Hur anatomiska institutionen blev internationellt centrum

för elektronmikroskopi

Fritiof Sjöstrand Essäist

JUB

ILE

UM

SE

SS

ÄE

R

Hur anatomiska institutionen blev internationellt centrum för elektronmikroskopi

Efter att ha varit elev vid Academie Scan-dinave i Paris 1926 - 1927 med Otte Sköld som lärare och Per Krogh som uppmunt-rare var det klart att jag skulle bli konst-när. När jag kom tillbaka till Stockholm och skolan använde jag all tillgänglig tid till att måla.Under sommarloven målade jag landskap på västkusten med Birger Simonsson som lärare och under vint-rarna fria kompositioner. Men sommaren 1931 tvivlade jag på min talang och efter diskussion med min sex år äldre broder Torgny, som studerade medicin och ar-betade på sin doktorsavhandling, beslöt jag att studera medicin med möjlighet att forska. Jag började därefter mina studier på Karolinska Institutet våren 1933.

Men skottet i Paris i mars 1932, som slu-tade Ivar Kreugers karriär, eliminerade också de ekonomiska förutsättningarna

för fortsatta studier. Lyckligtvis fick jag jobb som korrekturläsare på Åhlén och Söners Förlag.

Torgny engagerade mig i arbetet på sin doktorsavhandling på Farmakologiska Institutionen med professor Göran Lilje-strand som chef. Min uppgift blev histolo-giska studier. Ulf von Euler arbetade som docent på institutionen och förstod min ekonomiska situation. Han hade accepte-rat att göra en betald undersökning för en läkemedelsfirma och gav mig jobbet som betald assistant. Min uppgift blev att göra kaniner i ordning för blodtrycksmätning, vil-ket var min första erfarenhet av djurförsök. Resultaten publicerades 1935 och von Eu-ler tog med mitt namn på uppsatsen.

Kombinationen korrekturläsare, forsk-ningsassistent och medicine studerande fortsatte till medicine kandidatexamen då jag fick ett statens räntefria studielån. Jag fick hjälp med studierna av hyggliga professorer. Till exempel när jag tentera-de histologi för professor Häggquist och han gav mig en fråga i embryologi, som jag inte kunde svara på. Jag förklarade att jag inte hunnit läsa så långt i boken. Han frågade då hur långt jag hade läst och gav mig en ny fråga på den lästa delen. När jag kunde svara på den frågan gav han mig betyget AB.

En professur i fysiologi hade blivit ledig och Ulf von Euler, Yngve Zotterman och Torgny tävlade om tjänsten. Zotterman hade studerat i England och lärt sig att re-gistrera aktionspotentialer från nervtrådar, en då ny metod, som visade att neurofysi-ologisk forskning hade nått cellnivån tack vare Ramon y Cajals upptäckt att nervsys-temets består av nervceller. Sambandet mellan Cajals upptäkt och utveckligen av

Fritiof Sjöstrand, självporträtt

neurofysiologi på cellnivån stod helt klart för mig och jag drog slutsatsen att fortsatt utveckling av fysiologi fordrade kunskap av struktur på en subcellulär nivå. När jag 1938 hade läst FreyWysslings monografi ”Submikroskopische Morphologie des Protoplasmas und seiner Derivate”, för-stod jag att strukturen skulle studeras på en molekylär nivå.

Jag fann ut att några speciella strukturer hade studerats vid en högre upplösning än ljusmikroskopets tack vare deras dub-belbrytning av ljuset, som gjorde det möj-ligt studera dem med polarisationsmikro-skop. I nervsystemet var det myelinskidan som gav effekten och enligt teorien för dubbelbrytning skulle effekten framkallas av parallelt ordnade skivor och i muskel-celler av parallellt ordnade stavar.

Jag lånade ett polarisationsmikroskop från Histologiska Institutionen 1937 för att se om cellers cytoplasma innehöll någon dubbelbrytande struktur. Jag valde exokri-na pankreasceller därför att de kunde stu-deras i levande tillstånd och därför att mu-sens exokrina cellerna delvis är spridda i ett enkelt skikt i omentet. Analysen med den sövda musen monterad på mikrosk-pets objektbord visade en negativ dub-belbrytning och cytoplasman skulle därför innehålla parallellt anordnade skivor. Det skulle senare visa sig att skivorna är cyto-plasmamembraner, som representera en fundamental princip for molekylär organi-zation i cellers cytoplasma. Tur hade gjort att exokrina pankreascellers cytoplasma innehåller ett unikt stort antal cytoplasma membraner förstärkande den optiska ef-fekten.

En tidig start i elektronmikroskopi

År 1938 fick jag veta att en ny typ av mik-roskop hade konstruerats några år tidiga-re av Ernst Ruska och att mikroskopet an-vände elektroner för avbildning. Professor Manne Siegbahn vid Nobelinstitutet for

Fysik planerade att bygga ett sådant elek-tronmikroskop. Torgny kontaktade för min räkning Siegbahn, som accepterade mig att medverka i projektet, först som labora-toriehjälp och senare som assistent (Bild 1; Sjöstrand 1943a).

Det första problemet med att utnyttja elektronmikroskopets höga upplösning var att framställa tillräckligt tunna pre-parat. För att se en molekylär struktur måste preparatets tjocklek vara nära molekylernas diameter och histologiska mikrotomsnitt var därför för tjocka. Jag byggde en apparat för att skära bort så mycket som möjligt av mikrotomsnitten och använda vad som blev kvar. Jag lyckades med den metoden få tillräckligt tunna snitt av muskelceller för hög elek-tronoptisk upplösning. Cellerna hade fru-sits i flytande kväve och frystorkats för att undvika histologiska metoders modi-fiering av cellstrukturen. De frystorkade muskelcellerna hade inbäddats i paraf-fin av låg smältpunkt vilket ger så liten skada av strukturen som möjligt. Trots att frystorkat material ger minimum av kon-trast sågs en struktur vid hög upplösning.

Med dagens erfarenhet av elektronmi-kroskopisk analys av muskelceller är det möjligt att bedöma att snitten var mycket tunna, vilket gör det möjligt att identifiera en fibrillar struktur svarande mot muskel-cellernas myofilament. Jag skrev en upp-sats för att visa att tunna snitt tålde att ut-

BILD 1. Siegbahns andra elektronmikroskop. Från Sjöstrand 1943a

sättas för elektronstrålen och gav en bild av en cellstrukturer med dimensioner långt under gränsen för ljusmikroskopets upp-lösning hade erhållits (Bild 2). Siegbahn skickade artikeln med diplomatisk kurirpost till sir Henry Bragg i England mitt under kri-get och uppsatsen publicerades i Nature 1943 (Sjöstrand 1943b). Det var de första vävnadssnittt, som var tillräckligt tunna för högupplösningselektronmikroskopi.

Doktorsavhandling med komplikationer

Det var emellertid klart att systematisk forskning baserad på elektronmikroskopi skulle ta för mycket tid för en doktorsav-handling. Jag beslöt därför att uppskjuta fortsatt elektronmikrokopi och i stället ba-sera min avhandling på en spektrografisk analys av de fluorescerande substanser som förekommer i celler. Med ett fickspektroskop, en Leica kamera och en högtryckskvicksilverlampa hade jag börjat bygga en mikrospektrograf när

docent Torbjörn Caspersson talade om för mig att om jag ville fortsätta arbeta på mitt projekt måste jag göra arbetet i hans la-boratorium annars skulle han se till att jag inte fick något anslag från kollegiet. Pro-fessor Einar Hammarsten talade om för mig i telefon att fluorescens visade ingen-ting om ett ämnes kemi därför att fluores-cens var förorsakad av struktur och icke av kemisk sammansättning.

Jag beslöt då att undvika kemi i doktors-avhandlingen och i stället visa förekom-sten av fluorescerande substanser i olika vävnader för framtida spektrografisk ana-lys. Problemet med en sådan studie var preservering av fluorescensen och i det avseendet var frystorkning, som jag an-vände särskilt fördelaktig.

Men Caspersson blev medlem i betygs-kommitten. Jag hade emellertid förutsett besvär och hade fått Gösta Glimstedt, pro-fessor i histlogi i Lund, att acceptera att bli min opponent. Betyget på avhandlingen blev AB utan docentkompetens. En tid ef-ter disputationen sökte jag en ledigförkla-rad prosektorstjänst i Uppsala och blev förklarad kompetent, vilket ledde till ett do-centstipendium vid Karolinska institutet.

