24 min

Han söker svar på hur liv fungerar i minsta detalj

Johan Elf är en hängiven naturvetare som ser naturvetenskap som en enda, sammanhängande vetenskap. Hans grundforskning har även lett till en oväntad men efterlängtad tillämpning – ett snabbtest av antibiotikaresistenta bakterier.

Johan Elf

Professor i fysikalisk biologi

Wallenberg Academy Fellow/Wallenberg Scholar

Lärosäte:
Uppsala universitet

Forskningsområde:
undersöker hur biokemiska processer fungerar i levande celler

Men det är hur molekylerna hittar varandra i cellen som stått i fokus under hans Wallenberg Academy Fellow-anslag och det är något som han delvis även fortsätter att ägna sig åt som Wallenberg Scholar. En del av frågeställningen är det sökproblem som vissa proteiner, så kallade transkriptionsfaktorer, ställs inför när de ska hitta rätt bland 5 miljoner DNA-baspar för att slå på och av rätt gener. Det låter som ett omöjligt uppdrag, som att hitta nålen i höstacken, och ändå fungerar det nästan alltid. Men om inte rätt gener slås på eller stängs av kan funktioner slås ut och sjukdom uppstå.

– Vi har fortsatt att titta på detta mer i detalj, särskilt vad som sker kemiskt när proteinet läser av DNA.

Sommaren 2020 publicerade han tillsammans med sina kollegor en artikel i Nature som beskriver hur en transkriptionsfaktor roterar runt DNA-helixen när den letar efter rätt gen.

– Vi försöker nu generalisera från transkriptionsfaktorerna vad som är generiskt för att hitta rätt sekvenser i DNA:t, hur en molekyl avgör om den är på rätt plats eller om den ska gå vidare och hur lång tid det tar.

Forskargruppen har också undersökt sökproblemet för CRISPR-Cas9, det molekylära maskineri som också kallas för gensaxen, för att förstå hur CRISPR-Cas9 letar efter var den ska klyva DNA.

– Det är delvis en annan process. Cas9 är programmerbar med RNA för att kunna söka upp (nästan) vilken sekvens som helst. Samtidigt tar det mycket längre tid eftersom Cas9 istället för att glida på ytan av DNA:t måste separera DNA-strängarna för att jämföra basparen med RNA:t.

Reparation av dubbelsträngsbrott

Ett annat sökproblem som är i fokus handlar om dubbelsträngsbrott och hur de repareras i cellerna, så kallad homolog rekombination.

–  Cellen kan använda den andra kopian av kromosomen som mall för att laga brottet. Men här uppstår ett nytt, till synes omöjligt, sökproblem: hur hittar cellen DNA-kopian? Den måste ju släpa med sig de trasiga ändarna, snurra upp DNA-spiralen och jämföra med bassekvensen och dessutom göra det fort.

Johan Elf och hans grupp har nyligen kommit fram till hur det här går till genom studier av E. coli.

– Vi har precis skickat in ett manuskript. Det är en mycket effektiv process. Det som tar Cas9 sex timmar att göra, görs på åtta minuter av rekombinationsmaskineriet. Vi tror att det är giltigt för alla organismer eftersom proteinerna som är inblandade även finns i våra celler.

Resultaten kan bland annat leda till nya, mer rationella sätt att utföra genetiska förändringar och också ha betydelse för cancerbehandling eftersom cancer ofta är kopplat till DNA-skador.

För att kunna studera de här mycket snabba processerna utvecklar gruppen nya mätmetoder för att studera enstaka molekyler i levande celler. Metoderna anpassas efter de specifika frågorna, men innefattar nästan alltid en kombination av tekniker från olika vetenskapsområden.

I början gjorde gruppen mätningar på en bakteriestam i taget, men förra året lyckades de skala upp metoderna för att titta på hela bibliotek av bakteriestammar.

– Vi kan exempelvis följa DNA-replikationsprocessen i detalj i hundratals genetiskt olika bakteriestammar samtidigt. Det är kraftfullt men genererar extremt mycket data, cirka en terabyte bilddata per experiment som ska analyseras, vilket i sig har krävt utveckling av nya AI-metoder.

I ett nästa steg kommer metoderna också att användas för att bestämma strukturen på kromosomen i en levande cell.

”En styrka med Scholarsanslaget är att man kan välja att jobba med det som känns mest relevant och ändra agendan om man snubblar över något nytt.”

Snabbtest för antibiotika

Lite av en slump har angreppsättet också lett till att ett företag med över 40 anställda skapats.

– Det var inte meningen att metodutvecklingen skulle ha en praktisk tillämpning, det var helt oväntat. Vi jobbar normalt väldigt grundforskningsnära men baserat på den mikrofludik- och bildanalysutveckling vi gjort kunde vi även mycket snabbt ge svar på vilken antibiotika som fungerar bäst och om en infektion är resistent mot antibiotika eller inte.

Med traditionella metoder tar det upp till två dagar att få svar på den frågan, men med den nya kan tiden kortas avsevärt. Redan idag kan de testa för antibiotikaresistens i en urinvägsinfektion och få ett svar på 30 minuter.

Johan Elf är framför allt intresserad av de grundläggande processerna i cellen, särskilt när vetenskapens vedertagna modeller av dessa processer inte stämmer med hans observationer. Ett problem som han intresserat sig för i flera år, men där bitarna inte riktigt fallit på plats, handlar om DNA-kopiering i bakterieceller.

– Sedan 1960-talet finns det en etablerad modell för överlappande replikationscykler. Trots att vi gjort en massa mätningar har vi inte lyckats se dem, fast vi borde. Nu försöker vi förstå om våra verktyg är för trubbiga eller om vetenskapen har haft fel i 50 år.

Att Johan skulle bli forskare var han inställd på redan i gymnasiet på naturvetenskapliglinje i Motala.

– Jag tycker att det är spännande; jag får kickar av att inse någon ny möjlig förklaring även i de fall där det senare visade sig vara fel. Det är ett fantastiskt yrke, fritt och oerhört priviligierat, men det innebär samtidigt ett stort ansvar att göra viktiga grejer och så bra som möjligt - eller helst bättre.

Vid sidan av forskningen engagerar han sig också i forskningspolitiska frågor. Han sitter i styrelsen för Uppsala universitet och i Vetenskapsakademiens forskningspolitiska kommitté.

Text Carina Dahlberg
Bild Mikael Wallerstedt, Faktabruket

 

Mer om Johan Elfs forskning