiner (kendt som QS-saponiner), og en af de mest udbredte kaldes QS-21.

Dette molekyle er et immunstimulerende middel og bruges i humane vacciner mod helvedesild og malaria for at forbedre immunresponset. QS-saponinerne kommer direkte fra træet, og interessen for at finde måder at reducere miljøpåvirkningen på og forbedre bæredygtigheden af at indkøbe disse vigtige ressourcer vokser.

Anne Osbourns laboratorium har taget et stort skridt fremad for at løse dette problem ved at bruge en kombination af genomminedrift og bioingeniørteknikker til at producere saponinbaserede vaccineadjuvanser i laboratoriet uden at høste materiale direkte fra træer.

"Vi sekventerede først genomet af Quillaja saponaria. Derefter brugte vi kraftfulde computational gen-mining-værktøjer til at forudsige, hvilke af de omkring 30.000 gener, der var ansvarlige for biosyntetisering af saponin. Dette førte til identifikation af en biosyntetisk vej med 16 gener, der fungerer som en brugsanvisning for fremtidig adjuverende bioteknik."

Identifikation af yderligere tre enzymer resulterede i en komplet biosyntesevej til saponin QS-7, et saponin, der er inkluderet i en vaccineadjuvans med dokumenteret klinisk effekt, men som er notorisk vanskelig at rense fra sæbebarktræ. Vejen til disse molekyler blev rekonstrueret i tobaksekspressionsplatformen. Holdet har indgået et samarbejde med Plant Bioscience Limited, som leder kommercialiseringen af forskningen. De har allerede brugt brugsanvisningen i et forsøg på at producere andre værdifulde saponiner, herunder QS-21, en potent adjuvans og nøglekomponent i humane vacciner.

"COVID-19-pandemien demonstrerede den enorme efterspørgsel efter livreddende vacciner. Ved at samle genomsekvensen af Quillaja saponaria har vi nu brugsvejledningen, der har gjort os i stand til at afkode, hvordan træet laver disse potente medicinske molekyler. Fordi tilgængeligheden af disse er begrænset af vanskeligheder med at få adgang til kildearter, lavt udbytte, rensningsproblemer og miljøhensyn, er omfanget af den økonomiske mulighed for at forbedre forsyningen af højværdiprodukter fra planter derfor enorm."

Foto: Det sydamerikansk sæbebarktræ (Quillaja saponaria) (Getty Images).

Gensyn med poesien

Men hvad med poesi? Var det bare et kortvarigt eventyr? For Anne Osbourn er poesi og videnskabsformidling meget mere end og ikke så forskellig fra videnskab.

"Videnskabens proces – i modsætning til hvad folk normalt tænker – er som kunst, en kreativ proces. Den involverer at se på tingene, identificere et spørgsmål, som du ønsker at adressere og derefter udtænke måder at undersøge og opdage på. Uanset om det er videnskab eller kunst, er det  en kreativ proces, og forskere er kreative."

Den største konsekvens for Anne Osbourn har været, at hendes forskerkolleger er blevet ved med at spørge: Hvad kommer din bog til at handle om?

"Det var stressende. Indtil jeg indså, at uanset hvad der sker, ville det være en fantastisk oplevelse at blive digter. Hele pointen med Dreamtime Fellowships var at give dig muligheden for at få en helt anden oplevelse og derefter bringe de positive fordele ved det tilbage til dit normale job."

Og så endelig, i 2018, vandt hendes første digtsamling, Mock Orange, Sentinel Poetry Book Competition og blev senere udgivet af SPM Publications. Denne samling binder hendes arbejde sammen med poesi og kunst. Snart udkommer også hendes anden bog, Rockall.

"Videnskab og kunst involverer begge en kombination af kreativitet og teknisk kompetence i deres søgen efter at finde de bedst mulige sandheder. Forskere skriver om fakta, og vi henviser til alt. Det er koldt og klinisk. Selvom jeg ikke tror, at poesi ændrer mit videnskabelige perspektiv, har det påvirket mit videnskabelige forfatterskab."

Foto: Anne Osbourns digtsamling fra 2020 "Mock Orange" (SPM Publications).

Kan være med til at tackle den globale opvarmning