Strukturbiologi

Senast ändrad: 02 december 2024

MD-simulering av ett svamp-LPMO-enzym som arbetar på cellulosaytan (Wu et al, 2013, J Biol Chem 288, 12828).

Vi forskar om struktur, funktion och bioteknisk användning av biologiska makromolelekyler (proteiner, kolehydrater, lipider) med röntgenkristallografi, cryo-EM, NMR-spektroskopi, superkritisk CO2-extraktion, FTIR-spektroskopi och andra tekniker, i nära samarbete under ledning av Mats Sandgren, Jerry Ståhlberg, Gustav Nestor och Sabine Sampels.

Strukturbiologi, gruppbild 3 Oct 2023. Från vänster: Nils Mikkelsen (infälld), Mats Sandgren, Mikolaj Chmielarz, Naike Schwenner, Piera Wiesinger, Topi Haataja, Gustav Nestor, Laura Okmane, Jerry Ståhlberg, Andreia Massamby, Sabine Samples (infälld).

1/8
Strukturbiologi & Livsmedelsbioteknik. Gruppbild 12 Oct 2022. Från vänster: Naike Schwenner, Mikolaj Chmielarz, Mats Sandgren, Volkmar Passoth, Nils Mikkelsen, Sabine Samples, Gustav Nestor, Giselle Martin Hernandez, Jerry Ståhlberg, Yashaswini Nagavara Nagaraj, Topi Haataja, Piera Wiesinger, Laura Okmane.

2/8
Structures “R” Us – Med röntgenkristallografi kan vi bestämma positionen av atomer i proteinmolekyler. Under vissa betingelser kan proteiner fås att aggregera till kristaller. Intensiv röntgenbestrålning av kristaller ger diffraktionsmönster, och från det kan en elektrontäthetskarta beräknas. I den kartan kan vi bygga en modell av proteinets tredimensionella struktur.

3/8
NMR-spektroskopi – Till vänster visas 1H NMR spektra efter nedbrytning av glukomannan med olika enzymer i familj GH45, som visar på skillnader i nedbrytningsmönster mellan enzymerna. [Okmane et al., 2022, Carbohydr. Polym. 277, 118771].

4/8
NMR-spektroskopi – Orientering av en hydroxylproton i en kolhydrat i ett lektin/mannosid-komplex, bestämt från intra- och intermolekylära NOE-signaler. [Nestor et al., 2021, Glycobiology, 31, 508-518].

5/8
Funktionaliserade protein-nanofibrer – Små bärarproteiner, t.ex. Sup35, som spontant aggregerar till nanofibrer, fuserades med funktionella proteiner, och mixades med omodifierade bärarproteiner för att producera nanofibrer för olika biotekniska tillämpningar [Schmuck, B, 2018, Acta Univ Agric Sueciae 2018:57, Doctoral thesis; Schmuck et al., 2017, Biotechnol J 12, 1600672; Schmuck et al., 2018, PLOS One 13, e0196250; Schmuck et al., 2018, ACS Nano 12, 9363-71; Schmuck et al., 2019, J Biol Chem 294, 14966-77].

6/8
Funktionaliserade protein-nanofibrer – Rekombinant expression av antikroppsbindande Sup35-ZZ-fusionsprotein extracellulärt i den metylotrofa jästsvampen Komagataella pastoris visade sig vara en lyckad strategi. Fibermaterialet kan enkelt separeras från cellerna genom centrifugering och resuspension i vatten med lite salt. [Schmuck et al., 2018, ACS Nano 12, 9363-71]. Förhoppningsvis kan ännu högre utbyten fås genom att använda effektiva filamentösa svampar för expression, som t.ex. Trichoderma reesei.

7/8
Vi studerar struktur och funktion hos nyckelenzymer i nedbrytning av växtbiomassa, för att ta reda på hur vi kan använda naturens egna verktyg för att utnyttja biomassa från jord- och skogsbruk.

8/8

Videogalleri

Molekyldynamik-simulering (MD) av ett LPMO-enzym som arbetar på ytan av en cellulosa-mikrofibrill [Wu et al, 2013, J Biol Chem 288, 12828].

Strukturbestämning av proteiner med röntgenkristallografi –Besök i maj 2023 vid BioMAX experimentstation på synkrotronen MAX IV i Lund (Video gjord av Naike Schwenner).

Översikt

Vi förenas av ett gemensamt brinnande intresse att undersöka och förstå hur makromolekyler ser ut och fungerar på molekylär nivå, och hur vi kan nyttiggöra dessa kunskaper biotekniskt.

Ståhlberg och Sandgren har mer än 30 års publikationer om struktur, funktion och tillämpning av nyckelenzymer från svampar och bakterier för nedbrytning av cellulosa och andra polysackarider, i ansedda tidskrifter såsom t.ex. JACS, PNAS, JMB och JBC. Kunskapen har banat väg för förbättrade enzymer och industriella processer för omvandling av växtbiomassa till förnybara bränslen, kemikalier och material.

Gustav Nestor’s forskning fokuserar på användning och utveckling av NMR-spektroskopi för att studera kolhydrater på molekylär nivå och hur de interagerar med varandra och med proteiner som binder till och verkar på kolhydrater.

Sabine Sampels är expert på lipider, oxidation och antioxidanter, och kvalitet på fisk och köttprodukter genom hela livsmedelskedjan. Hållbar produktion av livsmedel med högt näringsvärde är ett övergripande forskningsmål.

Grupperna är lokaliserade vid SLU Biocenter i Uppsala, ett modernt forskningscenter som spänner över hela skalan från grundforskning till praktisk användning, med extensiva samarbeten kring forskning om biomolekyler, mikroorganismer, växter och livsmedel, under gemensam flagg: ”Forskning och utbildning för hållbart liv”.

Forskning

Ett centralt tema är grundforskning och tillämpning av biologiska reaktionssystem, enzymatiska och mikrobiella, för bioteknisk omvandling av biomassa, t.ex. från jord- och skogsbruk, för produktion av förnybara bränslen, kemikalier, material, livsmedel och foder. Målet är att öka användbarhet av växtmaterial, lignocellulosa, och därmed bidra till utfasning av fossila resurser och minskat utsläpp av växthusgaser.

Ett viktigt område är grundforskning om proteiners, struktur och funktion, både inuti och utanför celler, inklusive isolering eller rekombinant produktion, rening och strukturbestämning av biologiska katalysatorer, enzymer, och karakterisering av deras biologiska funktion och biotekniska användning.

Strukturbestämning av proteiner med röntgenkristallografi är en nyckelkompetens, och vi har deponerat över 100 proteinstrukturer i Protein Data Bank (PDB). På senare tid har vi även börjat expandera till cryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) och mera NMR för strukturstudier av proteiner.

Vi samarbetar också tätt ihop med Livsmedelsbioteknik, som leds av Professor Volkmar Passoth, bl.a. i programmet LipoDrivE med syfte att utnyttja olje-producerande jästsvampar för omvandling av kolhydrater från växtbiomassa till lipider, för produktion av t.ex. biodiesel och fiskfoder.