All kommunikation mellan en cells inre och dess omvärld sker via cellens membran. Membranet är ett ytskikt som håller samman cellen och som till stor del består av lipider, byggda av fettsyror. Även inne i cellen finns olika typer av membran, alla med sin specifika roll.

Undersökningar av cellmembraner med hjälp av nanoteknik har hittills främst handlat om att studera konstgjorda membraner på platta ytor, men eftersom många membraner i kroppen har böjd form finns det behov av en annan typ av nanoytor. I en ny vetenskaplig studie har forskare från Lunds universitet därför använt vertikala nanotrådar för att skapa mer varierade ytor för konstgjorda membraner att bildas på. Lundaforskarna har på en kvadratmillimeter byggt en hel skog av upprättstående nanotrådar, på vilken man kunnat bilda konstgjorda membraner som är böjda på samma sätt som många naturliga cellmembraner.

– Vår forskning visar att konstgjorda membraner kan följa den böjda yta som nanotrådarna utgör, vilket skapar unika möjligheter att studera membraner i böjt tillstånd, säger Aleksandra Dabkowska på kemiska institutionen vid Lunds universitet.

Nanotrådarna utgör dessutom fina känselspröt som kan mäta hur membranet fungerar. Med de vertikala nanotrådarna kan man exempelvis studera olika proteiner som är verksamma i kroppens cellmembraner. På grund av sin barriärfunktion i cellens yta är dessa proteiner måltavla för en rad olika läkemedel. Den så kallade nanoskogen kan därför vara av stort värde för läkemedelsforskning, men också inom grundläggande cellforskning, dels för att nanoytorna är mycket precist kontrollerade vad gäller nanotrådarnas längd, tjocklek och avstånd, dels för att nanoskogen mångfaldigar den totala undersökningsytan jämfört med ett platt nanolandskap.

Den aktuella studien är ett nära samarbete mellan forskare inom nanometerkonsortiet vid Lunds universitet, både från den naturvetenskapliga och den tekniska fakulteten, närmare bestämt fysikalisk kemi och fasta tillståndets fysik.

Det var i februari 2012 som Richard Neutze och hans forskarteam, samt studenten David Arnlund, fick möjligheten att åka till Stanforduniversitetet i USA för att få tillgång till frielektronslasern LCLS och genomföra sina forskningsstudier vid universitetet. LCLS är en så kallad frielektronslaser som kan producera röntgenstrålning som är mer än en miljard gång starkare än andra röntgenkällor som finns att tillgå.

– CLS är en revolutionerande maskin som möjliggör helt andra typer av experiment än vad som är möjligt med konventionella röntgenkällor synkrotronstrålning, säger Richard Neutze, professor vid Institutionen för kemi och molekylärbiologi, Göteborgs universitet.

Forskarna kunde följa fotosyntesproteinets förändring
I experimenten belyste forskarna ett protein med en laser och på så sätt kom fotosyntesmekanismen igång. Proteinet som forskarna använde har framställts på Lundberglaboratoriet i Göteborg. Genom att sedan skjuta stark röntgenstrålning på det aktiverade proteinet fick forskarna en stillbild av hur proteinet förändrats.

Med tillräckligt många stillbilder med olika tidsavstånd mellan laser och röntgen kunde forskarna sedan bygga upp en filmsekvens över hur proteinet förändrats efter det att laserpulsen träffat.

– Jag tycker personligen att det är anmärkningsvärt att ett protein kan genomgå förändringar på denna korta tidsskala. Förändringarna sker på den tid det tar för ljuset att förflytta sig två millimeter, säger Richard Neutze.

Forskningsresultaten publicerades nyligen i den ansedda tidsskriften Nature methods och studierna visar hur proteinet genomgår en andningsliknande rörelse, inte helt olikt hur en jordbävning fortplantar sig från dess epicentrum.

– Energi frigörs från proteinets epicentrum och driver fram en intern explosion, en förändring i proteinet som varar i pikosekunder, säger Richard Neutze.

Läs mer: http://www.nature.com/nmeth/journal/v11/n9/full/nmeth.3074.html

När man tar en magnecyl slår man ut all produktion av prostaglandiner i kroppen. Då lindras alla inflammationssymtomen på en gång, som feber, värk och aptitlöshet. Men det är inte självklart att man vill ta bort alla symtom – det finns ju en anledning till att de uppstår.

– Du kanske vill hämma aptitlösheten men behålla febern. Vid allvarliga akuta infektioner kan feber vara bra, säger David Engblom, docent i neurobiologi vid Linköpings universitet.

