Alveoler kallas det område i lungorna där utbytet av syre och koldioxid sker mellan luften och kroppen. Nu har forskare inom kemi och medicin vid Lunds universitet i en gemensam studie tittat närmare på den tunna film av proteiner och fetter som stabiliserar och skyddar alveolerna. Denna film, som också kallas surfaktant, kan även påverka transporten av olika molekyler mellan luften och kroppens blodkärl.
– Vår studie handlar om effekten av kolesterol i alveolernas ytskikt. Vi har fått förvånansvärt tydliga resultat, säger Emma Sparr, kemiprofessor vid Naturvetenskapliga fakulteten på Lunds universitet.
Naturligt i lungan Kolesterol utgör en naturlig ingrediens i den tunna film som täcker insidan av våra lungor, men saknas däremot nästan helt i de kliniska preparat som används inom sjukvården vid behandling av för tidigt födda barn.
– Hos barn som föds uttalat för tidigt har inte filmen vid alveolernas ytskikt hunnit utvecklas färdigt. Trots att vi ger surfaktantläkemedel, vanligtvis extrakt från grislungor, med god effekt i akutskedet ser vi uttalade långtidsskador på de prematurföddas lungor, säger Marcus Larsson, som är läkare och forskare vid Medicinska fakulteten på Lunds universitet.
I den aktuella studien använde forskarna avancerad NMR-teknik, så kallad kärnmagnetisk resonans, för att kartlägga hur kolesterolet påverkar den molekylära strukturen på den tunna filmen i alveolerna. Metoden gjorde det möjligt att få fram helt ny molekylär information och att jämföra utseendet på strukturen med respektive utan kolesterol.
– Denna skillnad i filmens molekylära struktur kan ha stor betydelse för filmens funktion, både transport av ämnen och mekaniska egenskaper kan påverkas av detta, säger Emma Sparr.
Kliniska preparat Hon hoppas nu att forskningsstudien kan bidra till att belysa kolesterolets betydelse för alveolernas ytskikt och att kunskapen om det kroppsegna ytskiktet kan stödja utvecklingen av de kliniska preparaten.
– Effekten av kolesterol på alveolernas ytskikt är mycket tydlig och bör kanske med tiden inkluderas i de kliniska beredningarna med tanke på att vår kroppsegna surfaktant innehåller denna komponent, säger Marcus Larsson.
Den aktuella studien är ett samarbete mellan forskare vid Lunds universitet och universitetet i Halle i Tyskland. Studien publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften PNAS.
Kontakt:
Emma Sparr, professor, Kemiska institutionen, Lunds universitet, tel 0707-946872, e-post: emma.sparr@fkem1.lu.se
Marcus Larsson, barnläkare och forskare, Institutionen för kliniska vetenskaper, Lunds Universitet, tel 070-5678757, e-post: Marcus.Larsson@med.lu.se
Biokemisten Cecilia Engdahl visar på skillnader mellan myggans och människans livsnödvändiga enzym acetylkolinesteras (AChE), och hur dessa skillnader kan utnyttjas för att skapa nya insektsbekämpningsmedel. Medlen kan användas för att begränsa spridningen av sjukdomsspridande myggor genom att till exempel appliceras på myggnät. Cecilia försvarar sin avhandling den 2 juni vid Umeå universitet.
– Upptäckten av skillnader i enzymet ger förutsättningar att utveckla bekämpningsmedel med förbättrade egenskaper. På sikt kan min forskning bidra till att minska spridningen av myggburna sjukdomar globalt, säger Cecilia Engdahl.
Miljontals smittas Miljontals människor drabbas årligen av malaria, dengue och andra sjukdomar som sprids av myggor. I dagsläget är det mest effektiva sättet att skydda sig från dessa sjukdomar att undvika myggbett. Genom att sprida ut kemiska substanser (insektsbekämpningsmedel) som dödar myggor begränsas myggbestånden, vilket leder till minskad sjukdomsspridning. Tyvärr är de insektsmedel som används i dag giftiga även för andra djur, inklusive människor. Dessutom har vissa myggarter utvecklat resistens mot de vanligaste bekämpningsmedlen.
Målet med Cecilia Engdahls avhandlingsarbete har varit att utveckla nya substanser med selektiva egenskaper; de ska vara giftiga för myggor men inte andra djur, människor eller naturen. Det är också önskvärt att nya insektsmedel ska motverka spridningen av resistens.
För att ta reda på om det är möjligt att skapa selektiva insektsmedel studerade Cecilia Engdahl egenskaperna hos enzymet AChE från mygga och jämförde resultatet med egenskaperna hos det mänskliga enzymet. Hon kunde identifiera viktiga funktionella och strukturella skillnader att ta fasta på i designen av nya substanser. Genom att experimentellt utvärdera ett så kallat substansbibliotek hittades ett antal molekyler som blockerar aktiviteten hos myggans AChE men som inte lika effektivt påverkar det mänskliga enzymet.
Nya substanser De bästa molekylerna från denna utvärdering använde Cecilia Engdahl därefter som kemisk utgångspunkt i utvecklingen av nya substanser, där också kunskapen om skillnaderna mellan enzymerna bidrog till designen. Dessa nyskapade substanser användes för att kartlägga vilka egenskaper som bidrar till önskad effekt på enzymen.
– Resultatet av kartläggningen är ett antal nya substanser som selektivt slår ut myggans enzym AChE, oavsett resistens mot tidigare gifter, och som dessutom dödar myggor och mygglarver av de arter som sprider malaria, dengue och Zika, säger Cecilia Engdahl.
Larvernas värsta fiender visade sig inte vara fåglar och däggdjur, utan myror och andra småkryp, kunde det internationella forskarlaget lett av Tomas Roslin från Sveriges Lantbruksuniversitet, SLU, konstatera.
Det är väl känt att det finns många fler arter i tropikerna än vid polerna, men finns det liknande mönster i hur kraftigt arterna påverkar varandra? Svaret är ja, åtminstone beträffande växtätares risk att själva bli mat, det vill säga predationsrisken, enligt den aktuella studien som publicerats i tidskriften Science.
En samling konstgjorda larver redo för tjänstgöring i Ithaca, New York. Foto: Saskya van Nouhuys
Forskarna placerade ut konstgjorda larver av modellera längs en nära 12 000 kilometer lång gradient från Arktis i norr till Australien i söder, totalt 31 platser inklusive två ställen i Finland och ett i Danmark.
– Det jag tycker var allra intressantast var att mönstret inte bara speglades på båda sidorna om ekvatorn, utan också kunde ses i höjdled. Vi upptäckte samma minskning av predationsrisken när vi gick uppför en bergssluttning som när vi rörde oss mot polerna från ekvatorn. Det verkar som att det finns en gemensam faktor – sannolikt knuten till temperaturen – som ligger bakom detta mönster, säger Tomas Roslin på institutionen för ekologi, SLU.
Författarna använde bitmärken på larverna för att identifiera det skyldiga rovdjuret. I det här fallet har larven fått upprepade nyp av en kilformad fågelnäbb. Foto: Tapani Hopkins
Genom att studera bitmärken på larverna kunde forskarna sedan se vad som attackerat dem.
– Om det var en bitande insekt som hade attackerat larven fanns två små hål efter käkarna, medan fågelnäbbar lämnade kilformade märken och däggdjur lämnade tandmärken, berättar Eleanor Slade, forskare på universiteten i Oxford och Lancaster, Storbritannien.
Ursprunget till försöket var att Eleanor Slade hade använt dessa konstgjorda i larver i regnskogen på Borneo, och där uppmätt väldigt många attacker. Tomas Roslin hade gjort liknande försök på Grönland – där larverna i stort sett fick vara ifred. Tillsammans funderade Tomas och Eleanor på om de kanske sett två extremer i ett globalt mönster, och det var ju exakt vad det visade sig vara.
Totalt arbetade 40 forskare från 21 länder tillsammans. Universitetet i Helsingfors skickade ut färdiga kit med konstgjorda larver och lim, eftersom det var viktigt att alla använde samma material. Sedan skickades larverna tillbaka till Helsingfors där Bess Hardwick med kollegor noggrant granskade dem för att få svar på vem som låg bakom attacken.
Det visade sig att det inte var fåglar och däggdjur som låg bakom det ökade predationstrycket närmare ekvatorn. I stället var det insekter, till exempel myror, som var drivande. Troligtvis har det lett till att larver närmare ekvatorn har utvecklat bättre försvar mot andra insekter än larver närmare polerna. Mönstret visar också att just rovlevande insekter är viktiga genom att hålla växtätande småkryp i schack.
– Vi bör uppskatta rovinsekternas arbete, som gör att världen förblir grön genom att förhindra att alla växter äts upp av hungriga larver. Och enligt våra resultat spelar de rovlevande insekterna ännu större roll närmare ekvatorn, säger Tomas Roslin.
Upptäckten hade varit omöjlig utan ett samarbete mellan forskare världen över. Genom att tillsammans utföra samma experiment på många platser är det möjligt att se mönster som enskilda forskargrupper aldrig kan få syn på.
Kontakt:
Tomas Roslin, professor, Inst. för ekologi, Sveriges lantbruksuniversitet, tel
018-67 23 83, +358 40 595 80 98,
Det tunnaste materialet som hittills skapats, grafen, består av ett enda lager kolatomer. De bildar ett mönster likt hönsnät, fast bara ett atomlager tjockt. Materialet har flera unika egenskaper. Det är ungefär 200 gånger starkare än stål och samtidigt böjligt. Det är genomskinligt, men ogenomträngligt för både gaser och vätskor. Dessutom leder det elektricitet mycket bra. Idéerna kring hur nanomaterialet skulle kunna användas är många och det forskas intensivt kring möjliga framtida tillämpningar.
– Grafen är ett väldigt fascinerande material, och samtidigt mycket utmanande att studera, säger Mikhail Vagin, förste forskningsingenjör vid institutionen för teknik och naturvetenskap samt institutionen för fysik, kemi och biologi.
Utmaning En av faktorerna som gör det till en stor utmaning att förstå hur grafen fungerar på atomnivå är att det är vad man kallar för ett anisotropiskt material. Det betyder att materialets egenskaper kan skilja sig åt beroende på om man mäter över kolatomskiktets plana yta eller över kanten. Forskarnas ansträngningar för att förstå vad som händer i grafen på atomnivå kompliceras dessutom av att det finns olika sätt att framställa grafen. Egenskaperna hos grafen i små flagor, med många kanter, skiljer sig på en del sätt från grafen som skapats som kvadratcentimeterstora sjok. Beroende på vilken typ av grafen som studeras kan materialet uppträda på olika sätt.
Forskarna bakom studien använde grafen som skapats på en skiva av kiselkarbid genom en process som utvecklats av forskare vid Linköpings universitet. När kiselkarbid värms upp till 2 000 °C övergår kiselatomer på ytan i gasform och endast kolatomerna blir kvar. På grund av den höga kvaliteten av grafenlagret reagerar materialet extremt långsamt med omgivningen, medan många tillämpningar är beroende av kontrollerad interaktion mellan materialet och andra ämnen, så som gasmolekyler. Inom forskningsfältet pågår en diskussion om huruvida det går att aktivera grafen på ytan eller om kanter behövs. För att förstå mer om hur grafen fungerar undersökte forskarna vad som händer när man på ett kontrollerat sätt skapar defekter i ytan.
– Anodisering är en elektrokemisk process som bryter sönder grafenlagret så att det skapas fler kanter. Vi mätte egenskaperna hos anodiserat grafen och såg att materialets förmåga att lagra elektricitet blev många gånger högre, säger Mikhail Vagin.
Öppnar möjligheter Det behövs vidareutveckling för att kunna tillämpa den nya kunskapen och få det att fungera i större skala. Forskarna har flera spår som de vill följa upp.
– Grafen på kiselkarbid går att göra över en större area än andra grafentyper. Om man kan påverka materialets egenskaper på ett kontrollerat sätt kan det bli möjligt att skräddarsy ytan för olika funktioner, exempelvis så att den kan fungera som en sensor som har ett eget batteri, säger medförfattaren Mikael Syväjärvi, förste forskningsingenjör vid institutionen för fysik, kemi och biologi och en av grundarna till Graphensic AB som kommersialiserar grafen på kiselkarbid.
Resultaten utvecklades som följd av ett examensarbete med samarbete mellan Graphensic och forskarna vid Linköpings universitet.
Artikeln: Monitoring of epitaxial graphene anodization, Mikhail Yu. Vagin, Alina N Sekretaryova, Ivan G. Ivanov, Anna Håkansson, Tihomir Iakimov, Mikael Syväjärvi, Rositsa Yakimova, Ingemar Lundström, Mats Eriksson, (2017) Electrochimica Acta, 238, 91-98; publicerad online 4 april 2017, doi:
Växtodling i skyskrapor och kött utan djurhållning låter fortfarande som science fiction, men kan bli självklarheter i framtiden. I Linköping byggs snart ett kombinerat växthus och kontorshus i sjutton våningar, med kontor åt norr och odling mot söder. Här kan mycket mat att odlas nära människor och husets båda sidor hjälper varandra. Syre förs från växter till människor, och koldioxid och överskottsvärme leds i motsatt riktning.
En forskare som tror att vi kommer att få se mer av sådana smarta lösningar framöver är Julie Gold. Hon är docent vid Institutionen för fysik vid Chalmers tekniska högskola och forskare i biovetenskap.
─ Genom att odla i höghus får vi mer odlingsyta. Vi kommer också att odla på husväggar i städer och inomhus i våra hem. Det finns till exempel restauranger som odlar örter på väggarna redan idag, säger hon.
Behovet av innovation är stort eftersom dagens livsmedelsproduktion tar mycket mark, vatten och energi i anspråk. Julie Gold tycker att vi till exempel kan hämta inspiration från hur bondgårdar drevs förr i tiden, när allt togs tillvara på ett eller annat sätt:
─ Ny teknologi gör det möjligt att få ut maximalt av det vi har. Det finns till exempel nya system för att använda urin för att gödsla växter.
Nya grönsaker med genteknik Växtforskaren Stefan Jansson vid Umeå universitet tror att vi kommer att äta en hel del nya grödor i framtiden, som gjorts nyttigare för oss eller bättre för miljön. Det kan till exempel vara grönsaker som innehåller mer vitaminer, behöver mindre vatten eller inte blir angripna av insekter. Mycket kan hända om reglerna för GMO ─ genmodifierade växter ─ ändras.
─ Forskarna har gjort enorma framsteg de senaste femton åren när det gäller växtförädling med genteknik, men tyvärr går kunskapen inte att tillämpa. Idag är det i praktiken förbjudet att odla växter som klassas som GMO utanför laboratoriet, på grund av att tillämpningen av regelverket är så strikt. Några sorter av majs, sojaböna och raps som tagits fram i teknikens barndom under 1990-talet har dock tagit sig genom nålsögat utanför EU och fått en enorm spridning där, säger Stefan Jansson som är professor i växters cell- och molekylärbiologi.
En del nya grödor är färdiga att odlas så snart förbudet upphävs. Stefan Jansson nämner till exempel ”gyllene ris” som är ett gult genmodifierat ris. Det innehåller vitamin A och är framtaget för att minska risken för A-vitaminbrist i fattiga länder. För våra breddgrader finns en genmodifierad potatis som kan odlas helt utan bekämpningsmedel, eftersom dess arvsmassa tillförts en bit dna från en potatisart som inte angrips av insekter.
─ Det är absurt att den potatisen inte får odlas i Sverige, men jag är övertygad om att förbudet är borta om 20-30 år. Alla stora forskningsorganisationer säger att det inte finns några risker med GMO, säger Stefan Jansson.
