Livets molekyler fångade på bild in i minsta detalj

Hur vi fungerar beror av hur våra celler fungerar. Och hur våra celler fungerar bestäms av hur de olika molekylerna inuti dem ser ut och samverkar med varandra. Men det är mycket svårt att undersöka, inte minst för att molekylerna är så små. Jämfört med en molekyl i en av våra celler är vi ungefär lika stora som månen är jämfört med oss.

– Vi har inget instrument som kan urskilja en människa på månen från jordytan. Men nu har vi ett instrument som låter oss se molekyler inuti våra celler, säger Peter Brzezinski, professor i biokemi och ledamot av Nobelkommittén för kemi.

Metoden som forskarna använder för att se proteiner och andra molekyler i cellen i minsta detalj kallas kryoelektronmikroskopi, och årets kemipristagare Jacques Dubochet, Joachim Frank och Richard Henderson har alla kommit med avgörande bidrag för att den ska fungera.

Richard Henderson var den tidigaste pionjären av de tre. På 1970-talet arbetade han med röntgenkristallografi, den första metoden som gav kemister möjlighet att undersöka stora molekyler i cellen. Det var till exempel tack vare de exakta röntgenkristallografibilder av dna-molekylen som den brittiska kemisten Rosalind Franklin tog 1952 som Francis Crick och James Watson kunde räkna ut hur den ser ut, och få Nobelpriset i medicin 1962.

Men röntgenkristallografi passar dåligt för många av cellens molekyler, och visar inte heller hur molekylerna ser ut i sin levande form. Richard Henderson övergick därför till att försöka med elektronmikroskop, alltså ett mikroskop som använder strålar av elektroner i stället för ljus, och gör det möjligt att se mycket mindre detaljer, även enskilda atomer. Men om bilden ska bli tydlig måste strålen vara så stark att den bränner sönder känsliga biologiska molekyler, och provet som ska undersökas måste också ligga i vakuum. Eftersom vi till största delen består av vatten trivs våra molekyler dåligt i vakuum, där vattnet avdunstar och försvinner. Molekylerna kollapsar, och det går inte att få fram hur de ser ut i sin naturliga miljö i cellen.

Richard Henderson lyckades ändå. År 1990 fick han fram en bild av ett protein, ända ner på atomnivå. Han förutsade också hur tekniken skulle fungera i framtiden, när de andra delarna fanns på plats.

Joachim Frank arbetade i sin tur fram en metod för bildbearbetning. Utifrån de skuggor av proteiner som syns i mikroskopet kan forskarna nu få fram tredimensionella bilder av dem, med hjälp av matematiska modeller i hans datorprogram.

• Läs även: Historien är full av glömda kvinnor och stulna resultat

Den tredje pristagaren Jacques Dubochet tog sig an problemet med hur prover med vatten ska överleva i elektronmikroskopens vakuum. Att frysa dem till is fungerar dåligt, eftersom elektronstrålarna störs så mycket av iskristallerna att bilderna blir omöjliga att tolka. Jacques Dubochet löste det på ett sätt de flesta ansåg var omöjligt: han kylde snabbt ner ett tunt lager av vatten i flytande etan, med temperaturen -190°C. Då blev vattnet som glas: fast, men ändå en vätska, och utan iskristaller, och lika genomskinligt som en fönsterruta.

Henderson, Frank och Dubochet har alltså alla var för sig sett till att kryoelektronmikroskopin fungerar. Metoden har kallats för en revolution för biokemin, eftersom forskarna nu kan undersöka molekyler som inte går att studera med andra typer av mikroskopi, och dessutom i den form de har i cellen. De kan till och med göra filmer utifrån rader av frysta ögonblick, där de kan se hur molekylerna rör sig och samverkar med varandra.

Det öppnar en helt ny värld där vi i detalj kan se cellens alla innersta hemligheter, ända ner på atomnivå. Bara fantasin sätter gränser för hur det kan användas i framtiden. Inte minst är det viktigt att veta hur till exempel virus och kroppens egna molekyler ser ut när vi ska utveckla nya läkemedel och förstå hur de fungerar.

– Medicinsk forskning håller inte längre på med hela organ. Nu undersöker vi processer inne i cellen. Därför kan vi få fram mediciner som fungerar mycket bättre, säger pristagaren Joachim Frank.