Avancerat mikroskop ger frusna ögonblicksbilder på atomnivå

En fyra meter hög apparat för att titta på naturens allra minsta byggstenar. Så kan man beskriva det stora kryoelektronmikroskopet som öppnat upp enorma möjligheter för forskare – inte bara i Umeå utan i hela landet.

Tekniken är mycket avancerad och belönades med Nobelpriset i kemi 2017. Med hjälp av kryoelektronmikroskopi har forskare i Umeå nyligen kunnat se bland annat hur poliovirus tar över mänskliga celler, högupplösta bilder av detaljer i fotosyntesen och hur felveckade proteiner orsakar Skelleftesjukan.

Det betyder jättemycket för svenska forskare att få tillgång till den absoluta spjutspetsen av utrusning

– Vi kan se hur ett protein ser ut när det fungerar som det ska i en frisk cell och hur ett protein ser ut när det orsakar sjukdom, och jämföra strukturerna. Eller hur ett virus infekterar en cell, coronaviruset till exempel. Om man förstår hur viruset påverkar cellernas proteiner kan det leda till utveckling av nya läkemedel, säger Linda Sandblad, forskare och samordnare för Umeå Centre for Electron Microscopy.

Temperaturen kontrolleras noga

Utrustningen är viktig för forskargrupper inom allt från biokemi till cellbiologi inom medicin och växtbiologi.

– Det betyder jättemycket för svenska forskare att få tillgång till den absoluta spjutspetsen av utrusning. Det gör svensk forskning konkurrenskraftig i världen, säger hon.

Prover bereds med Vitrobot av Suresh Banjara, tillsammans med Camilla Holmlund, Niklas Söderholm och Hadi Faqirzadeh.

BildMattias Pettersson

Det stora kryoelektronmikroskopet Titan Krios har funnits på universitet sedan 2016 och är placerat i en mycket väl kontrollerad miljö i KBC-husets källare. Luftfuktighet, temperatur och vibrationer regleras noga. Instrumentet arbetar med en enorm precision. 

– Det har en förstoring och upplösning som gör det möjligt att se proteiner på ångströmnivå, det vill säga enskilda atomer, när man bildbehandlar bilden. Det är det som är vinsten för molekylärbiologin, att kunna se hur proteinerna är formade och atomernas positioner i proteinerna, säger Linda Sandblad.

Visar tredimensionell bild

Det unika med kryoelektronmikroskopi är att materialet som ska studeras kyls ner till minus 190 grader celcius. Provet placeras i mikroskopet som tar många tusen bilder ur olika vinklar. Dessa läggs sedan ihop till en mycket detaljerad tredimensionell bild.

FAKTA Så fungerar kryoelektronmikroskopi

Metoden går ut på att frysa ned biomolekyler hastigt och på så sätt fånga dem mitt i deras rörelser.

Först skapas en mycket tunn hinna med det biologiska material som ska studeras på ett finmaskigt metallnät. Provet fryses blixtsnabbt ner till minus 190 grader och därefter placeras det i kryoelektronmikroskopet. En elektronkanon skjuter ut elektroner som färdas genom en magnetisk kolonn, vilket åstadkommer förstoringen.

I den andra änden av mikroskopet sitter en detektor som läser av elektronerna som har passerat det frysta biologiska provet, och sparar bilden. Bildbehandlingen kräver kraftfulla datorer och gör det möjligt att visa 3D-bilder av det biologiska materialet.

På bilden: Kasturika Shankar och Jan Silhán startar en datasamling vid Glacios.

Bara två universitet i Sverige erbjuder användning av kryoelektronmikroskop för hela landets forskare: Umeå och Stockholm. Våren 2021 fick de båda lärosätena tillsammans ett anslag på 30 miljoner kronor från Vetenskapsrådet, Kempestiftelserna och SciLifeLab för att uppgradera utrustningen.

Det ledde till att mikroskopet i Umeå fick en “lillasyster”: Glacios. Det liknar sitt äldre syskon men är mindre och används som en första station, där forskare kan undersöka kvalitén på proverna innan de tas vidare till det stora mikroskopet.

Väntetiderna kortare

Glacios är i drift hela tiden, dygnet runt. Många forskargrupper använder det i sina studier och det används även för utbildning.

– Det ger oss mycket större kapacitet så att vi kan leverera mer bilddata för struktur- och cellbiologi till våra forskare på kort tid. Forskare ska inte behöva vänta flera månader, de ska kunna komma och göra experiment när de behöver det, säger Linda Sandblad.

Michael Hall, första forskningsingenjör, laddar nya prover i Glacios.

BildMattias Pettersson

I det stora kryoelektronmikroskopet har en ny elektrondetektor precis installerats, den allra senaste på marknaden. Den håller fortfarande på att trimmas in och kommer snart att kunna ta ännu fler förfinade bilder, ännu snabbare.  

Just nu spelar kryoelektronmikroskopen en avgörande roll i en mängd forskningsprojekt. Att de finns i Umeå betyder mycket för universitetet, menar Linda Sandblad.

– Det innebär att vi kan ge doktorander och postdoktorer en teknisk expertis som är väldigt efterfrågad. Det gör också Umeå universitet attraktivt för forskare. Studenter och forskare från hela världen kommer till Umeå för att vi har kryoelektronmikroskopen, säger hon.

Läs mer om Umeå Centre for Elecron Microscopy (UCEM)