Johansson labb
Syftet med forskningen i Magnus Johanssons grupp är att nå en djupare förståelse för dynamiken och de molekylära detaljerna i proteinsyntesen i sitt naturliga sammanhang. Till vår hjälp utvecklar vi nya fluorescensbaserade verktyg för att studera proteinsyntesen på enmolekylnivå inuti levande bakterieceller.
Populärvetenskaplig presentation
Alla levande celler lagrar sin genetiska information i DNA, som innehåller instruktioner för hur proteiner ska byggas. Proteiner är de molekyler som utför nästan alla livets funktioner, från metabolism och tillväxt till kommunikation och stressrespons. Vår forskning syftar till att på en grundläggande nivå förstå hur proteiner tillverkas och hanteras inne i levande bakterieceller. Vi studerar hur molekylära maskiner som kallas ribosomer bygger proteiner, hur nybildade proteiner veckas till rätt struktur, hur de processas och hur de transporteras till rätt plats i cellen.
För att göra detta använder vi avancerade metoder för enkelmolekylspårning, som gör det möjligt för oss att följa enskilda molekyler medan de arbetar inne i levande celler. Genom att direkt och i realtid observera dessa processer strävar vi efter att förstå hur komplext cellulärt liv uppstår ur enkla molekylära interaktioner. Denna grundläggande kunskap bidrar också till att förklara hur antibiotika påverkar proteinproduktionen, hur bakterier kan utveckla resistens mot sådana antibiotika, och hur bakterieceller kan användas mer effektivt för produktion av nyttiga proteiner, såsom terapeutiska proteiner som används inom hälso- och sjukvård.
Forskning
Fluorescensbaserade enmolekylstudier av bakteriell proteinsyntes
Vår forskning fokuserar på att undersöka dynamiken i proteinsyntesen med hög rumslig och tidsmässig upplösning i levande bakterieceller. Målet är att koppla molekylära interaktioner till cellfysiologiska processer och till beteenden på populationsnivå. Vi studerar även hur dessa processer påverkas av antibiotika samt hur bakterier svarar på och utvecklar resistens mot sådana hämmare av proteinsyntesen.
Ribosomkatalyserad proteinsyntes är en av de mest grundläggande processerna i allt liv och utgör dessutom ett centralt mål för många kliniskt viktiga antibiotika. Decennier av forskning, som kombinerar klassisk biokemi med strukturella metoder såsom NMR, kryoelektronmikroskopi och röntgenkristallografi, samt senare även fluorescensbaserade enkelmolekyltekniker in vitro som möjliggör studier av struktur och dynamik på samma gång, har gett en detaljerad bild av proteinsyntes och proteinbiogenes. Däremot är vår kunskap om hur dessa processer dynamiskt samverkar inuti levande celler fortfarande begränsad. En särskild utmaning är det stora antalet ribosomer och associerade faktorer i cellen, som vid varje given tidpunkt är involverade i olika funktioner.
Proteinsyntesen är dessutom tätt sammankopplad med nybildade proteiners veckning, processning och målinriktning, i ett komplext nätverk av interaktioner med andra cellulära maskinerier. Denna komplexitet gör det mycket svårt att koppla mekanismer på molekylär nivå till fenomen på cell- och populationsnivå.
Vår forskning syftar till att integrera dessa processer i tid och rum för att skapa en sammanhängande bild av proteinbiogenes in vivo. Detta görs genom att studera centrala komponenter i proteinsyntes-, vecknings- och målinriktningsvägarna, en i taget, medan de utför sina funktioner i levande celler. En central del av arbetet är därför tillämpning och vidareutveckling av avancerade fluorescensbaserade metoder för enkelmolekylspårning, där vi kontinuerligt flyttar fram gränserna för vad som kan mätas i levande celler i termer av rumslig upplösning, tidsupplösning och molekylär specificitet.
Slutligen bidrar vår forskning, genom att koppla dynamiken i proteinsyntes och proteinhantering till olika antibiotikaklassers verkningsmekanismer och till resistensutveckling, till en fördjupad förståelse av hur antibiotika verkar in vivo och hur resistens uppstår. Samtidigt har resultaten potential att leda till nya strategier för att optimera bakteriella system för rekombinant proteinproduktion.
Metoder
Enmolekyl-fluorescensmikroskopi, enmolekylspårning, superupplöst mikrokopi, Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF)-mikroskopi, traditionella biokemiska metoder o s v.
