Högtryck i levande DNA-kanon
Alla vet att en virusinfektion kan ha ett ytterst snabbt förlopp men sanningen är ännu mer dramatisk – processen är bokstavligen talat explosiv. För i virusets inre råder ett tryck på 40 atmosfärer som bara väntar på ett tillfälle till urladdning. Viruset är som en levande DNA-kanon och hur kanonen fungerar har klarlagts av dr Alex Evilevitch på Avdelningen för biokemi vid Lunds universitet – kunskap som kan bli tillämpbar inom genterapi, läkemedelsutveckling, nanoteknik och behandling av infektioner.
Det handlar om en ny typ av virusforskning som mera bygger på fysik än på biokemi; kanske kan man kalla den för virusbiofysik. Alex Evilevitch doktorerade i Lund i fysikalisk kemi och har arbetat några år vid UCLA, University of California i Los Angeles.
– Där träffade jag professor William Gelbart som på teoretiska grunder förutsagt att trycket i en bakteriofag – virus som infekterar bakterier – borde vara 40 atmosfärer, berättar Alex Evilevitch. Det motsvarar ungefär trycket på 400 meters havsdjup. Det är tjugo gånger mer än trycket i ett bildäck och tio gånger mer än trycket i en oöppnad champangebutelj. Jag kunde med mätningar bekräfta att professor Gelbarts förutsägelse var riktig.
Evilevitchs forskning har väckt stor uppmärksamhet och ledde till att han 2003 fick ett pris för årets bästa forskning vid UCLA och 2004 ett Chancellor´s Award vid samma universitet; i listan av forskare som fått det sistnämnda priset finns flera forskare som senare blev nobelpristagare. Men trots att “virusbiofysiken” är ett hett forskningsområde i USA valde Evilevitch att återvända till Europa där ännu ett fåtal forskar inom det.
– Det har visat sig att Lunds universitet har unik utrustning för den här forskningen, säger Alex Evilevitch. Vid Nationellt Centrum för Högupplösande Elektronmikroskopi finns ett heliumkylt elektronmikroskop. Kylningen gör det möjligt att även undersöka känsligt biologiskt material. Det finns några få sådana elektronmikroskop i hela världen, och jag har haft förmånen att kunna arbeta med det under de första månaderna som det använts reguljärt inom forskningen. Just nu håller vi på att bygga upp en forskagrupp i virusbiofysik.
Det virus som infekterar celler hos växter, djur och människor tränger in i sin helhet i cellen och arbetar inne i denna. Men bakteriofagerna är virus som angriper bakterier och som gör det från utsidan. Bakteriofagen ser ut som en 20-sidig fotboll med en svans eller om man så vill injektionsnål. Den är bara ca 60 nanometer (en nanometer = en miljondels millimeter). Men dess DNA, dess arvsmassa, är en sträng som är ca 17 000 nanometer lång! För att den ska kunnas rymmas i en så liten kropp måste den packas hårt. Dessutom har DNA:et en negativ elektrisk laddning och därför söker de hopknycklade strängarna att repellera varandra.
När bakteriofagen kommer i kontakt med en viss typ av receptor på bakteriecellens yta öppnas en kanal i svansen och med våldsam kraft rusar dess DNA in i cellen. Därinne mångfaldigas detta DNA en miljon gånger eller mer; samtidigt bildas också proteinskal till nya viruspartiklar. Det finns en särskild molekylär motor som likt en skruv i sina gängor roterar och pressar in DNA i skalet bit för bit och under stigande tryck. Det är den kraftfullaste molekylära motor man känner.
Alex Evilevitch har fortsatt att publicera forskningsresultat sedan han återvänt till Lund. Det senaste (i Biophysical Journal, Januari 2005) är mätningar av längden på de DNA-strängar som skjuts in i bakterien. En viktig slutsats av den studien är att det enbart är en mekanisk kraft, inte en kemisk eller biologisk process, som verkar när virus-DNA:et avfyras.
Just nu utvecklar Evilevitch metoder för att påverka den mekaniska packningskraften så att mera DNA kan packas i viruskapseln.
– En metod som i dag används om man vill klona en gensekvens är att klippa in denna i bakteriofag-DNA, berättar Alex Evilevitch. Sedan den molekylära motorn arbetat in detta DNA i viruskapseln får viruset infektera en bakteriekultur. Denna kommer i sin tur att producera miljontals kopior av det främmande DNA:et. Denna teknik begränsas av att det bara är korta bitar som ryms i kapseln. Om det går att påverka kraften som behövs för att packa DNA skulle ännu längre DNA-strängar kunna pressas in. Det skulle kunna vara ett betydelsefullt tekniskt framsteg som kunde gagna framtida genterapi, kloning och den molekylära biologins utveckling i sin helhet.
Andra ideer som cirkulerar på detta nya vetenskapliga fält är att använda bakteriofager som levande injektionsnålar för att injicera läkemedel i celler. Bakteriofagernas proteinhöljen som är så starka att de kan stå emot det inre trycket intresserar också vissa forskare. Inom nanotekniken söker man efter lämpliga förpackningar för koltuber och andra nanometersmå strukturer. Proteinskalen ger kanske nyckeln till hur så sega förpackningar kan konstrueras. Det också tänkbart att man skulle kunna sätta in bakteriofager mot antibiotikaresistenta bakteriestammar. I Georgien har man använt bakteriofager för att behandla sårinfektioner och i USA pågår försök att skapa säkrare livsmedel genom att kontrollera bakteriella processer med bakteriofager.
Kontaktinformation
För ytterligare information nås Alex Evilevitch på tel 046-222 32 91 eller via e-post Alex.Evilevitch@biokem.lu.se
