Når frustration bliver til fascination

Hvordan kan indre konflikter i cellernes molekyler være med til at skabe orden i naturen? Hvilken betydning har indbygget frustration for materialers form og funktion på nanoskala? Dorthe Posselt forsker i molekylære byggeklodser og deres enestående evne til at selvorganisere sig.

Kan man forstå de membranstrukturer, der sikrer, at vores celler fungerer? Kan man bruge frustrerede molekyler til at udvikle morgendagens støbeforme i nanoskala? Kan man forstå opbygningen af grønkorn så godt, at man kan foretage kunstig fotosyntese?

Det er blot nogle af de spørgsmål, Dorthe Posselt, lektor i fysik på Roskilde Universitet, beskæftiger sig med.

Selvom der står lektor i fysik på CV’et, er det i det tværfaglige mellem biologi, kemi og fysik, Dorthe Posselts interesse ligger. Hendes forskning udspringer af en generel nysgerrighed over for, hvad liv i grunden er, og hvad verden er opbygget af.

»Jeg har nok altid været fascineret af den materielle verden. Der er så mange spændende former og strukturer i naturen, som jeg gerne vil forstå,« siger Dorthe Posselt.

Det er netop forståelsen af strukturdannelse og sammenhængen mellem form og funktion, der optager Dorthe Posselt. Det centrale fænomen i fysikerens forskningsområde er selvorganisering, hvilket vil sige organisering af molekyler uden nogen ydre styring af processen.

»Som fysiker ønsker jeg via studiet af modelsystemer at finde generelle lovmæssigheder for formdannelse i naturen,« siger Dorthe Posselt.

Molekyler med frustration

For at forstå naturens selvorganisering kigger Dorthe Posselt både på, hvordan molekyler organiserer sig i komplekse, biologiske systemer, og på hvordan processen foregår i mere simple, syntetiske systemer. Ved at studere naturens opbygning kan man bruge denne viden til at konstruere kunstige systemer.

Mange af de molekyler, Dorthe Posselt undersøger, har en indbygget frustration, som er årsag til, at molekylerne strukturerer sig på en bestemt måde.

»Det typiske eksempel er, at den ene ende af et molekyle elsker vand, og den anden ende hader vand. Putter man molekylerne ned i vand, sker der derfor en selvorganisering,« forklarer Dorthe Posselt

Et eksempel på sådanne molekyler er fosfolipider, som er byggestenene i cellemembraner. De har vandelskende hoveder og vandskyende haler.

»Putter man tilstrækkeligt mange fosfolipider ned i vand, vil de selv organisere sig i en tynd membran, sådan at de vandelskende hoveder sidder ud mod vandfasen og dermed beskytter det indre, hvor man så har de vandskyende haler,« siger Dorthe Posselt og fortæller om sit seneste forskningsresultat:

»Vi har på det seneste studeret dynamikken i sådanne membransystemer og fundet indikationer på, at diffusion af molekyler i membranen afhænger af den tredimensionelle organisering af membranen. Det er et spændende resultat, som jeg håber, bliver bekræftet ved nogle eksperimenter, vi skal udføre senere på året.«

I sidste ende er det fascination og nysgerrighed, der driver de fleste forskere.Dorthe Posselt, sagt om grundforskning

Et påtvunget venskab

En anden type frustration, som Dorthe Posselt undersøger netop nu, er ikke en frustration, der opstår på grund af en ydre påvirkning.

Frustrationen opstår, fordi enderne af det samme molekyle ikke kan lide hinanden, men er tvunget sammen. Man laver den slags frustrerede molekyler ved en kemisk binding mellem to polymerer, så de danner et større molekyle, en såkaldt diblok copolymer. Blander man mange ens diblok copolymerer, vil enderne gøre alt for ikke at snakke sammen med modparten, og de mange molekyler organiserer sig selv for at undgå dette:

»Hvis de nu selv kunne bestemme, ville de være adskilt. Ligesom olie og eddike i en dressing. Nu hvor de er tvunget sammen, laver de nanostrukturer, hvor de kommer så langt fra hinanden, som de kan. Det betyder, at vi får adskilte områder med henholdsvis den ene og den anden blok, samtidigt med at molekylerne er bundet sammen på grænsefladen mellem de forskellige områder,« forklarer Dorthe Posselt.

