Han avslöjar livets kemi på nanonivå med röntgenstrålning

Ingen trodde på mig när jag sa, för över 20 år sedan, att det var möjligt.

– I dag använder vi vår metod dagligen, säger Andrey Shchukarev, föreståndare för XPS-plattformen vid Umeå universitet.

Andrey kom till Umeå i december 1999, precis när Kemiska insitutionen installerade ett instrument för röntgenfotoelektronspektroskopi – en avancerad teknik för att undersöka ytors osynliga värld. I dag, mer än två decennier senare, är labbet fullt av aktivitet när Andrey och hans kollega, staff scientist Dmitry Shevela, dagligen analyserar en mängd olika prover.

Tack vare många års arbete har XPS-plattformen vuxit till att bli en internationellt erkänd resurs för forskare inom fysik, kemi, materialvetenskap och livsvetenskaper. Här undersöks de yttersta nanometrarna av ytor, från industriella tillämpningar till grundforskning.

Andrey Shchukarev, föreståndare vid XPS, visar hur han kan använda flytande kväve för att kyla ned prover innan de förs in i spektrometern.

BildRebecca Forsberg

Ett fönster in i nanoskalan

Vid röntgenfotoelektronspektroskopi, XPS, träffas provet av röntgenstrålning, vilket får elektroner att slås ut från atomernas ytskikt. Från elektronernas egenskaper kan man sedan avgöra vilka grundämnen som finns i materialet: deras kemiska tillstånd och hur de är fördelade inom några få lager nanometertunna lager på ytan.

Den här detaljnivån är avgörande inom många områden. XPS används bland annat för att utveckla bättre batterier, tåligare ytbeläggningar och effektivare katalysatorer och sorbenter. Här i Umeå används tekniken också för att förstå hur levande celler interagerar med sin omgivning.

Men i en översiktsartikel från i år, där Andrey är medförfattare, lyfts det fram att XPS ofta bara utnyttjas till en bråkdel av sin potential. 
– De flesta använder XPS bara för att kolla vilka grundämnen som finns i ett prov. Men med noggrann experimentdesign och rätt analys kan man lära sig mycket mer: nanostruktur, elektriska egenskaper och till och med hitta spår av hur livets byggstenar kan ha bildats, säger Andrey.

För två år sedan installerades en ny, nästa generations XPS i labbet, med en starkare röntgenkälla som möjliggör snabbare mätningar. Dessutom har de installerat en ny teknik: Low Energy Inverse Photoemission Spectroscopy, LEIPS, sannolikt den första i Sverige. Med LEIPS kan forskarna studera obelagda elektroniska tillstånd i material med mycket hög precision.

– Inom LEIPS används elektroner med låga energier, vilket är skonsammare mot känsliga material och orsakar minimal skada på organiska prover, samtidigt som de ger bättre energiupplösning, förklarar Andrey.

Andrey Shchukarev vid den nya XPS-spektrometern som möjliggör snabbare mätningar.

BildRebecca Forsberg

”Umeåmetoden” – att frysa tiden för att studera bakteriers yta

Precis som människor består bakterier till största delen av vatten. Men vatten, kyla och vakuum är inte en bra kombination. 
– Om vi inte fryser bakterieprover tillräckligt snabbt kan de explodera, förklarar Andrey.
Ingen trodde att det var möjligt att frysa bakterier på ett sätt som gör att de kan studeras med XPS. Men en av Andreys största bedrifter är att ha tagit fram en banbrytande teknik som gjort XPS-labbet i Umeå ledande inom analys av biologiska och våta prover.

Andrey har utvecklat en snabbinfrysningsteknik där våta prover kyls med över 20 grader per sekund ner till minus 170 °C. Detta ”låser fast” den biologiska strukturen och bevarar ytkemin i ett nästan tidfruset tillstånd. I stället för att torka ut eller spricka – vilket lätt händer vid klassiska frystekniker – förblir mikroorganismens yta intakt.

Ett vått, snabbfryst prov i XPS-spektrometern.

BildRebecca Forsberg

– När vi såg att cellernas yta var bevarad insåg vi att vi kunde mäta mängden proteiner, sockerarter och lipier, alltså fetter, på cellytan. Det är avgörande för att förstå hur bakterier och andra mikroorganismer reagerar och samspelar med sin miljö, vilket är viktigt inom både biologi och medicin, säger Andrey. 

Mätningarna, som beskrivs i ett pressmeddelande från 2022, utvecklades tillsammans med Madeleine Ramstedt och Jean-François Boily vid Kemiska institutionen. I dag är tekniken känd som Umeåmetoden.

Madeleine Ramstedt, universitetslektor vid Kemiska institutionen och Andrey Shchukarev, föreståndare vid XPS, tog tillsammans med Jean-François Boily vid Kemiska institutionen fram en metod för att mäta socker, proteiner och lipier i bakteries ytor. Den bannbrytande metoden som lagt grunden för att studera hur bakterier interagerar med sin omgivning, essentiellt inom biologi och medicin, kallas idag för Umeåmetoden. 

BildMattias Pettersson

En glimt av livets tidigaste kemi

Den unika infrysningstekniken har också gett oväntade insikter om livets ursprung. I en studie publicerad 2011 i Journal of Physical Chemistry visade Andrey med kollegor att NH₂-grupper – grundläggande byggstenar i aminosyror – kan bildas spontant under vakuum.

När prover som innehåller ammonium får torka inne i XPS-instrumentet avlägsnas vattnet gradvis från ytan av järnoxid, vilket utlöser kemiska förändringar i ammoniumet. 
– Det var en stor överraskning för mig att vi kunde observera detta, säger Andrey, och fortsätter: 
– Vi såg att när ett vått prov torkar i instrumentet uppstår kemiska förändringar som liknar de som tros ha varit avgörande i den kemi som ledde fram till livets uppkomst på jorden.

Resultatet tyder på att enkla, livsnödvändiga molekyler kan ha bildats naturligt genom processer på mineralytor, utan behov av komplexa enzymer eller katalysatorer.

Forskaren som pratar med sina instrument

Bakom alla dessa upptäckter finns Andreys stillsamma engagemang och en genuin kärlek till instrumenten. 
– Jag ser dem som mina barn, säger han med ett skratt.  
– Jag har gett dem namn efter lärare och mentorer som betytt mycket under min utbildning.

Andrey utbildade sig inom oorganisk kemi. Efter sin doktorsexamen började han jobba inom industrin men saknade snart labbet. Umeå erbjöd friheten och resurserna han längtat efter. 
– Jag har allt jag vill och behöver här, säger han. 
 
Nu när pensionen närmar sig vet Andrey att han snart måste lämna över ansvaret för sina ”barn” till någon annan. 
– Jag hälsar på dem varje morgon och tackar dem för dagen när jag går hem. Det kommer bli svårt att inte få spendera tid med dem varje dag, säger han. 

Det arv han lämnar efter sig: en världsledande XPS-plattform, en metod som förändrat hur forskare ser på ytor, och insikter som sträcker sig från nanomaterial till livets kemi – kommer att fortsätta forma materialvetenskap i Umeå i många år framöver.