Gruppmedlemmar
Publikationer
Preprints
Lundin L, Volkov IL, Johansson M (2026) Recovering membrane interaction kinetics of single molecules from 3D tracking data. bioRxiv (link)
Metelev M, Borg A, Akbar S, Larsson DSD, Seefeldt AC, Selmer M, Johansson M (2026) Ribosome collisions trigger tmRNA-mediated rescue through mRNA disengagement. bioRxiv (link)
Publikationer
Ilievski F, Wikström L, Borg A, Volkov IL, Brandis G, Johansson M (2025) Optimization of the genetic code expansion technology for intracellular labelling and single-molecule tracking of proteins in genomically re-coded E. coli. RSC Chemical Biology (link)
Metelev M, Johansson M (2025) A complex between IF2 and NusA suggests early coupling of transcription-translation. Nat Commun (link)
Hävermark T, Metelev M, Lundin E, Volkov IL, Johansson M (2024) Dynamic binding of the bacterial chaperone Trigger factor to translating ribosomes in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci U S A (link)
Volkov IL, Khaji Z, Johansson M, Tenje M (2024) A microfluidic platform for in situ studies of bacteria electroporation. Adv Mater Technol (link)
Amselem E, Broadwater B, Hävermark T, Johansson M, Elf J (2023) Real-time single-molecule 3D tracking in E. coli based on cross-entropy minimization. Nat Commun (link)
Volkov IL, Lundin E, Kipper K, Metelev M, Zikrin S, Johansson M (2022) Spatiotemporal kinetics of the SRP pathway in live E. coli cells. Proc Natl Acad Sci U S A (link)
Metelev M, Lundin E, Volkov IL, Gynnå AH, Elf J, Johansson M (2022) Direct measurements of mRNA translation kinetics in living cells. Nat Commun (link)
Seefeldt AC, Aguirre Rivera J, Johansson M (2021) Direct measurements of erythromycin’s effect on protein synthesis kinetics in living bacterial cells. J Mol Biol, 443 (link)
Aguirre Rivera J, Larsson J, Volkov IL, Seefeldt AC, Sanyal S, Johansson M (2021) Real-time measurements of aminoglycoside effects on protein synthesis in live cells. Proc Natl Acad Sci U S A (link)
Marklund E, van Oosten B, Mao G, Amselem E, Kipper K, Sabantsev A, Emmerich A, Globisch D, Zheng X, Lehmann LC, Berg O, Johansson M, Elf J, Deindl S (2020) DNA surface exploration and operator bypassing during target search. Nature, 583: 858-861 (link)
Volkov IL, Seefeldt AC, Johansson M (2019) Tracking of single tRNAs for translation kinetics measurements in chloramphenicol treated bacteria. Methods, 162-163: 23-30 (link)
Volkov IL, Johansson M (2019) Single-molecule tracking approaches to protein synthesis kinetics in living cells. Biochemistry, 58: 7-14 (link)
Volkov IL, Lindén M, Aguirre Rivera J, Ieong KW, Metelev M, Elf J, Johansson M (2018) tRNA tracking for direct measurements of protein synthesis kinetics in live cells. Nat Chem Biol 14: 618-626 (link)
Nilsson OB, Hedman R, Marino J, Wickles S, Bischoff L, Johansson M, Müller-Lucks A, Trovato F, Puglisi JD, O'Brien EP, Beckmann R, von Heijne G (2015) Cotranslational protein folding inside the ribosome exit tunnel. Cell reports 12: 1533-1540 (link)
Zhang J, Ieong KW, Johansson M, Ehrenberg M (2015) Accuracy of initial codon selection by aminoacyl-tRNAs on the mRNA-programmed bacterial ribosome. Proc Natl Acad Sci U S A 112: 9602-9607 (link)
Johansson M, Chen J, Tsai A, Kornberg G, Puglisi JD (2014) Sequence-dependent elongation dynamics on macrolide-bound ribosomes. Cell reports 7: 1534-1546 (link)
Tsai A, Kornberg G, Johansson M, Chen J, Puglisi JD (2014) The Dynamics of SecM-Induced Translational Stalling. Cell reports 7: 1521-1533 (link)
Chen J, Petrov A, Johansson M, Tsai A, O'Leary SE, Puglisi JD (2014) Dynamic pathways of -1 translational frameshifting. Nature 512: 328-332 (link)
Tsai A, Uemura S, Johansson M, Puglisi EV, Marshall RA, Aitken CE, Korlach J, Ehrenberg M, Puglisi JD (2013) The impact of aminoglycosides on the dynamics of translation elongation. Cell reports 3: 497-508 (link)
Johansson M, Zhang J, Ehrenberg M (2012) Genetic code translation displays a linear trade-off between efficiency and accuracy of tRNA selection. Proc Natl Acad Sci U S A 109: 131-136 (link)
Johansson M., Ieong K. W., Åqvist, J., Pavlov M. Y., Ehrenberg M. (2011) Rate and accuracy of ribosomal peptidyl transfer in Ribosomes: Structure, Function and Dynamics eds. Rodnina M., Wintermeyer W., Green R. (Springer-Verlag, Wien)
Johansson M, Ieong KW, Trobro S, Strazewski P, Aqvist J, Pavlov MY, Ehrenberg M (2011) pH-sensitivity of the ribosomal peptidyl transfer reaction dependent on the identity of the A-site aminoacyl-tRNA. Proc Natl Acad Sci U S A 108: 79-84 (link)
Johansson M, Bouakaz E, Lovmar M, Ehrenberg M (2008) The kinetics of ribosomal peptidyl transfer revisited. Mol Cell 30: 589-598 (link)
Johansson M, Lovmar M, Ehrenberg M (2008) Rate and accuracy of bacterial protein synthesis revisited. Curr Opin Microbiol 11: 141-147 (link)
Alumni
Javier Aguirre Rivera, PhD student
Carolin Seefeldt, Postdoctoral Fellow
Kalle Kipper, Postdoctoral Fellow
Anneli Borg, Postdoctoral Fellow
Erik Lundin, PhD Student
Filip Ilievski, PhD Student
Tora Hävermark, PhD Student