Forskarprofilen: ”Tanken är att ta fram en generisk molekylmodell”

10 oktober 2019

David van der Spoel är professor i biologi med inriktning mot molekylär beräkningsbiofysik samt prefekt vid institutionen för cell- och molekylärbiologi.

Med hjälp av datasimuleringsmodeller ringar David van der Spoel in mekanismerna bakom molekylära interaktioner. Modellerna kan bland annat förutsäga ett läkemedels egenskaper, eller miljögifters förmåga att ta sig genom cellmembran. – Det är många som forskar på läkemedel för att göra oss bättre när vi blir sjuka. Men det går lika bra att forska på liknande sätt på ämnen som gör oss sjuka till att börja med.

Gränsöverskridande forskning är ett passande epitet på verksamheten i David van der Spoels labb på Biomedicinskt centrum. Även om det inte handlar om något laboratorium i bokstavlig mening. För som den dataforskare han är, arbetar han i ett vanligt kontorsrum, omgiven av datorer och skärmar. Där utvecklar och förbättrar han datamodeller som kan användas för att härma dynamiken mellan molekyler i bland annat vätskor och viruspartiklar. För att kunna simulera så komplexa kemiska och biologiska system krävs kunskaper inom såväl kemi och biologi som fysik och datavetenskap. Områden han själv har gedigen erfarenhet av.

– Hemma i Groningen läste jag först fysik på universitetet. Men sen tog intresset för kemi och biologi över och därefter datavetenskap. Så det har varit en rätt krokig väg till där jag är nu på programmet för beräkningsbiologi och bioinformatik.

Redan hemma i Holland började David van der Spoel bygga på ett simuleringsprogram, GROMACS, som idag används av tusentals forskargrupper världen över. Programmet gör det möjligt att analysera vätskor, lipider, proteiner och nukleinsyror, och tog honom flera decennier att konstruera och förfina, i ett internationellt nätverk. Fortfarande finns utrymme för förbättringar av programmet.  Algoritmutveckling och maskininlärning ser han som viktiga pusselbitar för att utforma bättre modeller och kunna tillämpa dem.

– Olika kemiska ämnen har olika sorters molekyler och komplexiteten är enorm. Även om vi kan köpa eller skapa molekyler så finns det oändligt många designvarianter man kan tänka sig, säger David van der Spoel.

Ett exempel är läkemedel. Deras egenskaper är viktiga att kunna förutspå innan man beställer molekyler då framställningen annars kan bli mycket dyr, förklarar han. Det är också en anledning till att många medicinare och läkemedelsutvecklare idag använder sig av GROMACS.

– Tanken är ta fram en övergripande modell som kan ha med alla olika molekyler: proteiner, DNA, RNA och så vidare. En av mina doktorander har gjort vissa framsteg i att bygga och testa sådan mjukvara, och några forskarkollegor har utvecklat andra modelldelar. Det går sakta, men det går framåt.

Ett annat mål med programmet är att säkerställa tillförlitligheten hos de data som läggs in i simuleringsmodellerna. I ett parallellspår till GROMACS utvecklar David van der Spoel och hans forskargrupp just nu en modell vid namn Alexandria. Den har fått sitt namn efter den egyptiska staden med sitt en gång legendariska bibliotek. Under antiken var besökare tvungna att lämna ifrån sig alla böcker och skriftrullar de bar på för kopiering och förvaring i biblioteket. På så sätt skulle allt som någonsin skrivits bevaras för eftervärlden.

Hur mycket material som räddades vid förstörelsen av biblioteket i Alexandria är oklart. Men vår tids digitalisering av forskningsresultat har gett nya möjligheter att samla, bevara och ifrågasätta data.

– Många datapunkter har upptäckts för länge sedan av forskare som nu är döda och deras publiceringar svåra att komma åt. Många finns dock i databaser och har samlats in av folk på 1970-talet och kanske kopierats på 80-talet. Det finns dock en risk att originaldatat kommer att försvinna eller åtminstone bli svårtillgänglig. I Alexandria-projektet har jag försökt samla in och granska sådana vetenskapliga data om molekylernas egenskaper, säger David van der Spoel. Han tillägger:

– Förstås har jag hittat fel också. Om man mejlar forskaren ifråga kan man dock få svaret, ”aha, jag har inte kollat på den där datan de senaste 20 åren, men bra, jag ska rätta till den”… Projektet heter därför Alexandria för att vi försöker göra en så heltäckande insamling som möjligt och även rätta till de fel som finns för att datan ska kunna användas.

Hans ursprungliga intresse för biologi och miljö har också letat sig in i hans forskning. Bland annat har han använt sina simuleringsmodeller för att undersöka miljögifter och deras eventuella påverkan på biologiska system. En färsk artikel från hans forskargrupp granskar huruvida miljögiftsämnen kan forcera cellmembran. Forskarnas hypotes hänger ihop med rapporter om utsläpp av högfluorerade ämnen, PFAS, vid den gamla flygplatsen i Ärna utanför Uppsala. Militärens brandsläckningsövningar visade sig leda till föroreningar av dricksvattnet i området.

– Eftersom de här ämnena är ganska nya finns det mycket lite data om dem, säger David van der Spoel. Med våra simuleringar har vi försökt lägga till data, så nu finns det nya uppgifter om hur pass lätt sådana ämnen kan ta sig igenom ett cellmembran.

Forskarna har valt ut 130 ämnen inom två-tre kategorier av miljögifter, däribland dessa fluorerade ämnen, och räknat ut hur mycket energi det kostar för dem att ta sig igenom en cellvägg. David van der Spoel visar en film som illustrerar svårighetsgraden för en giftmolekyl att forcera ett membran.

– Som vi kan se uppstår olika energibarriärer för olika molekyler. Vissa tar sig igenom membranet, men frågan är vad som händer sen? Där är det mycket som vi inte vet än.

Något som också måste forskas på är kombinationseffekten av flera olika giftiga ämnen, däribland hormonstörande parabener som binder till östrogenreceptorer.

– Sådana ämnen finns dock i naturen i alla fall, vissa bryts ner och andra inte. Där fortsätter vi att göra beräkningar på hur lätt de kan ta sig in i cellerna.

Vid sidan av forskningen har David van der Spoel även engagerat sig i frågor som rör miljö och hållbart skogsbruk. Som tonåring var han med i motsvarigheten till Fältbiologerna i Groningen. Men studier och jobb kom emellan och engagemanget föll i träda.

– Men för ungefär 10 år sen tänkte jag att jag måste göra något mer, jag kan inte överlämna allt till nästa generation så jag beslutade mig för att bli mer aktiv.

På Facebook hittade han en grupp, Skydda skogen, där han började göra inlägg. Ganska snabbt fick han frågan om han ville gå med i styrelsen, och han blev också talesperson för föreningen i några år. Under den tiden skrev han ett 50-tal debattartiklar och brev, något han fortsatt med i mindre omfattning. I artiklarna framhåller han bland annat vikten av att bevara naturskog och säkerställa biologisk mångfald.

Som forskare, vilken problematik ser du med att du tar dig an de här frågorna?

– Grejen är att jag tycker att man som forskare ska vara lyhörd för forskningresultat utanför ens eget fält. Att strunta i rekommendationer är förstås farligt på sikt, man vet ju till exempel att det inte är hälsosamt att röka, det har forskningen kommit fram till. Då vidtar samhället åtgärder i steg, ett efter ett. Vad det gäller miljö och klimat har det dock inte hänt tillräcklig mycket. Fast vi vet egentligen hur det förhåller sig.

Miljöengagemanget skulle han gärna kombinera med forskning i högre utsträckning. Men att få medel för forskning i ett nytt ämne är tufft.

– Naturligtvis vore det kul att göra något av all den kunskap man samlar på sig. Men för närvarande ligger mitt fokus på att göra Alexandria-modellen användbar.

 

Anneli Björkman
2019-10-10

 

FAKTA DAVID VAN DER SPOEL

Ålder: 56 år

Titel: Professor i biologi med inriktning mot molekylär beräkningsbiofysik, samt prefekt vid institutionen för cell- och molekylärbiologi.

Familj: Fru och tre barn som är 23, 26 och 28 år gamla. Min äldsta dotter har läst biologi i Uppsala och är nu konsult inom ekotoxikologi. En annan har tagit efter min fru och är sjuksköterska, medan vår yngsta dotter har börjat plugga miljövetenskap på SLU. Även om jag inte pushat dem till det så går barnen till viss del i våra fotspår.    

Gör på fritiden: Jag gillar att fotografera, gärna fåglar och insekter, och att gå på vandringsturer i svenska fjällen med familjen. Vår yngsta dotter pluggade tidigare i Skottland så dit åkte vi några gånger. Men av miljöskäl flyger jag inte utan vi reste dit med tåg. Visserligen tog det två dagar men då passade vi på att mellanlanda hos släkten i Holland. 

Läser: Har nyligen läst boken Galen i humlor av den engelske biologiprofessorn Dave Goulson, vilket var en ögonöppnare på många sätt.

Styrka: Jag är ganska öppen för nya rön på forskningsfronten. För ett tag sedan fick jag ett mejl från en person som motsade sig en av mina slutsatser i en forskningsartikel. Efter att ha läst hans kommentar konstaterade jag att han hade rätt. Han blev väldigt förbluffad över att jag medgav det. Tydligen hade han dåliga erfarenheter på den fronten. Det är bland annat därför jag går in i debatter med folk som förenklar och inte bemödar sig om att fördjupa sig kring exempelvis miljögifters påverkan på biologisk mångfald.

Svaghet: Jag har inte varit så målinriktad som man bör vara som forskare utan haft lite för lätt att bli distraherad. Det har nog gjort att jag tappat tid och också konkurrensfördelar.

Om att resa på konferenser: Jag ska till en konferens i Lausanne snart, då blir det nattåg från Hamburg till Schweiz. Det blir kanske två-tre resor om året, men bara inom Europa. Jag går inte och basunerar ut mitt beslut att inte flyga. Universitet borde ifrågasätta ifall alla flygresor är nödvändiga, men vi är inte där ännu.

Ville jag bli när jag var yngre: Musiker


Läs mer:

Publikationer av David van der Spoel m.fl.:

Prediction of Partition Coefficients of Environmental Toxins Using Computational Chemistry Methods

Systematically improved melting point prediction: a detailed physical simulation model is required

Mer om David van der Spoel och forskningen inom van der Spoel labb vid Uppsala universitet

Alla nyheter