Supermikroskop tager 3D-billeder af livets molekyler
Kryoelektronmikroskopet på Københavns Universitet er et uundværligt instrument, når forskerne skal finde ud af, hvordan kroppens molekyler fungerer på det helt fundamentale niveau.
Kryoelektronmikroskop

Professor Guillermo Montoya fylder ikke meget ved siden af det 3,5 meter høje mikroskop, hvoraf kun en lille del ses her. (Foto: Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research, KU)

Med en 3,5 meter høj, tonstung maskine i Panum-bygningen på Københavns Universitet kan forskerne tage utrolig detaljerede billeder af livets molekyler.

Placeringen af hvert eneste atom kan skelnes på de 3D-billeder, som kryoelektronmikroskopet på Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet kan levere.

Sådan et mikroskop er perfekt til at analysere store, komplekse molekyler som for eksempel de proteiner, der er centrale byggesten i alle levende organismer.

Billederne kan give ny viden om, hvordan kroppens celler fungerer på det molekylære niveau, og den viden kan vise sig uvurderlig i forhold til at udvikle nye lægemidler.

Serie: Danmarks dyre dimser

Hundedyre videnskabelige apparater er uundværlige for forskerne. I denne serie fortæller vi om fem af Danmarks dyreste maskiner tilegnet forskningen – hvad de kan, og hvem der bruger de vilde, videnskabelige værktøjer.

Fælles for de kostbare forskningsfaciliteter er, at de ikke blot anvendes af en enkelt forskergruppe, men står til rådighed for mange forskere fra universiteter og industrien.

Denne artikel er tredje del i serien. Læs også: 

»Vi vil gerne studere, hvordan molekylerne fungerer, ikke mindst fordi de er involveret i forskellige processer, der fører til sygdomme.«

»Defekte proteiner kan være mål for lægemidler, men det kræver, at vi kender det molekylære grundlag for sygdommene,« fortæller professor Guillermo Montoya fra Novo Nordisk Fondens Center for Proteinforskning på Københavns Universitet.

Nobelpris til opfinderne

I dag står et kryoelektronmikroskop meget højt på ønskelisten hos alle forskere, der prøver at forstå, hvordan kroppens molekyler fungerer.

Faktisk er kryoelektronmikroskopi så betydningsfuld en teknologi, at opfinderne blev tildelt Nobelprisen i kemi i 2017. Det kan man læse meget mere om i artiklen Forskere får Nobelprisen for at gøre molekyler synlige.

Men sådan et avanceret mikroskop er dyrt, og uden en bevilling på 60 millioner kroner fra Novo Nordisk Fonden er det tvivlsomt, om Københavns Universitet havde haft råd til det.

Selve mikroskopet fra firmaet Thermo Scientific kostede omkring halvdelen af pengene, mens den anden halvdel går til driften af det. For det passer ikke just sig selv, siger Guillermo Montoya:

»Det er ikke en maskine, man bare tænder for, og så virker den. Der er brug for personale til at passe den. Desuden er teknologien ikke så robust, og indimellem går mikroskopet i stykker og skal repareres af eksperter.«

Kryoelektronmikroskop

Kryoelektronmikroskopet tager detaljerede billeder af biologiske molekyler. (Foto: G. Montoya/KU)

Med elektroner kan man se det mindste

I princippet fungerer et elektronmikroskop som et almindeligt lysmikroskop, hvor lyset fra et objekt passerer gennem en række linser, så man ender med et forstørret billede af det.

Men i et elektronmikroskop er lyset skiftet ud med elektroner. Deres bølgelængde er nemlig så lille, at man kan få øje på objekter så små som molekyler.

Det kan ikke lade sig gøre med lys, fordi bølgelængden simpelthen er for stor. Det svarer til, at man ikke kan fange en flue med et fiskenet – der skal en mere finmasket fluesmækker til.

I et elektronmikroskop er linserne ikke optiske, men magnetiske. Og i et kryoelektronmikroskop er de prøver, der skal studeres, nedkølet til under minus 196 grader af flydende kvælstof.

Det er nødvendigt for at beskytte de sarte biologiske molekyler, så de ikke bliver ødelagt af elektronstrålen.

Supercomputer skaber 3D-modellen

Mikroskopet tager en række billeder, som efterfølgende kan sættes sammen til en 3D-model af molekylets struktur.

Mikroskopet leverer så mange data, at en almindelig computer ikke rækker til at behandle dem, så her er det en fordel, at det er forbundet til supercomputeren Computerome, der kan klare beregningerne.

Molekyle

Molekylerne i levende organismer er ofte meget store og komplekse. Med 3D-modeller skabt ud fra mikroskopier kan forskerne se molekylernes struktur. (Illustration: G. Montoya/KU)

»Med kryoelektronmikroskopet kan vi ikke blot få et øjebliksbillede af proteinet, vi kan se det i forskellige konfigurationer. Det kan have forskellige former, og ved at kigge på alle formerne kan vi bedre finde ud af, hvordan proteinet fungerer,« lyder det fra Guillermo Montoya.

»Vi kunne få meget af den samme information ved at bruge en metode, der kaldes røntgenkrystallografi, men det kræver, at man først dyrker krystaller af molekylet, og det er ofte ekstremt svært. Det går meget hurtigere med vores kryoelektronmikroskop, og vi får klarere billeder, så vi er rigtig glade for det.«

Våben mod resistente bakterier?

Mikroskopet står ikke kun til rådighed for forskere fra det københavnske forskningscenter, men for alle danske og internationale forskere.

De kan søge om at få lov til at få billeder fra det, hvilket professor Søren Molin fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability på Danmarks Tekniske Universitet (DTU Biosustain) har gjort.

I mange år har forskerne fra centeret haft et samarbejde med Rigshospitalet om cystisk fibrose-patienter og de bakterier, der inficerer patienternes lunger.

Patienterne behandles med antibiotika, og forskerne har været specielt interesserede i de bakterier, der udvikler resistens – dvs. bliver modstandsdygtige – over for disse antibiotika.

Resistensen kan opstå, når bakterien muterer, altså, når dens gener ændrer sig.

»Med kryoelektronmikroskopet har vi kigget på særlige bakteriestammer fra cystik fibrose-patienter. Bakterierne er højresistente over for en bestemt type antibiotika,« siger Søren Molin.

Mikroskopet giver molekylære forklaringer

Forskerne har haft kig på et protein, der har ændret sig hos den resistente bakterie.

Med kryoelektronmikroskopet har de ikke blot fået en model af proteinet, men af hele cellens centrale proteinfabrik – de store komplekser af proteiner og RNA, man kalder ribosomer.

Molekylemodel

Placeringen af hvert enkelt atom åbenbarer sig, når billeder fra kryoelektronmikroskopet er blevet behandlet i en supercomputer. (Illustration: G. Montoya/KU)

»Den tredimensionale struktur, man kan undersøge med kryoelektronmikroskopet, har givet os en molekylær forklaring på, hvad der sker, når man får sådan nogle ændringer. Med 3D-modellen kan vi se forandringer i ribosom-strukturen i meget høj opløsning – helt ned til det atomare niveau,« fortsætter Søren Molin.

»Det har været superspændende – vi har fået en forståelse for sammenhængen mellem mutationen og de egenskaber, som ribosomet har. Bakterierne bliver resistente, men samtidig kan de ikke vokse så hurtigt. Vi har fået præcise svar på, hvorfor det sker, ved at kigge på ribosom-strukturen.«

Antibiotika skal bruges smartere

På sigt vil forskerne gerne bruge den nye viden til at komme problemet med resistente bakterier til livs.

Når vi finder ud af hvordan, hvornår og hvorfor bakterierne udvikler resistens, kan vi måske lære at bruge eksisterende og fremtidige antibiotika på en bedre måde, end vi gør i dag.

»Det kan for eksempel vise sig, at når bakterierne bliver resistente over for ét antibiotikum, så bliver de mere følsomme over for et andet. Så kan man lave nogle smarte kombinationsbehandlinger,« siger Søren Molin.

Uden værktøjer som kryoelektronmikroskopet på Panum ville det være fuldstændig umuligt at blive klogere på cellernes indre mekanik.

I krydsfeltet mellem fysik, kemi og biologi kan forskerne få den viden, de har brug for, når sygdomme skal helbredes.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.