Med hjälp av avancerad kryo-elektronmikroskopi bygger forskare i Umeå en unik atlas över Östersjöns minsta invånare. Genom att kartlägga bakterier, virus och mikroorganismer hoppas de kunna förstå hur klimatförändringar påverkar hela havets ekosystem.

– Vi ska kombinera högupplösta 3D-bilder från elektronmikroskopi med molekylärbiologiska data och skapa ett bibliotek med bilder av alla mikroorganismer i Östersjön, säger Linda Sandblad, universitetslektor och föreståndare för Umeå centrum för elektronmikroskopi, en av Sveriges mest avancerade miljöer för elektronmikroskopi.
Just i detta projekt används kryo-elektronmikroskopi, där vattenprover från Östersjön blixtsnabbt fryses ned till omkring minus 180 grader.
– Vi förändrar egentligen ingenting i proverna. Strukturerna bevaras väldigt nära hur de ser ut i naturen.
Projektet har redan kommit en bra bit på väg.
– Under de senaste två åren har vi utvecklat ett reproducerbart arbetssätt, från vatteninsamling till detaljerade 3D-strukturer av cellerna, berättar George Westmeijer, forskare och postdoktor i akvatisk ekologi.

Kraftfull kombination
Projektet fyller ett viktigt tomrum inom mikrobiologin. Trots stora framsteg inom analys av DNA, RNA och proteiner har betydligt mindre arbete lagts på att visualisera de minsta livsformernas strukturer och livsmiljöer.
– Kombinationen av molekylärbiologi och elektronmikroskopi är väldigt kraftfull. Nu kan vi både analysera och faktiskt se mikroorganismerna, säger George Westmeijer.
Målet är att bygga en atlas över Östersjöns mikroskopiska liv som kan fungera som ett öppet bibliotek för forskare världen över.
– Det vi utvecklar berör inte bara Östersjön. Samma metoder kan på sikt användas för att studera mikroorganismer i andra miljöer, till exempel hur bakterier beter sig vid antibiotikaresistens eller hur de påverkar hälsa och sjukdom i människokroppen. Atlasen kan därmed få betydelse långt utanför den marina forskningen, säger Linda Sandblad.

Nanokristaller öppnar dörren till okända strukturer

Kristaller behöver inte vara stora för att avslöja hur en molekyl ser ut. I Umeå utvecklas MicroED, en metod där elektrondiffraktion används för att bestämma tredimensionella strukturer i nanokristaller. Målet är att göra tekniken tillgänglig för fler forskare och företag.

– Det fina med MicroED är att molekylens storlek inte spelar någon roll, så länge man har kristaller. Det kan handla om små kemiska ämnen, läkemedelskandidater eller stora proteinkomplex, säger Uwe Sauer, professor i kemi vid Umeå universitet.
I projektet arbetar han tillsammans med Johan Unge, projektledare för MicroED-satsningen i Umeå.
Metoden bygger på att små kristaller placeras i ett elektronmikroskop. När elektroner träffar kristallen uppstår ett diffraktionsmönster som kan användas för att räkna ut molekylens struktur. Det räcker med kristaller på några hundra nanometer, så små att de inte syns i ett vanligt ljusmikroskop.

Nya möjligheter
Detta öppnar nya möjligheter för forskare som arbetar med material eller ämnen som bara finns i mycket små mängder. Metoden kan till exempel användas för att analysera nya läkemedelskandidater, biologiskt aktiva ämnen från naturen eller pulver med okänd sammansättning.
– Så länge något är kristallint kan metoden användas. Det gör MicroED intressant både för strukturbiologer, kemister och forskare som arbetar med nya material, säger Uwe Sauer.
En annan fördel är att vägen från prov till struktur kan bli kortare än med traditionell kristallografi.
– Kristallerna behöver inte förfinas nämnvärt, vilket kan spara mycket tid, säger Johan Unge.
En viktig del av projektet är just förenklingen av analysen. Gruppen har utvecklat ett program som ska kunna automatisera stora delar av databehandlingen och på så vis sänka tröskeln för nya användare.
– Det finns stor potential, men vi behöver visa att det fungerar och få fler att våga prova, säger Johan Unge.
Uwe Sauer är inne på samma spår, att göra metoden mer tillgänglig för forskare som behöver förstå strukturer i mycket små mängder material.
För de båda forskarna ligger drivkraften i att utveckla en metod som kan göra det okända synligt.
– Att lösa en struktur som ingen har sett tidigare, det är fascinerande, avslutar Johan Unge.