Redan som ung doktorand på 1990-talet ville Xiaodong Zou avbilda strukturen på proteiner, livets minsta byggstenar. Men då var tekniken inte mogen och planerna fick läggas på hyllan.

– Min handledare sa att projektet var för svårt, men jag släppte aldrig tanken på det.

Under många år fokuserade hon på oorganiska material, särskilt porösa material, och arbetade tålmodigt med att utveckla metoder. Samtidigt utvecklades tekniken. Med hjälp av elektronmikroskopi kunde hon börja ta högupplösta tredimensionella bilder av material.

Fönstret öppnades till en ny värld på nanonivå där man kan se hur atomerna som bygger materialet ligger ordnade. Denna nya kunskap har lett fram till att man kan börja skräddarsy material med önskade egenskaper.

Parallellt levde drömmen vidare om att kunna avbilda organiska molekyler med samma detaljrikedom, bland annat för att förstå hur olika biologiska system fungerar och hur man kan utveckla effektivare läkemedel mot sjukdomar.

– Den metod som var möjlig att använda kallas röntgendiffraktion, men den har flera nackdelar, förklarar Zou.

För att kunna utföra analyserna med röntgendiffraktion måste forskarna omforma ämnet till relativt stora kristaller, vilket är ett problem när det handlar om komplexa material och biologiska molekyler, som kan innehålla tusentals atomer. Röntgendiffraktion kräver oftast tillgång till synkrotronanläggningar, vilket gör den dyr.

Fantastiska bilder

Men på senare år har teknikutvecklingen kommit ifatt visionen. Nu använder Xiaodong Zou elektrondiffrakton för att ta fram alltmer detaljerade och högupplösta bilder av kristaller. Tekniken är snabbare och tillgängligare, kan byggas ”in house” och kräver inte lika stora kristaller.

– Med elektrondiffraktion kan vi få fantastiska bilder av kristaller, mindre än en mikrometer. Som jämförelse behövs kristaller som är tiotals mikrometer med röntgendiffraktion. Anledningen är att elektronerna interagerar mycket starkare än röntgenstrålning med atomerna i kristallen, berättar Xiaodong Zou.

En stor del av forskningen handlar om metodutveckling. Zou har bland annat forskat om en metod som kallas MikroED och som används för att studera proteinmikrokristaller.

En fördel är att MikroED även kan ge information om atomernas laddning. Det skapar en helt ny förståelse för biokemiska processer, eftersom de proteiner som ingår i reaktionerna ofta antar olika laddningsstadier genom att deras atomer tar upp eller avger elektroner.

Kristallina svampar

Nu arbetar Xiaodong Zou också med en ny metod, kallad Multi-CS, som kan ge en skjuts till hela forskningsfältet. Genom att fånga in molekylerna i en porös kristallin matris, en ”kristallin svamp”, kan forskarna analysera ämnen som tidigare varit omöjliga att studera. Den ursprungliga metoden utvecklades av forskaren Makoto Fujita och hans grupp i Japan 2013.

– Det är en metod som gör det möjligt att undersöka ämnen som finns i extremt små mängder eller som är svåra att kristallisera, som oljiga och flyktiga ämnen, förklarar Zou.

Stödet från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse har varit avgörande för min karriär i Sverige. Wallenberg Scholar innebär att jag kan fokusera min forskning på viktiga och svåra frågeställningar inom elektronkristallografi.

Det kan till exempel vara nya läkemedelssubstanser, flyktiga doftämnen eller till och med spår av farliga ämnen.

Metoden har använts i kombination med röntgendiffraktion, men nu vill Zou utveckla metoden genom att integrera den med elektrondiffraktion. Zou vill bland annat ta fram en sorts screeningstrategi för att skapa ett bibliotek av kristallina svampar som lämpar sig för olika molekyler. Ny mjukvara och förbättrad dataanalys är också viktiga delar av forskningen.

– När man börjar samla in data från tusentals olika kristaller är det viktigt att man kan få en bättre kontroll av databehandlingen och att vi kan få snabba svar.

Multi-CS-metoden har en exceptionell känslighet och i framtiden är förhoppningen att det ska bli möjligt att analysera ämnen ända ner på pikogramnivå – en biljondels del av ett gram.

Intressant för rättsmedicin och tull

Än så länge handlar det om grundforskning, men det går att föreställa sig breda tillämpningar i framtiden. Det skulle kunna bli möjligt att identifiera tidigare okända ämnen, analysera metaboliter i kroppen eller spåra föroreningar i miljön med en precision som tidigare varit otänkbar. Rättsmedicin och tull är andra verksamheter där man har behov av att spåra ämnen, till exempel med analys av okända substanser från en brottsplats.

– Och kanske vore det möjligt att bygga en maskin som fångar in molekyler och kan användas på flygplatser, funderar Xiaodong Zou.

Egentligen är det bara fantasin som sätter gränser. Under tiden arbetar Zou vidare med hela paletten av metoder och vill optimera allt från mikroskopi och mjukvara till insamling och analys av data. Förhoppningen är att tekniken inom några år kan bli ett standardverktyg i många laboratorier.

– Vi märker ett stort intresse från forskare och företag och vill göra allt för att utbyta idéer, utbilda studenter och bygga upp det här området internationellt.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström