Laboratorium i toppklass

Svenskt NMR-centrum är placerat vid Göteborgs universitet, men är ett nationellt centrum öppet för användare från Sverige och övriga världen. NMR står för nuclear magnetic resonance och används bland annat för att ta reda på strukturen och sammansättningen av en molekyl. Till Svenskt NMR-centrum kommer forskare för att med hjälp av NMR-spektroskopi studera allt ifrån proteinstrukturer till olika materialegenskaper och biomarkörer i blod.

Lars Nordstierna är en av de forskare som är en flitig användare av faciliteterna. Han är docent i ytkemi på Chalmers och forskar på mjuka material, det vill säga material som tillåter transport av vätskor eller gaser inom materialet.
– Man skulle ju kunna tro att det här träbordet är ett hårt material, säger Lars Nordstierna och knackar i bordsskivan på sitt kontor. Men häller man vatten på den så tränger vattnet in i bordskivan. Mjuka material är alltså porösa på en nanoskala, till skillnad från till exempel metaller som inte tillåter transport.

Kunskapen kring olika materials egenskaper är viktig inom en rad olika tillämpningar; allt ifrån läkemedel där den aktiva substansen är en liten del av tabletten och ska frisättas på rätt ställe i kroppen, till kläder gjorda av cellulosa från träd som ersättare för bomull. Lars Nordstierna berättar att han bland annat har haft och har doktorander som studerat möjligheterna att göra annat än papper av skogens cellulosa. Skogsnäringen vill gärna hitta nya användningsområden, i takt med att papperstillverkningen minskar i Sverige. Samtidigt framställs många av dagens material på icke miljövänliga sätt.
– Ett exempel är bomull, där odlingen kräver mycket vatten och där det används mycket bekämpningsmedel, säger han.

Istället för att använda bomull vid klädtillverkning, som också innehåller cellulosa, kan man tillverka kläder från cellulosa från skogen. Viskos är ett sådant exempel. Men för att användningen ska kunna öka och utvecklas, behöver man bland annat hitta en framställningsprocess som påverkar naturen i mindre utsträckning än i dag. Det är här Lars Nordstiernas NMR-teknik kommer in.
– Genom att studera cellulosafibrer kan vi ta reda på mer om dess egenskaper. Och kan vi förstå den molekylära nivån så kan vi också ofta förstå ämnens makroskopiska egenskaper.

NMR är en gemensam analysteknik, men det finns en rad olika metoder att använda inom området. För att studera cellulosa använder sig Lars Nordstierna av fastfas-NMR, där provet består av ett fast material istället för en vätska.
– Många forskare använder NMR-spektroskopi för att ta reda på molekylstrukturer, som till exempel proteiners struktur. Själv känner jag nästan alltid till strukturen, och vill istället ta reda på hur ämnen associerar eller aggregerar till varandra. Helt enkelt hur cellulosamolekyler packar ihop sig.

Ofta har metodutvecklingen skett inom en viss tillämpning, men där andra sedan kan använda samma metod för att studera någonting annat. Vid centrumet arbetar man aktivt för att utveckla metoder, vilket sker i nära samspel med de forskare som använder sig av instrumenten.
– Det är viktigt att vi försöker hänga med i utvecklingen, säger Göran Karlsson.

 NMR-tekniken är inte heller ett självklart val att använda för alla kemister. Men för Lars Nordstierna är det naturligt, eftersom han har en gedigen kunskap inom området från sin tid som doktorand på KTH.
– Jag doktorerade i NMR-spektroskopi, säger han med ett leende.

De stora fördelarna med NMR tycker han är att man får den spektroskopiska upplösningen på alla komponenter i provet. Har man etanol och vatten i provet, så kan man se alla atomerna i resultatet. Man kan se hur snabbt något rör sig och hur olika ämnen binder till varandra.
– Det är lätt att få fram ett resultat, men det kan vara svårt att tolka på rätt sätt eftersom det är så många parametrar att ha koll på. I många fall finns inte heller några färdiga tillvägagångssätt, utan man måste pröva sig fram för att se vad en optimal mätning ska innefatta.

 Sedan 2016 är Svenskt-NMR-centrum en del av SciLifeLab, som är ett nationellt institut för molekylära livsvetenskaper. Fokus för NMR-centrums del ligger här på strukturbiologi, kemisk biologi och metabolomik, det senare ett forskningsområde som kommit starkt under de senaste åren inom livsvetenskaperna. Metabolomik skulle kunna beskrivas som ett sätt att i en enda kemisk analys studera metaboliter, det vill säga små molekyler i ett biologiskt prov. Anna Winkvist och Helen Lindqvist är två nutritionsforskare från Sahlgrenska akademin som har ett nära samarbete med NMR-centrum. De använder sig av metabolomik inom nutritionsforskningen för att bättre kunna beskriva vad folk har ätit. Med hjälp av NMR-spektroskopi kan de hitta olika kostmarkörer i blod eller urin.
– Det är en jättespännande teknik; att objektivt kunna säga vad folk har ätit, säger Anna Winkvist, professor i nutrition.

Traditionellt sett kartläggs våra kostvanor genom att vi får besvara frågor kring vad vi ätit. Men frågar man finns det alltid felkällor. Folk glömmer vad de ätit, har svårt att uppskatta hur stora portioner de ätit och ljuger om sina matvanor. I en metodstudie som just genomförts har ett antal personer fått äta frukost i ett matlaboratorium. Den ena gruppen fick en mer proteinrik brittisk frukost med skinka, ägg och vita bönor medan den andra gruppen åt en kolhydratbaserad skandinavisk frukost med flingor och smörgås. Därefter fick de ge blod- och urinprov, som analyserades på NMR-centrum.

Gick det då att se skillnad mellan de olika grupperna? Ja, det gjorde det, enligt Helen Lindqvist, universitetslektor i livsmedelsvetenskap.
– Störst skillnader såg vi dock mellan de som valde att dricka kaffe och de som valde thé, vilket vi inte förutsatte från början.

I det här fallet handlade det om kostval som kunde spåras samma dag i blodet och urinen, medan det i andra projekt handlar om att hur olika kostvanor påverkar över längre tid. I ett annat projekt studeras till exempel skillnaden mellan blandätare, vegetarianer och veganer.

Tidigare metoder som använts har bara kunnat studera en biomarkör åt gången. Analyserna har varit dyra och tagit mycket tid. Med NMR-spektroskopi har nya möjligheter öppnats för forskningsfältet.
– Livsmedel är komplexa, och innehåller massor med olika ämnen som kan påverka åt många olika håll. Fördelen med metabolomik är att vi kan få med väldigt många ämnen på en gång, säger Helen Lindqvist.

Men samtidigt som NMR-spektroskopi ger möjligheter till en stor mängd information, kräver det också mycket av de som ska analysera all data. I takt med att NMR-tekniken utvecklats under det senaste decenniet, har även bioinformatiken tagit stora steg framåt. Att kunna hantera en stor mängd data blir en viktig del i forskningen.
– Vi har haft ett mycket bra samarbete med NMR-centrum och vår forskning har utvecklats i takt med att centret också utvecklats, säger Anna Winkvist.

Nästa steg blir att med hjälp av biomarkörer kunna förutsäga hur väl en viss typ av behandling fungerar hos en enskild patient. I det här fallet handlar det om vilka effekter en kostomläggning skulle få hos den enskilde personen, vilket i sin tur att skulle kunna öka motiveringen att förändra sina kostvanor.

– Att ändra sina kostvanor är svårt. Det skulle kunna vara mer motiverande om man vet redan innan att sannolikheten är stor att en kostförändring kommer att få en stor effekt, säger Helen Lindqvist.

 NMR-tekniken har utvecklats mycket de senast åren. Föreståndaren Göran Karlsson poängterar vikten av att sprida kunskap om vad man kan göra med NMR-teknik, som går att använda inom en rad nya områden. Ett sådant exempel är idrottsvetenskap. Idrottsforskaren Ulrika Andersson Hall från Göteborgs universitet studerar fettoxidation under arbete och har även hon använt metabolomik för att analysera blod. I hennes fall kommer blodet från elitidrottsmän som sysslar med uthållighetsidrotter, och syftet har varit att se hur dessa kan utveckla sin fettförbränning.
– NMR har inte alls använts inom idrottsforskningen tidigare, och vi har haft ett bra samarbete och utbyte av varandra, säger hon.

Resultatet som just publicerats visar att fettförbränningen inte var lika hög efter fasta som efter en tidigare träningsperiod, trots att fasta används av många som metod i dag. Men hon poängterar att resultaten gäller toppidrottare inom just uthållighetsidrotter som behöver träna upp sin fettoxidation för att kunna förbränna fett även under längre perioder, och att det är stor skillnad mellan dessa och gemene man.
– Det hade varit intressant ur ett folkhälsoperspektiv att se om även vanliga personer kan träna upp fettoxidationen, till exempel vid störningar i ämnesomsättningen, säger Ulrika Andersson Hall, som ser stor utvecklingspotential inom forskningen i användningen av NMR-centrum framöver.

Lars Nordstierna är också något av en ambassadör för NMR-spektroskopi, och sprider gärna informationen om de olika användningsområdena inom NMR till andra, både inom det egna lärosätet och som representant i styrgruppen för Svenskt NMR-centrum.
– Jag tycker att man har ett ansvar när man är kunnig på en teknik att informera om dess möjligheter till andra forskare. Genom att diskutera med andra så kan man även själv utvecklas och komma på nya möjligheter.