Ögon på atomnivå

Alexey Amunts, nu forskare vid SciLifeLab i Solna, hade tur. Han hade försökt att undersöka den molekylära strukturen av ribosomer i mitokondrier och chloroplaster i åratal när en ny möjlighet öppnade sig: visualisering med hjälp av kryoelektronmikroskopi.
– Jag gjorde min postdoc i Cambridge och det var bland annat där tekniken utvecklades. Helt plötsligt kunde jag se strukturen och det blev början på den forskning jag bedriver idag, berättar han.

Ljus på fundamentala processer

Mitokondrier beskrivs enklast som cellens kraftverk där cellens energin utvinns från näringsämnen. Kloroplaster har en liknande funktion i växter, fast energin kommer från solljus. Både mitokondrier och kloroplaster har eget DNA och egna ribosomer som behövs för att översätta DNA till protein. Ribosomen är en komplex struktur och hur exakt den ser ut i mitokondrier och kloroplaster har länge varit okänt. 
– Ribosomen tillverkar livsviktiga proteiner i mitokondrier och kloroplaster som behövs för tillverkning av energi. Därför vill vi veta mer om just den processen, förklarar Alexey Amunts. 

För att kunna göra det undersöker han och hans medarbetare den molekylära strukturen av ribosomen. Den första visualiseringen med hjälp av kryoelektronmikroskopi bjöd på en del överraskningar. 
– Det visade sig att ribosomer i mitokondrier är ganska olika de ribosomer som finns i resten av cellen. Det kastar ljus på fundamentala biologiska processer som i sin tur är intressanta ur olika perspektiv, berättar Alexey Amunts. 

Vägvisare för nya läkemedel

Upptäckterna är viktiga på flera sätt. Dels ur det ett evolutionärt perspektiv, forskarna kan lära sig mer om hur proteinsyntesen har utvecklats. Men det finns också medicinska tillämpningar, exempelvis är cancerceller kända för sitt stora behov av energi. Om man kan stoppa energitillverkningen hos mitokondrierna i dessa celler kan man potentiellt också stoppa deras tillväxt. Alexey Amunts och hans kollegor har hittat en sådan molekyl.
– Det vi får fram är koordinater, som på en karta men på atomnivå. Den visar vägen hur vi kan designa läkemedel som angriper en specifik molekylär struktur i ribosomen. Utan kryoelektronmikroskopi hade vi inte kunnat se dessa detaljer, förklarar han.

Bearbeta det man ser

Själva experimenten har inte förändrat sig så mycket. Forskarna bestämmer vad de vill undersöka, utför det laborativa arbetet och visualiserar sedan med hjälp av kryoelektronmikroskopet.

Utmaningen börjar egentligen när resultaten ska bearbetas och tusentals bilder av molekyler ska bli till en molekylär struktur.
– Datorn räknar ut ett genomsnitt. Vi kan sedan tala om för datorn att filtrera bort vissa bilder för att kunna se dynamiken av strukturen, hur till exempel ribosomen förändrar sig under protein-syntesen eller när en substans binder. Det är väldigt spännande och gör att vi kan följa biologiska processer på ett helt nytt sätt.

Bearbetningen av bilder och data ställer vissa krav på själva datorn och på den som programmerar. Alexey Amunts påpekar att Erik Lindahl, bioinformatiker vid SciLifeLab, har gjort ett betydelsefullt bidrag.
– Han skrev bland annat om koden och började använda ett grafikkort som är vanligt inom datorspel. Det gjorde analyserna 100 gånger snabbare.

Tidig satsning

I Sverige finns två kryoelektronmikroskop, ett vid SciLife Lab i Solna och ett i Umeå. Mikroskopet liknar ett stort svart torn och står på en specialbyggd platta som inte störs av vibrationer i området.

Alexey Amunts betonar vikten av att ha tillgång till möjligheten att använda kryoelektronmikroskopi.
– Sverige var tidigt ute, forskaren Gunnar von Heijne vid Stockholms universitet lyckades få stöd från finansiärer som Wallenberg, Erling Persson och Kempestiftelserna. Det var verkligen en otrolig förutseende satsning som inte bara betyder tillgång till själva metoden men också att Sverige lyckades dra till sig forskare från hela världen.

Nya upptäcktsresor

Egentligen handlar det om en revolution, menar Alexey Amunts. Tekniken har blivit mer tillgänglig, snabbare och billigare. Det är spännande tider.
–Vad man än väljer att studera så kommer man att se någonting som ingen annan har sett förut. Det är nästan en guldålder för den typen av forskningen, vi beträder outforskad mark och kommer att göra spännande upptäckter. 

Fakta: Kall mikroskopi får nobelt pris

Jacques Dubochet, Joachim Frank och Richard Henderson belönas med Nobelpriset i kemi 2017 ”för utveckling av kryoelektronmikroskopi för högupplösande strukturbestämning av biomolekyler i lösning”.
För att förbereda prover för kryoelektronmikroskopi använder man sig av vitrifiering, dvs snabb nedkylning. Det innebär att man kan undersöka levande material.
Proverna utsätts sedan för elektronstrålar i mikroskopet vilket leder till bilder av slumpmässigt orienterade proteiner. Datorn delar in likartade bilder i samma grupp och tar sedan fram tvådimensionella och tredimensionella bilder.

fakta: Långsiktigt stöd leder till upptäckter och Nobelpris

Utvecklingen av kryoelektronmikroskopet är ett klassiskt exempel för vikten av långsiktigt stöd till forskningen.
– De forskare som nu belönas med Nobelpriset gick emot strömmen när de började med detta. De fick inget stöd innan det blev en mer vanlig metod, påpekar Alexey Amunts.

För att kunna göra banbrytande upptäckter och utveckla metoder och verktyg som revolutionera forskningen måste forskare kunna vistas i en bra miljö där de kan verka utan krav på omedelbar produktion. Alexey Amunts kommer ihåg sin egen tid som postdoktor.
– Jag var i Cambridge, i en miljö där många smarta människor jobbar tillsammans. De första tre åren misslyckades jag med att få fram strukturen på ribosomen men jag fick ändå stöd att fortsätta i tre år till. Det arbetet ledde sedan till hel ny kunskap. Det är viktigt att skapa akademiska miljöer där forskare får friheten att utveckla sina idéer.

Han försöker själv skapa en miljö där hans medarbetare får tillgång till avancerad utrustning, finansiering, samarbeten och långsiktigt stöd. Det gör det möjligt att ta sig an stora problem och att fortsätta hellre än att ge upp när man stöter på vetenskapliga problem, menar han.
– Det är det som är nyckeln till bra vetenskap och är också en viktig faktor i doktorandernas och postdoktorernas utveckling. De måste lära sig att kunna ta svåra beslut och utveckla uthållighet som de kommer att behöva för att tackla ännu fler utmaningar när de själva blir ledare för en forskargrupp.

Text: Natalie von der Lehr