När spektrografen var färdig att användas gav den mycket distinkta fluorescens-spektra i miniatur (Sjöstrand 1946). Till exempel visade fluorescensen från mi-tokondrier i njurens proximala tubuli två maxima, varav ett var riboflavin och det andra en substans, vars spektrum då var okänt men som senare identifierades vara den fluorescerande formen av NADH de-hydrogenas (Bild 3).

TEXT till Figur 3a-c (a) Flourecensmikro-spektrograf. (b) Ritning över spektrograf. A: mikroskop, B: spektroskop, C: ka-mera, E: Philora 500-lampa (kvicksilver-ånga) med luftkylda filter, F: glödlampa använd vid känd färgtemperatur, G: rote-rande sektorer för intensitetskalibrering

BILD 2. Bilder av muskelvävnad från de flrsta snitt som var tillräckligt tunna för elektronmikro-skopi. De översta bilderna är stereobilder. Från Sjöstrand

av spektrogram, H: kvicksilver-helium-emissionstub för våglängdskalibrering. (c) Flourecensspektrum av mitokondrier från tubulära njurceller av marsvin sedan preparatet exponerats för ättikssyra (halv skuggade cirklar). Intensitet anges som funktion av vågtalet. Skuggade cirklar vi-

sar flourecensspektrum av en riboflavin-lösning registrerad på samma film som mitokondriespektrumet. Öppna cirklar visar differentialspektrumet sedan ribo-flavinspektrumet subtraherats från den ättikssyreinducerade flourecensen. De olika spektras symmentriska form visar att flourecensen avges från en enskild källa och avslöjar närvaron av en andra flour-ecerande substans. Vågtalskalibreringen är förbunden med en systematisk avvikel-se eftersom olika storlek på en assymtrisk öppning användes vid upptagningen av flourecensspektrumet och kvicksilver-spektrumet. Justering av våglängden och utbyte av öppningen mot en med symme-trisk form skulle genomföras när jag istäl-let bytte tillbaka till elektromikroskopi.

Spektra från stavarnas ytterleder visade en gul fluorescens, som många år senare identifierades vara retinin. Den fluoresce-rande substansen extraherades från yt-terledsfraktioner och gav samma fluores-cencespektrum som mikrospektrografens spektrum när extraktet adsorberades till

filtrerpapper (substansen fluores-cerade inte i lösning) och fluores-censen analyserades i en Raman-spektrograf.

Stipendiat I USA

En ansökan till Statens medicin-ska forskningsråd efter dispu-tationen 1944 ledde 1947 till att jag fick ett stipendium att studera elektronmikroskopi i USA efter att professor Georg Karlsson ingripit till min formån. Jag for snabbt till USA och arbetade ett år i Depart-ment of Biology, Massachusetts Institute of Technology i Boston, där jag kunde arbeta helt själv-ständigt med god tillgång till ett RCA elektronmikroskop.

Elektronmikroskopisterna i USA försökte på den tiden preparera biologiskt matei-al genom homogenisering, först med en Waring blendor och sedan med ultraljud. Resultatet var bilder vars tolkning var som att spå i kaffesump, vilket man så små-

BILD 3. Flourescencemikrospektrograf 1946. Ett fluorescencespektrum visade NADH dehydrogenasespektrum efter subtraktion av ribloflavinspek-trum. Från Sjöstrand

BILD 4. Disker isolerade från ögats stavyt-terleder. Till vänster ses en enkel disk, till höger en dubbeldisk. Från Sjöstrand 1949.

ningom insåg. Det var emellertid klart att homogenisering kunde vara en användbar metod om man utgick från en känd cell-komponent för att studera dess strukturel-la komponenter. Ragnar Granits forskning hade gjort mig intresserad av näthinnans struktur och det föreföll möjligt att isolera stavarnas ytterleder för fragmentering. En marsvinsnäthinna suspendererades i Ringers lösning i en vågflaska som ska-kades 60 sekunder. Efter sedimentering av näthinnefragmenten bestod superna-tanten av en ren dispersion av stavytter-leder. Efter fixering i osmiumtetroxid och behandling med ultraljud hade ytterleder-na brutits upp i skivor med ytterledens dia-meter och en tjocklek som var en multipel av de tunnaste skivornas tjocklek (Bild 4; Sjöstrand 1949).

Enstaka skivor hade en randstruktur som var tjockare än resten av skivan och den-na randstruktur skulle långt senare visa sig bestå av proteinkomplex. Tack vare kontakten mellan angränsande skivor bil-dades en proteincylinder. Denna reflek-terar ljus men är så tunn att endast ljus riktat nära parallellt med cylinderytan re-flekteras. Detta säkerställer att varje stav stimuleras av ljus från en yta i näthinnebil-den som i storlek svarar mot ytterledens diameter och reflektionen begränsar ljuset till en enda stav, vilket är en av förutsätt-ningarna för en hög synskärpa.

Ett forskningslaboratorium för elek-tronmikroskopi

Återkommen till Stockholm 1948 fann jag att situationen på Karolinska Institutet hade ändrats radikalt. Anatomiska institu-tionen hade fått en ny byggnad med stora utrymmen för forskning. Torbjörn Caspers-son hade varit kandidat till ett Nobelpris men inte fått något. Professor Ture Petrén gav mig fria händer att organisera ett labo-ratorium för elektronmikroskopi. Jag skrev en ansökan till Wallenbergstiftelsen om anslag till inköp av ett RCA elektronmikro-

skop och utrustning av laboratoriet. Ture Petrén skrev under ansökan och skickade in den i sitt namn enligt vad som då var formellt riktigt. Anslaget beviljades men stora svårigheter uppstod med dollarva-luta vilket ledde till en lång väntetid. Mitt under ett seminarium, som jag höll i Sloan Kettering Institute for Cancer Research i New York skrev en av mina vänner från MIT-tiden som nu forskade på institutet, på ”svarta tavlan” att valuta hade tilldelats.

En schweizisk finmekaniker, Ferdinand Gurtler med god yrkesskoleutbildning i Schweiz, anställdes att organisera anato-miska institutionens verkstad för tillverkning av apparater med höga krav på precision. I Anatomiska institutionens källarvåning fanns ett stort utrymme som till stor del var fyllt av en bergknalle, vilket gjorde rummet oanvändbart. Bergknallen sprängdes bort och i stället gjöts ett betongfundament di-rekt på urberget för att fungera som under-lag för vibrationskänslig apparatur.

Mikrotom för dubbelsnittning

Vilseledd av Manfred von Ardennes ma-tematiska deduktion, som visade att det var omöjligt att producera snitt med vanlig snittning som var tunnare än de histolo-gernas mikrotomer producerade, byggde jag en mikrotom för dubbelsnittning. Den-na fungerade med hög precision och pro-ducerade snitt som var tunna nog för elek-tronmikroskpi. Vid Electron Microscopy of America’s (EMSA’s) årsmöte 1951 visade jag de första bilderna av myelinskidans struktur med en upplösning som visade myelinskidans multilamellära struktur.

För att vid dubbelsnittningen utgå från så tunna snitt som möjligt hade jag följt ut-vecklingen av mikrotomkonstruktioner i USA. Sålunda redan 1948 på (EMSA’s) årsmöte i Toronto visade Dan Pease och Dick Baker bilder av snitt som de erhållit med en Spencermikrotom använd av his-tologer, efter förfining av matningsmeka-

nismen. Bilderna var emellerid inte bättre än ljusmikroskopiska bilder. Inititivet skulle emellertid visa sig vara av stor betydelse. Sålunda modifierade Jim Hillier mikroto-men ytterligare och fick 1950 snitt, som vi-sade en upplösning något under gränsen för ljusmikroskopets upplösning. Hillier gav mig alla upplysningar beträffande ändringar i mikrotomens konstruktion och Ferdinand Gurtler gjorde jobbet. Jag införde motordrift och mikrotomen placerades på betongfun-damentet vilket eliminerade vibrationer från operatören och från Solnavägen. En metod att slipa rakblad, som jag hade utarbetat för dubbelsnittningen, förbättrade kniveggens kvalitet avsevärt. Med dessa ändringar erhölls snitt som var tunna nog för elek-tronmikroskopi vid hög upplösning, vilket eliminerande behovet av dubbelsnittning. Manfred von Ardenne hade i sin matema-tiska formel för snittjocklek en konstant, som representerade inbäddningsmedlets egenskaper och han hade använt de då vanliga inbäddningsmedlens fysiska egen-skaper. Den konstanten ändrades radikalt när Borysko och Swerdlow införde metha-crylat för inbäddning.

