En biologisk varelse, vare sig det är en människa eller en bakterie, är enormt komplex. För att leva och kunna upprätthålla alla sina funktioner behöver den energi. I växtceller fångas solenergi upp av kloroplaster och omvandlas via fotosyntesen till kemisk energi. I människors celler utvinns energi från födan via cellandningen i mitokondrierna, cellernas kraftverk.

Ville Kaila, professor i biokemi vid Stockholms universitet, undersöker på atomnivå hur maskineriet i naturens celler fångar in och omvandlar energi.

– Vårt fokus är att förstå hur proteiner som katalyserar kemiska reaktioner, enzymer, fungerar. Vi vill också försöka bygga artificiella enzymer med samma funktion. I forskningen kombinerar vi verktyg från kemi, fysik och biologi. Vi använder också beräkningsvetenskap och datorsimuleringar, tillsammans med biokemiska experiment. Synergin mellan olika discipliner och metoder är jättespännande och viktig i vårt arbete.

Det handlar om grundforskning, men arbetet Ville Kailas forskargrupp gör i labbet kan också leda till tillämpningar inom kemi och biomedicin, förklarar han.

– Vi vill förstå biokemiska grundprinciper i biologiskt liv. Men det här är ju energifångande molekyler så förståelsen kan också bidra till utveckling av till exempel hållbar energiteknik. Och kan vi lära oss mer om hur katalysen sker i naturen så har det också betydelse för att förstå hur vissa sjukdomar uppstår och kan botas. Det finns många sjukdomar där energimetabolismen i våra celler går fel.

I cellernas membran

När Ville Kaila 2019 blev erbjuden professorstjänsten vid Stockholms universitet arbetade han vid Münchens tekniska universitet i Tyskland. Tack vare anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse kunde hela hans forskargrupp flytta med till Sverige. Han kommer ursprungligen från Finland, där han utbildade sig och disputerade inom biokemi.

”Det är en fin kvalitetsstämpel och en ära att vara en Wallenberg Academy Fellow. Vi har stora drömmar och vissa saker hade inte varit möjligt att göra utan den här sortens forskningsbidrag.”

– Jag är finlandssvensk så det kändes lite som att återvända hem. Utan det här anslaget hade det inte varit möjligt att flytta med all den kunskap som vi utvecklat i München och jobba vidare med det här.

Enzymerna Ville Kaila studerar är bundna i cellernas membran. Där katalyserar de transporten av elektroner och protoner. Vad som sker, förklarar han, är att elektroner som kommer från maten vi äter går genom de här proteinerna och skapar en spänning över cellmembranet, som ett batteri. Spänningen kan användas till att driva olika processer i cellerna, som celltillväxt och metabolism.

– Att förstå hur dessa elementarpartiklar rör sig i biologiska system är otroligt viktigt för att förstå cellens funktion.

Spännande enzym

Forskargruppen gjorde, i ett internationellt samarbete, nyligen en intressant uppräckt. Den handlar om ett enzym kallat komplex I, som finns i olika organismer med olika funktioner. Man vet sedan tidigare att komplex I inleder cellandningsprocessen i mitokondrierna. Här visade det sig finnas även i ett fotosyntetiskt cellmaskineri med rötter flera miljarder år tillbaka i tiden.

– Ett mycket spännande protein. I början av 2020 hittade vi atomstrukturen för en variant av komplex I fotosyntesen hos cyanobakterier. De använder enzymet för att koncentrera koldioxid från atmosfären, för att sedan kunna skapa biomassa, säger Ville Kaila.

Kunskapen om komplex I ger nya ledtrådar till hur fotosyntesen, som är avgörande för livet på jorden, fungerar på atomnivå. Forskargruppens studier av den mitokondriella varianterna av enzymet kan bidra till förståelse av sjukdomar, där skador i komplex I kan vara orsaken.

Bygga egna enzymer

Hur atomerna sitter i proteinmolekylerna undersöks med hjälp av en Nobelprisbelönad teknik, kryoelektronmikroskopi, där biomolekyler studeras vid temperaturer under −100 °C.

– Det här är ett första steg till att förstå mekanismerna i naturen. Vår utmaning är att förstå hur atomstrukturen ger upphov till enzymernas katalysfunktion på en kemisk nivå. För det behövs en tidsupplöst bild på proteinerna och den kemiska processen.

Inte det lättaste med tanke på hur små molekylerna är. Ville Kaila använder sig av klassisk fysik och kvantmekaniska principer för att förutsäga hur de fungerar.

– Genom stora beräkningsmodeller och superdatorer så försöker vi beräkna oss fram till en tidsupplöst bild. Vi testar sedan förutsägelserna experimentellt i vårt biokemilabb. På så sätt kan vi se hur deras atomstruktur och biologiska aktivitet hänger ihop.

Med hjälp av de tvärvetenskapliga metoderna studeras flera enzymer som deltar i den biologiska energiomvandlingen.

­– Målet de kommande åren är att få fram några allmänna funktionsprinciper. Det skulle också vara fantastiskt om vi lyckas bygga enzymer som åtminstone i viss mån liknar de naturliga. Det har tagit miljarder av år att utveckla de här systemen så det är förstås en stor utmaning. Men jag tycker vi har alla förutsättningar att få det att fungera, säger Ville Kaila.

Text Susanne Rosén
Bild Grant Kemp, Hyunho Kim, Ana Gamiz-Hernandez, Marcus Marcetic