Banbrytande mikroskopi och nanosensorer öppnar nya möjligheter

Att i realtid och detalj studera biomolekyler har stor betydelse för att exempelvis förstå hur sjukdomar uppkommer och utveckla läkemedel. Men det är oerhört svårt att göra så små molekyler synliga. Med stöd av SSF utvecklar nu forskare på Chalmers banbrytande mikroskopi som gör detta möjligt.

Biomolekyler såsom proteiner är extremt små byggstenar i alla organismer. De är inblandade i en rad processer, som exempelvis i immunförsvaret där antikroppar är en nyckel i kroppens kamp mot bakterier och virus. Ökad förståelse för dessa molekylers funktion och beteende är avgörande för ökad kunskap inom medicin, biokemi och läkemedelsutveckling.
De är emellertid svåra att studera. Traditionella mikroskop fungerar inte för att upptäcka så små partiklar. Idag används därför främst fluorescerande markörer som kopplas till molekylerna och gör dem synliga. Det är en nobelprisbelönad metod, men den har begränsningar.
– När man kopplar ett annat ämne till biomolekylen så kan det påverka dess egenskaper och funktion. Då riskerar man att dra fel slutsatser. I vår forskning utvecklar vi en metod för att synliggöra biomolekyler utan att ändra något i själva molekylen, berättar Dr. Barbora Špačková, forskare i ett projekt som finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning, SSF, inom programmet Framtidens forskningsledare, FFL.

Banbrytande teknologi
Forskarna vid Chalmers har tagit fram en helt ny typ av mikroskopi, som kan detektera biomolekyler även i mycket låg koncentration, ja även enstaka, utan fluorescerande markör. Metoden (Nanofluidic Scattering Microscopy) bygger på en banbrytande ny optisk teknologi som utnyttjar en interferenseffekt mellan molekylerna och ett nanofluidiskt system. Det består av extremt små vätskefyllda rör, där biomolekylerna trycks in och kan röra sig obehindrat. Genom att sedan belysa de små rören med biomolekylerna inuti med synligt ljus kan forskarna studera dem i deras naturliga tillstånd i fri rörelse.
– Teknologin innebär ett stort genombrott. Det fantastiska med metoden är att vi nu med våra ögon kan studera proteiner, DNA och andra biologiska enheter precis som de är, opåverkade och naturliga. Vi kan då se hur de fungerar i verkliga livet och förhoppningsvis studera hur de växel-verkar med varandra, säger forskningsledare Christoph Langhammer, biträdande professor i kemisk fysik vid Chalmers tekniska högskola.
Christoph Langhammer och Barbora Špačková understryker att detta är grundforskning, som ligger något steg från storskalig praktisk eller kommersiell användning. Men de potentiella framtida tillämpningarna är många, inom medicin, biokemi och biofysik. Ett första steg mot nyttiggörande är att utveckla den teknologiska plattformen så att den kan komma andra forskare till godo, vilket forskarna nu prövar genom ett nystartat spin off-företag.

Vätgassensorer
Christoph Langhammer har även fått ett betydande rambidrag från SSF:s program Materialvetenskap, för sitt tvärvetenskapliga projekt Plastic Plasmonics, som bedrivs i ett konsortium med fyra andra forskningsledare på Chalmers, professorerna Paul Erhart, Anders Hellman, Kasper-Moth Poulsen och Christian Müller. De två sistnämnda är också FFL-mottagare. Här skapar forskarna nya optiska nanosensorer i hybridmaterial för att upptäcka toxiska ämnen, gaser och annat, som kan finnas i mycket små mängder i luften. Christophs särskilda intresse är vätgassensorer. Vätgas driver bränsleceller, men det är brandfarligt när det blandas med luft. De sensorer som nu finns för att upptäcka vätgasläckor är dyra och har kort livslängd.
– Våra sensorer kan tillverkas kostnadseffektivt och i stor skala bland annat genom 3D-printning, tack vare de nya hybridmaterial vi har tagit fram. Denna teknologi kan därför bidra till bränslecellens genombrott i framtidens fossilfria fordon, säger han.

Vågar mer
Christoph Langhammer framhåller att SSF:s långsiktiga och kraftfulla finansiering är avgörande för hans forskning.
– Att få stabil finansiering under flera år som i de här båda projekten gör att man vågar mycket mer. Det går att misslyckas men man har tid att pröva igen. Det är så genombrotten kommer. När det gäller rambidraget så är den tvärvetenskapliga inriktningen oerhört viktig, samt att man får möjlighet att angripa en frågeställning ihop med kollegor som har spetskompetens inom olika områden, menar han.
En annan aspekt är att SSF avsätter tre procent av bidragen till nyttiggörande.
– För mig som sysslar med grundforskning kan det vara en utmaning, men i grunden är det väldigt positivt. Man tvingas verkligen att tänka framåt på hur forskningen kan göra nytta i samhället.