– Om en cell liknas vid en stad kan man säga att det för tiotalet år sedan bara var möjligt att se husen, inte bilarna eller människorna. I dag kan vi däremot följa hur de enskilda människorna rör sig och vad de gör i staden. Det ger förstås helt nya möjligheter att förstå hur staden fungerar, säger Johan Elf, professor i fysikalisk biologi vid Uppsala universitet.

Cellens motsvarighet till stadens myller av människor är massor av proteinmolekyler som sköter alla dess funktioner, inklusive att se till att generna i dess dna slås på och av på ett välordnat sätt så att rätt mängder av alla de olika proteinerna fortlöpande kan produceras.

Johan Elfs forskargrupp har inriktat mycket av sin forskning på just den sorts proteiner, så kallade transkriptionsfaktorer, som fungerar som på- och avstängningsknappar av gener i cellens dna-spiral.

Artikelbild

| Färgrikt. Nej, det är inte ett tivoli från ovan utan de olika lasrarna som belyser cellerna i Johan Elfs mikroskop för att slå på och av ljusskenet från proteinerna som man studerar.

– Än så länge rör det sig om ren grundforskning kring hur proteiner och dna interagerar i levande celler, men i förlängningen hoppas vi förstås att kunskaperna ska kunna tillämpas för till exempel diagnostik eller behandling av sjukdomar där dessa reglersystem inte fungerar normalt, säger Johan Elf.

På Nobeldagen nu på onsdag ska de tre forskarna Eric Betzig, Stefan Hell och William Moerner motta kemipriset för, som det hette i prismotiveringen, ”utvecklingen av fluorescensmikroskopi” som ”har tagit ljusmikroskopin till nanodimensioner”.

Inte ens med världens starkaste vanliga ljusmikroskop går det att se detaljer som är mindre än halva ljusets våglängd, två tusendels millimeter. För de flesta låter nog detta extremt litet. Men jämfört med livets minsta beståndsdelar, de enskilda proteinmolekylerna, är två tusendels millimeter jättestort. Proteinerna är inte ens en hundradel så stora.

Gränsen för ljusmikroskopins möjligheter hade räknats fram av den franske mikroskopisten Ernst Abbé i början av 1870-talet. I mer än 100 år betraktade nästan alla forskare den som något av en naturlag. Som väl är fanns ändå några som inte var fullt så säkra. Även om ”Abbés lag” var ett hinder som inte gick att spränga, kanske det fanns möjligheter att kringgå det.

Steg för steg, och oberoende av varandra, löste Betzig och Hell problemet. Lösningarna är olika, men bygger båda på att ”märka” proteinerna som ska studeras med ämnen som kan aktiveras att avge ljus, fluorescera. Den processen hade tidigare beskrivits av den tredje pristagaren Moerner.

Betzigs lösning bygger på att man aktiverar några proteiner i taget och bestämmer var de finns med högre noggrannhet än Abbés gräns, vilket är möjligt när man vet att ljuset kommer från enstaka molekyler. Hells metod bygger i stället på att man stänger av alla molekyler utom en i en punkt som är mindre än Abbés gräns. Genom att sedan scanna punkten genom provet kan man bygga upp en högupplöst bild (se separat grafik).

I praktiken behövs många olika kompetenser för att få detta att fungera i levande celler. I Johan Elfs forskargrupp vid Science for life laboratory på Institutionen för cell- och molekylärbiologi jobbar ett 20-tal fysiker, ingenjörer, datavetare, molekylärbiologer, matematiker och mikrobiologer tillsammans med att utveckla teknikerna för att testa olika förklaringsmodeller för hur cellens processer fungerar på molekylnivå.

– En del av arbetet består i att formulera förklaringsmodeller i matematiska termer, som gör det möjligt att göra tydliga förutsägelser och testa modeller. Den största delen av arbetet ligger dock på att utveckla de experimentella teknikerna för att bli tillräckligt känsliga för att testa speciella förutsägelser, säger Johan Elf.

En del av detta utvecklingsarbete sker i samarbete med en av de tre kemipristagarna, Stefan Hell.

Det finns massor av tekniska utmaningar. Den allra största är att märka proteinerna med de aktiverbara fluorescerande ämnena utan att proteinet rör sig eller fungerar på annat sätt än det normalt skulle göra.

– Därför arbetar vi med att utveckla ny teknik för att byta ut en enskild aminosyra i ett specifikt protein i cellen till en fluorescerande aminosyra. De nya märkningsmetoderna utvecklas parallellt med en ny typ av extremt snabbt mikroskop för att kunna studera enskilda proteiners interaktioner med dna i levande celler ned till någon tusendels sekund, säger Johan Elf.

Hans forskargrupp har gjort flera uppmärksammade upptäckter med hjälp av vidareutvecklingar av den Nobelprisbelönade mikroskopitekniken. En gäller hur ett reglerprotein, en transkriptionsfaktor, snabbt hittar och fäster på rätt ställe på dna-spiralen när en gen ska aktiveras.

– Det har funnits många teorier om detta, men utan den nya mikroskopitekniken hade vi aldrig kunnat visa hur det verkligen går till när en transkriptionsfaktor hittar rätt plats bland miljontals alternativa bindningsställen längs dna-spiralen, säger Johan Elf.

Han liknar reglerproteinet vid en supersnabb bibliotekarie som själv, utan stöd av något datoriserat register och i trängsel med massor av andra bibliotekarier och biblioteksbesökare, lyckas leta rätt på en av miljontals böcker som står osorterade i många tusen likadana hyllor.

– På mindre än en tusendels sekund scannar transkriptionsfaktorn av cirka 40 dna-byggstenar, baspar, genom att glida längs dna-strängen. Om inte rätt dna-sekvens finns där lossnar den och börjar testa nya ställen. Så håller den på tills den når fram och fäster intill den gen som ska aktiveras, säger Johan Elf.

Det till synes planlösa letandet längs korta bitar av dna-spiralen är så smidigt och så snabbt att det räcker med fem exemplar av styrproteinet för att ett av dem inom en minut ska hitta fram till och aktivera genen.

– Med denna studie kunde vi bekräfta en modell för hur generna hittas av sina transkriptionsfaktorer som Uppsalaforskaren Otto Berg på teoretiska grunder hade presenterat mer än 30 år tidigare, säger Johan Elf.

Men det är inte alltid så att de detaljerade mätningarna av cellens inre liv bekräftar vedertagna modeller för hur det fungerar. En gängse modell säger att en gen är avstängd så länge som en hämmande transkriptionsfaktor är bunden till dna-strängen.

– Nyligen kunde vi påvisa att det faktiskt finns avvikelser mellan hur ofta en transkriptionsfaktor band till och frigjordes från en specifik position på dna-strängen och hur länge genen är inaktiv. Sådana fynd, som strider mot det förväntade, är oftast roligast eftersom de öppnar för ny forskning, säger Johan Elf.