Tillåtet att ta bort dna i Sverige
Lagstiftningen ser idag olika ut beroende på om en bit dna lagts till, eller tagits bort i en växts arvsmassa.
─ När en bit dna läggs till i växtens arvsmassa räknas växten som GMO och är i princip förbjuden, men när bara en bit dna tas bort är situationen kanske annorlunda. I EU funderar man på hur man ska göra med sådana växter, men i Sverige bestämde Jordbruksverket för ett drygt år sedan att de inte räknas som GMO och därmed är tillåtna. Det skapar fantastiska möjligheter, säger Stefan Jansson.
För att ta bort en bit dna ur en växts arvsmassa används genkniven CRISPR. I somras odlade Stefan Jansson kål som modifierats med CRISPR i sin egen trädgård. Han åt kålen och var inte ett dugg orolig:
─ När man tar bort en bit dna med genkniven blir växten till 100 procent identisk med en växt där motsvarade bit bort fallit bort naturligt. Sådant sker då och då, och naturliga mutationer har använts för växtförädling i alla tider. Om du såg föregångarna till de växter vi odlar idag, så skulle du inte känna igen dem.
Vad är CRISPR?
CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) är en teknik som används för att göra riktade förändringar i arvsmassan. Tekniken bygger på en metod som många bakterier använder sig av för att skydda sig mot till exempel virusangrepp.
Först binder en målsökande RNA-molekyl till en specifik del i virusets arvsmassa. Sedan klipper ett enzym, som kallas Cas9, itu arvsmassan bredvid den plats i där RNA-molekylen har bundit. På detta sätt oskadliggörs viruset. Detta system används i en modifierad form för att på olika sätt förändra arvsmassan i en rad olika organismer, allt från bakterier till växter.
Med CRISPR/Cas9 kan forskare antingen byta ut en av de miljarder ”bokstäver” som finns i en organisms genom (hela arvsmassan som består av DNA) eller ta bort korta snuttar, ungefär som när man ändrar en skriven text i en ordbehandlare. Det kallas ”genom-editering eller ”genom-redigering”.
Mindre växthusgas med odlat kött Kanske kommer köttproduktionen också förändras radikalt framöver. En stor drivkraft till förändring är att dagens produktion av kött står för drygt fjorton procent av de globala utsläppen av växthusgaser. En framtidslösning skulle kunna vara att odla kött istället för att föda upp djur. Redan nu är det möjligt att odla små mängder levande muskelceller från till exempel ko, gris eller kyckling i laboratorium. Det berättar Mats Stading som är professor i materialteknik vid RISE – Research Institutes of Sweden:
─ Att odla muskelceller i en ren petriskål är inte så svårt. Det svåra är att skala upp produktionen. Den hamburgare som visades upp för några år sedan hade kostat 2,5 miljoner kronor att ta fram. Köttet var odlat i massor av petriskålar, säger han.
Givmilda miljardärer finansierar nu privata forskningsprojekt och företag i USA och Holland. Nyligen visade ett av företagen upp en bit friterat odlat kycklingkött och förra året presenteras en odlad köttbulle.
─ Tyvärr avslöjar de här forskarna inte hur de gjort, men jag tror att det dröjer länge innan vi får se odlat kött i vanliga livsmedelsbutiker, säger Julie Gold vid Chalmers.
Odla muskelceller på grönt
Forskaren Mats Stading var nyligen projektledare för ett svenskt projekt som syftade till att odla kött på ett nytt sätt. Projektet hette ”Smat ─ Smart mat av havre och odlade muskelceller”.
─ Vår idé var att ta fram ”kött” där den största delen av ”köttbiten” inte bestod av muskelceller utan av annat protein. Vi odlade muskelceller på en bärare av gröna proteiner från till exempel ärtor eller majs. Muskelcellerna var så att säga grädden på moset, det som gjorde produkten mer köttlik, säger han.
Projektet avslutades hösten 2016 och gick både bra och dåligt.
