Cellerna i kroppen utför en mängd olika uppgifter, från att hålla igång hjärtslag till att hantera hjärnans komplexa funktioner. All denna aktivitet kräver energi, och den största delen av energin kommer från mitokondrierna.

I mitokondrierna omvandlas näring från maten och syre från luften till en energiform som cellerna kan använda.

Mitokondrierna har dessutom sitt eget DNA som innehåller instruktioner för att tillverka de proteiner som är nödvändiga för energiproduktionen. Dessa proteiner byggs upp av ribosomer – små proteinfabriker som sätter samman aminosyror enligt en bestämd ordning, ungefär som på ett löpande band.

Joanna Rorbach studerar hur proteintillverkningen i mitokondrierna går till i detalj. Hon är molekylärbiolog vid Karolinska Institutet och Wallenberg Scholar. Förut fokuserade forskare framför allt på cellens ”vanliga” proteintillverkning, berättar hon.

– Då låg fokus på den cytosoliska proteintillverkningen som sker utanför mitokondrierna, men den kunskapen räcker inte för att förstå den komplexa process som sker inuti mitokondrierna.

Samband till sjukdomar

För att förstå mitokondriernas proteinfabriker måste man göra nya undersökningar och experiment. Det mitokondriella DNA:t producerar bara tretton proteiner, ett ganska litet antal. Men för att de ska kunna tillverkas måste hundratals proteiner komma in i mitokondrien från utsidan vid rätt tidpunkter.

– Det är ett spännande och komplext område där vi förstår mer och mer. Ett mål är att kartlägga de grundläggande stegen i hur proteinerna byggs och deras relation till olika cellfunktioner och sjukdomar, säger Joanna Rorbach.

På senare år har det blivit tydligt att mitokondrierna har en stor påverkan på människans hälsa. Framför allt finns ett samband till de delar av kroppen som kräver mycket energi, som musklerna, hjärnan och immunförsvaret.

– När den här processen inte fungerar som den ska kan den kopplas till olika sjukdomar, som rubbningar i ämnesomsättningen och neurologiska sjukdomar, men även försämrat försvar mot patogener och cancer.

Banbrytande metoder

Tack vare avancerad teknik kan forskare i dag studera de små proteinfabrikerna på molekylär nivå. Med kryoelektronmikroskopi, Cryo-EM, kan man se exakt hur ribosomerna ser ut och rör sig under proteinsyntesen i detalj.

– Vi kan se exakt var och hur ett visst protein binder, säger Joanna Rorbach.

För att få en heltäckande bild av processen från början till slut studeras olika steg i proteinsyntesen. Undan för undan får forskarna mer kunskap om vilka molekyler som styr eller finjusterar processen.

Även om den exakta kliniska tillämpningen av en upptäckt inte alltid är uppenbar, så har historien visat att förståelsen av grundläggande cellmekanismer är avgörande för att utveckla nya läkemedel och behandlingar. Det gör vår forskning extra spännande.

Rorbach och hennes kollegor använder också andra metoder, bland annat avancerad proteomik och transkriptomik för att kartlägga vilka proteiner och gener som är involverade i processen.

Tillgången till den nya avbildningstekniken Cryo-EM var ett skäl till att Joanna Rorbach slog sig ner som forskare i Sverige efter att tidigare ha arbetat i England.

På KI finns sedan 2018 Biomedicum, en laboratoriebyggnad för medicinsk forskning som är ett av Europas största laboratorier. Strax intill ligger också SciLifeLab, en nationell infrastruktur som är ett samarbete mellan flera lärosäten, däribland KI.

– Miljön här som kombinerar forskning och klinisk medicin är av högsta klass och det är förstås stimulerande, säger hon.

Klinisk betydelse

I grunden handlar forskningen om en strävan att förstå mer om kroppens funktioner. Men runt hörnet väntar även kliniska tillämpningar.

Genom att ta reda på varför det ibland sker misstag när nya proteiner byggs kan forskare få insikt i hur cellskador uppstår, vilket gör det möjligt att förklara varför vissa människor drabbas av allvarliga, sällsynta mitokondriella sjukdomar.

– Vi har ett nära samarbete med enheten för mitokondriella sjukdomar vid Karolinska Universitetssjukhuset, och vi kan koppla våra forskningsresultat direkt till patienter, säger Joanna Rorbach.

Men forskningen belyser inte bara orsaker, utan kan också leda fram till nya behandlingsstrategier. Till exempel kan man börja förstå varför patienter med mitokondriella brister är extra känsliga för vissa mediciner.

Vidare visar forskningen att mitokondriernas ömtåliga system har andra kopplingar till människans hälsa. En forskningsvinkel handlar om hur vissa antibiotika kan hämma den mitokondriella proteinsyntesen, vilket kan ge upphov till biverkningar. Det är också känt att proteintillverkningen i mitokondrierna är förhöjd vid vissa typer av cancer.

– Vi studerar nu hur vi kan modulera de här mekanismerna, säger Joanna Rorbach. Det handlar bland annat om att hitta strategier för att skräddarsy behandlingar med minimal påverkan som skyddar mitokondrierna. Alternativt kan vi använda vår kunskap för att hämma särskilt skadliga celler, till exempel aggressiva tumörceller, där mitokondriernas funktion skulle kunna dämpas.

Mitokondriernas små proteinfabriker kan alltså visa sig vara en nyckel till att både förstå och behandla en rad allvarliga sjukdomar.

Text  Nils Johan Tjärnlund
Bild  Magnus Bergström