Wallenberg Scholars

Han kastar nytt ljus över biologiska processer

Med hjälp av ljus studerar Mikael Käll biologiska processer på nanonivå. Vi talar om dimensioner som är så små att de är svåra att föreställa sig. För att det överhuvudtaget ska vara möjligt använder han sig av optiska antenner bestående av guld- eller silverpartiklar som kan fokusera, förstärka och rikta ljusvågor.

Mikael Käll, professor i fysik på Chalmers, forskar inom ett område som kallas bionanofotonik. Det är ett tvärvetenskapligt forskningsområde som grundar sig på biologi, nanovetenskap och optiska tekniker och som omfattar metoder för att med hjälp av ljus avbilda, spåra och påverka biologiskt material på en skala som är mycket mindre än ljusets våglängd.

– Jag leder redan ett forskningsprojekt om optiska antenner som fått projektanslag av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Som Wallenberg Scholar ska jag med antennerna som verktyg främst fokusera på biologiska molekyler, berättar Mikael Käll.

Antennerna är mikroskopiskt små även om de inte är riktigt lika små som molekylerna – men nästan – det ryms i runda slängar 1 000 miljarder antenner i ett knappnålshuvud.

”Det är verkligen en ynnest att få ett anslag som är så stort, fritt och långsiktigt att det faktiskt är möjligt att testa något verkligt nytt utan att känna pressen på att leverera kortsiktiga resultat.”

Bytte forskningsinriktning

Viljan att förstå hur världen är beskaffad gjorde att Mikael Käll redan innan han började gymnasiet var inställd på att bli forskare.

Under sin doktorandtid undersökte han högtemperatursupraledare med hjälp av Raman-spektroskopi, som är en metod för att studera atomära vibrationer, men under sina postdokstudier tröttnade han på att hålla sig inom fysikens ramar.

– Jag ville prova på något nytt. Så när jag kom tillbaka till Göteborg läste jag biologi på deltid. Under studietiden kom jag i kontakt med ytförstärkt Ramanspridning, som handlar om att använda metallnanopartiklar för att förstärka Raman-signalen från molekyler som fäst på metallytan. Jag och mina medarbetare visade att man kunde använda nanopartiklarna som extremt effektiva optiska antenner, så effektiva att man kan mäta Ramanspektra från enstaka proteinmolekyler.

Parallellt med biologistudierna startade Käll också ett forskningsprojekt om optisk mikroskopi på celler.

– Förutom den biologiska anknytningen var det roligt att kunna kombinera experiment med teori och även se möjligheten till applikationer, menar Mikael Käll.

Avslöjande färg

Nyckelorden för Mikael Källs nuvarande forskning är optiska antenner och plasmoner.
En plasmon är det resonansfenomen i metallnanopartikeln som, när den suger åt sig energin hos infallande ljus, möjliggör antenneffekten som utnyttjas i till exempel ytförstärkt Raman-spridning.

– Olika partiklar, eller partikelkombinationer, ger olika antennresonanser vid olika ljusvåglängder som resulterar i en egen färg, förklarar Mikael Käll.

Eftersom partikeln är själva resonanslådan beror dess färg på hur många elektroner som finns inne i partikeln, men också formen och storleken och om någonting, till exempel en molekyl, har fastnat på partikeln påverkar.

För synligt ljus har det visat sig att antenner av guld och silverpartiklar passar allra bäst. Mikael Käll använder sedan ljus för att skaka om partiklarna så att det uppstår egensvängning.

– I Ramanspridningsfallet kommer ljuset vi skickar in mot molekylen som fäst vid nanopartikeln ut med en annan våglängd, så kallad inelastisk ljusspridning. När ljusets färg matchar partikelns färg sprids ljuset extra bra. Metoden fungerar som ett slags fingeravtryck för molekyler, förklarar Mikael Käll.

Genom att forskarna också kan mäta exakt hur partiklarnas färg ändras när en molekyl fäster till ytan kan partiklarna användas som sensorer för biomolekyler för att till exempel hitta olika sjukdomsmarkörer.

– Ett delprojekt är att göra antennstrukturer för att studera enstaka biologiska nanoobjekt, som protein och viruspartiklar, var för sig i realtid. Det skulle kunna öka kunskapen om olika biofysikaliska processer.

Fågelskådning och forskningspolitik

Mikael Käll är en av Chalmers mest citerade forskare. Han erkänner att det innebär en viss press.

– Samtidigt kan man känna att man inte behöver bevisa så mycket mer. Man kan ha olika drivkrafter under sin karriär.

Han berättar att vid sidan om sin forskning och undervisning har han också ett stort intresse för forskningspolitik.

– Jag skulle vilja bidra till att förstärka förutsättningarna för att Sverige åter ska ligga i toppen. Hur man organiserar och finansierar forskning är grundläggande för de resultat man får.

En parallell tråd, vid sidan om forskningen, i Mikaels liv är intresset för fågelskådning och ornitologi.

– Jag blev en hängiven fågelskådare redan som barn. Jag reser mycket utomlands och varje år försöker jag vara reseledare för minst en resa. Under nyår gick den till Tanzania, berättar han.

Mikael Käll sysslar framförallt med grundforskning som andra, i nästa fas, kan föra vidare till produkter och tillämpningar. Framtida möjliga användningsområden för de optiska antennerna är många: optisk analys av enstaka biomolekyler, effektivare solceller, ljusspjälkning av vatten till vätgas och nanooptiska sensorer som till exempel kan användas för analys av molekylära markörer för tidig sjukdomsdiagnos eller för studier av olika typer av materialförändringar på nanonivå är några exempel.

Text Carina Dahlberg
Bild Magnus Bergström