Att styra celler med plastelektronik

Organisk elektronik – som bygger på ledande plast i stället för kisel – kan användas för att kontrollera signalering i levande celler. Det visar nu forskare vid Linköpings universitet och Karolinska institutet. (2007-09-17)

Magnus Berggren. (Foto: Göran Billeson)

I vanlig elektronik är det elektronerna som bär information. I en levande organism utförs signaleringen i stället med joner och proteiner. Den ledande plasten kan utnyttja både elektroner och joner – en unik egenskap som forskarna använt för att konstruera en jonpump som kan översätta en elektronisk signal till ett jonflöde.

- Med jonpumpen kan vi styra flödena av exempelvis kalcium inne i cellerna, något som normalt är mycket utmanande, säger Magnus Berggren, professor i organisk elektronik vid Linköpings universitet.

Genombrottet beskrivs i en artikel i septembernumret av den högt rankade tidskriften Nature Materials. Studien har utförts inom ramen för det strategiska forskningscentrumet OBOE under ledning av Berggren och Agneta Richter-Dahlfors, professor i cellulär mikrobiologi vid Karolinska institutet. Det praktiska forskningsarbetet har till stor del utförts av doktoranderna Joakim Isaksson och Peter Kjäll.

- Mycket är känt om jonsignalering, men en av de viktigaste frågorna är fortfarande obesvarad: hur vet cellen vad den ska göra när så många skeenden regleras av samma jon? Det kan vi nu börja studera på allvar, säger Agneta Richter-Dahlfors.

De båda forskarna träffades när de valdes ut i en grupp ”framtidens forskningsledare” av Vetenskapsrådet.

- Vi kände att det fanns något gemensamt i våra forskningsintressen som vi ville utveckla. Det är intressant att skapa ett interface där olika ämnesområden kan möta varandra, säger Agneta Richter-Dahlfors.

Magnus Berggren hade som fysiker känt dragningen från den döda materien till den levande. I sin hand hade han det verktyg som kunde brygga över gapet: den organiska elektroniken.

- Cellerna älskar våra transistorer eftersom de själva är gjorda av samma grundmaterial. Dessutom förstår de varandras signaler, säger han.

Hans labb vid Campus Norrköping är ett av flera vid LiU där man utforskar möjligheterna med den nya tekniken. Vägg i vägg ligger forskningsinstitutet Acreo som utvecklar industriella tillämpningar. Specialiteten är att trycka enkla komponenter på papper, till exempel displayer och smarta etiketter.

Efter ett par års förberedelser lyckades teamet bärga två rejäla anslag från Stiftelsen för strategisk forskning (SSF) att jobba vidare med. Bio-X-anslaget från våren 2005 har fokus på att utveckla en artificiell jonpump, och i det strategiska forskningscentrumet OBOE som ska verka i fem år handlar det om att applicera den tekniken i biologiska system.

Kalciumjonen är en av de allra viktigaste signalsubstanserna i kroppen. Många sjukdomar, till exempel hjärt- och kärlsjukdomar, orsakas av att kalciumsignaleringen inte fungerar. Genom att på elektronisk väg styra jonströmmarna i en cellodling kan forskarna skaffa nya kunskaper om signalvägarna vilket kan komma till nytta vid utvecklingen av framtida läkemedel.

Den elektrokemiska jonpump som nu beskrivs i Nature Materials har en reservoar för joner – exempelvis kalcium, och en annan för en cellodling som växer direkt på den aktiva ytan, uppbyggd av en konjugerad polymer kallad PEDOT (poly[3,4-etylen.dioxythiofen]). När strömmen slås på transporteras jonerna till kammaren där cellerna finns. Eftersom cellerna är behandlade med ett fluorescerande ämne som aktiveras av kalcium kan man genom mikroskopet följa jonernas vandring i form av gröna ljuspunkter. En känslig kamera registrerar vad som händer och ritar upp en graf på datorskärmen.

Detta är en efterapning i grov skala av jonsignaleringen i en organism. Nästa steg är att krympa komponenterna ner till mikrometerskalan och bygga större system. En annan utmaning är att kunna adressera jonströmmen till ett specifikt cellkluster.

En levande cell som söker kontakt med omgivningen skickar ut en dusch av signalmolekyler. Den som uppfattar signalen börjar då röra sig i den riktning där koncentrationen av molekyler ökar, för att till sist nå källan. Samma princip gör att en levnadsglad fjärilshanne hittar den hona som kilometervis därifrån sänt ut locktoner i form av feromoner, sexuella doftmolekyler.

Traditionell elektronik däremot är mer byråkratisk till sin natur och arbetar med kontrollerade strömmar av elektroner som följer ledningar i exakta koordinatsystem. Här finns en avgörande systemskillnad som måste överbryggas.

-Klarar vi ut det problemet inom de fem åren så har vi kommit riktigt långt, säger Magnus Berggren.

Text: ÅKE HJELM

(2007-09-17)