Stockholms universitet logo, länk till startsida

Hett intresse för iskalla mikroskop

Vid SciLifeLab finns tre instrument som är bland det hetaste inom biologi just nu – kryoelektronmikroskop. För tre år sedan fick tekniken Nobelpris, och kunskapen om cellernas minsta beståndsdelar ökar raskt.

Marta Carroni, forskningsingenjör vid SciLifeLab förbereder prover för kryoelektronmikroskopet. Foto: Niklas Björling
Marta Carroni, forskningsingenjör vid SciLifeLab förbereder prover för kryoelektronmikroskopet. Foto: Niklas Björling

Det ryker om flytande kväve när Marta Carroni förbereder ett prov för kryoelektronmikroskopet. Flytande kväve håller provet kallt, men själva nedfrysningen sker genom att doppa det i flytande etan. På ett ögonblick fryser provet. Det går så snabbt att vattnet inte hinner ordna sig i iskristaller och istället blir som glas, lätt att se igenom.  

”En cool metod för att avbilda livets molekyler”, sa Göran K. Hansson vid KVA, när han presenterade 2017 års Nobelpris i kemi.

Elektronmikroskop har funnits i nästan 100 år, men biomolekyler har varit svåra att studera. Problemet är att de normalt finns i vatten. Elektronerna i ett elektronmikroskop färdas i vakuum, och i vakuum försvinner vattnet. Torkningen förändrar molekylerna, och när de sedan träffas av elektroner förstörs de. Den nya tekniken bevarar vattnet och den snabba nedfrysningen hindrar störande iskristaller. I kombination med bättre elektrondetektorer och utveckling av mjukvara för analys blir det möjligt att studera livets minsta beståndsdelar ner till atomnivå. Hur molekylerna ser ut är grunden för hur de fungerar, och hur de fungerar är grunden till förståelse av liv, celler och sjukdomar.

– Om du vet hur en molekyl ser ut så kan du förstå vad den gör. Den här tekniken är oerhört kraftfull, Nobelpriset var väntat och välförtjänt. Vi har redan sett så många häftiga resultat, säger Marta Carroni, facilitetsansvarig för kryoelektronmikroskopen vid SciLifeLab. 

Ett av tre kryoelektronmikroskop vid SciLifeLab. Marta Carroni är chef för kryoelektronmikroskopin. Foto: Niklas Björling
Ett av tre kryoelektronmikroskop vid SciLifeLab. Marta Carroni är chef för kryoelektronmikroskopin. Foto: Niklas Björling

Marta Carroni tar hand om mikroskopen och organiserar schemat. Kryoelektronmikroskopen är en nationell resurs, de används dygnet runt och är fullbokade. Hälften av tiden går till nationella projekt som får ansöka om tid och prioriteras av en vetenskaplig kommitté. Den andra hälften är reserverad för forskare vid Institutionen för biokemi och biofysik (DBB) på Stockholms universitet, som äger mikroskopen. 

Snabbade upp processen hundra gånger

När data har samlats in återstår en stor del av jobbet, matematisk modellering för att få fram en tredimensionell bild av molekylen. Förr kunde beräkningarna ta månader. Erik Lindahl, professor vid DBB, och hans doktorander snabbade upp processen upp till hundra gånger genom att göra beräkningarna på grafikkort. Numera använder alla världens forskargrupper Stockholms universitets sätt att göra beräkningar. 

Gunnar von Heijne. Institutionen för biokemi och biofysik. Foto: Eva Dalin
Gunnar von Heijne. Institutionen för biokemi och biofysik. Foto: Eva Dalin

Den nedslagna stämningen förbyttes till eufori

Idén att köpa in kryoelektronmikroskop fick Gunnar von Heijne av en slump. Han är professor vid DBB och numera föreståndare för kryoelekronmikroskopin vid SciLifeLab. Han forskar på membranproteiner, som var svåra att få fram strukturer för. På ett möte i Japan 2013 pratades om en äldre mikroskopi-teknik som aldrig riktigt höll vad den hade lovat och deltagarna var modfällda. Men så, vid den sista presentationen, visades kryoelektronmikroskopin.

– Den nedslagna stämningen förbyttes till eufori. Vi förstod att det var framtiden, säger Gunnar von Heijne. 

Ett halvår senare kom den riktiga inspirationen att göra slag i saken, trots att Gunnar von Heijne inte själv är mikroskopist. Under ett gästforskarbesök i New York såg han hur en nobelprisbelönad strukturbiolog försökte övertyga sin rektor om att köpa in ett kryoelektronmikroskop. Väl hemma på SciLifeLab skickade Gunnar von Heijne in en ansökan till Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Sedan gick det fort. Ansökan blev beviljad, Familjen Erling-Perssons Stiftelse gick in som medfinansiär, fakulteten rekryterade snabbt personal och leverantören upphandlades.

På nyårsafton 2015 rullade två enorma långtradare in till SciLifeLab, lastade med två kryoelektronmikroskop till ett sammanlagt värde av 60 miljoner kronor. Och i juni 2020 rullade ytterligare ett mikroskop in på SciLifeLab, återigen inköpt med pengar från Wallenbergstiftelsen. Driften finansieras dels av samma finansiärer som stod för inköpet och dels av användaravgifter. För personalkostnader står SciLifeLab och Stockholms universitet.

Öppnat fönster mot det vi inte kunde studera

– Mikroskopen har redan gett jättemycket. Sen de första mikroskopen togs i drift hösten 2015 har runt 60 artiklar som bygger data från faciliteten publicerats i fina vetenskapliga tidskrifter, och många fler är på gång. Det har öppnat nya fönster mot delar av biomolekylvärlden som inte gått studera förut. Bland artiklarna märks till exempel studier av ribosomen, den maskin i cellen som tillverkar alla dess proteiner, samt studier av viruspartiklar och sjukdomsframkallande proteinaggregat. Och antalet användare ökar hela tiden, säger Gunnar von Heijne.  

Artikeln publicerades först i Universitetsnytt december 2017, och uppdaterades september 2020