Minimal kanal visar genväg mot ny medicin

För att utveckla nya läkemedel och vaccin krävs ingående kunskap om naturens allra minsta biologiska byggstenar – biomolekylerna. Nu presenterar forskare vid Chalmers en banbrytande mikroskopiteknik som gör det möjligt att studera proteiner, DNA och andra små biologiska partiklar i deras naturliga tillstånd på ett helt nytt sätt.

När läkemedel och vaccin ska utvecklas krävs mycket tid och pengar. Därför är det avgörande att kunna effektivisera det arbetet genom att studera hur till exempel enstaka proteiner beter sig och samverkar med varandra. Den nya mikroskopimetoden från Chalmers kan göra det möjligt att hitta de mest lovande kandidaterna i ett tidigare skede. Tekniken har också potential att användas för att utforska hur celler kommunicerar med varandra genom utsöndring av molekyler och andra biologiska nanopartiklar. Dessa processerspelar en viktig roll i, till exempel, vårt immunförsvar.

Avslöjar sin silhuett
Biomolekyler är lika små som svårfångade och livsviktiga eftersom de är byggstenarna för allt liv. För att få dem att avslöja sina hemligheter med hjälp av optisk mikroskopi behöver forskarna idag antingen märka dem med en självlysande etikett eller sätta fast dem på en yta.

– Med dagens metoder kan du aldrig vara helt säker på att märkningen eller ytan som molekylen fästs på inte påverkar din molekyls egenskaper. Med hjälp av vår teknik, som inte kräver något av detta, visar den upp sin helt naturliga silhuett, eller optiska signatur, vilket gör att vi kan analysera molekylen precis som den är, säger forskningsledaren Christoph Langhammer, professor vid institutionen för fysik på Chalmers. Han har arbetat fram den nya metoden tillsammans med forskarkollegor inom både fysik och biologi på Chalmers och Göteborgs universitet.

Den unika mikroskopimetoden bygger på att de molekyler eller partiklar som forskarna vill studera placeras i ett chip som innehåller små rör i nanostorlek, så kallade nanokanaler. En provvätska tillsätts i chippet som sedan belyses med synligt ljus. Den växelverkan som då uppstår mellan ljuset, molekylen och de små vätskefyllda kanalerna gör att molekylen inuti framträder som en mörk skugga och går att se på skärmen som är kopplad till mikroskopet. Genom att studera den kan forskarna också avgöra biomolekylens massa och vikt, samt få indirekt information om molekylens form – vilket inte varit möjligt att göra med en och samma teknik tidigare.

Uppmärksammad innovation
Den nya tekniken, Nanofluidic Scattering Microscopy, presenterades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nature Methods. Framsteget har också uppmärksammats av Kungliga Ingenjörsvetenskapsakademien i Sverige, som varje år listar ett antal forskningsprojekt med potential att förändra världen och göra faktisk nytta. Innovationen har också tagit klivet ut i samhället genom startupföretaget Envue Technologies, som vunnit priset ”Game changer” i årets Venture Cup-tävling i Västsverige.

– Vår metod effektiviserar arbetet, till exempel när man behöver studera innehållet i ett prov, men inte vet på förhand vad det innehåller och vad man därmed behöver märka upp, säger forskaren Barbora Špačková, som under sin tid på Chalmers tog fram de beräkningar som ligger till grund för den nya metoden, och även genomförde den första experimentella studien med tekniken. 

Nu arbetar forskarna vidare för att optimera nanokanalernas design för att kunna hitta ännu mindre molekyler och partiklar, sådana som idag ännu inte går att se. 

– Målet är att ytterligare vässa vår teknik så att den kan hjälpa till att öka vår grundläggande förståelse om hur liv fungerar, och att bidra till utvecklingen av nästa generations läkemedel, säger Christoph Langhammer.

Så här fungerar tekniken

• De biomolekyler eller partiklar som forskarna vill studera placeras i ett chip, i vilket det finns små rör i nanostorlek – nanokanaler – som man fyller med provvätska.
• Chippet fästs i ett specialanpassat optiskt mörkfältsmikroskop och belyses med synligt ljus.
• På den skärm som visar vad man ser i mikroskopet, framträder molekylen som en mörk skugga medan den rör sig fritt inuti nanokanalen. Detta beror på att ljuset växelverkar med både kanalen och biomolekylen. Den interferenseffekt som då uppstår förstärker kraftigt molekylens optiska signatur genom att försvaga ljuset vid just den position där molekylen befinner sig.
• Ju mindre nanokanalen är, desto större blir förstärkningseffekten och desto mindre molekyler kan man se. Med tekniken är det idag möjligt att analysera biomolekyler från cirka 60 kilodalton molekylärvikt och uppåt.
• Det är även möjligt att studera större biologiska partiklar, såsom extracellulära vesiklar och lipoproteiner, samt oorganiska nanopartiklar.

Bildtext: Ny mikroskopimetod. De biomolekyler forskarna vill studera placeras i ett chip bestående av små rör i nanostorlek – nanokanaler. Chippet tillförs provvätska, fästs i ett optiskt mörkfältsmikroskop och belyses med synligt ljus. På en skärm kopplad till mikroskopet framträder molekylen som en mörk skugga medan den rör sig fritt inuti kanalen. Molekylens massa är proportionerlig med hur mörk skuggan är. Detta är resultatet av en interferenseffekt i ljusets växelverkan med nanokanalen och molekylen.

Foto: Envue Technology | Maja Saaranen 
Illustration: Chalmers tekniska högskola | Yen Strandqvist och Daniel Spacek, Neuron Collective

Video: Se en film från mikroskopet, som visar en biomolekyl inuti en nanokanal. Den visar sig som en mörk skugga och studeras på en skärm kopplad till mikroskopet. Genom att studera den kan forskarna inte bara se den utan också utläsa dess massa och vikt och få direkt information om dess form – något som inte varit möjligt tidigare med en enskild teknik. 

Mer om den vetenskapliga artikeln och forskningen

• Artikeln Label-Free Nanofluidic Scattering Microscopy of Size and Mass of Single Diffusing Molecules and Nanoparticleshar publicerats i Nature Methods, och är skriven av Barbora Špačková, Henrik Klein Moberg, Joachim Fritzsche, Johan Tenghamn, Gustaf Sjösten, Hana Šípová-Jungová, David Albinsson, Quentin Lubart, Daniel van Leeuwen, Fredrik Westerlund, Daniel Midtvedt, Elin K. Esbjörner, Mikael Käll, Giovanni Volpe och Christoph Langhammer.
• Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola och Göteborgs universitet. Barbora Špačková startar nu en egen forskargrupp vid Tjeckiska vetenskapsakademien i Prag.
• Forskningen har huvudsakligen finansierats av Stiftelsen för Strategisk Forskning, samt av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Delar av forskningen har skett på Chalmers Nanofabrication Laboratory vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap och under paraplyet för Chalmers Excellensinitiativ Nano.

För mer information, kontakta

Christoph Langhammer, professor, institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola
031 772 33 31, clangham@chalmers.se

Mia Halleröd Palmgren
Presskommunikatör
031-772 3252
mia.hallerodpalmgren@chalmers.se

________________

Chalmers tekniska högskola i Göteborg forskar och utbildar inom teknik och naturvetenskap på hög internationell nivå. Universitetet har 3 100 anställda, 10 000 studenter och utbildar ingenjörer, arkitekter och sjöbefäl.

Med vetenskaplig excellens som grund utvecklar Chalmers kompetens och tekniska lösningar för en hållbar värld. Genom globalt engagemang och entreprenörsanda skapar vi innovationskraft, i nära samarbete med övriga samhället. EU:s största forskningsinitiativ – Graphene Flagship – leds av Chalmers, liksom bygget av en svensk kvantdator.

Chalmers grundades 1829 och har än idag samma motto: Avancez – framåt.

---

Det är tillåtet att ladda ner, sprida och använda bifogade bilder och illustrationer, om inget annat anges, för publiceringar i samband med Chalmers pressmeddelanden så länge Chalmers och fotograf/illustratör står med som upphovsperson där möjlighet ges. Det är tillåtet att beskära och justera i materialet för att anpassa format för publikation men det är ej tillåtet att omarbeta originalet på ett sådant sätt att det ändrar den ursprungliga innebörden. Materialet är avsett att användas i redaktionellt syfte. Kommersiell användning, som del i marknadsföring av varor och tjänster, är inte tillåten.

Vi vill att Chalmers och våra fotografer och illustratörer namnges i samband med publicering där det är möjligt enligt följande modell:

• Foto: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn
• Grafik/Illustration: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn