Struktur och dynamik i mjuka och biologiska material. I & II

Forskningsprojekt, 2012 – 2019

Vatten är inte bara den vanligaste och mest undersökta kemiska föreningen på jorden, utan ingår också som en viktig (ibland livsviktig!) beståndsdel i flera olika sammanhang, såsom allt biologiskt liv, vår föda och praktiskt taget hela vår natur. I en stor andel av alla dessa materiella system är vattnet relativt homogent fördelat i ett nätverk av nanometer stora porer eller kapillärer. Vattnets strukturella och dynamiska egenskaper påverkas av det begränsade utrymmet och en av våra uppgifter är att klargöra hur detta sker. Av ännu större vikt är sedan att förstå varför närvaron av ”biologiskt vatten” är en absolut nödvändighet för biologiska funktioner. Exempelvis är proteiners biologiska aktivitet beroende av deras dynamiska egenskaper, som alltså påverkas av det omgivande vattnet. Genom att studera såväl det omgivande vattnets rörelser som proteinets rörelser och aktivitet hoppas vi kunna förstå sambanden mellan vattnets närvaro och proteinernas funktioner. För att förstå varför vatten är ett speciellt lämpligt lösningsmedel till att aktivera proteiner behöver vi också studera proteiner i lösningsmedel med andra fysikaliska och kemiska egenskaper (såsom viskositet, antal vätebindningar, polaritet osv.). Förhoppningsvis ska dessa studier leda till att vi förstår varför proteiner fungerar bäst i vatten och vilka specifika egenskaper vatten har som gör det till en nödvändig vätska i levande organismer.

Eftersom våra studier i att förstå hur biomolekylers dynamik och funktioner påverkas av det omgivande lösningsmedlet sker under ett brett temperaturområde, ända ner till biomolekylernas så kallade glasövergångstemperatur då alla globala rörelser har mer eller mindre stannat av, får vi också viktig information om hur biologiska material bäst kan bevaras vid låga temperaturer genom så kallad kryopreservering. Detta är ett viktigt forskningsområde eftersom kryopreservering är den vanligaste metoden som används till att lagra stamceller, embryos till framtida konstbefruktningar, och kroppsorgan före transplantationer. Anledningen att man kyler ner de biologiska materialen är att de inte ska ”åldras”, d.v.s. att inte oönskade biologiska processer ska ske under lagringen, eftersom dessa förstörande processer blir oändligt långsamma vid tillräckligt låga temperaturer. Samtidigt är det inte så enkelt att man bara kan ta det biologiska materialet med allt sitt vatten och kyla det till en riktigt låg temperatur, eftersom detta leder till att en stor del av vattnet fryser till is som förstör den mikroskopiska strukturen av materialet. Det biologiska materialet återfår då inte sin normala biologiska funktion efter uppvärmning till dess vanliga biologiska temperatur. För att komma runt problemet med isbildning samtidigt som man får de biologiska processerna, d.v.s. ”åldrandet”, att stanna av tillsätter man vanligen ett ämne, som exempelvis socker, som hindrar vattnet att frysa till is. Istället bildar vattnet och exempelvis sockret en stel vätska, d.v.s. ett glas, vid låga temperaturer, som inte alls har samma skadliga effekt på biomolekylerna. Ett mål med detta projekt är att bättre förstå hur kryopreserveringen fungerar och hur den kan optimeras för att biomolekylerna bäst ska återfå sina livsviktiga biologiska funktioner efter uppvärmning till normal biologisk temperatur.