Nytt sätt att studera enstaka biomolekyler utan fluorescerande färgämnen
Att kunna studera biomolekyler, som till exempel proteiner och DNA, är avgörande för bland annat läkemedelsindustrin vid framtagande av nya mediciner och vaccin. Men de metoder som används idag kan påverka molekylen och ge en missvisande bild. Christoph Langhammer och hans forskargrupp på Chalmers har därför utvecklat en helt ny metod. De kallar den för Nanofluidic Scattering Microscopy (NSM), ett sätt att direkt avbilda enskilda molekyler med hjälp av ljus och nanofluidik.
Christoph Langhammer är professor på institutionen för fysik vid Chalmers och en av SSF:s deltagare i programmet ”Framtidens Forskningsledare, FFL”. Det är inom ramen för det projektet som NSM-tekniken tagits fram, en teknik som beskrivs i en nyligen publicerad artikel i den vetenskapliga tidskriften Nature Methods, ”Label-free nanofluidic scattering microscopy of size and mass of single diffusing molecules and nanoparticles”.
När man idag studerar en biomolekyl eller biologisk nanopartikel märker man den ofta med ett fluorescerande ämne för att sedan titta på den i ett mikroskop. Tekniken kan dock ställa till problem i vissa tillämpningar, till exempel kan molekylens egenskaper förändras av det fluorescerande ämnet. Då kan man istället binda molekylerna till en yta och titta på dem med till exempel iSCAT, interferometric scattering microscopy. Men även här finns det ibland risk för felaktiga resultat. Bindningen till ytan kan till exempel påverka molekylens egenskaper och en – ofta stor – del av molekylerna i provet fastnar inte på ytan och upptäcks därför inte.
På Chalmers har Christoph Langhammer och hans forskargrupp nu lyckats hitta ett nytt sätt att studera enstaka molekyler och små biologiska partiklar, såsom exosomer. Med Nanofluidic Scattering Microscopy (NMS) låter man molekyler strömma genom en vätskefylld nanokanal som belyses med ett starkt synligt ljus. Det möjliggör att man kan se enstaka molekyler i realtid, utan att behöva märka dem eller binda dem till en yta, och kan på så sätt bestämma både deras storlek och molekylärvikt ner till några tio kilo Dalton (kDa).
Christoph Langhammer i labbet där de tagit fram NSM-tekniken.
– Det här ett typexempel på hur forskning kan gå till. Vi hade från början en annan plan, där metalliska nanopartiklar inuti en nanokanal skulle fungera som små optiska sensorer för att detektera enstaka biomolekyler. Men det visade sig att kanalerna själva spred så mycket ljus att man knappt kunde se metallpartiklarna i mikroskopet. När vi närmare undersökte ljusspridningen ifrån kanalerna teoretiskt, föreslog Barbora Špačková, som då arbetade som PostDoc i projektet, att vi kanske inte ens behöver metallpartiklarna, utan kunde använda oss enbart av kanalerna och deras fortfarande outforskade optiska egenskaper. Det visade sig sedan att den hypotesen var korrekt och med den nya NSM metoden kan vi nu se molekyler på ett sätt som vi aldrig hade kunnat göra med den ursprungligt tilltänkta tekniken. Det visar på hur viktigt det är i forskning att följa upp nya möjligheter som uppstår och lämna gamla spår, säger Christoph Langhammer.
Forskaren Barbora Špačková som föreslog att endast använda kanalerna i mikroskopet.
Upptäckten ledde till en start-up
Upptäckten är också kärnan i startupen Envue Technologies som Christoph Langhammer startade 2020 tillsammans med sina kollegor inom projektet och Chalmers Ventures.
– Företaget vann precis titeln som årets Game Changer i Venture Cups regionfinal väst och har fått ett större startup-anslag av Vinnova, säger Christoph Langhammer och fortsätter:
– Tekniken går att köpa redan idag. Vi för dialoger med ett antal forskare som vill ha tekniken till sina labb.
Nu går de vidare och gör mikroskopet och tekniken mer kraftfull och användarvänliga genom bland annat avancerad dataanalys som är baserat på AI för att kunna se ännu mindre molekyler och få större noggrannhet.
– Som alltid när man kommer med en ny mikroskopiteknik så måste man förstå vad den är bäst på, och vad den är bättre på än annan teknik. Där är vi nu och undersöker vad de bästa tillämpningarna är, bland annat tillsammans med nya kunder. Ett område där det finns mycket intresse är läkemedelsutveckling. Där vill man i ett väldigt tidigt skede kunna se hur två molekyler växelverkar med varandra. Idag är detta ett problem och många möjliga läkemedelskandidater testas länge innan man vet om de fungerar och det kan blir väldigt dyrt. Här hoppas vi att man med vår teknik i ett tidigare skede kan bidra till att sålla bort läkemedelskandidater som ej kommer att fungera och på så sätt spara pengar, vilket har fått branschen att bli intresserad i NSM, säger Christoph Langhammer.