Nobelpris-teknologi har været på danske hænder i 20 år

Denne artikel har tidligere været bragt på videnskab.dk i onlinemagasinet ForskerZonen.

Den optiske pincet kan bruges som et meget præcist måleværktøj til at undersøge protein-bevægelser selv i en levende bakterie

Forskertrioen bag den første danske optiske pincet

Nobelprisen i fysik 2018 blev uddelt for under to uger siden. Prisen gik blandt andet til Arthur Ashkin for hans udvikling og brug af det værktøj, der i dag har navnet ‘Den optiske pincet’ – en teknik, hvor lasere gør det muligt at fastholde, dreje og undersøge biologisk materiale og processer.

Dermed nåede den 96-årige Ashkin heldigvis at modtage den, mens han stadig er her. For os personligt er det også dejligt at se, at hans banebrydende arbejde med optiske pincetter belønnes.

I Danmark har vi – lektor Kirstine Berg-Sørensen (DTU), forsker Sonia Grego (Duke University) og professor Lene Oddershede (KU) – nemlig grundlagt Danmarks første optiske pincet for 20 år siden.

Ashkin og lysets kræfter

I dag er den optiske pincet et værktøj, som bruges verden over i forskningslaboratorier, blandt andet til at studere enkelt-molekyler og deres fysiske egenskaber – for eksempel deres mekaniske respons eller bevægelsesmønster. Et af stederne er på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, hvor vi etablerede Danmarks første optiske pincet.

De viste, at laserlys altså kan fungere som måleinstrument for kræfter udført af et enkelt-molekyle, og at en fokuseret laserstråle kan fastholde en lille kugle af glas eller plastik.

Arthur Ashkins første erkendelse af, at laserlys kan udøve en målbar mekanisk kraft blev offentliggjort i 1986 og udført i samarbejde med blandt andet Steven Chu, som senere blev energiminister under præsident Obama. Hvor Steven Chu i første omgang besluttede sig for at bruge lysets kræfter til at manipulere og afkøle atomer, ville Arthur Ashkin bruge teknikken i studier af biologiske systemer fra enkelt-molekyler til hele celler.

Ashkin og andre, der fulgte efter, viste blandt andet, at en optisk pincet, dannet af en laser med den rette bølgelængde, kan fastholde en levende celle, og at man med den optiske pincet kan udføre forsøg med cellen, uden at cellen tager nævneværdig skade. Cellen kan sågar dele sig i den optiske pincet.

I 1997 delte Steven Chu Nobelprisen i fysik for laserkøling af atomer med Claude Cohen-Tannoudji og William D. Philips.

Nobelpris-forskning inspirerede danske fysikere

Også i det danske forskningsmiljø arbejdede forskere på daværende tidspunkt med laserkøling, og en lille gruppe af danskere, herunder én af os, Kirstine Berg-Sørensen, deltog i december 1997 i en minikonference, hvor årets Nobelprismodtageres medarbejdere holdt foredrag.

Her var der blandt andet et foredrag om, hvordan man kan binde knuder på DNA-molekyler med en optisk pincet. Den teknik gav helt nye muligheder for studier af biologiske systemer.

Samtidig var en anden af os tre, Lene Oddershede, på ophold ved University of Chicago og hørte ligeledes foredrag om optiske pincetter og biologisk fysik, hvilket vakte en spirende interesse hos hende.

Spørgsmålet var nu blot, hvor finansieringen til at bygge en optisk pincet i Danmark skulle komme fra?

Da Kirstine, Lene og Sonia mødte FREJA

På det tidspunkt var Jytte Hilden (Socialdemokratiet) forskningsminister, og hun havde øje for den skæve kønsfordeling i store dele af forskningsverdenen.

I 1998 besluttede Hilden derfor at øremærke en pulje af forskningsmidler til projekter foreslået af kvindelige forskere i det såkaldte FREJA-program (Female REsearchers in Joint Action).

På baggrund af nyheden om FREJA-programmet mødtes Lene Oddershede og Kirstine Berg-Sørensen og blev enige om at starte et samarbejde. Kirstine var adjunkt på Niels Bohr Institutet, mens Lene var ved at afslutte sine ph.d.-studier i eksperimentel fysik ved SDU.

Det lykkedes os at videreformidle vores begejstring og vision om at få den optiske pincet og enkelt-molekyle biofysik til Danmark til bestyrerne af FREJA-midlerne

Forskertrioen bag den første optiske pincet herhjemme

Den sidste forfatter til denne artikel, Sonia Grego, var ph.d.-studerende i den forskningsgruppe, som Kirstine var tilknyttet. Og da Sonia allerede i løbet af sine specialestudier i Pisa i Italien havde konstrueret en optisk pincet, gik hun begejstret med ind i projektgruppen for at kunne være med i det første år af projektet.

Det lykkedes os at videreformidle vores begejstring og vision om at få den optiske pincet og enkelt-molekyle biofysik til Danmark til bestyrerne af FREJA-midlerne.

Og på trods af usædvanlig skarp konkurrence blev vi med Kirstine i spidsen tildelt seks millioner kroner til at starte den første optiske pincet-aktivitet i Danmark på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Den første fungerende opstilling blev bygget af Lene og Sonia i løbet af 1999 i det, som senere blev til ‘optisk pincet-laboratoriet’ ved Niels Bohr Instituttet. Det første biologiske problem, vi kastede os over, var at forstå bevægelsen af et protein i overfladen af en levende bakterie.

Samspillet mellem teori og eksperiment

Da en optisk pincet baseret på en infrarød laser ikke generer cellen i nævneværdig grad, kunne vi bruge den optiske pincet som et meget præcist måleværktøj til at undersøge protein-bevægelser selv i en levende bakterie.

Lene tog kontakt til bakterie-genetiker Stanley Brown, og Stanley brugte to måneder på at lære Lene at klone det biologiske system og gav hende endvidere den nødvendige viden til at indrette et genteknologisk laboratorium i verdensklasse på Niels Bohr Institutet.

Imens samarbejdede Kirstine med yderligere en kollega, Henrik Flyvbjerg, på at forfine analysen af eksperimentelle data. Dette teoretiske arbejde gav en forbedring i forståelsen af kalibrering af optiske pincetter og banede vejen for langt mere præcise målinger af biologiske systemer med en optisk pincet.

Samtidig lykkedes det at skaffe flere forskningsmidler, både til udstyr og lønninger, og gruppen tiltrak flere studerende og postdocs af begge køn.

Vi mener selv, at en væsentlig styrke ved vores gruppe netop var samspillet mellem teori og eksperiment, hvilket vi også internationalt har høstet anerkendelse for.

Mekanisk effekt af lys belønnet for tredje gang

Den optiske pincet er et unikt værktøj i den moderne biofysik. Man kan sige, at den mekaniske virkning af lys hermed har fået endnu en Nobelpris i fysik på samvittigheden – først laserkøling i 1997, så Bose-Einstein kondensation i 2001 og nu den optiske pincet i 2018.

Laserkøling udnytter overførslen af lysets impuls til atomerne til at reducere atomernes hastighed, Bose-Einstein kondensation af fortyndede gasser blev muliggjort af, at gasserne kunne laserkøles så effektivt, og den optiske pincet bygger ligeledes på overførsel af impuls mellem laserstrålen og den dielektriske kugle, som holdes fast i pincetten.

Lene Oddershede blev først lektor i eksperimentel biofysik og siden professor på Niels Bohr Institutet. Hendes forskningsgruppe tæller i dag seks ph.d.studerende, fem postdocs, én adjunkt og én lektor, heraf fem kvinder, og støttes blandt andet af Danmarks Grundforskningsfond.

Det arbejde, vi sammen begyndte på for 20 år siden, videreføres altså i dag af Lenes forskningsgruppe.

Sonia Grego er i dag ansat som forsker ved Duke University, hvor hun arbejder med udvikling af tekniske løsninger indenfor sundhedsområdet, mens Kirstine Berg-Sørensen er lektor i biologisk fysik ved DTU Fysik, hvor hun arbejder med optiske fælder og deres anvendelse i kvanteteknologi.