Artikkel

Mange ristet på hodet, men resultatet ble en nobelpris

Professor Norbert Roos med et av IBVs kryoelektronmikroskoper
Institutt for biovitenskaps nyeste kryoelektronmikroskop bruker teknologien som ble utviklet av nobelprisvinneren Jacques Dubochet. Professor Norbert Roos, ved spakene, har kjent Dubochet siden 1984. Foto: Bjarne Røsjø. Bruk bildet.

Mange ristet på hodet, men resultatet ble en nobelpris

Mange ristet på hodet av Jacques Dubochet da han tidlig på 1980-tallet ville bruke elektronmikroskop til å ta bilder av vannholdige prøver. – Men ideen var kjempegod, så nobelprisen hans er høyst velfortjent, forteller vennen og kollegaen Norbert Roos.

– Det var umulig å komme gjennom på telefonen da jeg hørte at han hadde fått nobelprisen i kjemi, så jeg sendte epost til Jacques for å gratulere. Men jeg vet ikke om han fikk lest den. Han fikk visst mer enn 6000 gratulasjoner bare i løpet av de to første dagene, forteller professor Norbert Roos ved Institutt for biovitenskap.

Nobelprisen i kjemi 2017

Nobelprisen i kjemi i 2017 ble tildelt Jacques Dubochet, Joachim Frank og Richard Henderson for deres bidrag til utviklingen av kryoelektronmikroskopi.

  • Joachim Frank gjorde elektronmikroskopet allment anvendelig fra 1975 og utviklet en avansert metode for bildebearbeiding
  • Jacques Dubochet gjorde det mulig å bruke elektronmikroskopet på vannholdige prøver
  • Richard Henderson tok i 1990 det første tredimensjonale bildet av et protein.

Roos har kjent nobelprisvinner Jacques Dubochet siden 1984, da han deltok på et av Dubochets kurs i elektronmikroskopi ved Det europeiske molekylærbiologiske laboratoriet (EMBL) i Heidelberg. Ti år senere publiserte de en vitenskapelig artikkel sammen, og etterpå har de holdt kontakt.

Dubochet, som opprinnelig er fra Sveits, har vært i Oslo flere ganger og holdt innlegg på Institutt for biovitenskaps internasjonale forskerkurs.

Roos er 100 prosent enig i det svenske vitenskapsakademiets begrunnelse for å gi nobelprisen i kjemi i 2017 til Jacques Dubochet og to andre pionerer innen utviklingen av det moderne elektronmikroskopet.

"Et bilde er en nøkkel til forståelse. Vitenskapelige gjennombrudd bygger ofte på at menneskene har lykkes i å visualisere slikt som øyet vårt egentlig ikke kan se", mente akademiet.

Ville ha vann i elektronmikroskopet

Jacques Dubochet begynte å tenke på det som nå kalles kryo-elektronmikroskopi omkring 1980. Han irriterte seg over at de første elektronmikroskopene egnet seg best til å studere død materie, fordi prøvene som skulle granskes måtte plasseres i et vakuumkammer.

EM-foto av algen Calyptrosphaera sphaeroidea
Dette kryo-fotografiet av algen Calyptrosphaera sphaeroidea avslører detaljer som vanlige elektronmikroskopier ikke kan avsløre. Foto: EM-laboratoriet, UiO.

Biologiske prøver måtte derfor tørkes og behandles etter alle kunstens regler før de kunne legges i mikroskopet, men vann fordamper fortere enn svint i vakuum.

Dette førte til at de biologiske prøvene ikke lenger så ut slik de gjorde i naturlig tilstand.

Jacques Dubochets store idé var å fryse ned de biologiske prøvene før de skulle studeres i elektronmikroskopet: Vannet ville nemlig ikke fordampe hvis prøvene var tilstrekkelig kalde, og vannholdige prøver ville åpenbart gi et mer realistisk bilde av naturen.