Ett genombrott

1951 med modifierad Spencer mikrotom.Under hösten 1951 tog jag bilder av my-

elinskidan (Bild 5), stavarnas ytterled, exokrina pankreascellers cytoplasma och mitokondrier i både stavinnerleder och pankreasceller. Resultaten visade jag i fyra föredrag på EMSA’s årsmöte 1952. Det blev en mycket stor succe för det vi-sade sig att amerikanarna aldrig hade sett bilder av denna kvalitet förut och de för-stod att problemet med att framställa pre-parat av biologiskt matrial för elektronmi-kroskopi vid hög upplösning nu hade lösts. Jag blev omedelbart inbjuden att hålla fö-redrag och under den tid som återstod av mitt USA-besök gav jag sex seminarier, ett i National Institutes of Health i Bethes-da och de övriga i universitet längs USAs östkust. Inbjudningarna skulle emellertid fortsätta, vilket resulterade i många resor till universitet jorden runt.

Framgången gav mig två fiender, Keith Porter ach George Palade, vars lägre kvalitet på elektronmikroskopi blev klart exponerad. Under EMSA-mötet anord-nade Robley Williams (som tillsammas med Ralph Wyckoff hade infört metall-skuggningsmetoden) en lunch för att höra Palades version av mitokondriestruktu-ren. Palade ritade ett längssnitt genom mitokondrien på en pappersserviett och

Fritiof Sjöstrand vid Siegbahn electron microskope.BILD 5. Myelinskida vid hög förstoring från snitt preparerat

beskrev mitokondrien som en enkel lätt veckad membran, avgränsande ett rum där mitokomdrieenzymerna kunde fritt diffundera. Palade meddelade att han hade en uppsats i tryck och jag nämnde att jag också hade en uppsats i tryck. Palades uppsats publicerades i Anatomi-cal Records 1952 och min publicerades i Nature’s januarinummer 1953 (Bild 6; Sjö-strand 1953a).

En testDet stora problemet var nu i vilken grad de elektronmikroskopiska bilderna visade den verkliga cellstrukturen. Jag använde de optiskt dubbelbrytande cellstrukturerna som testpreparat för att se om prepara-tionsmetoden bevarade strukturer på en supramolekylar nivå. Elektronmikrosko-pisk avbildning skulle samtidigt verifiera den teori, som relaterade dubbelbrytning till en viss supramolekylar struktur.

Myelinskidan, stavarnas ytterleder, kloro-plaster och exokrina pankreascellers cy-toplasma visade en struktur bestående av parallelt anordnade membraner i överens-stämmelse med teorien och detsamma

gällde muskelcellernas stavstruktur. Trots preparationsmetodens fullständiga dena-turering av proteinerna var det därför möj-ligt att erhålla begränsad information av cellernas struktur.

Den första ultramikrotomen

De snitt som den modifierade Spencermi-krotomen producerade varierade i tjocklek och endast de allra tunnaste snitten tillät hög elektronmikroskopisk upplösning. En bättre mikrotom var darför önskvärd. Jag föreslog en enkel konstruktion, som vann Ferinand Gurtlers gillande och den visade sig fungera förbluffande bra (Bild 7).

Sålunda var 80% av snitten tunnare än 30 nm och 20 % mätte endast 5 till 10 nm i tjocklek, mätt med den metod som använ-des för att bestämma molekylers dimen-sioner med William and Wyckoffs metall-skuggning.

Mikrotomen producerades kommersiellt av LKB såsom Sjöstrand-ultramikroto-men och den kommersiella mikrotomen ställdes ut på EMSA’s årsmöte i Pocono Manor 1953 som den första kommersiella ultramikrotomen.

BILD 6. Första elektronmikroskopiska bilden som visar strukturen av mitokondriens yttre och inre membraner. Från Sjöstrand 1953a.

BILD 7. Prototypen för den första ultramikrotomen 1952.

Neurofysiologi på en ny nivå

Elektronmikroskopet eliminerade den be-gränsning som ljusmikroskopets upplös-ning hade påtvingat studiet av nervsyste-mets struktur. Det skulle därför nu bli möjligt att se de synaptisk kontakterna mellan nervcellerna. Det föreföll då sannolikt att dessa kontakter var systematiska och bil-dade distinkta nervkretsar. Hur nervkretsar-nas fungerade skulle då kunna deduceras från kunskapen av nervändarnas synaptis-ka kontakter och från den information nerv-cellerna bidrog med tillkretsarna.

En tredimensionell rekonstruktion från se-riesnitt av en stavterminal i marsvinsögat visade att ett utskott från två tapptermina-ler kontaktade stavterminalen och de två bipolarceller som var i kontakt med staven (Bild 8; Sjöstrand 1958). Det skulle senare visa sig att dessa utskott från tapptermina-ler är de näst efter syncellerna näthinnans mest betydelsefulla strukturer.

Elektronmikroskopisk faskontrast

Min målsättning var att studera cellstruk-turen på en molekylär nivå, vilket såsom ett första steg ställde maximala krav på utvecklingen av snittningstekniken men också på att utnyttja elektronmikroskopets upplösning. Att utveckla en metod att sta-bilisera cellstrukturen för inbäddning var otänkbart så länge man saknade kunskap om hur proteinmolekyler denaturerades och måste därför ställas på framtiden. Emellertid ledde utvecklingen av snittnings-metoden för elektronmikroskopi vid högsta upplösning till upptäckten av ett elekronop-tiskt fenomen, som endast kunde ses och analyseras på mycket tunna snitt och vid hög elektronoptisk upplösning. Det optiska fenomenet bestod av en granulär struktur som var överlagrad den elektronmikro-skopiska bilden. Denna struktur försvann helt när bilden var i focus, vilket ledde till slutsatsen att fenomenet var förorsakat av elektronoptisk faskontrast. Fenomenet hade inte beskrivits tidigare men några år efter publicering av min observation upp-täckte en engelsk fysiker fenomenet och verifierade min tolkning.

Ett internationellt centrum for elektron-mikroskopi

Med ett flertal doktorander och utländska gästforskare, som tränades i elektronmi-kroskopi blev ett elektronmikroskop otill-räckligt. Jag sökte ett anslag från The Rockefeller Foundation för inköp av ytterli-gare ett mikroskop. Svaret var positivt och ett andra RCA mikroskop inköptes. Anta-let forskare i laboratoriet hade nu ökats med gästforskare fran Ryssland, Schweiz, Tyskland, Danmark, Finland och framför allt från USA. Firmor i elektronmikroskop-branchen installerade elektronmikroskop i laboratoriet för testning när de använ-des med stora krav på mikroskopets fun-ction. Siemens installerade ett mikroskop i ett källarrum näst intill likkällaren tillsam-mans med ett japanskt Akashi mikroskop,

BILD 8. Första tredimensionella rekonstruktionen baserad på elektronmikroskopiska seriesnitt. Modellen visar stavytterled från marsvinsöga och relationerna omgivande till nervcellterminaler. Från Sjöstrand 1958.

som eventuellt blev skulle bli en gåva. RCA skickade ett bordsmikroskop för testning liksom en tjeckoslovakisk firma, Tesla. Sie-mens mikroskopets höga kvalitet kunde fastställdes och det mindre Akashimikro-skopet var utmärkt för testning av snitt före studium i ett större mikroskop. Ett positivt utlåtande öppnade marknaden för Akashi-mikroskopet i Europa och i USA. Bordsmi-kroskopen blev underkända och kom aldrig ut på marknaden.

Ett abrupt slut

År 1959 blev jag erbjuden en professur vid University of California i Los Angeles. Be-tingelserna för grundforskning var särskilt gynnsamma i USA som följd av Sputnik och kongressen beviljade större belopp för forskning än de belopp som ansöktes. En forskningsprofessur hade vid den tid-punkten tilldelats Karolinska Institutet och Torbjörn Caspersson ordnade så att den gick till George Klein. Jag fick i stället pro-fessuren i histologi, som innebar undervis-ning och administration. Valet att flytta till Los Angeles var lätt och jag avreste i au-gusti 1959.

I Los Angeles fick jag obegränsade ekono-miska bidrag och kunde fortsätta mitt arbete under optimala betingelser. Mina studenter inbjöds att avsluta doktorsavhandlingarna i Los Angeles med alla kostnader betalda.

Vad hände med mina föresatser?

