Med hjälp av en ny generation elektronmikroskopi går det att undersöka strukturen på de proteiner som finns i cellernas membran på ett mer detaljerat och effektivt sätt. Mer kunskap om dessa proteiners utseende kan ge bättre läkemedel.
Projekt 2014
Single-particle cryo-EM studies of membrane protein biogenesis and structure
Huvudsökande:
Gunnar von Heijne, professor i teoretisk kemi
Lärosäte:
Stockholms universitet
Beviljat anslag:
31 miljoner kronor under fem år
De hade marginalerna på sin sida när mikroskopet levererades till SciLifeLab i Solna, berättar Gunnar von Heijne. Han är professor i teoretisk kemi och initiativtagare till satsningen på ett så kallat kryo-elektronmikroskop för studier av enstaka partiklar.
– Vi var rätt nervösa, det vägde två ton och gick precis in i hissen.
Mikroskopet är försett med en ny sorts elektrondetektor som gör det möjligt att enklare och snabbare bestämma strukturen på större proteiner och proteinkomplex, bland annat den typ av proteiner som finns i cellers skyddande membran.
– Intresset för att få använda mikroskopet är väldigt stort. Det har varit enormt mycket förberedelser och vi hoppas kunna ta anläggningen i drift sommaren 2016.
För att mikroskopet ska fungera perfekt krävs bland annat extra god ventilation och kylning. Fyra rum på SciLifeLabs bottenplan har specialinretts. Här finns även ett mindre elektronmikroskop och diverse utrustning för att göra iordning och frysa proverna.
Membranproteiners struktur
De proteinmolekyler som avbildas i kryo-elektronmikroskopet har först frysts in i ett tunt skikt av is med hjälp av flytande kväve.
– Utifrån de bilder av tiotusentals enstaka molekyler som vi får fram i mikroskopet går det sedan att räkna fram proteinets tredimensionella struktur i datorn. Det blir stora mängder data att hantera.
Gunnar von Heijnes intresse för kryo-elektronmikroskopi har sin bakgrund i många års framgångsrik forskning om membranproteiner. Han är chef för Centrum för biomembranforskning på Stockholms universitet där man har byggt upp världsledande kompetens på området.
En tredjedel av en cells proteiner finns i det skyddande lipidmembran som omger den. Membranproteiner har många vitala funktioner och kunskap om hur dessa proteiner ser ut är viktig i utveckling av läkemedel. Drygt hälften av alla dagens läkemedel är riktade mot just membranproteiner.
– Traditionellt sett använder vi oss av röntgenkristallografi för att bestämma strukturen på proteiner. Vi försöker då få proteinet att bilda kristaller och belyser dem med en kraftig röntgenstrålning. Men membranproteiner är svåra att kristallisera.
Med kryo-elektronmikroskopi behöver man inte göra kristaller för att få fram strukturen. Den enda begränsningen som finns med tekniken är att proteinerna måste vara tillräckligt stora, säger Gunnar von Heijne.
– Riktigt små proteiner går inte, då är det kristallografi som gäller, men gränsen pushas nedåt hela tiden.
Tajming och samarbete
Det var ren tur att Gunnar von Heijne fick upp ögonen för kryo-elektronmikroskopin i slutet av 2013.
– Jag brukar tillbringa en månad på Rockefeller University i New York varje höst. Där har jag en kollega som är strukturbiolog och håller på med membranproteiner precis som jag. Det året hade ett tekniskt genombrott på detektorerna i mikroskopkameran just skett, och membranproteiner var bland det man tittade på eftersom de är så svåra att kristallisera. Min kollega såg att det här var något häftigt som skulle kunna hjälpa oss i forskningen.
Mikroskopet har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse tillsammans med Familjen Erling-Perssons Stiftelse. Halva tiden kommer det att vara tillgänglig som nationell resurs. Resten av tiden kommer det användas av forskarna inom projektet för strukturbestämning av bland annat membranproteiner.
Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse har även gett bidrag till en liknande anläggning vid Umeå universitet.
– I Umeå kommer de framförallt att använda mikroskopet till så kallad kryo-tomografi, där man tittar på cellsnitt i stället för enpartikelskryo som vi gör. De har samma upplägg, att anläggningen ska vara en nationell resurs halva tiden, vilket gjorde det naturligt att samordna detta under SciLifeLab-paraplyet.
Ribosomer under lupp
Forskningen sker i nära samarbete med andra internationellt ledande forskargrupper vid Ludwig-Maximilians-Universität, LMB-MRC i Cambridge, Rockefeller University samt Stanford University, som alla använder motsvarande teknik.
Ett forskningsspår där det nya mikroskopet kan göra stor nytta handlar om hur protein veckar sig när de tillverkas på ribosomen, ett enzym som driver proteinbildningen.
– När proteinet nått en del av sin storlek kan en bit börja vecka sig, trots att det fortfarande sitter fast i ribosomen. Vi har studerat detta i några prover med enpartikelkryo på Ludwig-Maximilians-Universität i München och var då först med att göra det.
Forskarna kommer också att använda mikroskopet i sina studier av ribosomer och tillverkning av membranproteiner i mitokondrierna, cellernas kraftverk.
– Med den här tekniken kan vi använda mycket mer fantasi i design och innehåll av proverna än tidigare. Det jag tycker är mest spännande är möjligheten att bygga och studera större komplexa molekyler.
Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström
