Muterade zebrafiskar kan ge svar om ovanlig sjukdom ETT MAGASIN FRÅN SCILIFELAB
#1 –– 2018
Dessutom Närkontakt med forskning engagerar ungdomar Hoppas på doftande fällor för skadeinsekter Vad händer när Y-kromosomen förloras? Allt avgörs i genernas uttryck: Trädens hemliga liv
Koll på farliga
campylobacter Ett magasin från SciLifeLab
Synergi #1 –– 2018
1
Förord Toppforskning kräver samarbete
S
ciLifeLab har tagit nya steg mot att främja hela det livsvetenskapliga ekosystemet i Sverige. Under förra året fick drygt 1 500 användare och deras forskargrupper tillgång till de tekniker och den expertis som erbjuds och utvecklas inom vår nationella infrastruktur. Andelen användare från sjukvården, näringslivet och andra aktörer utanför universitetsvärlden uppgick till 17 procent, en betydande ökning jämfört med tidigare år. Så många som fyra av tio av de akademiska forskare som nyttjade SciLifeLabs service kom från andra lärosäten än våra fyra värduniversitet. Under början av 2018 lanserade vi även tre utlysningar för att stimulera forskningssamverkan nationellt och uppdatera vår infrastruktur med de senaste teknikerna. Det betyder att du som aktiv forskare i Sverige både gynnas av vårt förbättrade serviceutbud och kan vara en samarbetspartner som deltar i att bygga SciLifeLabs forskningsmiljö. En av satsningarna handlar om att etablera så kallade Research Community Programs och innebär ett helt nytt sätt att skapa synergi inom SciLifeLab. Genom att föra samman toppforskare med faciliteterna inom vår nationella infrastruktur hoppas vi skapa förutsättningar för samarbeten som driver svensk forskning inom molekylära biovetenskaper framåt till den absoluta frontlinjen. I det här numret av magasinet Synergi kan du inspireras av hur andra gjort saker tillsammans. Följ med när svenska myndigheter gemensamt fann orsaken till de senaste årens campylobacterutbrott. Möt även Nathaniel Street som har skapat en sökbar databas med genomisk sekvensinformation från en mängd träd och växter - till nytta för forskargrupper över hela världen.
Redaktionen
Synergi är ett magasin om forskning som ges ut av SciLifeLab två gånger per år, på svenska och p å engelska. Magasinet kan beställas kostnadsfritt eller läsas online via scilifelab.se/infrastructure/synergy Redaktör: Sara Engström Redaktionsråd: Susanna Appel, Camilla Breiler, Ellenor Devine och Annica Hulth Design och produktion: zellout.se Tryck: Danagård Litho Kontakt: synergy@scilifelab.se
Foto: Daniel Rosik
Trevlig läsning!
Olli Kallioniemi, Direktör för SciLifeLab director@scilifelab.se
SciLifeLab (Science for Life Laboratory) startade sin verksamhet 2010 och är ett samarbete mellan KTH, Karolinska Institutet, Stockholms universitet och Uppsala universitet. 2013 fick SciLifeLab i uppdrag av regeringen att skapa ett nationellt center för molekylära biovetenskaper. Syftet var att kunna erbjuda f orskare i hela Sverige tillgång till teknik och kompetens för avancerad forskning till en rimlig kostnad. SciLifeLab är helt integrerat i lärosätenas verksamhet och är inte vinstdrivande. SciLifeLabs vision är att vara ett nationellt nav för molekylära biovetenskaper. I dag använder över tusen forskargrupper centrets tjänster varje år.
2
Synergi #1 –– 2018
Ett magasin från SciLifeLab
Innehåll 05 11 15
06 14 12
16
#1 –– 2018 02 / Förord
06 / Reportage
14 / Inblick – Y-kromosom
Toppforskning kräver samarbete
Koll på farliga campylobacter
Söker kopplingar mellan rubbat immunsystem och sjukdomar
04 / I korthet
11 / Inblick – Skadeinsekter
Mikroorganismer frodas, nya kurser och pris för unga forskare
Hoppas på doftande fällor för skadeinsekter
05 / Inblick – Forskning i skolan
12 / Porträtt
Närkontakt med forskning engagerar ungdomar
Ett magasin från SciLifeLab
Allt avgörs i genernas uttryck: Trädens hemliga liv
15 / Inblick – CRISPR/Cas9 Muterade zebrafiskar kan ge svar om ovanlig sjukdom
16 / Hallå där! Barbara Wohlfarth har kartlagt DNA i organismer genom att analysera sediment från sjöbottnen
Synergi #1 –– 2018
3
Foto: Mikael Wallerstedt
I korthet Alla vetenskapliga publikationer som hör ihop med respektive artikel i Synergi hittar du på scilifelab.se/infrastructure/synergy
40
faciliteter lokaliserade på 10 svenska universitet utgör SciLifeLabs forskningsinfrastruktur.
1 534
unika användare nyttjade SciLifeLabs forskningsinfrastruktur under 2017, varav
1 428
akademiska användare, resterande från hälsooch sjukvård, industri och andra svenska myndigheter.
70
fortbildningstillfällen organiserades av SciLifeLabs forskningsinfrastruktur under 2017. Kurserna var spridda över landet och
31
av dem genomfördes på annan plats än Stockholm/Uppsala.
Utökat kursutbud SciLifeLab erbjuder kurser och workshops för doktorander, postdocs, forskare och andra anställda vid alla Sveriges universitet. Under hösten 2018 startar vi fyra nya kurser inom en rad olika områden som proteomik, läkemedelsutveckling och cellulär avbildning. Målet med våra utbildningar är att öka kunskapen om de avancerade tekniker och dataanalysmetoder som finns vid SciLifeLabs tekniska plattformar. Läs mer på scilifelab.se/pa-svenska/ utbildning
Nya kurser 2018 • Advanced Molecular Technology and Instrumentation for Proteome Analyses • Biophysical methods in drug discovery • Cellular profiling within the Human Protein Atlas/Spatial Proteomics • Single particle Cryo-EM image processing
Senaste nytt! Håll dig uppdaterad kring vad som händer inom SciLifeLab genom att prenumerera på vårt nyhetsbrev: scilifelab.se/about-us/newsletter
Mikroorganismer frodas i frusen jord Länge antog forskare att mikroorganismer i marken bara kan bryta ned organiskt material vid plusgrader. Mats Öquist, forskare vid Sveriges lantbruksuniversitet, har tillsammans med sin forskargrupp upptäckt att bakterierna kan vara aktiva och bryta ned organiskt material även när marken är frusen. Hur mikroorganismer fungerar i frusen mark påverkar nedbrytningen av markens förråd av kol. Nedbrytningsprocessen saktar ned ganska rejält under noll grader men fortsätter ändå. Den koldioxid som då bildas stiger upp i atmosfären. Förrådet av kol som är lagrad i marken är tre gånger större än den koldioxid som finns i atmos4
Synergi #1 –– 2018
fären. Därför kan även små förändringar i nedbrytningen av markkolet påverka mängden koldioxid i atmosfären. I den senaste studien som publicerades hösten 2017 i Nature Communications kunde forskarna för första gången visa att stora komplexa makromolekyler, till exempel cellulosa, bryts ned trots att marken är frusen. Att makromolekyler bryts ned vid låga temperaturer gör att vinterns betydelse för markens kolbalans är större än man tidigare trott. Studien har genomförts med hjälp av NMR-teknik (nuclear magnetic resonance) från SciLifeLabs service för biomedicinsk avbildning och molekylära strukturer. Ett magasin från SciLifeLab
Inblick
Text: Lisa Thorsén / Foto: Mikael Wallerstedt
Närkontakt med forskning engagerar ungdomar Högstadieelever som får delta i riktiga forskningsprojekt visar ett stort engagemang och intresse för naturvetenskap. I en studie från Umeå universitet blev eleverna klart engagerade av att leta efter bakterier som kan bidra till nya antibiotika.
D
et finns många studier som visar att intresset för naturvetenskap minskar tidigt i tonåren, men så var det inte för de elever som Jenny Hellgren, forskarassistent inom utbildningsvetenskap, följde. I hennes studie hjälpte eleverna en av SciLifeLabs faciliteter vid Umeå universitet att hitta nya bakterier av gruppen aktinomyceter i jord. Eleverna deltog i Forskarhjälpen, ett samarbete mellan skolor, forskare och Nobelmuseet. – Elevernas stora engagemang överraskade mig. På gruppnivå kunde vi se att intresset för naturvetenskap inte gick ner under den tid projektet pågick, säger Jenny Hellgren. Ett av de viktigaste resultaten hon lyfter fram är just att forskningsprojektet engagerade alla, både de som redan var intresserade av naturvetenskap och de som inte var det. Ett samhälle behöver naturvetare och teknologer, och även medborgare som kan ta medvetna och ansvarsfulla beslut baserade på kunskap, resonerar Jenny Hellgren. – Därför är det viktigt att försöka ta reda på vad som kan skapa och hålla kvar ett intresse för naturvetenskap. Sammanlagt undersökte Jenny Hellgren 20 klasser med 388 elever spridda över landet. De startade insamlingen av jordprover i maj 2011. Varje grupp tog två prover. Ett behöll de i klassrummet och ett skickade de till forskarna. Under höstterminen hade de sedan fyra lektioner där de tog reda på vilka bakterier som fanns i provet. De fick samtidigt lära sig mer om vad forskning är samt vad antibiotika är och varför det behövs nya typer av antibiotika. Eleverna kunde kommunicera med forskarna via e-post och sociala medier. – Det vanliga är att forskning om elever som aktivt deltar i forskningsprojekt görs på utvalda ungdomar som är extra duktiga eller går speciella gymnasieprogram. I Forskarhjälpen möter vi alla, innan de gjort några val. Samtliga elever svarade på två enkäter. Jenny Hellgren och hennes grupp filmade även laborationerna i tre klasser, samt intervjuade 24 elever. Intervjun fokuserade på hur eleverna uppfattade arbetet med Forskarhjälpen. – Eleverna uppskattade det praktiska arbetet, att de fick göra saker själva som att gräva och titta i mikroskop. De tyckte också om det undersökande arbetssättet, att få ta reda på saker som det inte finns några färdiga svar på. Dessutom uttryckte de att det kändes bra att få göra saker som riktiga forskare gör, sådant som spelar roll och som känns viktigt. Teknik och service Eleverna hjälpte SciLifeLabs serviceområde för kemisk biologi och genredigering att samla in 200 jordprover. Från dessa isolerades omkring 1000 bakteriearter. Aktinomyceter är vanligt förekommande jordbakterier som frekvent producerar sekundära metaboliter - organiska molekyler som ofta har antibakteriella egenskaper. SciLifeLab undersökte bakteriernas förmåga att tillverka antibakteriella substanser och hade under tiden kontinuerlig kontakt med de lärare och elever som var delaktiga i projektet. SciLifeLab byggde även upp ett extraktbibliotek från de insamlade proverna som kan användas i screeningsyfte, för att till exempel undersöka deras effekt i olika infektionsmodeller.
Ett magasin från SciLifeLab
Synergi #1 –– 2018
5
Reportage
campylo Koll på farliga
Campylobacterinfektion hos människa kommer ofta från kyckling. Efter de senaste årens utbrott har Folkhälsomyndigheten, Livsmedelsverket och Statens Veterinärmedicinska Anstalt (SVA) börjat samordna provtagningar och analyser för att spåra och förebygga smitta. Hanna Skarin är samordnande projektledare på SVA och leder även det europeiska referenslaboratoriet för campylobacter. Text: Henrik Möller / Foto: Mikael Wallerstedt
6
Synergi # #11–– ––2018 2018
Ett magasin från SciLifeLab
obacter
Ett magasin från SciLifeLab
Synergi Synergi##11 –– 2018
7
Reportage
D ”Men något hände vintern 2014. Ovanligt många personer insjuknade i campylobacterinfektion. ”
8
Synergi #1 –– 2018
en höga skorstenen över SVA:s stora, gula huskomplex syns på långt håll. Här kremeras rester av smittade djur, men i dag stiger ingen rök mot den blå himlen. I receptionen möts besökare av en färgglad ko av glasfiber. Hanna Skarin öppnar porten till en labyrint av korridorer. På väggarna hänger planscher med djur och forskningsresultat. En av dem förkunnar att SVA och branschorganisationen Svensk fågel övervakat campylobacter sedan 2001. Problemen är väldokumenterade. Vissa arter av campylobacter kan orsaka allvarliga mag- och tarmproblem hos människor. Smittan kan även leda till komplikationer som ledbesvär och blodförgiftning. Infektion med campylobacter är en zoonossjukdom, det vill säga en sjukdom som smittar mellan djur och människa. Förra året registrerades cirka 6 900 fall av svenskar som smittats av campylobacter i Sverige. – Normalt sett brukar antalet kycklingar som bär på campylobacter och antalet människor som drabbats av campylobacterinfektion vara färre på vintern än på sommaren. På sommaren är smittkällorna fler och människor handskas mer oförsiktigt med kött när de grillar. Men något hände vintern 2014. Ovanligt många personer insjuknade i campylobacterinfektion, berättar Hanna Skarin. SVA och Folkhälsomyndigheten började sekvensera och analysera genom från campylobacter under vinterns sjukdomstopp och såg att en stor del av bak– teriestammarna hos kyckling var identiska med stammarna hos de drabbade människorna. År 2016 var antalet fall som vanligt högre hela sommaren men gick aldrig ner under höst och vinter som de brukar göra. Både branschen och myndigheterna var överens om att det var dags att göra något. Tänk om man kunde jämföra bakterieisolat i hela leveranskedjan från gård till bord genom att samordna provtagningen? Projektet kom igång i början av 2017 på initiativ av Folkhälsomyndigheten. – SVA analyserade campylobacterstammar som hittats hos kyckling på gårdar. Folkhälsomyndigheten gjorde samma sak med bakteriestammar från människor som blivit sjuka. Livsmedelsverket samlade
in prover från livsmedelsbutiker. Eftersom proverna samlades in under mars och augusti kunde proverna jämföras effektivt. Bakteriestammar kunde nu sekvenseras och jämföras från gårdar, via slakteri till butik och konsument. Vad kom ni fram till? – Resultaten från mars månad visade att de flesta bakterieisolaten hos både kyckling och människor var identiska och att campylobacterna kunde spåras till svensk slaktkyckling. Ett problem som branschen själva identifierade var en felinstallerad anordning för tvätt av burar. Vad gjorde man åt det och hur ser statistiken ut i dag? – Branschen har genomfört flera åtgärder. De har sett över hygienrutiner på slakterier och man tar prover på alla kycklingflockar för förekomst av campylobacter. En viktig åtgärd är att kycklingarnas utrymmen måste stå tomma utan djur i minst 48 timmar efter att de torkat efter avslutad rengöring och desinfektion, innan nya djur får sättas in. På det drabbade slakteriet uppmättes noll procent campylobacter i december 2017. Så nu hoppas vi att det inte blir någon mer smittotopp. Ska övervakningen fortsätta? – Den ska pågå under 2018, och vi hoppas på en kontinuerligt fortsatt övervakning genom sekvensering. Samarbetet ger oss en unik totalbild och koll på läget när det gäller campylobacter. I ett gemensamt strategidokument från 2017 som har undertecknats av Jordbruksverket, Socialstyrelsen, Folkhälsoinstitutet, Livsmedelsverket och SVA är målsättningen att campylobacterinfektion och förekomst av campylobacter hos kycklingflockar ”ska visa en entydig nedåtgående trend”.
F
ör Hanna Skarin har inte forskarkarriären alltid varit utstakad. Först kom hon in på journalistlinjen med vetenskaplig inriktning men bestämde sig istället för att bli limnolog, expert på sötvatten. – Men under en utbytestermin i Edinburgh blev jag helt såld på infektionsbiologi och gick alla kurser som fanns inom mikrobiologi när jag kom hem.
Ett magasin från SciLifeLab
Reportage
2007 blev hon doktorand på SVA och specialiserade sig på botulism hos djur. Botulism är en förgiftning med botulinumtoxin som produceras av bakterien Clostridium botulinum. Den påverkar perifera nervsystemet och leder till förlamning eller död. Elva år senare hittar hon bra i de ändlösa korridorerna på SVA. Vi passerar flera laboratorier med stängda dörrar och en skyddsklassning som varierar mellan 1 och 3. Varningar för smitta håller obehöriga på avstånd. – Vi har strikta biosäkerhetsrutiner eftersom vi även hanterar bakterier som antrax (mjältbrand), som i form av sporer är helt inkapslade och kan överleva extremt länge. Det känns lite lugnare att vistas i samtalsrummet där solen skymtar in mellan draperier och inga prover med mjältbrand syns till. Hanna Skarin understryker att Sverige internationellt ➔
Ett magasin från SciLifeLab
Svabbproven (övre bilden) som kommer in till laboratoriet stryks på plattor med näringsmedium för odling av bakterier (undre bilden).
Synergi #1 –– 2018
9
Reportage
Helena Höök, Sevinc Ferrari och deras kollegor förbereder prover för kompetensprövning som ska skickas till de olika nationella referenslaboratorierna för Campylobacter.
”... i slutänden handlar det ju om att smittor ska utgöra en mindre risk för djur och människor ” sett har ett bra smittläge för campylobacter. I många länder kan upp till 100 procent av slaktkycklingarna bära på smitta som är farlig för människor. I Sverige ligger samma siffra runt 12-13 procent. Europeiska kommissionen valde därför att 2006 utse SVA till samordnande labb för att säkerställa en hög kvalitet på laboratorier som undersöker prover för campylobacter inom EU. – För varje zoonos utser EU-kommissionen ett referenslabb. Det finns ett för campylobacter och det har jag ansvarat för nu i två år. Varje land har också sitt eget nationella referenslabb. I Sverige har vi två för campylobacter och det ena finns här på SVA. Det dagliga arbetet för det europeiska referenslabbet the European Union Reference Laboratory (EURL) for Campylobacter innebär att samordna, utbilda och stötta de nationella referenslabben samt att rapportera till EU-kommissionen. – Just nu planerar vi för den årliga träffen där ett femtiotal berörda från alla referenslabb möts och utbyter erfarenheter. I Hanna Skarins arbetsgrupp finns två bioinformatiker, två molekylärbiologer, en epidemiolog, laboratorieingenjör,
10
Synergi #1 –– 2018
administratör, ekonom samt veterinär. – Flera av oss är nya men vi har verkligen jobbat ihop oss och tillsammans täcker vi upp för många områden. Jag projektleder och är lite mer involverad i den molekylärbiologiska biten. Vad är det som driver dig i det arbetet? – Det är en vilja att veta mer om de bakterier jag forskar på och att sprida min kunskap till andra. Det kan ha olika syften beroende på vad och vilken bakterie jag jobbar med, men i slutänden handlar det ju om att smittor ska utgöra en mindre risk för djur och människor. Varje dag kommer nya frågor från de nationella labben som ska besvaras. – Jag förväntas skicka snabba svar och ibland blir det jäktigt för jag behöver vara grundlig och kontrollera att saker skötts tidigare och ibland behöver jag diskutera med mitt team. Men jag får mer och mer rutin och därför blir jobbet både lättare och roligare. En kollega stannar till och hälsar i dörröppningen. Det är laboratorieingenjören Therese Jernberg som arbetar med ett prov som ska testa de nationella labbens förmåga att hitta campylobacter.
Hanna Skarin förklarar. – Vi ansvarar för att det finns rätt kompetens i alla nationella labb. Därför skickar vi varje år jämförande tester för att undersöka kompetensen och identifiera om det finns labb med utvecklingsbehov. I år ska de räkna rätt antal campylobacter på ett kycklingskinn och även hitta och artbestämma campylobacter i prover från kycklingens kloaköppning. Vi promenerar mot receptionen och den färgglada kon igen. Kollegorna lämnar tillfälligt de bångstyriga campylobacterna åt sitt öde till förmån för sina lunchlådor. Sedan väntar många frågor. – Varför har det varit olika stammar vid varje utbrott? Det tyder på att det är slumpen som avgör vilken det blir. Men kanske är vissa stammar bättre anpassade för att överleva i syre. Är de bättre på att överleva på produkter i butik under en längre tid? Eller har de blivit mer resistenta mot rengöringsmedel så att de kan överleva bättre på gårdar? Med fortsatt koordinering mellan myndigheter kan svaren komma. Teknik och service Både SVA och folkhälsomyndigheten har egna maskiner för helgenomsekvensering, men i övervakningsprojektet där många isolat skulle sekvenseras tog man SciLifeLab till hjälp som bistod med biblioteksberedning och sekvensering. Sekvenserna laddades sedan ner som rådata och analyserades med hjälp av bioinformatikprogram utvecklade på respektive myndighet.