Dermed oppfant han det som nå kalles kryoelektronmikroskopi, etter det gamle greske ordet «kryo» som kan bety «frossen» eller «iskald».

Ble refusert i vitenskapelige magasiner

Professor Norbert Roos
Professor Norbert Roos med et utvalg av bilder fra EM-laboratoriet ved Institutt for biovitenskap. Foto: Bjarne Røsjø, UiO.  Bruk bildet.

– Kollegene ved EMBL ristet på hodet av Dubochet, for de mente at ideen hans var umulig. Den første vitenskapelige artikkelen han skrev om ideen, ble refusert både i Nature og Science. Men han ga seg ikke, og til sist fikk han artikkelen på trykk i et mer obskurt vitenskapelig tidsskrift med lav impact-faktor. Resten er historie, forteller Roos.

For å gjøre en lang historie kort: Kryo-teknikken åpnet en helt ny verden for forskere som ville studere biologiske prøver. Nå kan forskerne dypfryse biologiske molekyler mens de fortsatt er aktive, og dette har vært avgjørende for utviklingen av både biokjemien og utviklingen av legemidler. Det er ikke tilfeldig at det er nettopp Institutt for biovitenskap og Radiumhospitalet som har kryoelektronmikroskoper i Norge i dag. «Vanlige» elektronmikroskoper finnes det til sammenlikning mange flere av.

Verdens dyreste askebegre

Men det var ikke gjort i en håndvending å konstruere et vellykket kryoelektronmikroskop.

Jacques Dubochet klarte først å skrape sammen penger til å bygge et elektronmikroskop hvor hele linsesystemet var nedkjølt med flytende helium, men det fungerte ikke så godt.

– Det viste seg at det var veldig vanskelig å fryse ned hele linsesystemet. Men så bygde Dubochet et nytt elektronmikroskop, hvor bare det lille området rundt prøveholderen var dypfryst, og det fungerte veldig bra. Da kunne ikke linsene i det forrige mikroskopet brukes lengre, så de ble plukket ned og brukt som askebegre. De hadde visst kostet noe sånt som én million mark per stykket. Verdens dyreste askebegre! humrer Roos.

Norbert Roos og kollegene ved Institutt for biovitenskap disponerer i dag to elektronmikroskoper som kan brukes med Dubochets kryo-teknikk. Prøvene som skal studeres, fryses raskt ned til under ÷ 180 °C ved hjelp av flytende propan eller etan. Dermed blir de naturlige strukturene beholdt, og teknikken er så skånsom at både bakterier og virus kan overleve både nedfrysingen og elektronstrålene de blir utsatt for mens mikroskopet arbeider.

Nærbilde av Mona Lisa
Hvis Mona Lisa blir forstørret 16 millioner ganger, blir nesa hennes så stor som Mount Everest. Illustrasjon:  Leonardo da Vincis Mona Lisa/Wikimedia Commons.

Mona Lisa dekker hele jordkloden

– Kamerasystemene er blitt kontinuerlig utviklet parallelt med kryo-teknologien, slik at vi nå kan ta utrolig gode bilder av strukturer som ikke er stort større enn atomer. Den teoretiske oppløsningen er så god at vi er i stand til å skille små strukturer fra hverandre hvis avstanden mellom dem er større enn ca. 1,4 ångstrøm, eller 0,14 nanometer, forteller Roos.

Professor Roos kvier seg litt for å snakke om hvor stor forstørrelse man kan oppnå i et elektronmikroskop. Forskerne er mer opptatt av å se på veldig små ting enn å forstørre dem mest mulig. Men likevel:

– Vi er i alle fall i stand til å forstørre et bilde ca. 16 millioner ganger. Det tilsvarer at Leonardo da Vincis berømte maleri av Mona Lisa blir så stort at det dekker hele jordkloden. I så fall blir nesa hennes til Mount Everest, og da kan du granske den ganske grundig! forteller han.

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi? Følg oss på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt.