Støbeforme til nanoledninger

De nanostrukturer, som diblok copolymererne laver, har typisk en længde på mellem 10-100 nanometer. Man kan skræddersy nanostrukturen ved at styre for eksempel den relative størrelse af de to blokke. Dorthe Posselt har tidligere set på en lagdelt struktur, men undersøger i øjeblikket en cylinderstruktur i en tynd film, hvor den ene halvdel af molekylerne laver søjler, og den anden halvdel udfylder resten af rummet mellem søjlerne.

»Man kan bruge dem som en form. Man kan ætse den polymer, der står op som en cylinder, væk med for eksempel UV-lys. Pludselig har man en form med huller i. Så kan man fylde hullerne med metal, og på den måde har man altså støbt små nanoledninger,« fortæller Dorthe Posselt.

Nye faciliteter i Lund giver perspektiver

For at forstå de strukturer, som molekylerne laver, og hvordan de reagerer på eksempelvis ændringer af temperatur eller påvirkning med opløsningsmidler, benytter Dorthe Posselt både røntgenspredning og neutronspredning.

»I et spredningseksperiment sender man en røntgen- eller neutronbølge ind mod en prøve og iagttager det resulterende mønster af lyse og mørke områder, hvor de spredte bølger vekselvirker. Man kan så regne tilbage og sige noget om prøvens struktur,« forklarer Dorthe Posselt.

Det er en metode hun benytter meget, men da der ikke er mange faciliteter, hvor man kan lave sådanne forsøg, kan det være både besværligt og dyrt at udføre spredningseksperimenter. Derfor ser Dorthe Posselt frem til de to nye faciliteter, der bliver bygget i Lund i Sverige. Den ene facilitet er en synkrotron, et højintinsivt røntgenanlæg MAX IV, der bliver indviet den 21. juni i år.

Læs også: Synkrotronerne myldrer frem

»Det er en stor ring, hvor der løber elektroner rundt, som udsender røntgenstråling. Ved den bliver der bygget en 15-20 eksperimentelle opstillinger, som kan udnytte røntgenstrålingen,« siger Dorthe Posselt.

Læs også: Danmark får sin egen bid af MAX IV

Den anden facilitet, European Spallation Source (ESS), bliver verdens bedste neutronkilde, som kan bruges til neutronspredningsforsøg.

Læs også: Her er Skånes nye neutronkanon

Livet i en ærtesuppe

Et af de fænomener, Dorthe Posselt har beskæftiget sig meget med, er fotosyntese. Hun har i samarbejde med en ungarsk forskergruppe dyrket ærter for derefter at blende dem til en suppe efter biokemisk opskrift. På den måde kan man undersøge cellemembranerne i plantens grønkorn og deres strukturer.

»Vi har vist, at vi kan påvirke den fotosyntetiske membranstruktur med hvidt lys på en reversibel måde. Ved biokemisk at manipulere dele af den fotosyntetiske proces og iagttage strukturændringer kan vi udlede små brikker til forståelse af det store puslespil, som fotosyntesen er,« siger Dorthe Posselt.

Forskningen i fotosyntese bygger på en generel nysgerrighed over for liv og en fascination af de organiserede biologiske strukturer.

»Det, der rigtig fascinerer, er, hvad liv egentligt er for noget, og hvordan liv opstår af materiens organisering? Det er for mig at se det dybeste spørgsmål, man kan stille,« siger Dorthe Posselt.

Læs også: Forskerne sukker efter definitionen på liv

Hun fortsætter:

»I sidste ende er det fascination og nysgerrighed, der driver de fleste forskere. Og en fascination af verden omkring os på alle skalaer. Og for mig også at være i dialog med fænomener, jeg ikke kan se med det blotte øje.«

Kommentarer (1)

Er der en form for intelligens gemt i selvorganisering?

Intelligens har meget med at finde en forholdsvis god optimal løsning at gøre. Sker det på et molekylært eller kvanteniveau?

  • 0
  • 0