Ett magasin från SciLifeLab
Inblick
Text: Lisa Thorsén / Foto: Cyrus Mahmoudi
Hoppas på doftande fällor för skadeinsekter Upptäckten av hur bananflugehonor lockar andra bananflugor på långt håll med ett sexualferomon har fått forskarna att intressera sig för dess fruktade släkting, skadeinsekten suzukiiflugan. Frågan är om suzukiflugan också utsöndrar en lockande doft, och om den i sådana fall kan användas för fällor i frukt- och bärodlingar.
D
et är Peter Witzgall, professor i kemisk ekologi vid Sveriges lantbruksuniversitet, och hans grupp som har visat att bananflugehonorna avger ett artspecifikt sexualferomon, Z4-11Al. Studien publicerades nyligen i tidskriften BMC Biology. Feromonet lockar särskilt hanar men också honor. Resultaten visar att den doftreceptor hos bananflugan, Drosophila melanogaster, som binder till feromonet förekommer i två ”tvillingvarianter”, OR69aA och OR69aB. De skickar signaler till hjärnan via samma nervbanor. Den ena reagerar framförallt på sexualferomonet och den andra på doft från frukt som börjat jäsa. – Det genetiska anlaget för doftreceptorn påverkas alltså både av sexuellt och naturligt urval och ger insyn om artbildning, säger Peter Witzgall. Doftsinnet är fundamentalt när det gäller överlevnad för tvåkönade djur. Det handlar om att hitta föda och en partner att fortplanta sig med. Genom att kartlägga bananflugornas beteende, samla in och analysera honornas dofter samt identifiera och testa doftreceptorn har forskarna hittat bananflugehonans sexualferomon. – Redan tidigt i studien upptäckte vi till vår förvåning att vi själva kunde känna skillnad på doften av enskilda honor och hanar. Det är svårt att beskriva den, men den är väldigt karaktäristisk och påminner om mandarin, berättar Peter Witzgall. Att den mänskliga näsan känner skillnad på feromonet ledde till sensoriska experiment i samarbete med ett tyskt vinforskningsinstitut i Freiburg. De experimenten visar att det räcker att en endaste bananflugehona hamnar i ett glas vin för att smaken ska förstöras. Nu riktar forskarna sökljuset mot suzukiiflugan, Drosophila suzukii. Den har spridit sig till Europa och Nordamerika genom import av färska bär från Kina. – Idag är suzukiiflugan den ekonomiskt viktigaste skadeinsekten i Europa och Nordamerika. I sina nya miljöer har den inte några naturliga fiender, säger Peter Witzgall. Förhoppningen är alltså att det finns ett feromon hos suzukiiflugan som liknar bananflugans. I förlängningen kan forskningen till exempel leda till utveckling av fällor baserade på feromoner för att upptäcka suzukiiflugan i odlingar. – Det här var en oväntad vändning för oss. Vi hade inga planer på tillämpad forskning med allt vad det innebär, men det här är för lovande för att släppa, säger Peter Witzgall. Foto: Mikael Wallerstedt
Teknik och service I det här projektet har SciLifeLabs service inom kemisk biologi och genredigering bidragit genom att beräkna hur mycket energi det kostar för olika molekyler att binda till doftreceptorn, vilket var avgörande för jämförande undersökningar av struktur-aktivitet-samband. Beräkningarna visade att strukturellt olika substanser kan anta gemensam bioaktiv konformation och passa in i samma doftreceptor.
Ett magasin från SciLifeLab
Synergi #1 –– 2018
11
Porträtt
Text: Henrik Möller / Foto: Mikael Wallerstedt
Allt avgörs i genernas uttryck:
Trädens hemliga liv När Nathaniel Street doktorerat i England och första gången kom till Umeå gjorde han som han brukar; tog en joggingrunda. I skogen slogs han av hur olika aspens blad såg ut på olika träd. Långa, runda, kantiga. Som människors ansikten. Varför och till vilken nytta i evolutionens tjänst?
T
io år senare söker han svaren bland tusentals gener från träd. Nathaniel Street har etablerat sig som universitetslektor vid Umeå universitet och trots minus 22 grader har han joggat också den här morgonen. På Umeå Plant Science Centre forskar han på genernas uttryck. Till sin hjälp har han en egenhändigt byggd webbplats, PlantGenIE.org, som används av hundratals forskargrupper över hela världen. Webbplatsen innehåller en databas med cirka 40 000 gener och ny information tillkommer ständigt. Nathaniel Street forskar, föreläser och tillbringar mycket tid i naturen. Antingen för att campa, vandra eller för att ta prover som sedan skickas till SciLifeLab för sekvensering. – Det viktigaste för mig är att försöka förstå varför bladen på olika träd ser olika ut och även skiljer sig från varandra funktionellt. Det har alltid fascinerat mig. Varför utvecklar de dessa skillnader i både utseende och funktion och vad är meningen bakom det? Kan du se vilka egenskaper trädet har genom att titta på bladet? Friskt, sjukt, motståndskraftigt? – Det är just sådana frågor jag skulle vilja kunna ge svar på! Vi jämför bladens form med andra karakteristika hos aspen. Till exempel hur fort trädet växer och om det finns en relation till hur bladen ser ut. Vilken samhällsnytta har din forskning? – Min motivation handlar om att bättre förstå hur en organism fungerar. Men det finns också användbara tillämpningar som att få träd att växa snabbare och att klara av klimatförändringarna så att skogen kan fortsätta att vara en hållbar resurs för alla.
