Populärvetenskaplig presentation

I Johan Elfs forskargrupp jobbar ett 20-tal fysiker, ingenjörer, datavetare, molekylärbiologer, matematiker och mikrobiologer tillsammans med att utveckla tekniker för att testa olika förklaringsmodeller för hur cellens processer fungerar på molekylnivå. En del av arbetet består i att formulera matematiska teorier, som gör det möjligt att göra tydliga förutsägelser och testa modeller. Den största delen av arbetet ligger dock på att utveckla de experimentella teknikerna så att de blir tillräckligt känsliga för att testa specifika förutsägelser.

Det finns massor av tekniska utmaningar. Den allra största är att märka proteinerna med fluorescerande ämnen utan att proteinet rör sig onormalt , slutar fungera eller fungerar på annat sätt än det normalt skulle göra. Därför arbetar gruppen med att utveckla ny teknik för att byta ut en enskild aminosyra i ett specifikt protein i cellen till en fluorescerande aminosyra. De nya märkningsmetoderna utvecklas parallellt med en ny typ av extremt snabbt mikroskop för att kunna studera enskilda proteiners interaktioner med dna i levande celler ned till någon tusendels sekund.

Den senaste tidens utvecklingen av fluorescensmikroskopi som har tagit ljusmikroskopin till nanodimensioner och som belönades med Nobelpriset i kemi 2014 betyder mycket för forskningen i labbet. Om en cell liknas vid en stad kan man säga att det för tiotalet år sedan bara var möjligt att se husen, inte bilarna eller människorna. I dag kan vi däremot följa hur de enskilda människorna rör sig och vad de gör i staden. Det ger förstås helt nya möjligheter att förstå hur staden fungerar.

Johan Elf har gjort flera uppmärksammade upptäckter med hjälp av vidareutvecklingar av den Nobelprisbelönade mikroskopitekniken. En gäller hur ett reglerprotein, en transkriptionsfaktor, snabbt hittar och fäster på rätt ställe på dna-spiralen när en gen ska aktiveras. Det har funnits många teorier om detta, men med den nya mikroskopitekniken kan man se hur det verkligen går till när en transkriptionsfaktor hittar rätt plats bland miljontals alternativa bindningsställen längs dna-spiralen.

Man kan likna reglerproteinet vid en supersnabb bibliotekarie som själv, utan stöd av något datoriserat register och i trängsel med massor av andra bibliotekarier och biblioteksbesökare, lyckas leta rätt på en av miljontals böcker som står osorterade i många tusen likadana hyllor. På mindre än en tusendels sekund scannar transkriptionsfaktorn av cirka 40 dna-byggstenar, baspar, genom att glida längs dna-strängen. Om inte rätt dna-sekvens finns där lossnar den och börjar testa nya ställen  tills den når fram och fäster intill den gen som ska aktiveras.

Det till synes planlösa letandet längs korta bitar av dna-spiralen är så smidigt och så snabbt att det räcker med fem exemplar av styrproteinet för att ett av dem inom en minut ska hitta fram till och aktivera genen. Studien bekräftar modellen för hur generna hittas av sina transkriptionsfaktorer som Uppsalaforskaren Otto Berg på teoretiska grunder presenterade för mer än 30 år sedan.

Men det är inte alltid så att de detaljerade mätningarna av cellens inre liv bekräftar vedertagna modeller för hur biologin i cellen fungerar. En gängse modell säger att en gen är avstängd så länge som en hämmande transkriptionsfaktor är bunden till dna-strängen. Johan Elf kunde nyligen påvisa att det finns avvikelser mellan hur länge transkriptionsfaktorn binder och hur länge genen är inaktiv. Sådana fynd  är roligast eftersom som de strider mot det förväntade och öppnar för ny forskning.