Ansökan: Nanometer-upplösta studier av nervcellskommunikation medelst märkningsfri kemisk analys

Tidsperiod:

1 juli 2009 – 30 juni 2011

Projektledare:

Tomas Sandberg

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

1 404 000 SEK

TITEL: Nanometer-upplösta studier av nervcellskommunikation genom inmärkningsfri kemisk analys. BAKGRUND: Att förstå hur vårt nervsystem fungerar och hur sjukdomar i nervsystemet uppkommer utgör en stor utmaning för den biomedicinska forskningen. Exempel på sjukdomar som relaterar till utebliven eller felaktig nervcellsfunktion är Alzheimer, Parkinson och ALS. Nervceller kommunicerar genom kemisk signalöverföring mellan cellerna, i de så kallade synapserna. De kemiska substanser som är involverade i denna kommunikation kallas signalsubstanser. En viktig sådan signalsubstans är glutamat, som finns i de flesta nervkretsar i hjärnan. Forskning har visat att obalans i glutamatsystemet har direkt påverkan på avancerade hjärnfunktioner, såsom minne, kognitiva förmågor och känslor. En viktig grupp protein som kontrollerar transporten av glutamat i nervsynapsen är de så kallade vesikulära glutamattransportörerna (eng. VGLUTs). Ett sätt att studera effekten hos glutamatsystemet är att med hjälp av avancerad genteknologi skapa nervceller, dvs nervsynapser, utan VGLUTs. Dessa modifierade nervceller kan sedan jämföras med normala, VGLUT-innehållande nervceller, för att detaljerat analysera glutamatets inverkan på kommunikationen mellan nervceller. Dock, för att kunna vinna detaljerad kunskap om hur nervceller fungerar på molekylär nivå, behövs nya verktyg som kan studera cellprocesser med mycket hög upplösning. Traditionella tekniker baserade på ljusmikroskopi begränsas av det faktum att objektet (tex ett protein) dels måste vara inmärkt med en fluorescerande molekyl och dels måste vara större än halva våglängden hos det ljus man belyser objektet med. Den senare begränsningen upphör om man inför en i höjd- och sidled välkontrollerad vass spets, med en diameter i storleksordningen 10-20 nanometer (1 nanometer = 1 miljarddels meter), i systemet. Denna vassa spets kan nämligen användas för att koncentrera det infallande ljuset så att information endast erhålls från ett mycket litet område nära det studerade objektet, med dimensioner väsentligen mindre än det infallande ljusets våglängd. Den i rymden välkontrollerade vassa spetsen i kombination med den koncentrerade ljusstrålen gör att man med mycket hög upplösning kan avbilda objektet samt bestämma dess kemiska komposition. Dessa två kraftfulla tekniker att studera objekt med nanometer-upplösning kallas atomkraftsmikroskopi (eng. Atomic force microscopy; AFM) respektive spets-förstärkt Raman spektroskopi (eng. tip-enhanced Raman spectroscopy; TERS). Ytterligare en styrka föreligger när det kemiska datat analyseras med avancerade statistiska metoder, så kallad multivariat analys. På så sätt kan man urskilja skillnader mellan olika objekt, och i detta sammanhang intressant, mellan olika områden på samma objekt. FRÅGESTÄLLNINGAR OCH MÅL: Det planerade projektet är starkt interdisciplinärt och innefattar teknologiska/metodologiska liksom neurobiologiska frågeställningar. Dessa kan sammanfattas som följer: 1) Hur optimerar man TERS för högupplöst inmärkningsfri kemisk analys av levande celler? 2) Går det att avbilda nervsynapser med hög upplösning? 3) Hur skiljer sig synapser utan en specifik glutamattransportör, VGLUT2, från normala synapser, rörande glutamattransport? Målsättningen med projektet är dels att utveckla TERS teknologiskt och metodologiskt för högupplöst inmärkningsfri kemisk analys av levande celler och dels att bestämma struktur och glutamattransport hos nervsynapser med och utan VGLUT2. BETYDELSE: Projektet har tillämpat liksom grundvetenskapligt värde. Specifikt, om de teknologiska och metodologiska målsättningarna uppnås har detta stor betydelse för generell högupplöst analys av biologiskt material. Dessutom, detaljerad strukturbestämning av nervsynapser i levande celler kan ge ny, ännu okänd information. I ett längre perspektiv kan ökad förståelse om de mekanismer som styr nervcellskommunikation leda till förbättrad behandling av olika neurorelaterade sjukdomar.