─ Vi visade att det går bra att odla muskelceller på en struktur av proteiner från majs och ärta. Muskelcellerna växer till bra och bildar ett kontinuerligt nätverk, säger Mats Stading.
Tyvärr gillar bakterier samma förhållanden som muskelceller. Det man odlar på måste vara väldigt rent.
─ För att få bara muskelcellerna att växa till var vi tvungna att odla med antibiotika, så det behövs mer forskning innan det blir något ätbart.
Lättare att odla köttfärs
Forskningen på odlat kött handlar hittills om att få fram småbitar av kött, att odla köttfärs. Att odla en biff ligger betydligt längre fram. I en biff finns ju inte bara muskelceller, utan också bindvävnad, fett och blodkärl, som ger tuggmotstånd och smak.
Julie Gold funderar över hur långt utvecklingen av odlat kött behöver gå:
─ Vill människor äta kött i framtiden, när vi kan få i oss allt vi behöver med vegetarisk kost? Det finns ju många vegetariska alternativ som liknar kött, till exempel Oumph av soja, säger hon.
Julie Gold tror att köttätandet kommer att minska och tycker att den stora frågan är vilka proteinkällor vi kommer att ha i framtiden.
─ Det bästa vore om vi bara åt kött från djur vid speciella måltider och högtider, och odlat kött och vegetariskt baserade alternativ till vardags, säger Julie Gold som även hon var verksam i projektet Smat.
Förutom att odla muskelceller ägnade sig forskarna där åt att ta fram en helt vegetarisk produkt, med protein från havre, ärtor och hampa. Mats Stading berättar:
─ Vi fick fram en fibrös struktur som liknar kycklingkött. Sådan forskning är inte lika spektakulär som att odla kött, men väldigt användbar. Det räcker med 150 gram om dagen av vår vegetariska produkt för att få i sig allt protein man behöver, inklusive de essentiella aminosyrorna. Det är den typen av ny mat som kommer att göra skillnad på jorden, inte odlat kött, säger han.
Skriva ut pizza för astronauter
När råvarorna väl är framtagna kan en del av dem komma att passera en 3D-skrivare innan de läggs på våra tallrikar i framtiden. Bland annat pågår forskning för att kunna skriva ut pizza för astronauter och soldater. Vi kan redan köpa 3D-skrivare som tillverkar dekorationer av choklad eller socker till bakverk, och snart kanske vi skriver ut vår egen pasta hemma, i den form vi önskar för dagen. Mats Stading tror dock att det dröjer innan 3D-skrivare för mat kommer på bred front.
─ 3D-skrivare är en fantastisk teknik för att göra komplexa strukturer, men den är långsam och dyr. I ett projekt på RISE tittar vi på hur 3D-skrivare skulle kunna användas för att anpassa mat till äldre som har svårt att tugga eller svälja. Man vill ju servera dem mat som är så lik vanlig mat som möjligt, men som faller sönder i munnen. Då är det bra att kunna sätta en patron med broccolimos i skrivaren och kunna skriva ut något som ser ut som broccoli, säger han.
Behovet av innovation är stort eftersom dagens livsmedelsproduktion tar mycket mark, vatten och energi i anspråk. Julie Gold tycker att vi till exempel kan hämta inspiration från hur bondgårdar drevs förr i tiden, när allt togs tillvara på ett eller annat sätt:
En del nya grödor är färdiga att odlas så snart förbudet upphävs. Stefan Jansson nämner till exempel ”gyllene ris” som är ett gult genmodifierat ris. Det innehåller vitamin A och är framtaget för att minska risken för A-vitaminbrist i fattiga länder. För våra breddgrader finns en genmodifierad potatis som kan odlas helt utan bekämpningsmedel, eftersom dess arvsmassa tillförts en bit dna från en potatisart som inte angrips av insekter.
För att ta bort en bit dna ur en växts arvsmassa används genkniven CRISPR. I somras odlade Stefan Jansson kål som modifierats med CRISPR i sin egen trädgård. Han åt kålen och var inte ett dugg orolig: