Under lång tid sågs drömmen som science fiction, men nu är den verklighet. De senaste årens tekniska utveckling gör det möjligt att framställa knivskarpa tredimensionella bilder av virus, bakterier och andra organismer och i detalj kartlägga deras struktur. Det går att avbilda ultrasnabba kemiska förlopp i form av filmsekvenser, bland annat fotosyntesen.

En ny förståelse av biologin håller på att växa fram, säger Richard Neutze.

– Det är en revolution. Nu kan vi avbilda vad som händer på molekylnivå i naturen på ett sätt som vi bara drömde om för 20 år sedan.

Förklaringen stavas frielektronlaser, ett instrument som fått forskningen att ta ett jättekliv.

Det är i sig inget nytt att använda röntgenstrålar för att ta stillbilder av proteiner. Forskare har gjort det länge genom att skicka röntgenstrålar genom kristaller av proteiner. Inuti kristallerna ligger proteinerna packade i regelbundna mönster, som vatten i en iskristall eller kol i en diamant.

När röntgenstrålarna passerar genom kristallen träffar de proteinerna och sprids. Utifrån mönstret på spridningen kan forskare ta fram en tredimensionell bild som visar exakt hur proteinet ser ut på atomnivå.

En miljard gånger kraftigare

Men användningen av frielektronlaser överskuggar helt den gamla tekniken. Frielektronlasern lyser med strålar som är över en miljard gånger kraftigare än de röntgenstrålar som forskare förut hade tillgång till.

− Tidigare har vi gått med en rullator, och nu kan vi färdas med ljusets hastighet, säger Neutze för att beskriva förändringen.

”Anslaget Wallenberg Scholar har varit avgörande för att jag skulle kunna stanna med min forskning i Sverige. Detta generösa och långsiktiga stöd har gjort det möjligt att bygga upp en konkurrenskraftig grupp och bli en del av en internationell forskningsmiljö.”

Egentligen borde laserstrålen inte gå att använda. Den är så stark att den spränger sönder själva proteinkristallerna. Men redan vid millennieskiftet gjorde Neutze och hans dåvarande mentor, professor Janos Hajdu vid Uppsala universitet, modelleringar som visade på att det fanns ett tidsintervall som kunde utnyttjas. Om pulsen var riktigt kort, några femtosekunder (en miljondel av en miljarddels sekund), så skulle de hinna fånga en bild av kristallen innan den exploderade.

Anläggning i Kalifornien

Det dröjde till 2009 innan idéerna äntligen kunde prövas i praktiken. Då stod den fria elektronlasern, Linac Coherent Light Source, färdigbyggd på Stanforduniversitetet i Kalifornien. Den består av en tre kilometer lång tunnel där forskare accelererar elektroner, som slutligen omvandlas till en röntgenlaserstråle av extremt hög energi. Det är med hjälp av denna laser som Neutzes forskargrupp kan följa proteinernas rörelser i en enastående skala och upplösning.

Ett av de första resultaten gällde bilden av ett protein som är inblandat i afrikansk sömnsjuka. De extremt små kristallerna hade aldrig gått att analysera med traditionell teknik.

– Tidskriften Science plockade upp studien som ett av tio vetenskapliga genombrott under 2012.

Fångade ultrasnabba proteinförändringar

Forskningen har på senare år gett fortsatt eko över världen med flera uppmärksammade publikationer. År 2018 medverkade den svenska forskargruppen i Science med en röntgenfilm av så kallad retinalbaserad fototrofi, en av de snabbaste biologiska processerna. Fotosyntesen och retinalbaserad fototrofi utgör den viktigaste energikällan för nästan allt liv på jorden.

I filmen kan man följa hur en retinalmolekyl aktiveras med hjälp av ett energiöverförande protein. Filmen visar hur retinalmolekylen byter form från rak till böjd på mitten, en förändring som sker i en enorm hastighet, snabbare än en miljondels miljondels sekund.

– Förändringen tar ungefär så kort tid som det tar för ljus att korsa ett avstånd motsvarande tjockleken av ett hårstrå. Det är helt fantastiskt att vi kan se atomernas rörelse i ett protein på den här tidsskalan, säger Richard Neutze.

En liknande process äger rum i det mänskliga ögats näthinna (retina). Där skiftar en retinalmolekyl form under påverkan från ljus, vilket sätter igång en kedjereaktion som utgör själva synmekanismen.

– Forskningen visar att det är små, subtila och snabba förändringar som är avgörande för att grundläggande mekanismer ska fungera.

Röntgenfilm av biologisk fotosyntes

Samma metoder har också använts för att studera närbesläktade fenomen. I en studie publicerad i Nature 2020 har Neutze och hans kollegor för första gången lyckats filma de kortlivade proteinförändringar som sker under fotosyntesen.

–Tack vare filmen har vi fått nya insikter om hur evolutionen under miljarder år har optimerat elektronernas ljusdrivna rörelser inom fotosyntesen för att uppnå en nästan perfekt effektivitet.

Fler spännande filmer finns i pipeline, avslöjar han. Ett mål är också att förenkla metoderna så att de kan bli tillgängliga för fler forskare, bland annat inom medicinsk forskning och för utvecklingen av nya läkemedel.

För 20 år sedan var Neutze inte säker på att han skulle få uppleva forskningens genombrott, men det hårda arbetet har lönat sig.

– Det är tillfredsställande att ha fått vara med om den här forskningsresan och det är egentligen nu det riktigt spännande börjar, säger Richard Neutze.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström