7 min

Molekyldesign med DNA-origami

Med vikta DNA-strukturer på nanonivå, så kallad DNA-origami, skapar Björn Högberg verktyg för att förstå hur celler kommunicerar. Tekniken kan i framtiden bli ett viktigt bidrag till utvecklingen av ”nanorobotar” för att behandla cancer och andra sjukdomar mer effektivt.

Björn Högberg

Docent i nanomedicin

Wallenberg Academy Fellow 2014

Lärosäte:
Karolinska Institutet

Forskningsområde:
Utvecklar ny DNA-teknologi, så kallad DNA-origami, som bygger strukturer av molekyler på nanometernivå för användning som forskningsverktyg.

Björn Högberg håller upp en avlång liten plastbit. Den påminner om nudlar, som de ser ut innan de tillagas. Men det här är inga nudlar utan en rejäl uppförstoring av en vikt DNA-sträng som hans forskargrupp har tillverkat.

– Strukturen är uppbyggd av en lång DNA-molekyl som är 7-8 000 kvävebaser lång, och cirka 200 korta DNA-strängar, så kallade oligonukleotider.

De senaste åren har hans forskargrupp blivit mycket skicklig på att bygga och manipulera olika strukturer av DNA på nanometernivå.

– Vi vet att kvävebasen T alltid fastnar med kvävebasen A och att C alltid fastnar med G i en DNA-molekyl. Så vi kan sitta vid datorn och rita de strukturer vi vill bygga i nanometerskala och sedan beställa de delar av DNA som vi räknar ut att vi behöver. Sedan blandar vi det i ett provrör, värmer upp, kyler ner, och får de här vikta strukturerna. Det är roligt att göra och det fungerar väldigt bra.

Verktyg till medicinforskning

DNA-origami, som den här metoden kallas, har utvecklats snabbt de senaste tio åren.

– Det jag har försökt göra sedan jag kom hit till Karolinska Institutet 2010 är att försöka använda de här små vikta strukturerna för att göra verktyg som i sin tur kan användas inom biomedicinsk forskning.

Tekniken de utvecklar är unik i världen. Björn Högbergs förhoppning är att den ska kunna användas för att studera molekylära fenomen och öka förståelsen för olika sjukdomar, till exempel cancer. Grunden för detta planerar han att bygga i projektet han leder som Wallenberg Academy Fellow. Längre fram hoppas han kunna designa ”nanorobotar”, där man byggt in funktioner i strukturerna så att de själva kan ta beslut och till exempel leverera medicin till rätt celler.

– Mycket av naturens biologiska processer utförs av små molekyler eller proteiner. De är egentligen små nanomaskiner, och för att bättre förstå hur det här fungerar så måste vi bli bättre på att kunna tillverka den här typen av nanomaskiner själva.

Från fysik till biologi

Att han skulle forska inom biologi var inget Björn Högberg planerat när han läste fysik i Uppsala och sedan började sina doktorandstudier på Chalmers inom fasta tillståndets fysik. Men när handledaren hastigt avled och hustrun fick jobb i Sundsvall ändrades planerna och han fortsatte att doktorera hos professor Håkan Olin som precis hade blivit rekryterad till Mittuniversitetet från Chalmers.

– Där kom vi in på DNA via nanoteknologi. Vi blev intresserade av självbyggande system och upptäckte det här nya forskningsfältet.

Björn Högberg tillbringade nära tre år vid Harvard Medical School som postdok och nu är hans forskning helt inriktad på biologiska tillämpningar och nanomedicin.

”Det här anslaget betyder oerhört mycket. Jag får en möjlighet att rekrytera väldigt duktiga postdoks för att kunna ta den här teknologin till nästa nivå. Det öppnar också upp nya dörrar som kan leda till att fler tror på våra idéer och vågar satsa på oss.”

Blindskrift på nanonivå

På Karolinska Institutet har Björn Högberg nyligen rekryterats till en ny enhet för biomaterial och regenerativ medicin, och han har fullt upp med att flytta forskargruppen till nya labb tvärs över gatan.

I samma hus finns Ana Teixeiras forskargrupp med fokus på cellbiologi som han har nära samarbete med. Tillsammans försöker de förstå hur celler kommunicerar med varandra, berättar Björn Högberg och visar en annan liten plastfigur, en pinne med några utstickande piggar på.

– Man har länge vetat att celler reagerar på mönster av proteiner hos intilliggande celler. Det kan jämföras med en blindskrift där en cell känner av ytan på intilliggande celler för att förstå sin omgivning. Eftersom de här mönstren av proteiner är så små har de varit svåra att simulera med tidigare metoder.

Med hjälp av DNA-origami kopplar forskarna på ligander på DNA-molekylens oligonukleotider. Ligander är proteiner som signalerar mellan celler. Strukturerna används sedan för att stimulera celler med olika avstånd mellan ligander.

– Vi kommer att kunna göra sådana här artificiella mönster på nanometernivå och verkligen studera i detalj hur olika proteinmönster påverkar cellers, till exempel cancercellers, signalering.

Samarbete sker också med en forskargrupp inom datavetenskap vid Aalto-universitetet i Finland för att utveckla algoritmer för att kunna tillverka ännu bättre DNA-strukturer.

Fluorescerande streckkod

I en annan del av projektet tänker Björn Högbergs forskargrupp fästa fluoroforer, optisk aktiva molekyler, på DNA-strängarna och på så vis skapa en slags streckkod eller nanoreflexer.

– Det ska vi använda för att märka in, och hålla reda på, celler i olika typer av DNA-sekvenseringsexperiment.

Den här typen av DNA-nanoteknik är ganska ovanlig jämfört med vad forskare idag är vana vid att använda i biologisk forskning, avslutar Björn Högberg.

– Förutom de rent tekniska svårigheterna i projektet är det också en utmaning att hitta samarbetspartner som är villiga att lägga ned tid på att testa ut dessa obeprövade och lite konstiga metoder. I vårt fall har vi haft väldig tur med det.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström