Att kunna se fenomen på molekylnivå har stor betydelse för hur väl vi förstår dem. Därför är utvecklingen av ett mikroskop viktig för forskningen – och i förlängningen våra liv.

Stefan W. Hell var i år en av tre mottagare av Nobelpriset i kemi. Han tillbringade åren 1993–1996 som forskare i Åbo, och det var här han fick sin idé till det mikroskop han mottog priset för. Vi bekantar oss i några artiklar i detta nummer med den forskningsmiljö han rörde sig i här – och hur han påverkat den.

Text & foto: Nicklas Hägen

Stefan Hell må vara färsk nobelprisvinnare i kemi men laboratoriet i BioCity döptes efter honom redan för ett tiotal år sedan. I laboratoriets närmiljö ser man inte att priset skulle ha fått någon större uppmärksamhet. Visst, de obligatoriska tidningsurklippen om priset och forskningen hänger på dörrar och anslagstavlor och Hell-skylten som hänger i taket visar vart vi är på väg, men glamouren saknas. Korridorerna liknar de som finns överallt i BioCity: tavlor med forskningsrelaterad konst pryder fönsterlösa väggar och sätter lite färg på en 90-talsmiljö som har gått från skinande färskt vit och ljusblå mot det mera urblekta hållet. Att detta är en miljö för arbete, inte representation, är uppenbart.

Inne i Hell-laboratoriet sitter Elnaz Fazeli, hemma från Iran och snart utexaminerad från magisterprogrammet i BioImaging. För sitt magisterarbete, som handlar om mekanismerna bakom benskörhet, osteroporos, studerar hon som bäst högupplösta bilder av en benätande cell som hon ser på datorskärmen genom den typ av STED-mikroskop Stefan Hell fick Nobelpriset för att ha utvecklat.
– Detta är ett sätt att studera växelverkan mellan två molekyler. Ibland drar vi slutsatser redan utifrån vad vi ser i STED-mikroskopet eller så jämför vi det med den bild vi får från ett elektronmikroskop. Problemet är att man inte kan använda levande celler i ett elektronmikroskop, säger Fazeli.

Lamporna i taket är släckta för trots att mikroskopet hon använder består av i runda tal en halv miljon euro optisk högteknologi, lyder det ändå under väldigt vardagliga villkor: ju färre störande element i omgivningen, desto bättre resultat. För Fazelis ändamål räcker det att taklamporna är släckta, men i ett optiskt laboratorium för optiska undersökningar av ett mera teoretisk-fysiskt slag skulle väggarna vara svartmålade, dörröppningen bestå av dubbla dörrar med ljussluss, datorernas leddioder vara övertäckta och datorskärmens ljus nedtonat.

Elnaz Fazeli. Foto: Nicklas Hägen.

Nu analyserar Fazeli ett prov av celler från en hamster. De används till att göra avbildningsmetoderna så bra som möjligt innan man analyserar prover bestående av mänskliga celler, som fås från levande donatorer eller via stamceller ur blodprov.
Det Fazeli främst är intresserad av är signaleringen mellan omgivningen och de så kallade osteoklaserna, celler som ”suger i sig” benvävnad från skelettet. Det är denna process som ligger bakom uppkomsten av osteoporos. Närmare bestämt tittar hon på cellens intermediärfilament, en del av cellskelettet som är viktig för cellens funktion och rörelse.
– Varje cell är en kropp i sig och är uppbyggd av sina så kallade suborganeller, alltså sina mindre enheter som alla har sina egna funktioner. Vad vi ser i högre upplösning är små prickar som sitter på cellens membran – dess ”skal” – och som fäster till skelettet. Dessa innehåller en syra som äter på benet och försvagar det, säger Fazeli.

Samma mikroskop har flera funktioner. Med konfokalfunktionen kan hon ta bilder av cellerna i olika skikt och sätta ihop dem, för att på det sättet sammanställa en tredimensionell skiss av hur de ser ut.
Men nu är hon mera intresserad av skarp högupplösning på molekylärnivå. Det som händer när Fazeli kopplar över från konfokalmikroskopet till STED-mikroskopet är att de enhetliga ytorna blir färre, de spricker upp i små röda punkter som ligger separat från varandra mot den svarta bakgrunden.

Jag hade förväntat mig en större skillnad i bilderna, men för det tränade ögat är det just i uppspjälkningen av de enhetliga ytorna i mindre prickar som möjligheten till stora insikter befinner sig.
– Det vi ser när vi zoomar in är att samlingen som ser ut som en enda massa egentligen består av enskilda molekyler – vi ser att det finns ett visst avstånd mellan dem. Om vi vet vad som händer när de rör på sig kan vi rikta in oss på dessa processer i filamentet när vi utvecklar mediciner.

Miljarddelar och miljondelar

Det är svårt att förstå litenheten i den storleksskala cellbiologer använder sig av. En nanometer är en miljarddel av en meter och med andra ord en miljondel av en millimeter.
Därför är det också lätt hänt att man uppfattar strävan efter ett mikroskop som kan fokusera ytterligare någon nanometer skarpare som ett högfärdigt självändamål. Men att kunna se det som vanligtvis är dolt för blotta ögat är av största vikt i en vetenskapsgren där seendet och iakttagandet är i centrum.

Enligt John Eriksson, professor i cellbiologi vid Åbo Akademi, är dessa små förbättringar i verktygen av största vikt för biologernas förståelse för vad som händer i cellernas minsta beståndsdelar.
– Biologins utveckling hänger starkt ihop med instrumentens utveckling. Det finns inget sätt att härleda biologiska strukturer från matematik så vi måste förlita oss på instrumenten. Ofta är det så att seeing is believing, det man ser tror man på.

Den mikroskopiska teknologin revolutionerades i mitten av 1980-talet. En orsak var att laserteknologin, som utvecklats under 1970- och 1980-talen, införlivades med mikroskopin och en annan att avbildningen och bildbehandlingen började basera sig på datorteknologi.
– Information som tidigare uppsamlades via en lins började uppsamlas av en detektor, en dator som tar upp signaler från hela ljusfältet och omvandlar det till siffror. Det ger en mycket snyggare bild eftersom datorn kan radera sådant som gör bilden suddig – artefakter och ljus som inte är i fokus. Detta ger oss i sin tur större precision, bättre analysmetoder och bättre kvantifiering.

Själva den mikroskopiska teknologin är bara en del av att skapa en förståelse för och avbildning av biologiska skeenden på mikronivå. Ett annat stort framsteg var utvecklingen av det gröna fluorescerande proteinet, som gav Nobelpriset i kemi år 2008.
Metoden bygger på att man med hjälp av molekylärbiologiska metoder kan använda DNA från en självlysande manet för att undersöka de proteiner man råkar studera. När manetens DNA kopplas till det studerade proteinets DNA blir proteinet lysande när man belyser det med rätt våglängd.
– Om vi vill studera dina hudproteiner så kan vi ta de hudproteiner vi är intresserade av och tillsätta det gröna fluorescerande proteinet, vilket gör att du blir grön och fluorescerande. Det är en kul tanke men inte etiskt gångbart. Däremot har det gjorts med möss flera gånger, bland annat av konstnärer. Varken cellerna eller djuren bryr sig om det, säger Eriksson.
– Den här upptäckten gjorde att man kunde följa med händelser på molekylnivå i levande sekvens i realtid. Plötsligt kunde man se rörliga bilder på film av de proteiner man tillsvidare bara hade sett på stillbilder. Det är samma slags revolution som på 1800-talet när den rörliga bilden revolutionerade bildkonsten och öppnade dörrarna för filmen som en ny konstform.

Leker med ljuset

Det fanns ändå ett problem kvar att lösa och det är här Stefan Hells Nobelprisvinnande STED-mikroskop kommer in. Ljusets våglängd är nämligen beroende av färgen, inte storleken, på det föremål man tittar på. I mikrobiologin och cellbiologin möter man ofta detaljer som är mindre än ljusets våglängd, vilket gör att dessa små detaljer på bilden grötas ihop till en enda massa om vi inte lyckas manipulera den.

– Grönt ljus har till exempel en våglängd på cirka 500 nanometer. Om du tittar på en viruspartikel eller cellulärstruktur som är 50 nanometer stor kommer den i mikroskopet att te sig ungefär lika stor som ljusets våglängd. Det är rätt logiskt, för det du tittar med kan inte avbilda något som är mindre än det själv är, säger Eriksson.
– Biofysikerna på femte våningen här i BioCity i Åbo där Hell arbetade på 1990-talet var inriktade på att bryta den här barriären. Man testade många olika metoder och en idé var att man skulle leka med själva molekylerna i stället för att leka med ljusvågorna. Det man gjorde var att använda en laserstråle till att släcka allt runt objektet.

STED-mikroskopet fungerar med två laserstrålar. Den ena får molekylerna att fluorescera i en fokuspunkt med en diameter på 0,2 mikrometer, det vill säga 0,2 tusendelar av en millimeter. Den andra strålen lägger sig runtom och släcker allt ljus förutom i mitten av ringen. Slutligen skapas bilden genom att sätta samman många små bilder – samtliga bestående av punktnedslag på några tiotals nanometer (miljondelar av millimeter) i diameter – av hela det biologiska prov man vill visualisera.

Metoden lämpar sig uttryckligen för väldigt små molekylära förlopp.
– I regel räcker så kallade ”vanliga” teknologier, som ändå är mycket avancerade, för att titta på ett förlopp i cellen. Men med STED-mikroskopet är paletten tillgängliga teknologier nu ganska stor.

Hur vet man att det man ser med ett STED-mikroskop faktiskt är riktigt – att mikroskopet inte förvränger vad vi ser?
– Många olika forskare har bevisat det på olika sätt. Bland annat kan man jämföra med den bild man får från elektronmikroskop, som ger en ännu aningen tydligare upplösning än STED-mikroskopet. Skillnaden är att man kan använda STED-mikroskopet för att undersöka levande celler, vilket inte går att göra med elektronmikroskop.

Obekanta landskap

Den teknologiska utvecklingen inom biovisualisering har varit stor och biologins utveckling med den. Med tanke på de verktyg vetenskapsmän förfogade över i början av 1900-talet innehöll den tidens vetenskapliga litteratur ändå överraskande bra beskrivningar av fenomen på mikronivå.
– Patologiböcker från början av 1900-talet innehåller fina avbildningar av celler. De hade en häpnadsväckande insikt i hur saker ser ut. Bilderna är tecknade och de måste vara ett resultat av otaliga timmars studier. Men för det mesta hade de inte ett hum om vad de talade om. Det fanns stor iver att namnge och klassificera det man såg, däremot visste man inte vad olika saker gör, säger Eriksson.

I dag vet vi en hel del om vad cellens strukturer består av, vilka proteiner som finns i dem, vilka funktioner de har och hur vi kan manipulera dem. Det kan ändå vara värt att påminna sig om att vi är i mitten av en utveckling som varit långt ifrån självklar. Också den metod STED-mikroskopet bygger på var omtvistad så sent som för ett drygt decennium sedan, och det tog lång tid innan man förstod hur man skulle använda mikroskopet.
– Det beror på att det tog lång tid innan innovationen accepterades, men också för att det tog lång tid innan det fanns cellbiologer som var redo att ta emot den, säger Eriksson.

Varifrån kommer motståndet?
– Du sätter på dig glasögon som får saker att se konstiga ut, du känner inte igen någonting. Det landskap du vant dig med när du tittat på det med dåliga glasögon ser plötsligt helt annorlunda ut och du känner inte igen dig alls.

Hurudant översättningsarbete är det när man får ett nytt verktyg? Vi har namngett saker utifrån det vi tidigare har sett – sen ser vi nya saker vi behöver nya namn på.
– Arbetet underlättas numera av att det finns så gediget material tillgängligt från elektronmikroskopin. Dessutom vet vi från biokemin och proteinstrukturstudier väldigt mycket om hur molekyler kunde tänkas vara ihopkopplade och relaterade, samt vilken tredimensionell struktur de kunde tänkas ha i cellen.
– När vi kommer in med nya glasögon tar det en stund innan vi vänjer oss, men rätt snart kan vi med de begreppsinstrument och den litteratur som finns tillgänglig, känna igen oss. Det finns en fördröjning kvar, men inte som förr.

Vilken nivå står cellbiologin på idag?
– Vi är i begynnelsen av enorma insikter i en liknande skala som fysikens senaste guldålder på 1920-talet, då man gjorde epokgörande framsteg och upptäckter. Cellbiologin står nu inför en liknande utveckling, vi har instrumenten och begreppskunnandet som gör att vi verkligen kan börja förstå oss på olika sjukdomsförlopp och åldrande, samt få en bättre uppfattning om hur cellulära processer sker och varför organ utvecklas på ett visst sätt.
– De nya insikterna kommer också att ge upphov till en teknologisk revolution. Bioteknologi kommer att vara en väldigt dominerande teknologi framöver. Vi kommer att kunna konstruera saker på nanoskala med biorobotar som så att säga producerar sig själva, som är biologiskt nedbrytbara och återanvänder sig själva och så vidare. Detta är väldigt ekologiska och resurssnåla teknologier som även kan revolutionera energiförsörjningen. Det samma gäller olika terapier som har med regenerering, människans reservdelar, återskapande av hjärn- och muskelfunktioner att göra. De ligger bakom hörnet men det är först nu de är möjliga.