Studerer fiskevirus og nanopartikler

Forskerne ved Institutt for biovitenskap bruker de avanserte kryoelektronmikroskopene til å studere mange slags biologiske prøver. – Vi har for eksempel brukt mikroskopene til å studere fiskevirus i samarbeid med en bedrift som produserer vaksiner til bruk i oppdrettsindustrien. Da må de dyrke virus for å kunne lage vaksiner, og vi kan for eksempel bruke mikroskopene til å se om de har klart å dyrke tilstrekkelig mange virus, forteller Roos.

På kurs i Heidelberg i 1984
 Norbert Roos (foran, nr. tre f.v.) møtte Jacques Dubochet (bak t.h. med rutete skjorte) under et kurs på EMBL i Heidelberg i 1984. Dubochet har vært i Oslo flere ganger, og Roos har besøkt Dubochet i de sveitsiske alpene. Foto: EMBL

Forskerne har også brukt mikroskopene til å undersøke de bittesmå hårene som gonoré-bakterien (Neisseria gonorrhoeae) bruker når den fester seg til et underlag. Hvis bakterien ikke klarer å feste seg, kan den heller ikke fremkalle sykdom.

Hvis forskerne i «gamle dager» ville studere cellene i overflaten på et blad med spalteåpninger, måtte de tørke cellene og preparere dem med alkohol før de kunne legges i mikroskopet.

– Men nå kan vi fryse ned bladene isteden. Dermed har vi for første gang klart å ta bildee av bladenes beskyttende vokslag, som ble vasket bort med alkoholen som ble brukt med de gamle teknikkene.

Lærerne ville sende ham på spesialskole

Jacques Dubochet (født 1942) ble, som allerede nevnt, møtt med skepsis i forskermiljøene da han begynte å snakke om kryoelektronmikroskopi. Men skepsis var han vant med fra før, for lærerne på barneskolen i den sveitsiske kantonen Vaud ville sende ham på spesialskole. Lærerne forsto ikke at lese- og skrivevanskene hans skyldtes dysleksi, men foreldrene visste at sønnen var intelligent og kjempet med nebb og klør for å holde sønnen i en vanlig skole.

Deretter gikk det bare framover. I 1962 begynte Dubochet å studere fysikk i Lausanne, og i 1978 ble han gruppeleder ved EMBL i Heidelberg. I 1987 kom han tilbake til Lausanne som professor i biofysikk, og nå er han professor emeritus ved samme universitet.

Kontakt:

Professor Norbert Roos, Institutt for biovitenskap

Vitenskapelige artikler:

Øystein Wessel, Norbert Roos et al.: Infection with purified Piscine orthoreovirus demonstrates a causal relationship with heart and skeletal muscle inflammation in Atlantic salmon. PLOS One, August 25, 2017.11.20

Marek Cyrklaff, Norbert Roos, H. Gross and Jacque Dubochet (1994): Particle-surface interaction in thin vitrified films for cryo-electron microscopy. Journal of Microscopy, ISSN 0022-2720.  175, s 135- 142

Mer informasjon:

Kungliga Vetenskapsakademien: Cool mikroskopiteknik revolutionerar biokemin. Publisert 4. oktober 2017

Mer på Titan.uio.no:

 

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Løvenes konge-pastisj

Kampen om dyretronen

En sibirsteinbukk-hunn vil bare følge den hannen som har vunnet i kamp mot de andre, hos flekkhyenen er det hannene som vier livet sitt til å følge hunnene. Sosialt hierarki i dyreriket er like varierende som dyrene selv.

Hus begravd i slam etter Lusi-utbruddet

Kilden til verdens største slamutbrudd er funnet

I 2006 ble det utløst flere slamutbrudd fra vulkaner nordøst på den svært folkerike øya Java.  Det mest aktive utbruddet - Lusi - er fortsatt aktivt, og forskerne ser det nå i samenheng med et nærliggende vulkansystem.