I våra celler finns en organell som ofta liknas vid cellernas eget kraftverk: mitokondrien. Den har förmågan att fånga upp och omvandla energin från molekyler vi äter till elektrisk energi. Omvandlingen sker med hjälp av stora proteinkomplex som tar upp och leder energin som krävs för cellernas tillväxt och ämnesomsättning.

– Vi försöker utreda energiomvandlingen på en molekylär nivå. Hur är atomerna ordnade i dessa proteiner och hur förändrar de sin struktur för att fungera? Målet är att kartlägga hela processen steg för steg för att se hur proteinerna är beroende av varandras funktion, säger Ville Kaila, professor i biokemi vid Stockholms universitet.

Han har ägnat i stort sett hela sin forskarkarriär för att förstå energiomvandlingen som sker i mitokondrien.

– Nu har vi uppnått en viktig förståelse av de centrala mekanismerna i maskineriet. Mycket tack vare de senaste årens tekniska framsteg, till exempel de inom kryoelektronmikroskopi. Även om detta är grundforskning så ser vi också spännande biomedicinska tillämpningar framför oss, säger han.

Modellerar med proteiner

Tekniken kryoelektronmikroskopi gör det möjligt att avbilda molekylers tredimensionella strukturer. Dessa kan sedan användas för att skapa modeller som visar vilka positioner atomerna har i molekylerna. Strukturerna för de energiomvandlande proteinerna har visat sig vara oerhört komplicerade vilket också avspeglas i proteinernas funktion.

– Vi har lyckats plocka isär vissa av proteinerna och med hjälp av kryotekniken kan vi bättre förstå deras funktion. Genom att sedan modifiera de olika bitarna på basen av avancerade beräkningsmodeller och undersöka dem bygger vi upp vår förståelse.

Proteinerna sitter inbäddade i mitokondriens inre membran och bildar en komplex cellandningskedja med flera olika delar. Kedjan bildar i sig en mycket effektiv elektrisk krets med ett flöde av elektroner och protoner. Själva membranet får funktionen av ett slags elektriskt batteri.

– Trots att vi studerar biologiska material så liknar mitt angreppssätt mer en fysikers än en medicinsk forskare. När vi studerar energiflödet söker vi efter delar med liknande funktioner som inom elektroniken. Vi hittar biologiska transistorer, isolatorer och dioder, säger han.

Till exempel har vattenmolekyler visat sig vara en viktig komponent i den biologiska kretsen där vattenfyllda kanaler kontrollerar transporten av laddningarna.

Som barn brukade jag alltid skruva isär mina leksaker för att se hur de såg ut och fungerande. På samma sätt försöker vi förstå energiomvandlingen i naturen.

Spårar livets uppkomst

För att flytta laddningarna genom kedjan utnyttjar proteinerna kvantmekaniska fenomen. I princip handlar det om de kvantmekaniska tunneleffekter som uppmärksammades i samband med Nobelpriset i fysik 2025.

– Kopplingen till kvantmekaniken är väldigt spännande. Dessutom använder naturen samma grundprinciper för att dra nytta av ljusets energi genom att utnyttja olika funktioner hos proteinernas byggklossar. Det väcker grundläggande frågeställningar där svaren kan berätta mer om livets uppkomst, säger Ville Kaila.

Ett spår i forskningen är att förstå naturens fotosyntetiska processer. Där utnyttjas en växelverkan mellan ljus och materia som leder till en liknande energiomvandling som i mitokondrien. Men där kan slutprodukterna bli helt andra än i den mänskliga cellen, som syre i cyanobakterier eller vätgas i andra bakterier.

– När vi förstår grundprinciperna bakom energiomvandlingen så kan vi använda dem för att skapa helt nya funktioner – även sådana som inte finns i naturen i dag. Det kan handla om nya tillämpningar inom biomedicin, hållbar energiteknik eller syntetisk biologi.

Bota genetiska sjukdomar

Inom biomedicinen kan framstegen leda till nya behandlingar för obotliga sjukdomar. Om något av proteinerna i andningskedjan drabbas av en mutation så kan det leda till svåra genetiska sjukdomar. För de mitokondriella sjukdomarna finns inget bot och mycket få behandlingsmöjligheter.

– Nyligen har vi inlett samarbeten med medicinska forskare. Att ta steget för att koppla samman de fysikaliska principerna med medicinska frågor är väldigt spännande.

Ville Kailas stora fascination för naturvetenskap föddes redan i gymnasiet genom insikten av att de olika ämnena biologi, fysik och kemi är sammankopplade. Men innan han valde att utbilda sig till biokemist studerade han klassisk violin vid den ansedda Sibelius-Akademin i Helsingfors. Han spelar fortfarande och ger även konserter tillsammans med andra musiker, ofta i vetenskapliga sammanhang. Och det finns tydliga likheter mellan det vetenskapliga arbetet som forskare och att skapa musik menar han.

– Själva arbetsprocessen är mycket liknande: en idé ger inspiration som sedan bygger upp drivkraften för att förverkliga arbetet. Dessutom är många fenomen inom vetenskapen både eleganta och vackra. De rymmer en egen slags estetik på samma sätt som i musiken, säger han.

Text Magnus Trogen Pahlén
Foto Magnus Bergström