12
Synergi #1 –– 2018
Klarar de inte det själva? – Träd anpassar sig väldigt långsamt. Och människor förändrar världen snabbt. Den globala uppvärmningen är det största hotet. På lång sikt skulle träden klara att anpassa sig, men om vi vill fortsätta att ha riktigt produktiva skogar som fungerar ekonomiskt behöver de lite hjälp. Har träd ett medvetande? – Det vore fint att tänka så men det är inte sant. De kommunicerar helt klart med varandra via rotsystem och genom att utsöndra olika ämnen i luften. Men det är snarare ett resultat av en riktigt lång tids utveckling av hur olika organismer interagerar med varandra. Nathaniel Streets avhandling handlar om hur två poppelarter hanterar brist på vatten. Den ena arten reagerar blixtsnabbt och stänger ner sina system och alla aktiviteter. Därför går omställningen bra. Den andra arten väljer att inte reagera överhuvudtaget, med följden att alla blad dör. – Jag tog hela blad och mätte deras genuttryck. Idén var att hitta gener vars uttryck skiljer sig mellan olika trädarter. På så sätt kan vi förstå varför trädarter är olika och i förlängningen korsa dem för att få fram ett mer tåligt träd. Till slut fann vi att det var specifika regioner i träden som uppvisade skillnader i genuttryck mellan olika arter. Skillnaderna fick sedan trädarterna att agera på olika sätt. Idag fortsätter Nathaniel Street att skärskåda genernas uttryck. En stor del av tiden går åt till att analysera data från genomsekvensering av asp och norsk gran. Bland annat vill han förstå hur svampar och bakterier angriper träd och vad som händer när människan tillför kväve i form av den gödning som skogsbolagen använder. – Frågan är vilken effekt det har på mikroorganismerna som samarbetar med träden. I det här fallet är svamparna inte farliga för träden, tvärtom. Normalt ger de kväve till träden och får kol och socker i utbyte. Svamparna skyddar träden från giftiga parasiter. Men om du tillför kväve kan samarbetet förändras och harmonin rubbas. Ett tag såg det ut som om forskarkarriären höll på att drunkna i tidsödande rutinåtgärder för Nathaniel Street. Ett enda träds genom innehåller cirka 30 000 gener. Det var då han bestämde sig för att bygga en webbsida med sökbar genomisk data, tillgänglig för alla. I början fanns det bara data från popplar och asp. Nu innehåller databasen information från norsk gran, eucalyptus och andra träd och växter som används ofta inom forskning. Nathaniel Street, som aldrig byggt hemsidor tidigare, lärde
Ett magasin från SciLifeLab
sig webbdesign under resans gång. I dag hjälper medlemmar av hans forskargrupp till och The Plant Genome Integrative Explorer Resource innehåller sofistikerade visualiseringsverktyg som gjort sajten populär över hela världen. – Vi har hundratals användare i Europa, Kina, USA och andra delar av världen som använder sajten varje dag. Det känns riktigt bra att ha skapat något som verkligen hjälper forskare. Forskaren lägger de gener hen är intresserad av i en varukorg och kan sedan se hur genen uttrycks i olika delar av trädet. En färgskala från rött till blått visar hur aktiv genen är. Ett annat verktyg visar om en grupp gener ägnar sig åt gemensamma aktiviteter. – Om de uttrycker sig på ett liknande sätt i en grupp kan vi visualisera dem som ett nätverk med linjer som binder dem samman. Att gener ingår i ett nätverk indikerar att de gör något väsentligt som vi är intresserade av, berättar Nathaniel Street och pekar på suddiga röda och orange prickar, sammanbundna av linjer. Det vi ser är ett experiment med träd som blivit smittade av olika skadliga svampar och hur de olika generna svarar på angreppen. Sett på bild påminner experimentet lite om ett abstrakt konstverk? – Ja, särskilt hur generna interagerar med varandra. Det är bara interaktionen som ger slutresultatet, själva samarbetet. De dansar tillsammans på ett komplext sätt. Individen är inte så intressant i sig, det är gruppens arbete som ger resultat, säger Nathaniel Street och ser glad ut. Utanför fönstret kryper temperaturen nedåt och dimman ligger tät över campus. Men Nathaniel Street har siktet klart. Inom de närmaste åren hoppas han veta vilken gengrupp som behöver manipuleras för att få ett träd att utvecklas bra i en särskild miljö eller klara en viss sjukdom. – Det finns så mycket vi behöver ta reda på, vi vet ännu bara en bråkdel om vad som pågår. Teknik och service Nathaniel Street har använt SciLifeLabs genomikservice för att bygga upp PlantGenIE.org. Han använder också SciLifeLab regelbundet för att sekvensera prover från träd och blad, bland annat norsk gran. I ett annat av hans projekt utvecklade SciLifeLab en metod för att studera hur gener uttrycker sig i olika sektioner av biologiska prover, till exempel kan man skära tunna skivor rakt igenom en knopp och sedan visualisera genuttrycket i det tunna skiktet genom spatial transkriptomik. Nathaniel Street tilldelades medel från SciLifeLabs nationella sekvenseringsprojekt 2017.
Ett magasin från SciLifeLab
Synergi #1 –– 2018
13
Inblick
Text: Lisa Thorsén / Foto: Mikael Wallerstedt
Förlust av Y-kromosom:
Söker kopplingar mellan rubbat immunsystem och sjukdomar Det har tidigare visats att män som förlorar Y-kromosomen i en stor del av sina blodceller har flerfaldigt förhöjd risk att drabbas av tidigare död, flera cancersjukdomar och av Alzheimers sjukdom. Nu undersöker forskarna vilken koppling det finns mellan sjukdomarna och den rubbning immunsystemet drabbas av när Y-kromosomen försvinner.
A
tt män kan förlora sin Y-kromosom med åldern har varit känt sedan 60-talet. Tidigare ansågs förlusten vara en ofarlig bieffekt av åldrande. När forskare Lars Forsberg och professor Jan Dumanski vid Uppsala universitet tillsammans med flera andra publicerade sin första mycket uppmärksammade studie i Nature Genetics, 2014, ritades kartan om. De kunde visa att det finns en koppling mellan cancer och förlust av Y-kromosomen (LOY). Det var kombinationen av bra data, tillfälligheter och nyfikenhet som
14
Synergi #1 –– 2018
först fick Lars Forsberg att tänka i nya banor kring LOY. I en diskussion med en annan forskare på bussen fick han veta att bananflugans Y-kromosom visat sig vara betydelsefull för genuttrycket på andra kromosomer. Redan dagen efter diskussionen kunde han testa hypotesen på människa, eftersom all nödvändig data för att göra analysen var iordningställd för ett annat forskningsprojekt. Resultatet visade omgående att män som förlorat Y-kromosomen dör tidigare än män som har den kvar. – Min första tanke var ”Varför har
ingen upptäckt det här tidigare? Kan det vara sant?”, berättar Lars Forsberg. Samtalet på bussen ledde vidare till studien som visar på kopplingen mellan LOY och risken att dö i förtid samt kopplingen till flera olika cancerformer. I det fortsatta arbetet har Lars Forsberg och Jan Dumanski visat att LOY också är kopplat till förhöjd risk att drabbas av Alzheimers sjukdom. Just nu pågår flera studier för att beskriva orsakssambanden. Forskarna har alltså starka indikationer på att de som har förlorat Y-kromosomen i en viss andel blodceller har en ökad risk att dö, en ökad risk för cancer och en ökad risk för Alzheimers sjukdom. – Det första jag tänkte på var att de celler vi har studerat är immunceller. Hypotesen är att immuncellerna blir lite sämre på att bekämpa sjukdomar när de förlorar sin Y-kromosom, säger Lars Forsberg.
Ett magasin från SciLifeLab
”Män lever kortare liv än kvinnor och LOY kan hjälpa till att förklara detta.”
F
orskarna följer nu två huvudspår. I det ena spåret använder forskarna sig av cellsortering. De vill se vilka immuncellstyper som har LOY bland de män som har fått cancer och Alzheimers sjukdom. Det görs genom att plocka ut immuncellerna från patienternas blod, sortera dem och jämföra med kontrollgruppen. Det andra spåret handlar om att förstå vad som händer i en cell som förlorat Y-kromosomen. Det gör forskarna genom så kallad single cell transcriptomics, en teknik som gör det möjligt att kartlägga det absoluta antalet av olika RNAmolekyler i en cell. – Det är en fantastisk teknik som vi har tillgång till via SciLifeLab sedan ett år tillbaka. Vi kan med metoden få svar
på exakt vilka gener som är uttryckta i tusentals olika enskilda celler i ett prov. Det så kallade transkriptomet avslöjar väldigt mycket om de studerade cellerna, som vilken immuncelltyp de är, vilka funktioner de har och hur väl dessa utförs i cellen, förklarar Lars Forsberg. Än så länge är inga studier publicerade, men Lars Forsberg säger att de preliminära resultaten ser lovande ut. Lars Forsberg och Jan Dumanski funderar också på hur deras resultat ska kunna tillämpas kliniskt. En idé är att utveckla ett enkelt blodprov för kliniker som ska kunna identifiera LOY. Tanken är att hitta män med ökad risk för de vanligaste sjukdomarna och att till exempel kunna förhindra spridning av cancertumörer på ett tidigt stadium
genom tidig diagnos och behandling. När det gäller Alzheimers sjukdom påpekar Lars Forsberg att även om det idag inte finns någon botande eller bromsande behandling går forskningen snabbt framåt och att det därför troligtvis kommer att bli betydelsefullt att kunna identifiera en förhöjd risk. – Om vi dessutom kan koppla ihop risken att utveckla olika sjukdomar med LOY i olika celltyper har vi verkligen kommit långt. Män lever kortare liv än kvinnor och LOY kan hjälpa till att förklara detta. Med framtida tillämpningar av våra fynd kan vi kanske öka männens överlevnad så att vi får åldras tillsammans med kvinnorna, säger Lars Forsberg. Teknik och service Projektet bygger till stor del på data genererat via SciLifeLabs serviceområden genomik och enkelcellsbiologi. Forskargruppen studerar nu olika aspekter av LOY på DNA-, RNA- och protein-nivå via samarbeten med SciLifeLab.
Inblick Text: Lisa Thorsén / Foto: Mikael Wallerstedt
Muterade zebrafiskar kan ge svar om ovanlig sjukdom Genom att använda CRISPR/Cas9teknik i zebrafiskar har en forskargrupp i Lund undersökt en speciell gen som är intressant i forskningen kring den mycket ovanliga sjukdomen Dyskeratosis congenita. Dyskeratosis congenita är en ärftlig sjukdom som bland annat kan medföra för tidigt åldrande, onormal pigmentering av huden, fläckar på slemhinnan i munnen och sviktande benmärgsfunktion. Sviktande benmärgsfunktion påverkar i sin tur bland annat blodbildningen. – SciLifeLabs teknik har varit ovärderlig för studiens genomförande. Utan SciLifeLab ser jag inte riktigt hur det hade kunnat gå, säger gruppens ledare, barnläkare och biträdande forskare Josef Davidsson vid Lunds universitet. Allra först screenade forskarna en patient med helexomsekvensering för
Ett magasin från SciLifeLab
att kartlägga hela den proteinkodade DNA-sekvensen. Patienten hade en mutation i den aktuella genen. När de hittade mutationen gick de vidare med att skapa en knockout-modell i zebrafisk. Zebrafiskembryon injicerades med Guide-RNA och Cas9, för att göra riktade förändringar i arvsmassan. När fiskarna sedan korsades kunde forskarna få fram mutanter som bar på defekta kopior av den gen de var intresserade av. De ville studera genens betydelse för morfologi, alltså hur fisken ser ut och är uppbyggd, samt betydelsen för bildning av blod och pigment. Josef Davidsson upplever att CRISPR/ Cas9 är ett mycket effektivt nytt verktyg i forskningen. – För oss var den väldigt lämplig att använda i det här fallet. Vi behövde bara göra en enkel injektion i fiskembryon. De första resultaten i studien visar
att de fiskar som är homozygota för mutationen, alltså de som har två defekta kopior av den undersökta genen, har väldigt tydliga och liknande observerbara egenskaper. Deras kranium blir sammantryckt, deras simblåsa är inte helt uppblåst och fenorna är förkortade. Nu går forskargruppen vidare och gör analyser för att se precis vad som händer i cellen och hur blodbildningen påverkas. Josef Davidsson ser studien som ett modellprojekt. Förhoppningen är att zebrafisken ska kunna användas för att undersöka mer utbredda sjukdomar.
Teknik och service Josef Davidsson har använt SciLifeLabs service inom kemisk biologi och genredigering för att skapa knockout-modellen. Sekvenseringen har skett vid SciLifeLabs genomikservice.
Synergi #1 –– 2018
15
Hallå där! Text: Lisa Thorsén / Foto: Mikael Wallerstedt
Barbara Wohlfarth ... ... professor i kvartärgeologi vid Stockholms universitet, er forskargrupp har kartlagt DNA i organismer som är mellan 10 800 och 13 900 år gamla, genom att analysera sediment från sjöbottnen. Vad söker ni svar på?
– Vår forskargrupp som leds av mig, Laura Parducci vid Uppsala universitet och Tanja Slotte vid SciLifeLab och Stockholms universitet valde att undersöka den här perioden eftersom det skedde flera dramatiska klimatförändringar då. Vår grundfråga är om vi kan se ekosystemförändringar genom att använda metagenomik eller shotgunsekvensering. Det är ett effektivt sätt att kartlägga DNA av samtliga organismer i sedimentet. Hur har ni gått tillväga? – Vi tog upp en sedimentborrkärna från en gammal sjö i Blekinge. Under extremt noggranna och sterila förhållanden plockade vi sedan ut sedimentprover från borrkärnans mitt. Därefter analyserade vi proverna på Centre for GeoGenetics vid Köpenhamns universitet
genom shotgun-sekvensering efter deras exakt uträknade protokoll. Vad har ni upptäckt hittills? – I första delen av projektet har vi undersökt arkéer. Vi kan se att den biologiska mångfalden av arkéer skiftar under den undersökta perioden och att det är relaterat till klimatfaktorer, som förändringar i luft- och vattentemperatur och hur länge sjön har varit istäckt, men även till hur miljön kring och i sjön har förändrats. Hur går ni vidare? – Nu ska vi undersöka vilka växter vi kan få fram i våra sedimentprover med hjälp av DNA-analys. Sedan ska vi jämföra våra resultat med mer traditionella metoder som pollenanalys och växtmakrofossilanalys. Tillsammans kommer detta att ge oss en bild av hur växtligheten har
förändrats över tid. Den stora databasen som vi nu har ska vi göra tillgänglig för andra forskare. Min vision är att vi ska kunna analysera sediment med DNAmetoder mycket bredare än vi gör idag. Då kan vi börja förstå hur olika ekosystem reagerar på klimatförändringar. Vilka organismer anpassar sig? Hur lång tid tar det för ett ekosystem att kollapsa? Kan det återhämta sig?
Teknik och service SciLifeLabs serviceområde för bioinformatik har bidragit med kunskapsstöd i det här projektet. I praktiken har detta innefattat uppsättning av de bioinformatiska arbetsflöden som krävs för analys av storskaliga sekvensdata, samt statistisk modellering och tolkning av resultat.