När proteinmolekylernas atomära struk-tur blev klargjord skapades förutsättning för att utveckla en ny preparationsmetod för elektronmikroskopi, som bibehöll pro-teinmolekylernas globulära struktur. Skill-naden i till exempel mitokondriestrukturen framgår av en jämförelse mellan bilderna 6 och 9, som visar att den vanliga prepara-tionsmetoden inte endast hade denature-rat proteinerna utan också gjort proteiner-na vattenlösliga så att de hade försvunit från cellens membranstrukturer.

Mitokondriestrkturen ger nu en inblick i betingelserna för den enzymatiska kata-lysen. Sålunda bildar enzymmolekylerna i de två septummembranerna en kompakt struktur med emzymmolekylernas aktiva polära grupper lokaliserade i septums mitt och de volymmässigt dominerande icke polära delarna vettande mot vatten-miljön i matrixrummen mellan septa. Mo-lekylernas termiska rörelser säkrar kol-lisioner mellan molekylernas aktiva delar med osymmetriska molekyler roterande och underhållande kommunikation mel-lan septa och matrix.Denna kompakta struktur skapar betingelser för högfrek-vent enzymkatalys under betingelser som bestäms både av biokemiska och fysika-liskt kemiska faktorer med en möjlighet för protoner att bidra direkt med den energi som driver ADP-ATP reaktionen.

Omfattande tredimensionella rekonstruk-tioner av näthinnans synapser visade att de synaptiska kontakterna är systematis-ka och bilda nervkretsar, vars function kan deduceras med kunskap av den informa-tion kretsarna mottager (Bild 10).

Alla kända synfenomen förklaras av ak-tiviteten i dessa nervkretsar. Förbindel-sen mellan tapp- och stavterminaler, som den tredimensionella rekonstruktionen av stavterminalen hade avslöjat 1958, kunde

BILDER 6 och 9. Hjärtmuskelmitokondrie preparerad med den föbättrade lågdenatureringsmetoden, som bevarar proteinmo-lekylernas globulära konformation. Från Sjöstrand 1977.

nu analyseras. Det visade sig att dessa förbindelser ökar kontrasten i den bild vi ser. När denna effect är eliminerad i sam-band med maculadegeneration försvinner bilder av föremål. Orsaken är inte blindhet utan en rubbning av synaptisk transmis-sion, som eliminerar kontrastförhöjningen. Syn utan förnimmelse av föremål är myck-et nära blindhet. Kontrastförhöjningen är därför en förutsättning för normal syn.

Problemet med att ribosomer saknades i frystorkad vävnad löstes när lågdenature-rings-metoden användes. Det visade sig då att RNA bildar en gel i cytoplasman tillsammans med ribosomkomplexets pro-teiner (Bild 11).

Med vanlig preparationsmetod precipite-rar RNA och bildar ribosomer utan protein. RNA gelen skapar fördelaktiga betingel-ser för proteinsyntesen med nukleotidsek-venserna exponerade för aminosyror och enzym katalyserande proteinsyntesen.

Epilog

Utvecklingen av snittningsmetoden lade grunden till utnyttjandet av elektronmikro-skopet för studier av cellers struktur. Se-nare utvecklades andra metoder såsom frysfrakturering, som har bidragit med mycket betydande information och kom-pletterat den information som vunnits vid studier av snitt.

Det har varit en fascinerande upplevelse att ha bidragit till utvecklingen av elektron-

BILD 10. Del av tredimensionell rekonstruktion av näthinnans yttre plexiforma skikt. Nära bildens mitt ses de tätt packade nervändarna kring en tappliknande syncell som fungerar som ett syncentrum med nära 60 nervändar från bipolarceller och horisontalceller. Från Sjöstrand 1990b.

Fritiof Sjöstrand with reconstruction of serially sectioned retinal synapses.

BILD 11. Exokrin pancreascell med RNA jämnt fördelat mellan de cytoplasmatiska dubbelmem-branerna. I cytoplasman ses också en mitokon-drie (M), cellkärna (N), zymogengranula (Z) och förstadier (CV) til zymogengranula associerade till Golgiapparaten (GA). Från Sjöstrand 1990a.

mikroskopi tillämpad på biologisk forsk-ning. När jag skriver denna rapport en kort tid efter min 95 årsdag känner jag därför stor tacksamhet till Karolinska Institutet för de goda arbetsbetingelser jag gavs och det stöd jag fick av Ture Petrén.

