Transcript Biokristallografi i Sverige

kristallografins år 2014
Nu byggs den nya
synkrotronen i Lund,
MAX-IV. Den överträffar
allt som hittills finns
eller är planerat. Svenska
kristallografer kan på hemmaplan se fram emot unika
möjligheter till kvalificerade
experiment.
Biokristallografi i Sverige
[Av Anders Liljas, professor emeritus, molekylär biofysik, Lunds universitet]
Numera tar vi ofta strukturen av ett protein för given och tekniken har tagit
stormsteg. Men så har det inte alltid varit.
B
iokristallografi har rötter som går
långt tillbaka. Undersökningar
av de komponenter som bygger
upp biologiska molekyler, t ex
aminosyror och nukleotider började tidigt
och ledde till tidiga förslag om proteiners
och nukleinsyrors struktur.
Även om hämoglobin kristalliserats av
Hünefeld redan 1840 blev kristallisation av
proteiner en spännande verksamhet först
på 1920-talet och ledde till ett Nobelpris
till Northrop, Stanley och Sumner 1946.
De som först analyserade proteinkristaller
med röntgen var J. D. Bernal och Dorothy
Crawford, senare Hodgkin.
Kristallerna hade erhållits i The Svedbergs laboratorium i Uppsala. Max Perutz föresatte sig på 1930-talet att bestämma strukturen av hämoglobin. Under
1950-talet utvecklade han i Cambridge
metoden att med hjälp av till proteinet
bundna metallatomer och de intensitetsdifferenser som på detta sätt genererades
kunna beräkna de fasvinklar som behövs
för att tillsammans med intensiteterna av
de diffrakterade strålarna kunna beräkna
elektrontätheten.
22
Tack vare dessa metoder insåg ett antal
forskare möjligheten att med framgång
engagera sig i detta fält.
I Sverige hade biokemisten Bo Malmström
och kristallografen Ingvar Lindkvist, båda
i Uppsala, genom sina internationella kontakter blivit intresserade av att engagera
svenska forskare i biokristallografi. Detta
sammanföll lämpligt nog med en inbjudan
från Perutz till professor Gunnar Hägg i
Uppsala att erbjuda någon yngre medarbetare att arbeta med Perutz på Cavendishlaboratoriet i Cambridge.
Den förste svensk som skickades dit var
Bror Strandberg. Han blev 1958-1959 medlem av den grupp som arbetade med John
Kendrew, Perutz elev, på strukturbestämningen av myoglobin, ett med hämoglobin
besläktat protein. Strukturen löstes 1959.
Perutz och Kendrews arbete på dessa, de
första proteinstrukturerna gav dem 1962
års Nobelpris i kemi. Efter återkomsten
startade Strandberg ett samarbete med Bo
Malmström vid Uppsala universitet för att
kristallisera och strukturbestämma något
enzym, gärna metallinnehållande. Efter att
ha hört om Libscombs arbete på karboxypeptidas föll valet i stället på karboanhydras.
Arbetet ledde 1967 fram till en struktur
vid 5.5Å upplösning. Strandberg överlät sedan högupplösningsarbetet till två yngre
medarbetare, K. K. Kannan och undertecknad som 1971 kunde beskriva strukturen
vid 2Å upplösning (Fig. 1).
1963 reste Carl-Ivar Brändén till Cambridge för att delta i det fortsatta arbetet
med myoglobin. Hans uppgift blev att
finna vägar att kristallografiskt och matematiskt förfina koordinaterna av proteinets många atomer mot diffraktionsdata.
Fig. 1. Strukturen av humant karboanhydras II (Från A Liljas doktorsavhandling,
1971).
Kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 4 April 2014
Fig. 2. Strukturen av alkoholdehydrogenas från hästlever (Från Eklund et al.,
1973. Structure of alcohol dehydrogenase
at 2.9Å resolution. Proc. Natl. Acad. Sci.
U.S.A. 70: 2439-2442.
gången större. Framför allt blev det starkt
tryck i verksamheten när Per Nordlund,
en av Hans Eklunds elever, blev professor i Stockholm och Richard Neutze i
Göteborg.
Karolinska Institutet har också byggt
upp biokristallografi, först med Günther
Schneider och Ylva Lindkvist och sedan
också genom att rekrytera Pär Nordlund
från SU. Umeå universitet har också byggt
upp en proteinkristallografisk verksamhet
med Elisabeth Sauer-Eriksson som ledare.
I Lund har biokristallografi pågått sedan
Återkommen till Uppsala och Lantbrukshögskolan i Ulltuna startade han ett
samarbete med Nobelpristagaren Hugo
Theorell på strukturen av alkoholdehydrogenas. Den fullbordades 1973 (Fig.
2). Karboanhydras och alkoholdehydrogenas blev upptakten för biokristallografin i Sverige.
Virus. Efter lågupplösningsstrukturen av
karboanhydras startade Strandberg kristallografiskt arbete på virus.
Den första framgången gällde strukturen av tobaksnekrosvirusets satellit, ett litet
ikosaedervirus. På 1980-talet flyttade de
två grupperna i Uppsala samman på Wallenberglaboratoriet med senare flytt till
gemensamma lokaler på Biomedicinskt
centrum (BMC).
Rekryteringen av nya gruppledare har
huvudsakligen skett internt, men 1977
kunde Brändén locka Alwyn Jones att flytta
till Uppsala. Jones har framför allt utvecklat datorgrafik för tolkning av elektrontäthetskartor som blivit mycket uppskattad
och använd världen över. Jones efterträdde
så småningom Strandberg som professor
vid Uppsala universitet medan Hans Eklund efterträdde Brändén på Lantbrukshögskolan, som sedan blivit Lantbruksuniversitetet. Ett flertal
grupper har senare byggts upp
vid båda universiteten.
1988 då undertecknad flyttade dit från
Uppsala. Den positiva utmaningen i Lund
var möjligheten att bygga upp synkrotronbaserad kristallografi vid MAX-laboratoriet.
Sedan 1970- och 1980-talet har synkrotronljus blivit den viktigaste röntgenkällan för kristallografi, framför allt inom
bioområdet. Med små och svagt diffrakterande kristaller med mycket stora celldimensioner kommer man ingen vart med
konventionella röntgenkällor.
Den första svenska synkrotronen, MAX-I,
hade fel våglängdsspektrum och för låg intensitet för kristallografi. Med gemensamma ansträngningar från flera forskningsfält kunde man få anslag för att bygga upp
MAX-II och utrusta experimentstationer.
Den första kristallografiska stationen
(1711) gjordes som ett samarbete mellan
Jörgen Albertsson (oorganisk kristallografi) och undertecknad (biokristallografi). Stationen byggdes i huvudsak enligt
ritningar av en liknande station vid SRS
i Daresbury, England. En familj med stationer (1911) med olika spektrala egenskaper byggdes sedan med anslag från
Wallenberg och i samarbete med danska
forskare. Nu byggs den
nya synkrotronen i Lund
som kallas MAX-IV.
Den överträffar allt som
hittills finns
eller som är
Sverige runt. På 1970-
och 1980-talen påbörjades biokristallografi
vid både Stockholms
och Göteborgs universitet. I Stockholm var det
Peder Kirkegaard och i
Göteborg Oliver Lindkvist som
gjorde dessa satsningar. Utan ledare som
var utbildade inom fältet var verksamheten till en början något trevande.
Så snart de som arbetade med biokristallografi kunde stå på egna ben med
egna anslag och doktorander blev fram-
Banddiagram
(Richardsondiagram) av
eukaryot ribosom
från jäst.
Kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 4 April 2014
planerat. Svenska kristallografer kan på
hemmaplan se fram mot unika möjligheter till kvalificerade experiment.
Synkrotroner med intensiv strålning er-
bjuder möjligheter att bl a studera proteiners kinetik i kristallfas. Janos Hajdu,
som flyttat från Oxford till Uppsala under 1980-talet, är en världsledande expert
inom detta område.
Med möjligheten att utveckla fri-elektronlasrar (FEL) i röntgenområdet har
han ägnat mycket tid vid synkrotronen
vid Stanford för att utveckla möjligheter
att studera diffraktion av enstaka molekyler. Uppseendeväckande framgångar har
redan rapporterats, men åtskilligt återstår.
En viktig del av strukturell biologi i Sverige är det nätverk, SBNet, som startades
genom ett av SSFs första stora anslag. Nätverket är i hög grad levande och förutom
gemensamma kurser hålls årliga möten
helgen innan midsommar på Åkerblads
hotell i Tällberg, i år det artonde mötet.
Här presenteras aktuell forskning av doktorander och postdoktorala arbetare i närvaro av internationell expertis som håller
plenarföredragen.
Tekniken inom kristallografin har utveck-
lats mycket snabbt så att kristallisation kan
utföras i mycket små volymer vid otaliga
betingelser och av robotar. Datasamling
och processning kan också i hög grad automatiseras. Detta gör att så fort ett dataset insamlats kan man studera resultatet. Detta har bl a lett till utvecklingen av
strukturgenomik.
Biologer, medicinare och läkemedelsindustri har satt upp långa önskelistor
på proteiner som man vill få strukturbestämda. Pär Nordlund etablerade vid KI ett
deltagande med ett strukturgenomiskt centrum med kraftfull verksamhet i Oxford och
Canada. Hundratals och tusentals nya strukturer kunde levereras från dessa centra.
Biokristallografi kan också bedrivas
affärsmässigt. De flesta forskare inom
bio- och medicinområdena har oftast
inte möjlighet att lösa strukturer på egen hand, trots
att deras verksamhet är
starkt beroende av strukturell kunskap. Företag
med instrumentering
och kompetens kan lösa
denna brist. I Lund har ett
sådant företag, Saromics
Biostructures, varit verksamt vid MAX-laboratoriet
under åtskilliga år för att
svara mot dessa behov. KB
23