Ett helt nytt sätt att studera livets innersta kärna har öppnat sig. Tack vare utvecklingen av röntgenlaser blir det snart möjligt att ta knivskarpa tredimensionella bilder av viruspartiklar, enskilda celler och levande bakterier på atomär nivå. Något som kan få stor vetenskaplig betydelse.
Projektanslag 2011
Photon science and x-ray lasers
Huvudsökande:
Janos Hajdu, professor i molekylär biofysik
Medsökande:
Uppsala universitet
Joseph Nordgren
Raimund Faifel
Sveriges lantbruksuniversitet
Inger Andersson
Utvecklar teknik och vetenskap för högupplösande avbildning av enskilda biologiska molekyler, som viruspartiklar, levande encelliga organismer och nanokristaller.
Lärosäte:
Uppsala universitet
Beviljat anslag:
36,5 miljoner kronor under fem år
Biologer har länge närt en dröm om att avbilda enskilda biologiska objekt utan att behöva snitta, frysa in, eller kontrastfärga dem med metaller, vilket krävs vid elektronmikroskopi. Önskan har varit att kunna ta högupplösta bilder av virus, organismer och bakterier, och på detaljnivå fånga in hur dessa pyttesmå strukturer är uppbyggda. Något som i sin tur kan ge unik kunskap om hur virus sprids och får fäste, om sjukdomsutveckling, evolutionära samband och ge inspiration till nya läkemedel.
Sågs som science fiction
Men länge har denna förhoppning setts som science fiction, berättar Janos Hajdu, som är drivande i fältet och professor i molekylär biofysik vid Uppsala universitet. Hans intresse väcktes 1994 i synkrotronlaboratoriet i byn Daresbury utanför Liverpool.
– Då föddes idén att använda frielektronlaser och med hjälp av extremt intensiva och korta röntgenpulser göra avbildningar av det biologiska materialet innan det förstörs av laserstrålen. Vi upptäckte att det fanns ett tidsintervall innan förstörelsen som vi skulle kunna utnyttja.
Det lilla Daresbury med en klunga hus, kyrka, prästgård och pub är födelseplats för författaren Lewis Carroll, mest känd för ”Alice i underlandet”. Och ett underland var just vad forskningen skulle kunna leda fram till, om teorierna visade sig stämma. Men de avfärdades på den tiden som orealistiska.
– Det här fick man syssla med på fritiden. Det var inte ett huvudprojekt, men tankarna på det rubbade ofta nattsömnen. Utmaningen var att beräkna om det fanns tillräckligt med tid för att ta bilder innan molekylen förstördes. Genom simuleringar i datormodeller gick det stegvis upp för oss att: ja, vi skulle nog hinna!
De biologiska proverna utsätts för en enorm hetta från röntgenlasern, 200 000 grader Celsius, och förstörs explosionsartat när de träffas av strålen. Konceptet bygger på att den ultrasnabba röntgenblixten hinner ge ett diffraktionsmönster före explosionen. Mönstret gör det sedan möjligt att återskapa bilden av det biologiska provet.
Världens första frielektronlaser
Janos Hajdu mötte även kärleken i Daresbury, något som förde honom till Uppsala 1996. Där har han och sambon Inger Andersson, som är professor i växtbiokemi vid Sveriges Lantbruksuniversitet, drivit på forskningen och bidragit till att bygga upp världens första frielektronlaseranläggning, placerad vid Stanford University i Kalifornien.
Med hjälp av den anläggningen har Uppsalaforskarna nu kunnat demonstrera att principen fungerar i verkligheten. Det har bland annat resulterat i den första tredimensionella bilden av ett virus, mimivirus, som tidigare inte har kunnat studeras i sådan detalj. Med en konventionell metod som elektronmikroskopi är möjligheten till en fördjupad bild mycket begränsad på grund av virusets storlek och speciella ytstruktur.
Mimiviruset har en inre struktur som påminner om en cellkärna, och det finns spekulationer om att denna virustyp och eukaryotiska celler är biologiskt sammankopplade.
– Mimiviruset kodar till exempel för mer protein än vad det behöver, och bär på en stor ryggsäck med gener som det till synes inte använder, ett tecken på att det finns samband som vi inte känner till. Det finns en blind region i livets inre, och där hoppas vi nu kunna fylla på med information tack vare de detaljrika bilderna, säger Inger Andersson.
Även influensaviruset H5N1, HIV och Ebola skulle i framtiden kunna studeras med röntgenlasern, och den nya kunskap som kommer fram kan bidra till en ökad förståelse för en rad sjukdomar. Om man exempelvis känner till mekanismen för hur ett virus infekterar sin värd så kan man kanske också stoppa dess framfart, menar Inger Andersson.
Bilder av fotosyntesen
Forskargruppen hoppas också kunna ta bilder av de grundläggande processerna i fotosyntesen. Ett steg i den riktningen är den avbildning som nu har kunnat göras av cyanobakterier, som lever på fotosyntesen och som finns i vatten världen över, även i Sverige. De unika bilderna visar den atomära uppbyggnaden av proteinkomplex i det cellmembran som fångar in solljuset och omvandlar det till energi hos bakterierna.
Membranproteiner är viktiga i olika livsprocesser, inte bara som energiomvandlare, utan även som cellens transportörer och som receptorer för läkemedel. De nya avbildningarna kan därför revolutionera den biologiska forskningen.
Nu är Janos Hajdu även involverad i uppbyggandet av den första frielektronlasern i Europa, XFEL i Hamburg, som banar väg för ytterligare experiment. Anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse gör det möjligt att fördubbla forskargruppen i Uppsala från 15 till 30 personer och rekrytera framstående namn.
– Vi har lärt oss genom vetenskapshistorien att man får vara beredd på återvändsgränder. Men nu har kritikerna tystnat och många följer i stället i våra fotspår. Det är en fantastisk känsla att vi nu kan studera den levande cellen. Inom de närmaste fem åren kommer vi att göra många spännande fynd, säger Janos Hajdu.
Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström
