Sedan i mitten av 1950-talet har kunskapen funnits om DNA-spiralens uppbyggnad. Men hur basparen A, C, T och G binder till varandra visas för det mesta i en förenklad form där spiralen är utsträckt och lätt åtkomlig. I verkligheten ligger vårt DNA hårt inbäddat i kromosomerna för att kunna rymmas i cellen.

Wallenberg Scholar Johan Elf ska ta fram nya metoder för att undersöka kromosomernas struktur under cellernas livscykel.

– Vi har en gedigen kunskap om både genreglering men samtidigt så vet vi mycket lite om hur denna process påverkas av kromosomens tredimensionella struktur och rörelser, säger Johan Elf.

– Nu är vårt mål att skapa en dynamisk bild över hur kromosomen veckas under cellcykeln för att kunna öka förståelsen av hur det påverkar genfunktionerna.

Teknikutveckling i fokus

För att öka kunskapen tar Johan Elfs forskargrupp hjälp av en av de mest populära och använda bakterierna i forskningen: E. coli-bakterien. Bland fördelarna med bakterien finns att den växer snabbt i laboratoriemiljö och har en väldokumenterad genetik. Dessutom har den endast en kromosom vilket gör den till ett bra studieobjekt.

Varje gång en cell delar sig så kopieras också hela cellens DNA-molekyl så att de nybildade cellerna kan få en komplett uppsättning genetiskt material. Samtidigt som kopieringen pågår så används också arvsmassan som ritning för att producera proteiner i cellen. Sammantaget betyder det en oavbruten och febril verksamhet runt cellens kromosomer.

– Hittills har det inte funnits några bra verktyg för att studera kromosomernas struktur och dynamik i levande celler. Därför utvecklar vi nu helt nya metoder för att lyckas. När vi har nått fram till något som fungerar väl så kan vi kartlägga påverkan på genfunktionerna, säger Johan Elf.

Huvuddelen av forskningsarbetet ägnas åt att utveckla experimentella tekniker. Utmaningarna är många och därför rymmer forskningsgruppen en mycket bred skara kompetenser. Fysiker, ingenjörer, datavetare, molekylärbiologer, matematiker och mikrobiologer arbetar tillsammans för att utveckla nya metoder.

Tack vare vidareutvecklingen av fluorescensmikroskopi har Johan Elf gjort flera uppmärksammade upptäckter. Bland dem hur de molekylerna som reglerar genernas funktion hittar rätt bland miljontals alternativa baspar så snabbt.

Ser kromosomernas rörelse

Nu utvecklas metoderna för att kartlägga kromosomens struktur. Först odlas bakterierna fram i särskilda mikroflödeschip. Bakterierna har små markörer på olika ställen i sina kromosomer. Markörerna kan sedan följas med de avancerade optiska mikroskopen i en upplösning på nanometerskalan och under tidsperioder från millisekunder till timmar.

Genom att addera markörer i flera olika färger och mäta avstånden mellan dem går det att få en detaljerad bild av hur kromosomerna rör sig under cellernas livscykel.

Mätningarna görs i enskilda celler vilket även gör det möjligt att kartlägga den biologiska variationen mellan dem. Från mikroskopen samlas sedan mätningarna in som bilder och filmer för att jämföras med varandra.

– Bland annat vill vi förstå hur strukturens sätt styr vilka gener som slås på eller av vid olika tillfällen.

Osäkerhet är inte vår fiende – den är en egenskap hos både förväntningar och mätningar, redo att kvantifieras och förstås.

Mikroskopibilderna analyseras med hjälp av en kombination av nya AI-metoder för att se rörelserna i tre dimensioner.

– Det är en styrka att vi har all den kompetens som krävs på plats i gruppen, allt från att bygga mikroskopen till att utveckla bildanalysen.

Oväntade tillämpningar

Teknikutveckling som krävs för grundforskningen kan ibland få oväntade tillämpningar. Utvecklingen inom mikroflödes- och bildanalys har lagt grunden till ett företag som utvecklar antibiotikatester. Testet kan avgöra vilken antibiotika som fungerar bäst vid en viss infektion och det på rekordkort tid.

– När vi har möjligheten att gräva ned oss i de frågeställningar som är mest biologiskt intressanta så kan det mycket väl ge nytta inom andra området. I fallet med antibiotikaresistensen så ledde det till att vi själva bildade bolag.

Företaget säljer nu ett antibiotikatest för användning vid urinvägsinfektion som sänker svarstiden från tidigare två dagar till en halvtimme. Nu ska tekniken utvecklas ytterligare ett steg för att användas vid tuberkulos. Många stammar av tuberkulosbakterien är resistenta mot antibiotika och ofta krävs en kombination av flera antibiotika.

För att lyckas utveckla det nya testet byggs nu en del av Johan Elfs labb om för att hålla en högre säkerhetsklass.

– I dag tar det ungefär två veckor för att hitta rätt antibiotika vid tuberkulos. Vi hoppas korta ned den tiden till ungefär tolv timmar med vår teknik.

För Johan Elf kändes valet att satsa på en forskarbana som helt naturligt. I grund och botten är det själva problemlösningen som han drivs av och vid universitetet var det lätt att finna nya problem att ta sig an.

– Att utreda hur en biologisk mekanism fungerar är en sorts problemlösning. En annan är att utveckla en mätmetod för att svara på specifika frågor. Inom naturvetenskapen finns det många vägar framåt och inom grundforskningen har vi friheten att använda hela verktygslådan.

Text Magnus Trogen Pahlén
Foto Magnus Bergström