Referenser

Sjöstrand, F.S., 1943a. Fixering och prepare-ring för elektronmikroskopisk undersökning av vävnad. Nordisk Medicin 19, 1207-1223.

Sjöstrand, F.S., 1943b. Electron-microscopic examination of tissues. Nature 151, 725-726.

Sjöstrand, F.S., 1943c. Eine neue Methode zur Herstellung sehr dünner Objektsnitte für die elektronenmikroskopische Undersuchung von Geweben nebst einigen vorläufigen elektro-nenmikroskopischen Beobachtungen über den submikroskopischen Bau der Skelettmuskelfa-ser. Arkiv för Zoologi, Band 35A, N.o 5, 1-18.

Sjöstrand, F.S., 1949. An electron microscope study of retinal rods of the guinea pig eye, J. Cell Comp. Physiol. 33, 383-403.

Sjöstrand, F.S., 1946. Cytological localization of riboflavin (vitamin B2) by fluorescence mi-crospectroscopy. Nature 157, 698.

Cytological localization of riboflavin (vitamin B2) by fluorescence microspectroscopy. Sjöstrand, F.S., 1951. A method for making ultra-thin tissue sections for electron micros-copy at high resolution. Nature 168, 646.

Sjöstrand, F.S., 1953a. Electron microscopy of mitochondria and cytoplasmic double mem-branes. Nature 171, 30-32.

Sjöstrand, F.S., 1953b. A new microtome for ultrathin sectioning for high resolution electron microscopy. Experientia 9, 114-115.

Sjöstrand, F.S., 1955. The importance of high resolution electron microscopy in tissue cell ultrastructure research. Sci. Tools 2, 24-31.

Sjöstrand, F.S., 1958. Ultrastructure of retinal rod synapses of the guinea pig eye as revea-

led by three-dimensional reconstructions from serial sections. J. Ultrastruct. Res. 2, 122-170.

Sjöstrand, F.S., 1974. A search for the circu-itry of directional selectivity and neural adap-tation through tree-dimensional analysis of the outer plexiform layer of the rabbit retina. J. Ultrastruct. Res. 49, 60-156.

Sjöstrand, F.S., 1977. The arrangement of mi-tochondrial membranes and a new structural feature in the inner mitochondrial membranes. J. Ultrastruct. Res. 59, 292-319.

Sjöstrand, F.S., 1990a. Deducing function from structure. Vol. 1. A different view of mem-branes. Academic Press, San Diego.

Sjöstrand, F.S., 1990b. Deducing function from structure. Vol. 2. Information processing in the retina. Academic Press, San Diego.

Sjöstrand, F.S., 2001. Memoires, the develop-ment of Scandinavian electron microscopy. J. Submicrosc. Cytol. Pathol. 33, 363-417.

Fritiof Sjöstrand, Essäist

Department of Biology, University of California, Los Angeles, California 90095 ,USA.Fritiof S. Sjöstrand

Fritiof Sjöstrand, född 1912, tänkte först bli konstnär men började 1933 studera medicin vid Karolinska Institutet. Till följd av Kreuger-krashen året innan tvingades han dryga ut sin studiekassa och kom via brodern Torgny i kontakt med farmakolo-giska institutionen, där han inledningsvis fick extraarbete som betald assistent.

Efter studier i polarisationsmikroskop av molekylära strukturer i exokrina pankre-asceller, kom han 1938 för första gången i kontakt med en ny metod, elektronmikro-skopi. Hans metod för att göra ultratunna vävnadsprov för elektronmikroskopi i hög upplösning publicerades i Nature 1943. Han disputerade 1944 och fick 1947-48 ett stipendium för att studera

elektronmikroskopi vid Department of Bio-logy, Massachusetts Institute of Technolo-gy, Boston, USA. I Sverige tilldelades han medel för att bygga upp ett forskningsla-boratorium för elektronmikroskopi vid Ka-rolinska Institutet. Forskningen ledde till att han 1952 kunde visa unika bilder på molekylära cellstrukturer.

När Fritiof Sjöstrand tilldelades professu-ren i histologi vid Karolinska Institutet blev han samtidigt erbjuden en professur vid University of California, Los Angeles, dit han flyttade 1959. Fritiof Sjöstrand var bo-satt i USA och gick bort i april 2011. Han blev 98 år gammal.

Eva Cederquist, författare till biografin. Sommaren 2008.