Vänstervridning borgar för liv

Louis Pasteur är känd som upptäckare av vaccin mot vissa mikrobiella sjukdomar. Men tillverkarna av moderna läkemedel har honom att tacka också för en annan viktig upptäckt.

26 år gammal fick Pasteur uppdraget att ta reda på varför den franska vinindustrin drabbats av kvalitetsproblem. Han undersökte tartarsyra, mera allmänt känd som vinstensyra eller helt enkelt vinsyra, som är en restprodukt vid jäsning av vin och som samlas i form av kristaller på botten av vintunnor. Pas­teur fann att vinsyramolekylerna fanns i två asymmetriska versioner, som var kemiskt identiska men utgjorde varandras spegelbilder.

Ett av Pasteurs försök gick ut på att studera de två molekylvarianternas optiska egenskaper. När han skickade polariserat ljus genom dem, upptäckte han till sin förvåning att de vred ljuset åt motsatta håll: den ena åt vänster, den andra åt höger. Ingen sådan avböjning skedde emellertid när ljuset passerat en lösning innehållande syntetisk vinsyra från laboratoriet. Senare forskare skulle finna att molekylversionernas olika egenskaper beror på de ingående atomernas rumsliga placering, eller med ett annat ord, konfiguration.

Vid ett tillfälle hittade Pasteur av en slump mögel i en burk som innehöll syrakristaller av bägge de spegelvända typerna, och fann att mögelsvamparna tycktes kunna skilja mellan de två, eftersom de föredrog den ena varianten framför den andra. Efter hand skulle Pasteurs experiment komma att tolkas så att de biokemiska processerna i vindruvorna sorterade ut endast den ena av molekylversionerna, medan båda formerna bil­dades i lika stor mängd vid tillverkning i laboratoriets provrör. Pasteurs upptäckter gav upphov till en ny vetenskapsgren, kallad »stereokemi«, vars resultat har stor betydelse för allas våra liv.

En molekyl kallas »kiral« (efter grekiskans cheir = hand), om den skiljer sig från sin egen spegelbild ungefär som en människas högerhand från hennes vänsterhand. Den som med höger hand hälsar på någon som sträcker fram sin vänsterhand förstår bilden utan svårighet. Kirala molekyler består alltså av såväl »vänsterhänta« som »högerhänta« varianter, vilka visat sig ha högst olika effekt på levande celler. I början av 1900-talet upptäckte man till exempel att naturligt vänstervridande adrenalin från binjurarna är dubbelt så potent som laboratorieframställt adrenalin som är en blandning av båda varianterna (ett »racemat«).

Kirala molekyler är vanliga bland organiska ämnen som ger doft- och smakupplevelser. Den ena spegelvarianten av ett sådant ämne (S-karvon) ger kumminaromen åt bröd och brännvin. Samma ämnes spegelvända variant (L-karvon) doftar emellertid mentol. Det beror på att de två versionerna passar ihop med olika doftreceptorer i näsans övre del, ungefär som vänster- och högerhänder i respektive handskar. Receptorerna kan alltså skilja på en kiral doftmolekyls två spegelvarianter och skickar därför olika signaler till hjärnans luktcentrum. Därför doftar apelsin annorlunda än citron, trots att doftämnet består av molekyler med samma kemiska sammansättning.

Alla viktiga biologiska ämnen associerade med liv är kirala. Levande organismers vävnader, hormoner, enzymer, signalsubstanser etcetera består till största delen av proteiner. De tillverkas av råmaterial i form av aminosyror enligt ritningar tillhandahållna av DNA i cellkärnans kromosomer. Alla 28 aminosyror som kroppen behöver utom en är kirala, det vill säga finns i en höger- och en vänstervariant. Men bara den ena av dem passar organismen. Alla aminosyror i alla proteiner i alla jordiska livsformer är »vänsterhänta«. Den symmetriegenskapen sägs ofta vara den kemiska skiljelinjen mellan liv och icke-liv.

Läkemedelsindustrins forskare tog sig snabbt an utmaningen att omsätta Pas­teurs upptäckter i praktiken, genom att i laboratoriet försöka skilja ut molekyler enbart av den variant av en verksam substans som accepteras av kroppens celler. Men svårigheterna var betydande, vilket gjorde att nya läkemedel utvecklades och fortfarande används som racemat, det vill säga 50/50-blandningar av en kiral substans båda spegelbilder. Läkarnas förskrivning av sådana medel byggde och bygger fortfarande på missuppfattningen att förekomsten av den mindre aktiva molekylvarianten i ett racemat generellt sett är harmlös.

 I en rapport från Socialstyrelsen år 1999 beskrivs läkemedelsanvändningen vid 36 sjukhem för äldre. Det genomsnittliga antalet förskrivna preparat var nio per person. Nästan 40 procent av de äldre intog tio eller fler olika mediciner. Flertalet av dessa läkemedel var racemat. Det kan ifrågasättas om det, med tanke på miljön och den hårda belastning på kroppen som nedbrytningen av alla dessa kemiska föreningar innebär, är försvarligt att använda medel innehållande varianter av ett ämne vilkas effekter ofta är dåligt kartlagda och ännu oftare terapeutiskt omotiverade.

I slutet av 1950-talet utvecklade det tyska läkemedelsföretaget Grünenthal en substans med namnet talidomid, som kom att ingå i en rad preparat vilka marknadsfördes som ett ofarligt medel mot illamående, särskilt för gravida kvinnor. I Sverige ingick talidomid i läkemedlet Neurosedyn som tillverkades av Astra. Talidomidpreparaten visade sig emellertid orsaka svåra fosterskador hos tusentals barn i ett flertal länder. En enda tablett under de första 3–4 månaderna av graviditeten kunde resultera i avsaknad av, eller kraftig deformation av, armar, ben, ögon och inre organ hos barnet. Biverkningarna berodde på att talidomid innehöll båda de spegelvända versionerna av den molekyl som bildade den aktiva substansen.

Ett läkemedel med mindre tragisk hi­storia är Losec, en framgångsrik magsårsmedicin som också innehåller en blandning av den verksamma substansens båda spegelvända varianter. När Astras patent­skydd för Losec upphörde, översvämmades marknaden av kopior. Genom att lansera Nexium, som bara innehåller den mest effektiva varianten av det verksamma ämnet, lyckades tillverkaren, trots den ökade konkurrensen, behålla en stor del av marknaden.

Det var en amerikansk kemist vid namn William Knowles som kom på hur man kunde tillverka överskottsvolymer av den version av en kiral molekyl som godtas av cellernas receptorer. Processen kallas katalytisk asymmetrisk syntes, vilket är lika lättfattligt som det låter. Knowles använde sig som katalysator av det sällsynta (och dyra) grundämnet nummer 45 Rh, rodium. Resultatet blev enkelt uttryckt en vänstervridande variant av aminosyran alanin, kallad L-dopa, som av kroppen omvandlas till dopamin, det vill säga den signalsubstans som patienter med Parkinsons sjukdom har brist på. Bokstaven L står för »levo« = vänster. För denna insats, som bidrog till att ge nytt liv åt många tidigare obotligt apatiska patienter, blev Knowles förärad ett delat Nobelpris i kemi 2001.

En gåta för vetenskapen är varför allt liv på jorden är beroende av just den vänsterorienterade konfigurationen av atomerna i aminosyror. En fantasieggande teori är att råmaterialet till vitala organiska föreningar har sitt ursprung i kosmos. Ett stöd för denna teori ges i analysen av den meteorit som den 28 september 1969 föll ner över den lilla orten Murchinson i södra Australien. Över 100 kilo fragment av meteoriten insamlades av byns invånare. Bitarna visade sig vara cirka 5 miljarder år gamla, alltså något äldre än Jorden, och innehålla ett flertal aminosyror som är oundgängliga för uppkomst av liv. Flera visade ett överskott av vänsterorienterade molekyler och är alltså inte racemat. Nyligen har spektrografiska analyser påvisat tusentals molekylära föreningar i fragmentens inre, varav ett sjuttiotal aminosyror.

Att liv i vår mening är beroende av väns­tervridande organiska föreningar behöver alltså inte vara exklusivt för vår planet. Men detta är bara en del av svaret. En än större gåta är vad som lett till att livsviktiga aminosyror med ursprung i rymden också har den orientering som föredras av livet på Jorden.

En del forskare hävdar att kosmiska aminosyror skapats i områden där nya stjärnor föds i moln med polariserat ljus som roterar åt höger eller vänster. De får stöd av laboratorieförsök som tyder på att vänsterroterande polarisation gynnar bildningen av vänsterorienterade aminosyror.

En annan teori går ut på att vissa vanliga oorganiska mineraler i jordskorpan, som exempelvis kalcit, tycks ha egenskapen att kunna skilja mellan aminosyrors spegelvarianter och på ytan dra till sig mer av den ena än den andra. Sådana mineraler kan, menar man, ha tjänat som ett slags mall för urproteinerna.

Hur som helst – att livet på Jorden är vänstervridet kan vara en slump. Det är därför inte uteslutet att det finns livsformer på andra håll i universum som bil­dats av högervridande organiska molekyler. Om dessa organismers egenskaper kan vi tills vidare bara spekulera.