Vilka är cellbiologins stora utmaningar just nu?
– Att tolka cellens språk och signalering. Jämfört med den informationsprocessering som utförs i en cell på en bråkdel av en millimeter bleknar också den mest avancerade av våra datorer idag, säger Eriksson.
– Redan i en cell sker det på millisekundnivå ett enormt utbyte av information i alla dimensioner som inte har varit möjligt att realistiskt återskapa med dator. Har den tillräckligt med näring, vad ska den göra, är jag uppe, nere, vem är i grannskapet, har det hänt något? Våra datorer klarar inte informationsmängden och vi kan inte cellens språk. De biovisualiseringsinstrument vi nu har till handa kommer att vara till stor hjälp där.

Hell drömde stort

Pekka Hänninen. Foto: Nicklas Hägen

– Att rädda världen är ingen dålig målsättning. Jag brukar säga till mina studerande att om man inte tänker stort får man inga stora resultat. Stefan drömde om stora saker och nu har han förverkligat sin idé.

Pekka Hänninen, professor i biofysik vid biomedicinska institutionen vid Åbo universitet, ingick i professor Erkki Soinis forskargrupp och arbetade som nära kollega till Stefan Hell under dennes tid i Finland. Han påpekar att det finns några saker processen lär oss, nu när den vetenskapliga kulturen blivit försiktigare och finansiärernas krav på garanterade resultat ökat.
– Stefans pris går också till Finland. Det var bara här man trodde på hans idé, något Stefan själv påpekat att var viktigt, säger Hänninen.
– Vi kunde ge Stefan finansiering tack vare ett Finlands Akademi-beslut som togs av vetenskapsmän med visioner. Det krävdes inte mycket byråkrati. Nu förlitar vi oss på en lång utvärderingsprocess, som ibland kan vara bra men som likriktar och låser forskningen.

Hänninen har för tillfället många projekt på gång. Han arbetar bland annat med mikroskopi tillsammans med ÅA-professor John Eriksson och är involverad i de kommersiella företagen Arcdia och Aqsens. Båda tillverkar teknisk apparatur för snabba analyser: Arcdia för diagnostik av infektionssjukdomar och Aqsens för analys av vätska i samband med oljeborrning.

Dessutom arbetar han på att utveckla ett enkelt test för profilering av människors bakterieflora.
– Bakteriefloran är väldigt viktig för människans hälsa. Målet är att kunna skapa ett enkelt test som kunde användas i anslutning till vården, till exempel när man lägger upp en diet. Och om det lyckas så varför kunde det inte leda vidare till en ny idé?

Hänninen är utbildad diplomingenjör vid dåvarande Tammerfors tekniska högskola. Han tar sin förre professor Yrjö Neuvos beskrivning som exempel på hur bra forskning görs.
– När du står i en låda där det är tryggt ska du ta ett steg ut i det okända. Efter en tid står du med båda fötterna i en ny låda och då är det dags för nästa steg, ett i taget ut ur den bekanta lådan och det traditionella tankesättet. Forskning är inte att gå på lina mot ett förutbestämt mål. Du går från en låda till en annan och varje enskild idé på vägen bär förhoppningsvis mot målet, säger Hänninen.

– Sedan handlar det om hur mycket en forskare vågar lita på sin intuition. Man lär sig av sina erfarenheter vart det lönar sig att gå och inte gå, men det är inte så att man vaknar en morgon med en klar idé man arbetar sig fram emot – man samlar mycket ny kunskap och träffar många människor på vägen.

Stefan W. Hell

Stefan W. Hell. Foto: Max Planck Institute for Biophysical Chemistry.

Stefan W. Hell var tillsammans med Eric Betzig och William E. Moerner årets mottagare av Nobelpriset i kemi. Priset gavs ”för utveckling av superupplöst fluorescensmikroskopi”.
Hell är tysk medborgare men föddes 1962 i Arad, Rumänien. Han arbetar för tillfället som forskningsledare vid Max Planck-Institut für biophysikalische Chemie i Göttingen och chef för det tyska cancerforskningscentret Deutsches Krebsforschungszentrum i Heidelberg, båda belägna i Tyskland.

Hell disputerade i fysik vid universitetet i Heidelberg, Tyskland, 1990. Han arbetade som gruppledare vid det biofysikaliska laboratoriet vid Åbo universitet 1993–1996. Det var under sin tid i Åbo som han fick idén för STED-mikroskopet han fick Nobelpriset för. STED står för stimulated emission depletion.