Wallenberg Scholars

Han filmar i molekylernas värld

När fotografer omvandlade sekvenser av stillbilder till film fick det stort genomslag. Nu vill Richard Neutze göra samma sak – men på molekylnivå. Målet är att skapa filmer av de molekyler som styr och kontrollerar våra kroppar; av proteiners rörelser i celler. Kameran består av röntgenpulser som varar i tio miljondelar av en miljondels sekund.

Richard Neutze visar upp en serie bilder av en häst som galopperar, tagna av pionjärfotografen Muybridge. 1872 hjälpte han den amerikanske affärsmannen Leland Stanford med en numera berömd frågeställning: släpper en häst alla hovar från marken någon gång under galoppsprånget?

Muybridge satte upp kameror i en lång rad efter en galoppbana och riggade en utlösningsanordning som gjorde att varje kamera tog en bild precis när hästen sprang förbi. När sekvensen av bilder sattes ihop, blev det till en film. Hästen flyger otvetydigt mitt i språnget.

Richard Neutzes mål är att göra samma sak; att använda en stillbildsteknik för att göra film. Experimenten sker på samma marker som Muybridges häst galopperade på: några kilometer utanför Stanford University, grundat av Leland Stanford, i Kalifornien.

− Stanford sponsrade Muybridge att göra detta, och nu har Stanforduniversitetet byggd den första fria elektronlasern, säger Richard Neutze, som är professor i biokemi vid Göteborgs universitet.

En tre kilometer lång kamera

Den fria elektronlasern, kallad Linic Coherent Light Source, är den kamera som Richard Neutze använder. När den blev färdig år 2009, var den världsunik. Den består av en tre kilometer lång tunnel där forskare accelererar elektroner, som slutligen omvandlas till en röntgenlaserstråle av extremt hög energi. Med hjälp av denna laser hoppas Richard Neutze kunna följa proteiners rörelser.

− Våra kroppar styrs av det som sker på molekylnivå och vi vill förstå hur det fungerar, säger han.

Forskare har länge använt röntgenstrålar för att ta stillbilder av proteiner. De skickar röntgenstrålarna genom kristaller av proteiner. Inuti kristallerna ligger proteinerna packad i regelbundna mönster, som vatten i en iskristall eller kol i en diamant. När röntgenstrålarna går genom kristallen träffar de proteinerna och sprids.

Utifrån mönstret på spridningen kan forskare ta fram en tredimensionell bild av exakt hur proteinet ser ut på atomnivå. Det häftiga med frielektronlasern är att den lyser med strålar som är över en miljard gånger kraftigare än de röntgenstrålar forskare hittills har haft tillgång till.

− Tidigare har vi gått med en rullator, men nu kan vi färdas med ljusets hastighet, säger Richard Neutze.

Motivet exploderar – men bilden finns kvar

Strålen är så stark att den spränger sönder själva proteinkristallerna. Detta sker inom loppet av mindre än en pikosekund. Därför borde den egentligen inte gå att använda. Men år 2000, när Richard Neutze tillsammans med sin dåvarande mentor, Janos Hajdu vid Uppsala universitet, började drömma om att avbilda proteiner med laserröntgen, räknade de ut att om pulsen var riktigt kort, några femtosekunder (en miljondel av en miljarddels sekund) skulle de hinna fånga en bild av kristallen innan den exploderade.

När frielektronlasern 2009 stod klar kunde Richard Neutze och Janos Hajdu äntligen pröva sina idéer i praktiken. Tanken visade sig snabbt vara riktig. Det går att ta bilder av proteiner och den kraftiga strålen ger en stor fördel: proteinkristallerna (som ofta är svåra att få fram) kan vara upp emot en miljon gånger mindre än tidigare.

− Vi kan fokusera den 132 meter långa laserstrålen mot ett objekt som är ner mot 100 nanometer stort. Den här tekniken är absolut häpnadsväckande, säger Richard Neutze.

Hans forskargrupp har redan utnyttjat detta. De lyckades ta fram en bild av ett protein som är inblandat i afrikansk sömnsjuka. Kristallerna var enormt små och hade aldrig gått att analysera med traditionell teknik.

− Det här var första gången som vi lärde oss något nytt från femtosekundskristallografi. Tidskriften Science plockade upp detta och utsåg det till ett av tio vetenskapliga genombrott under 2012, säger Richard Neutze.

Vill filma ett protein som fångar ljus

Nästa steg är att få fram en film. Denna gång av ett protein som fångar upp ljus och som är inblandat i bakteriers fotosyntes. De minimala kristallerna sprayas in i femtolasern. Men i luften, precis innan de träffas av lasern, skjuter forskarna på proteinkristallerna med en annan laser. När fotosyntesproteinet träffas av laserljuset kommer det att aktiveras, precis som det gör i naturen. Det uppstår en rörelse som fångas på bild när kristallen i nästa pikosekund far in femtolasern.

Genom att ändra tidsintervallet mellan laserstrålarna kan forskarna fånga olika ögonblick av proteinets rörelse, på samma vis som Muybridge fångade olika ögonblick av hästens galopp.

"Det är väldigt sällan man får en sådan möjlighet som det innebär att bli utsedd till Wallenberg Scholar. Vi kan bland annat modernisera vårt labb och använda de senaste teknikerna istället för metoder som är ett decennium gamla. Därmed kan vi också ta ett kliv upp och bli mer konkurrenskraftiga i vår forskning."

Samtidigt som Neutzes tankar liknar Muybrides, finns det stora skillnader. Muybridge tog runt 15 bilder med sina kameror. Richard Neutze matar in tiotusentals kristaller i femtosekundslasern. De vänder och vrider sig i luften och han får bilder från alla olika håll och kanter.
Ett enda experiment leder till hundratusentals bilder som, processade av en dator, ger en film som har något som Muybridges film inte hade: den är tredimensionell.

Text Ann Fernholm
Bild Magnus Bergström