Nobelpriset i kemi 2014

Genom samverkan mellan fluorescerande molekyler och smart teknik har dessa forskare gjort det möjligt att med hjälp av optisk mikroskopi studera levande materia och celler med en lika hög upplösning som tidigare endast var möjlig med elektronmikroskopi. När den optiska mikroskopin utvecklades en gång i tiden, gav den mänskligheten för första gången möjligheten att få en inblick i de byggstenar som bygger upp vår omvärld, men som är för små för att kunna ses med blotta ögat. Man insåg dock snart att det fanns en tydlig gräns för hur små detaljer som kunde urskiljas. Ernst Abbe formulerade 1873 i en ekvation som beskriver denna begränsning. Den relaterar upplösningen med vågläng-den på det använda ljuset. Då synligt ljus används är de minsta detaljerna som kan särskiljas 0,2 mikro-meter ifrån varandra. I över 120 år har denna ekvation ansetts vara en sanning som är huggen i sten, men årets Nobelpristagare i kemi har lyckats bryta denna lag med hjälp av fluorescens och smart teknologi.

 

ÅRETS NOBELPRIS I kemi tilldelas Eric Betzig, Stefan Hell och William Moerner för deras arbete med att komma runt denna optiska begränsning. Det är två principer som utvecklats parallellt som belönas. Stefan Hell belönas för upptäckten av principen för STED (stimulated emission depletion), som motsvarar ”utsläckning genom stimulerad emission”. Hell presenterade STED för första gången år 2000. Tekniken baseras på så kallad laserscanningsfluorescensmikroskopi, där en laserstråle fokuseras i ett mikroskop och som sveper över provet för att successivt bygga upp bilden. Även i STED exciteras fluoroforer i provet med en laser som sveper, men ytterligare en laserstråle som är ringformad används för att stimulera emission – det vill säga släcka ut – en större del av fluorescensen, förutom de i ett ytterst litet område. De utsläckta fluoroforerna kommer inte att bidra till bilden, utan endast det ljus från det avgränsade området registreras. Genom att ändra intensiteten på den ringformade lasern kan storleken på det avgränsade området kontrolleras, vilket ger nanometerupplösning. Bilden byggs upp nanometer för nanometer genom att svepa över provet. På detta sätt kan en bild med högre upplösning än den som Abbe förutsåg byggas upp.

 

DEN ANDRA principen för nanoskopi baseras på möjligheten att kunna detektera enskilda fluoroforer. Grunden lades av William Moerner 1989, då han som första forskaren i världen påvisade ljusabsoroption från enskilda molekyler. Moerners fortsatta forskning visade även att flourescensen från en variant av fluoresande protein, så kallad GFP (green flourescent protein) kan slås av och på. Inspirerad av Moerners forskning utvecklade Eric Betzig PALM-tekniken (Photoactivated Localization Microscopy). PALM bygger på så kallad fotoaktiverad lokalisationsmikroskopi. Genom att endast ett fåtal, glest utspridda, fluorescerande molekyler aktiveras med en ljuspuls kan dessa registreras en och en. Men istället för att avbilda fluorescensen regist-reras fluoroforernas placering som kan bestämmas med hög noggrannhet. Genom att upprepa denna process ett flertal gånger och tända olika molekyler bild för bild, kan en sammanlagd högupplöst bild byggas upp. PALM demonstrerades av Betzig för första gången 2006.

 

ÄVEN OM genombrotten i detta fält är relativt nya, har redan ett flertal varianter och liknande tekniker utvecklats. De tre pristagarna är även fortsatt aktiva forskare. Hell har bland annat tillämpat STED för att studera levande nervceller för att bättre förstå hjärnans synapser. Moerner har undersökt proteiner som är inblandade i Huntingtons sjukdom, och Betzig har följt hur celler delar sig i embryon, för att ge några exempel.

VID GÖTEBORGS universitet pågår forskning både vad det gäller utveckling av snarlika laserskanningstekniker, samt tillämpningar av nanoskopi. Inom gruppen för Biomedicinsk fotonik pågår vidareutveckling av laserskanningsmikroskopi baserad på multifotonexcitation för att kunna studera biologisk vävnad på ett icke-invasivt sätt. Här är inte fokus att öka upplösningen, utan snarare att kunna avbilda djupare in i levande system för att kunna följa processer och läkemedel i vävnad. Forskningen har till exempel stor betydelse för de pågående aktiviteterna inom centrum för hudforskning (SkinResQU) där vi försöker förstå molekylära processer involverade i hudcancer, allergi och läkemedel-administration i huden. På Sahlgrenska akademin finns tillgång till ett nyligen installerat ”nanoskop” baserad på PALM vid en öppen infrastrukturfacilitet ”Center for Cellular imaging”. Här tillämpas således nanoskopi på flera forskningsprojekt främst inriktade mot medicin, men faciliteten är öppen för alla.

Johan Borglin, doktorand
Biomedicinsk fotonik, Institutionen för kemi och molekylärbiologi, Göteborgs universitet

Marica Ericson, docent
Biomedicinsk fotonik, Institutionen för kemi och molekylärbiologi, Göteborgs universitet