Projektanslag

Bättre modeller lägger grunden för material och mediciner

Hur atomer och proteiner kopplar ihop sig är viktigt, fast svårt att studera. De är ju så små. Men om man har något större som beter sig ungefär likadant, kan det fungera som en modell och ge både kunskap och möjligheter till experiment. Forskare i Lund ska ta en halvbra modell och göra den mycket bättre. Resultatet kan bli självbyggande material, och effektivare läkemedel.

Kolloider är små partiklar, från några nanometer till någon mikrometer i diameter. De rör sig fritt i en gas eller vätska utan att klumpa ihop sig eller sjunka, och de finns på många platser i både naturen och industrin. Några exempel är mjölk, där proteiner formar kolloider, och färger där pigmentet utgör kolloider utspridda i lösningsmedlet.

Kolloider har alltså stor praktisk betydelse. Men i många år har forskare dessutom använt dem som en modell, för atomer och proteiner. Man har studerat kolloidernas rörelser och hur de påverkar varandra, och dragit slutsatser om hur mindre partiklar beter sig, till exempel i kristaller.

 – Många viktiga material kristalliseras när de går från flytande till fast form. Stål och vatten är två exempel. Det är väldigt intressant att veta hur den processen går till, men extremt svårt att visualisera atomer och molekyler. Kolloider däremot syns i mikroskop. Om de är bra modeller för den atom du vill studera så kan du istället iaktta dem, hur de rör sig vid kristalliseringen, säger Peter Schurtenberger, professor i fysikalisk kemi vid Lunds universitet.

Modellen fungerar inte alltid

Är kolloiderna bra modeller då? Både ja och nej. De har lärt forskarna en hel del om bland annat fönsterglas, ett material som är fast och ändå har vissa egenskaper gemensamt med vätskor. Men för många processer räcker kolloiderna inte alls till. Kolloider är i allmänhet sfäriska, formade som små bollar. Men molekyler är inte runda som bollar, utan har ofta olika ändar med olika form. Både molekyler och proteiner kan dessutom ha elektrisk laddning ojämnt fördelad i sig, och ha fästpunkter som är viktiga när de växelverkar med omvärlden. Kolloiderna speglar inget av allt detta. Det vill Peter Schurtenberger och hans kollegor ändra på.

Oregelbundenhet ger andra egenskaper

I ett forskningsprojekt med anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse ska de analysera vilka egenskaper hos atomer, molekyler och proteiner som spelar roll för deras växelverkan med omvärlden. Anisotropi kallas det när ett material har olika fysikaliska egenskaper i olika riktningar, och det är det som forskarna i Lund ska fördjupa sig i.

– Vad är effekten när vi går från något som ser ut som en biljardboll, till något som istället har ”klibbiga fläckar” på sig? Hur påverkar det exempelvis ett proteins rörelse i en cell, eller hur partiklar rör sig genom ett cellmembran?

Transporter över cellmembran är centrala i många av kroppens processer, och avgörande för hur exempelvis läkemedel fungerar. I dag är de molekyler som bär läkemedel oftast sfäriska, men kanske skulle anisotropi, alltså oregelbundna former, göra att läkemedlet tränger in mer effektivt. Lundaforskarna ska experimentera med konstgjorda kolloider och undersöka hur de beter sig när de möter ett cellmembran. På så vis vill de lista ut om det vore bättre att utforma läkemedelspartiklar till exempel som ellipsoider, eller som röda blodkroppar; runda, platta, och tjockare i ytterkant än på mitten.

Specialdesignade kolloider i forskningens framkant

Allra först bygger forskarna modellsystem, både i verkligheten och i datorer, för att förstå vilka egenskaper som är viktiga.

– Se på de molekyler som bygger upp kapseln till ett virus. De är underbara. Väldesignade, komplexa – och de bygger ihop sig själva! Vi forskare kan inte få ett material att tillverka sig självt bara genom att hälla saker i ett provrör. I det här projektet vill vi försöka förstå precis vad som krävs på atom- och molekylnivå för att ett material ska bete sig så, säger Peter Schurtenberger.

I nästa steg kommer de att försöka designa kolloider som verkligen ser ut som atomer och molekyler. I labbet går det att påverka kolloidernas storlek, göra så att de reagerar på exempelvis temperatur eller salthalt, växer och krymper, kollapsar och sväller. Det är möjligt att tillverka magnetiska kolloider i nanoskala, vars riktning påverkas av andra partiklars riktning, precis som när laddade proteiner och molekyler möts.

I projektet förenas många olika kunskapsområden. Biofysikaliska kemister som arbetar med proteiner och membran, kolloidexperter och teoretiker som är skickliga på simuleringar. Arbetet är indelat i flera olika underprojekt, och Peter Schurtenberger betonar att inget av dem hade varit möjligt att genomföra för en enskild forskargrupp.

– Alla projekten ligger på gränsen av vad som är möjligt att göra i dag. De är verkligen vid forskningens frontlinje, allihop. Jag är fast övertygad om att den nya kunskapen, och de komplexa kolloider vi skapar, kommer att lägga grunden för mer intressanta och värdefulla material i framtiden, säger Peter Schurtenberger.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström