Nya svindlande perspektiv – livet in i minsta molekyl med frielektronlaser
Att kunna studera hur ett levande DNA ändrar form i den växelverkan med andra molekyler som är livets ständigt pågående skapelseprocess, det skulle kunna bli möjligt med en ny röntgenteknologi med frielektronlaser. Janos Hajdu, professor i biokemi vid Uppsala universitet, kommer med Vetenskapsrådets särskilda stöd att genomföra de första experimenten vid en nybyggd försöksanläggning.
Med de röntgenmetoder som nu finns tillgängliga har man lyckats identifiera strukturen hos ett stort antal biomolekylkomplex. En av svårigheterna är emellertid att röntgenpulsen joniserar molekylerna och spränger dem innan man hinner få en tillförlitlig bild av hur de ser ut. Ett sätt att bemästra svårigheten är att studera biomolekylerna i kristallin form, varvid man erhåller ett medelvärde av ett stort antal molekyler. Med röntgenkristallografi, som denna teknik kallas, har Janos Hajdu och hans forskargrupp presenterat flera uppmärksammade studier av molekylstrukturer och komplex av molekyler. Men teknikens krav på att kunna kristallisera makromolekylen ifråga innebär att man endast kan studera det begränsade antal makromolekyler som kan förmås att kristallisera. Det utesluter det stora flertalet makromolekyler, särskilt de medicinskt mycket viktiga membranproteinerna.
För att komma förbi den gräns som kristallografin sätter, och samtidigt undvika strålskador på de studerade molekylkomplexen, har man valt att satsa på en ny typ av strålkälla, en så kallad frielektronlaser (Free Electron Laser, FEL) som koncentrerar röntgenpulsen till en intensitet miljontals gånger högre än nuvarande röntgenkällor – i fotoner per puls räknat. Man räknar med att pulserna ska kunna göras så korta som några få femtosekunder, alltså miljondelar av en miljarddels sekund och att man kan komma ner i våglängder i nanoskala, alltså miljarddels millimeter.
Två sådana lasrar byggs nu till en sammanlagd kostnad av cirka 5 miljarder kronor, den ena i Hamburg i Tyskland och den andra vid Stanford i Kalifornien. Användningsområdena är många men det är sannolikt biologin som kommer att dra den största nyttan. Janos Hajdu och hans kollegor David van der Spoel, Richard Neutze, Beata Ziaja, Remco Wouts och Gösta Huldt, har genom datorsimulering fått fram utseendet på bland annat ett enskilt enzym och ett virus som de kan tänkas se ut med den höga upplösning som frielektronlasern ger.
– Vi kommer förbi kristallografins begränsningar och vi kan anpassa strålpulsen till de molekyler vi studerar, säger Janos Hajdu. Tekniken bör göra det möjligt att studera några få molekyler åt gången, kanske blir det möjligt att studera enstaka makromolekyler, exempelvis enskilda viruspartiklar i arbete.
Svensk forskning på det här området är internationellt sett i den absoluta fronten och ‘en juvel i den svenska vetenskapens krona’ skriver den internationella granskningsgrupp som 1999 utvärderade svensk strukturbiologisk forskning. Janos Hajdu är en av de forskare som får högsta betyg i utvärderingen. Han har på kort tid byggt upp en forskargrupp med internationellt rykte vid Uppsala universitet och har deltagit i planeringsarbetet för båda de frileketronlasrar som nu är under uppbyggnad. Janos Hajdu har inbjudits att redan under nästa år vara med och genomföra de första sonderande experimenten med frielektronlasern vid Stanford. Vetenskapsrådet ger Janos Hajdus forskning högsta prioritet och 10,4 miljoner för att genomföra projektet. ‘Implikationerna är närmast svindlande’ skriver Vetenskaps-rådet i sin bedömning.
– Det är oerhört många spännande frågor som kan besvaras om frielektronlasern håller vad den lovar, säger Janos Hajdu, och tanken svindlar vid den nya värld som öppnar sig med helt nya frågeställningar.
För ytterligare information, kontakta professor Janos Hajdu, telefon 018-471 44 49, e-post Janos.Hajdu@xray.bmc.uu.se
Se också Naturvetenskapliga forskningsrådet, International Evaluation of Structural Biology, December 1999 och Navroz Patel, Shorter, brighter, better, Nature 10 January 2002.