För elva år sedan fick han sitt första genombrott som forskare när han visade mekanismen bakom bildningen av prostaglandin E2 vid feber. Dessa signalmolekyler kan inte passera blod-hjärnbarriären, som ska skydda hjärnan mot skadliga ämnen. Engblom visade att de i stället kunde syntetiseras av två enzymer i blodkärlen på hjärnans insida, för att därifrån ta sig till regionen hypothalamus där kroppens termostat finns.

Forskargruppens tidigare arbeten beskrev en väldigt enkel mekanism men ännu saknades bevis på att den är viktig i verkliga livet. Den studie som nu publiceras i tidskriften The Journal of Neuroscience med David Engblom och hans doktorand Daniel Wilhelms som huvudförfattare bygger på försök med möss som saknar enzymerna COX-2 och mPGES1 i hjärnans blodkärl. När de infekterades med bakteriegift uteblev febern, medan andra tecken på inflammation inte påverkades.

– Detta visar att de prostaglandiner som orsakar feber bildas i blod-hjärnbarriären och ingen annanstans. Nu blir det intressant att undersöka de andra inflammationssymtomen. Sådana kunskaper kan bli användbara om man vill ta fram läkemedel som lindrar vissa symtom men inte alla, säger David Engblom.

Under flera år har det rått delade meningar om var febersignaleringen har sin källa. Tre alternativa idéer har lanserats, den ena att den härrör från cirkulerande prostaglandiner i blodomloppet, en annan som siktat in sig på immunceller i hjärnan och så Engbloms teori som betonat vikten av hjärnans blodkärl. Nu får den senare anses bevisad och rubriken på pressreleasen 2003 har fått full täckning: ”Feberns gåta löst”.

Utvecklingen av husdjur och grödor, en förutsättning för vårt jordbruk, är en av de viktigaste teknologiska revolutionerna under människans historia. Domesticeringen av husdjur började för 9 000 till 15 000 år sedan, då hundar, kor, får, getter och grisar blev våra första husdjur. Kaninen blev ett husdjur långt senare, för cirka 1 400 år sedan, och det var munkar i södra Frankrike som hade tama kaniner. Det sägs att anledningen var att Katolska kyrkan hade deklarerat att kött från unga kaniner var fisk och därför fick ätas under fastan! Vid tidpunkten för domesticeringen fanns den europeiska vildkaninen (Oryctolagus cuniculus) endast på Iberiska halvön och i södra Frankrike.

– Kaninen är särskilt väl lämpad för studier av domesticering eftersom vi vet var och när processen ägde rum och eftersom vilda kaniner fortfarande är vanliga inom ursprungsområdet kan vi jämföra tamkaniner med de faktiska populationer av vilda kaniner från vilka de avlades fram, förklarar Carl-Johan Rubin, Uppsala universitet, en av de ledande forskarna inom projektet.

Forskarna började med att kartlägga hela arvsmassan för en tamkanin. Därefter sekvenserade de hela arvsmassan hos tamkaniner från sex olika raser samt vildkaniner från 14 olika lokaler på Iberiska halvön och i södra Frankrike.

– Ingen tidigare liknande studie har omfattat en så noggrann kartläggning av den genetiska variationen hos den vilda ursprungsarten för ett husdjur. Detta gjorde det möjligt att med stor precision påvisa vilka genvarianter som haft störst betydelse under domesticeringsprocessen, säger Leif Andersson, professor vid Uppsala universitet, Sveriges lantbruksuniversitet och Texas A&M University.

I motsats till tamkaninen har vildkaninen en mycket stark flyktrespons som är livsnödvändig eftersom den jagas av örnar, rävar och andra rovdjur. Charles Darwin skriver i ”Om arternas uppkomst” att ”Få djur är svårare att tämja än vildkaninens ungar, och få djur är tamare än tamkaninens ungar”. Darwin använde husdjuren som ett bevis för att det är möjligt att förändra en arts egenskaper genom urval. I den nya studien har forskarna gått ett steg längre och studerat vilka genetiska förändringar som orsakat denna dramatiska förändring i beteende.

– Tamkaninens utveckling förklaras framförallt av en förändring av frekvensen av vissa genvarianter som redan fanns hos den vilda arten snarare än uppkomsten av nya mutationer med drastiska effekter, säger Kerstin Lindblad-Toh, Director of Vertebrate Genome Biology vid Broad Institute of MIT and Harvard och professor vid Uppsala University och Co-Director vid Science for Life Laboratory.

Forskarna fann mycket få exempel där en genvariant hos tamkaninen helt hade ersatt den genvariant som var vanlig hos vildkaninen.

– En intressant konsekvens av detta är att om man släpper ut tama kaniner i naturen så borde det kunna ske en ganska snabb genetisk anpassning genom att de genvarianter som är fördelaktiga i det vilda, som varit missgynnade hos tamkaninen ökar i frekvens igen tack vare naturlig selektion, menar Carl-Johan Rubin.

De fann inte heller ett enda exempel där en gen blivit helt inaktiverad under tamkaninens utveckling och det var många fler viktiga förändringar i de delar av arvsmassan som inte kodar för något protein än i de protein-kodande delarna av arvsmassan.

– Våra resultat är mycket tydliga, skillnaden mellan en vild och en tam kanin är inte vilka gener de bär utan hur generna regleras, det vill säga när, var och hur mycket ett visst protein ska uttryckas, fortsätter Carl-Johan Rubin.

Studien visar också tydligt vilka gener som varit mest betydelsefulla under kaninens domesticering. De största skillnaderna mellan vilda och tama kaniner syntes för de gener som har en roll i hjärnans och nervsystemets utveckling. Forskarna förbluffades över att de var så starkt överrepresenterade.

– Men detta är förstås helt logiskt om man beaktar den drastiska förändringen i beteende mellan vilda och tama kaniner, förklarar Kerstin Lindblad-Toh.

Studien visar att vildkaninen är en art med extremt mycket ärftlig variation och att den bär vissa genvarianter som vi nu visar har varit fördelaktiga under utvecklingen av tamkaninen. Den visar även att små förändringar i många gener tillsammans kan orsaka stora förändringar i beteende.

– Det är mycket troligt att en liknande process ligger bakom utvecklingen av andra husdjur och det är föga troligt att vi i någon art kommer att finna endast några få gener som hade en avgörande betydelse för domesticeringen. Vi tror också att en liknande mångfald av genvarianter som påverkar hjärnan och nervsystemets funktion finns hos och människor och bidrar till individuella skillnader i personlighet och beteende, säger Leif Andersson.

Studien, som idag publiceras i den vetenskapliga tidskriften Interface, ger information som öppnar möjligheter att utveckla robotar som kan användas inom exempelvis boskapsskötsel, evakuering och miljökatastrofer i framtiden.

Att använda en fårhund för att samla in och driva en flock får till en given plats är ett välkänt exempel på när en individ (hunden) kan samla ihop och förflytta en grupp andra individer (fåren) till en given plats, trots att medlemmarna i gruppen själva inte alls har något intresse eller vilja att ta sig till den platsen. Ingen vet dock exakt hur hunden kan klara av detta på egen hand. Forskarna har i den aktuella studien undersökt vilka regler hunden kan tänkas följa när den lyckas samla ihop en utspridd får och förflytta dem till en viss plats.

Från Uppsala universitet har en forskargrupp i matematik deltagit. Genom att konstruera en algoritm och köra datorsimuleringar fann de att om hunden följer två enkla regler, a) samla ihop gruppen om den är för utspridd och b) om gruppen är samlad, driva den mot målet, kan hunden klara av att samla ihop och transportera grupper som innehåller flera hundra individer till ett givet mål.

Medförfattarna från Storbritannien har tidigare utfört och analyserar experiment i Australien där en vallhund samlat in och förflyttat 46 får till en bur i en större hage där fåren tidigare betat. GPS-mottagare med hög precision var monterad på hunden och alla får så att de kunde se hur de rört sig genom experimentet, från det att hunden skickades iväg för att hämta fåren, tills dess att fåren levererats till buren.

– När vi jämför datorsimuleringar av vår algoritm för gruppstorlek 46 med den experimentella datan finner vi slående likheter. Både visuellt i animeringar och kvantitativa mätningar av var hunden tenderar att befinna sig i relation till gruppen får, säger Daniel Strömbom, huvudförfattare till studien.

Detsamma gäller hur långt bort från fårgruppens masscentrum hunden tenderar att vara, och på vilken sida av fårgruppen relativt målet hunden tenderar att vara. Detta visar att reglerna forskarna lagt in i algoritmen stämmer väl överens med experimentella data och således att dessa regler kan vara de som fårhunden faktiskt använder.

Eftersom algoritmen har kapacitet att samla ihop och transportera grupper som är betydligt större än 46 individer/objekt, och med gruppindivider/objekt som har varierande egenskaper, finns en mängd möjliga tillämpningar där den kan vara lämplig att implementera i en robot. Exempelvis för att städa upp i naturen (t ex oljespill), hantera grupper av boskapsdjur och assistera vid evakuering av farliga platser (t ex i rökfyllda lokaler).

– Fördelen med att använda en robot istället för människor för att utföra dessa uppgifter är framförallt ökad säkerhet, för människor och djur. Det är troligtvis också i många fall mer effektivt och ekonomiskt att om möjligt låta robotar utföra jobben istället för människor och djur, säger Daniel Strömbom.

Studien är ett samarbete mellan Uppsala universitet, University of London, University College of London, University of Cambridge och Swansea University. Uppsala har framför allt bistått med kunskap i matematik/modellering och Storbritannien med biologikompetens.