Glutamat i hjärnan har oväntade egenskaper, visar forskare med ny mätmetod

Forskare på Chalmers och Göteborgs universitet har lyckats göra något som länge har ansetts vara närmast omöjligt – att räkna antalet molekyler av signalsubstansen glutamat när en signal överförs mellan två hjärnceller. Med den nya mätmetoden har de visat att hjärnan reglerar sina signaler med glutamat på fler sätt än vad man hittills har känt till.

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 de mer välkända signalsubstanserna serotonin och dopamin eftersom glutamat har varit svårare att mäta tillräckligt snabbt.

De nya rönen om glutamat har därmed stor betydelse för att kunna öka kunskapen om olika tillstånd och sjukdomar som rör hjärnan, till exempel psykisk ohälsa som drabbar allt fler. Hur glutamat relaterar till neurologiska sjukdomar, vårt minne och vår aptit är bara några exempel på frågor som forskarnas upptäckter kan bidra till att ge bättre svar på.

– 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 tungt 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 ultratunt lager av det enzym som krävs för biologisk igenkänning. Forskarna säkerställde att enzymet, som placerades på en nanostrukturerad sensoryta, 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 kunna 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 detta att fungera, säger Ann-Sofie Cans.

Forskningen har genomförts i två steg. I det första gjordes genombrottet för att kunna mäta glutamat, och studien publicerades tidigt på våren 2019 i den vetenskapliga tidskriften ASC Chemical Neuroscience. I del två, som den aktuella publiceringen gäller, har hon och forskargruppen gjort ytterligare angelägna och banbrytande upptäckter.

– När vi hade byggt sensorn kunde vi ta det vidare, och har nu med hjälp av denna teknik också 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.

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 av många olika angelägna områden inom neurovetenskapen.

– Lösningen som den här ultrasnabba glutamatsensorn erbjuder öppnar upp oräkneliga möjligheter för att verkligen kunna förstå vilken funktion glutamat har för hälsa och sjukdomar. Vår kunskap om vad det är som gör att hjärnan fungerar eller inte fungerar begränsas av vilka verktyg vi har för att kunna göra försök, och 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 den här regleringen vid hjärnsjukdomar som tros vara kopplade till glutamat, till exempel epilepsi.

Mer om: Glutamat/glutaminsyra
Glutamat eller glutaminsyra ingår i matens proteiner och finns naturligt i kött, i nästan alla grönsaker samt i vete och soja. Det används också som livsmedelstillsats för att förstärka smaker. Glutamat som tillsats får användas till många olika livsmedel, men exempelvis inte till livsmedel som tillverkas speciellt för spädbarn och småbarn.

Glutamat är en livsnödvändig aminosyra, som bildas och ingår naturligt som en viktig del i vår kropp. Den är också en signalsubstans som nervceller använder för kommunikation och ligger till grund för hjärnans basfunktioner som till exempel kognition, minne och inlärning. Dessutom är den viktig för immunförsvaret och mag- och tarmkanalens funktion samt för att hindra att mikroorganismer tar sig in i kroppen.
Källa: Livsmedelsverket och Chalmers

För mer information, kontakta

• Ann-Sofie Cans, docent i kemi på Chalmers, 031-772 6123, cans@chalmers.se
• Karolina Skibicka (engelsktalande), docent i neurovetenskap på Göteborgs Universitet, karolina.skibicka@gu.se

Mer om forskningen
Studien Counting the Number of Glutamate Molecules in Single Synaptic Vesicles har publicerats i den vetenskapliga tidskriften JACS.

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, Hjärnfonden, Ragnar Söderbergs Stiftelse, Novo Nordisk Stiftelse, Wallenberg Center for Molecular och and Translational Medicine, Ernst and Fru Rådman Colliander Stiftelse, Wilhelm och Martina Lundgren Stiftelse och Magnus Bergvall Stiftelse.

Taggar: