Under sina studier kom Martin Högbom i kontakt med vissa kemiska reaktioner i naturen som i princip var omöjliga att genomföra i laboratoriet. Det väckte en beundran för naturens sätt att alltid hitta nya vägar till resultat. Nu har han hittat sätt att använda avancerad röntgenteknik och beräkningskraft för att förstå hur viss kemi är möjlig.

– Detta är verkligen nyfikenhetsdriven grundforskning. Vi försöker förstå dessa reaktioner genom att kartlägga dem på atomnivå, säger Martin Högbom.

Bygger DNA

I fokus för forskningen finns proteinet ribonukleotidreduktas, RNR. Proteinet producerar byggstenarna till vårt DNA. Under processen tar proteinet hjälp av metalljoner och radikaler, det vill säga atomer eller molekyler som är mycket reaktiva.

Metallen behövs för att den kemiska reaktionen ska ta fart. En kemisk reaktion sker ofta i flera steg. För att dessa steg ska ske krävs det en aktiveringsenergi – en slags knuff – som kan komma från värme, ljus eller en katalysator. I vissa reaktioner flyttas elektroner för att reaktionen ska fortsätta. Metalljoner kan driva detta genom att skapa en obalans i elektrisk laddning. Men obalansen riskerar att påverka mycket mer än den önskade reaktionen.

– För att proteinet ska lyckas krävs det att varje atom kan kontrolleras och styras för att reagera på rätt sätt. Labbförsök resulterar ofta i kaos och helt andra reaktioner, säger Martin Högbom.

För att förstå hur det går till i naturen tar han hjälp av tekniken frielektronlaser. Den öppnar ett fönster där det går att följa hur atomer rör sig i en kemisk reaktion. Tekniken finns ännu bara på ett fåtal platser i världen och därför samarbetar Martin Högboms forskargrupp med kollegor vid universitet i Berkeley och Stanford.

– Tillgång till dessa anläggningar är mycket begränsad så själva experimenten gör vi bara ett par gånger per år. Men samtidigt är experimenten i sig så avancerade att de liknar egna forskningsprojekt. Därför kräver de också enormt mycket tid att förbereda, säger han.

Effekten från en frielektronlaser får proteinprovet att explodera. Energitätheten i en puls är lika hög som om allt solljus som träffar hela jorden samlades på en yta stor som ett knappnålshuvud. Men innan provet sprängs hinner forskarna skapa bilder av atomernas rörelse.

– Hittills har vi lyckats fånga vissa delar av skeendet i stillbilder, och nu tar vi steget till att registrera nog många bilder i rad för att göra en film av hela reaktionen. Då kan vi se hur proteinet styr processen.

Slå ut bakterier

Även om detta är grundforskning finns flera möjliga tillämpningar i sikte. Varianten av RNR-proteinet som Martin Högbom undersöker finns bland annat hos bakterien mykoplasma som kan orsaka infektioner i luftvägarna. Dessutom återfinns varianten hos vissa former av stafylokocker som ligger bakom en rad infektioner.

– När vi förstår hur den kemiska reaktionen fungerar så kan vi och andra gå vidare för att utveckla metoder för att påverka den. Då kan vår forskning bli ett första steg till nya behandlingar.

Jag slutar aldrig att överraskas av naturens egna lösningar. Om det finns ett enda sätt att starta en kemisk reaktion så har naturen hittat det sättet. 

Samtidigt finns det andra möjliga tillämpningar, till exempel inom klimatområdet för att bromsa den globala uppvärmningen. Forskargruppen har sedan en tid arbetat med ett protein som med hjälp av järnjoner kan omvandla metan till metanol. Metan är en potent växthusgas som frigörs vid naturliga processer och vid oljeborrning men det är svårt att ta vara på gasen. Om det vore möjligt att omvandla metanet till metanol så kan den i stället återvinnas.

– Där har vi nått fram till ett mycket spännande stadium. Men fortfarande återstår en rad kontrollexperiment för att bekräfta och reproducera våra resultat.

Alla experiment som görs följs upp med beräkningar som kräver tillgång till mycket kraftfulla datormiljöer.

– De senaste årens beräkningsteknologiska framsteg är en av anledningarna till att vi kan lyckas med vår forskning. Det ger oss möjligheten att analysera och verifiera våra resultat.

Dessutom behövs ett långsiktigt finansiellt stöd som kan möjliggöra grundforskningen, betonar han.

– Scholaranslaget ger både självförtroende och frihet som möjliggör banbrytande forskning. För min del har anslaget varit helt avgörande, säger Martin Högbom.

AI inte riktigt där

Användningen av AI har använts med stor framgång inom flera forskningsområden. Bland annat för att förutsäga proteiners struktur, vilket belönades med Nobelpriset i kemi 2024. Men ännu finns inte möjligheten att öka förståelsen av hur kemin utförs.

– Förhoppningsvis får vi se nya AI-lösningar växa fram, som vi både kan bidra till och dra nytta av. Men än så länge finns det inte tillräckligt med data för att träna en AI-modell. Först behöver vi genomföra experiment för att visa hur de kemiska reaktionerna faktiskt går till i proteiner.

Hans drivkraft kommer från viljan att verkligen förstå hur viss kemi är möjlig. En nyfikenhet som också tar sig andra uttryck i vardagen.

– Så fort något har gått sönder på labbet så vill jag väldigt gärna skruva isär det för att se vad som har hänt och hemma finns det flera projekt i olika stadier av reparation, säger han.

Text Magnus Trogen Pahlén
Foto Magnus Bergström