Små bevegelser, store spørsmål: Iain Johnstons banebrytende forskning

Professor Iain Johnston ved Matematisk institutt (UiB) har brukt mange år på å forske på mitokondrier – de små energiproduserende enhetene som finnes inne i cellene til alt fra dyr til planter og sopp. Hvis du ser gjennom et mikroskop på mitokondriene i planteceller, vil du se at det finnes hundrevis av dem – og de beveger seg kontinuerlig, nesten som i en by. De møtes, skiller lag, og utveksler informasjon.

– Det er åpenbart noe viktig som skjer her. Kan vi forstå prinsippene bak disse komplekse og viktige bevegelsene? Dette skjer ikke uten grunn, og vi skal finne ut hva den grunnen er, sier Johnston.

Nye tilnærminger

Johnstons tverrfaglige forskningsprosjekt har allerede pågått i flere år med støtte fra Det europeiske forskningsrådet (ERC). Nylig ble det klart at han får ytterligere fire års finansiering fra Norges forskningsråd (NFR).

– Prosjektet følger filosofien til forskningsgruppen vår: å kombinere matematiske, datavitenskapelige og eksperimentelle metoder til å forstå spørsmål i biologien. Vi er spesielt interessert i spørsmål som er vanskelige å teste i laboratoriet – særlig "hvorfor"-spørsmål biologer ofte blir oppfordret til å unngå, forklarer Johnston.

Prosjektets fokus er på mitokondrier – små strukturer som finnes i cellene til mennesker, planter, sopp og mange andre organismer. En av hovedoppgavene til mitokondrier er å produsere energi på en måte som cellene kan bruke.

Sosialt samspill

Teamet til Johnston skal særlig undersøke mitokondrier i planter og marine organismer. Dette er forsket mindre på enn mitokondrier hos mennesker og andre pattedyr.

– Og i stedet for å fokusere på én enkelt art, skal vi ha et så bredt utvalg som mulig. Vi skal se på ting som ligner på planter over hele verden, sier han.

Mitokondriene har sitt eget DNA, som inneholder oppskrifter på viktige deler av cellens maskineri.

– Teorien vår går ut på at de fysiske bevegelsene – all denne rare, bylignende aktiviteten vi ser – hjelper til med å vedlikeholde dette DNA-et, og bidrar til at ting fungerer i cellen. Det fungerer litt som et handelsnettverk – individuelle mitokondrier deler sikre kopier av DNA-et ved å utveksle med sine naboer i cellen. Disse mitokondriene trenger sosialt samspill for å trives, sier Johnston.

Simuleringsmodell

Johnston og teamet hans bruker en kombinasjon av mikroskopi og matematisk modellering. Den kommende forskningen henter også inspirasjon fra byplanlegging, med "bymetaforen" som utgangspunkt.

Han forklarer at i biologien er det vanlig å undersøke systemer ved å forstyrre dem, og så analysere hva som skjer. Men det er vanskelig å gjøre dette med de ørsmå mitokondriene.

– Vi har få metoder for å rote til denne oppførselen. Så det vi kan gjøre, er å bygge en simuleringsmodell. Vi kan skrive litt kode som gjenskaper prosessen virtuelt. Da har vi full kontroll over hele systemet, forklarer Johnston.

Et nytt slags laboratorium

Dette gir forskerne en ny type laboratorium – drevet av matematikk og simulering. På datamaskinen sin viser Johnston frem en serie genererte bilder og animasjoner av små prikker som beveger seg rundt inne i planteceller.

– Vi prøver å sørge for at modellen vår er forankret i virkeligheten. Vi forholder oss alltid til hva biologien faktisk gjør, slik at vi kan være mer realistiske om hva som kan og ikke kan skje i modellverdenen, sier han.

Johnston og kollegene mener at den sosiale metaforen for mitokondrier passer spesielt godt på planter.

– Hvis du ser på mitokondrier hos andre arter, er de ofte smeltet sammen i store nettverk. Men hos planter er de faktisk individuelle enheter som beveger seg rundt og samhandler med hverandre i cellen, sier Johnston.

Kan få praktiske konsekvenser

Dette er et grunnforskningsprosjekt – det vil si forskning som søker å forstå hvordan verden fungerer på et grunnleggende nivå. Det handler ikke nødvendigvis om å løse et konkret problem her og nå, men om å avdekke de grunnleggende prinsippene og mekanismene bak et naturfenomen.

Men Johnston mener også at forskningen hans kan få praktiske anvendelser i fremtiden. Ved å gi oss bedre innsikt i hvordan biologien fungerer på et grunnleggende nivå, kan arbeidet legge grunnlaget for nye ideer, teknologier eller behandlinger.

– Én mulig fremtidig anvendelse er innen planteforedling. Hybridplanter gir ofte høyere avkastning og mer mat per areal. Én måte å lage hybrider på, er å utnytte mutasjoner i mitokondriene. En bedre forståelse av plantemitokondrier kan gi nye tilnærminger til dette, sier han.

Han forklarer at det allerede finnes vitenskapelig kunnskap om prosessen, men at mye av den er basert på enkelttilfeller.

– Vi lærer om spesifikke tilfeller der mutasjoner i mitokondrier fører til hann-sterilitet. Ett mål for den mer anvendte delen av prosjektet er å avdekke generelle prinsipper – fundamentet for denne oppførselen. Jeg er faktisk veldig gira på å bruke dette, ikke bare på etablerte matplanter, men også på nye og voksende kulturer som tang og makroalger, sier Johnston.

En fysiker som elsker biologi

Iain Johnston er opprinnelig fysiker, men har senere blitt matematiker.

– I fysikken er vi vant til at det finnes fundamentale lover i universet – som termodynamikk, relativitet og så videre. Men jeg er en fysiker som elsker biologi. Og i biologien finnes det ikke så mange slike lover, men det finnes ideer som går igjen: evolusjon, energi, støy og tilfeldigheter. Det er i skjæringspunktet mellom disse ideene at jeg befinner meg, sier han.

Å jobbe med dette prosjektet i Bergen gir en ekstra dimensjon, mener Johnston.

– Det er utrolig inspirerende å jobbe her! Vi skal lage teorier om hva som skjer i trekronene der borte, og ute i havet der borte. Du tar deg en løpetur over fjellet eller et bad i fjæra, og du ser alle artene og skjønnheten i plantelivet som du jobber med. Å være midt i dette naturlige utstillingsvinduet – som du prøver å forklare – er utrolig inspirerende, sier han.

Vil du lese mer om prosjektet, og se noen av bildene, kan du besøke nettsiden laget av Johnstons tidligere ph.d.-student Jo Chustecki.