Hur anatomiska institutionen blev internationellt centrum for elektronmikroskopi

JUBILEUMS E S S Ä E R

Hur anatomiska institutionen blev internationellt centrum för elektronmikroskopi

Fritiof Sjöstrand Essäist

Hur anatomiska institutionen blev internationellt centrum för elektronmikroskopi 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 Liljestrand som chef. Min uppgift blev histologiska studier. Ulf von Euler arbetade som docent på institutionen och förstod min ekonomiska situation. Han hade accepterat 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, vilket var min första erfarenhet av djurförsök.

Resultaten publicerades 1935 och von Euler tog med mitt namn på uppsatsen.

Fritiof Sjöstrand, självporträtt

Efter att ha varit elev vid Academie Scandinave i Paris 1926 - 1927 med Otte Sköld som lärare och Per Krogh som uppmuntrare var det klart att jag skulle bli konstnär. 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 vintrarna fria kompositioner. Men sommaren 1931 tvivlade jag på min talang och efter diskussion med min sex år äldre broder Torgny, som studerade medicin och arbetade 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 slutade Ivar Kreugers karriär, eliminerade också de ekonomiska förutsättningarna

Kombinationen korrekturläsare, forskningsassistent 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 tenterade 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 registrera aktionspotentialer från nervtrådar, en då ny metod, som visade att neurofysiologisk forskning hade nått cellnivån tack vare Ramon y Cajals upptäckt att nervsystemets består av nervceller. Sambandet mellan Cajals upptäkt och utveckligen av

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”, förstod 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 dubbelbrytning av ljuset, som gjorde det möjligt studera dem med polarisationsmikroskop. I nervsystemet var det myelinskidan som gav effekten och enligt teorien för dubbelbrytning skulle effekten framkallas av parallelt ordnade skivor och i muskelceller av parallellt ordnade stavar.

Jag lånade ett polarisationsmikroskop från Histologiska Institutionen 1937 för att se om cellers cytoplasma innehöll någon dubbelbrytande struktur. Jag valde exokrina pankreasceller därför att de kunde studeras i levande tillstånd och därför att musens exokrina cellerna delvis är spridda i ett enkelt skikt i omentet. Analysen med den sövda musen monterad på mikroskpets objektbord visade en negativ dubbelbrytning och cytoplasman skulle därför innehålla parallellt anordnade skivor. Det skulle senare visa sig att skivorna är cytoplasmamembraner, som representera en fundamental princip for molekylär organization i cellers cytoplasma. Tur hade gjort att exokrina pankreascellers cytoplasma innehåller ett unikt stort antal cytoplasma membraner förstärkande den optiska effekten.

En tidig start i elektronmikroskopi År 1938 fick jag veta att en ny typ av mikroskop hade konstruerats några år tidigare av Ernst Ruska och att mikroskopet använde elektroner för avbildning. Professor Manne Siegbahn vid Nobelinstitutet for

BILD 1. Siegbahns andra elektronmikroskop.

Från Sjöstrand 1943a

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

Det första problemet med att utnyttja elektronmikroskopets höga upplösning var att framställa tillräckligt tunna preparat. 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 elektronoptisk upplösning. Cellerna hade frusits i flytande kväve och frystorkats för att undvika histologiska metoders modifiering av cellstrukturen. De frystorkade muskelcellerna hade inbäddats i paraffin av låg smältpunkt vilket ger så liten skada av strukturen som möjligt. Trots att frystorkat material ger minimum av kontrast sågs en struktur vid hög upplösning.

Med dagens erfarenhet av elektronmikroskopisk analys av muskelceller är det möjligt att bedöma att snitten var mycket tunna, vilket gör det möjligt att identifiera en fibrillar struktur svarande mot muskelcellernas myofilament. Jag skrev en uppsats för att visa att tunna snitt tålde att ut-

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

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

Jag beslöt då att undvika kemi i doktorsavhandlingen och i stället visa förekomsten av fluorescerande substanser i olika vävnader för framtida spektrografisk analys. Problemet med en sådan studie var preservering av fluorescensen och i det avseendet var frystorkning, som jag använde särskilt fördelaktig.

Men Caspersson blev medlem i betygskommitten. Jag hade emellertid förutsett besvär och hade fått Gösta Glimstedt, professor i histlogi i Lund, att acceptera att bli min opponent. Betyget på avhandlingen blev AB utan docentkompetens. En tid efter disputationen sökte jag en ledigförklarad prosektorstjänst i Uppsala och blev förklarad kompetent, vilket ledde till ett docentstipendium vid Karolinska institutet.

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

Doktorsavhandling med komplikationer Det var emellertid klart att systematisk forskning baserad på elektronmikroskopi skulle ta för mycket tid för en doktorsavhandling. Jag beslöt därför att uppskjuta fortsatt elektronmikrokopi och i stället basera 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

När spektrografen var färdig att användas gav den mycket distinkta fluorescensspektra i miniatur (Sjöstrand 1946). Till exempel visade fluorescensen från mitokondrier 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 dehydrogenas (Bild 3).

TEXT till Figur 3a-c (a) Flourecensmikrospektrograf. (b) Ritning över spektrograf.

A: mikroskop, B: spektroskop, C: kamera, E: Philora 500-lampa (kvicksilverånga) med luftkylda filter, F: glödlampa använd vid känd färgtemperatur, G: roterande sektorer för intensitetskalibrering

av spektrogram, H: kvicksilver-heliumemissionstub 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-

Spektra från stavarnas ytterleder visade en gul fluorescens, som många år senare identifierades vara retinin. Den fluorescerande substansen extraherades från ytterledsfraktioner och gav samma fluorescencespektrum som mikrospektrografens spektrum när extraktet adsorberades till filtrerpapper (substansen fluorescerade inte i lösning) och fluorescensen analyserades i en Ramanspektrograf.

Stipendiat I USA

BILD 3. Flourescencemikrospektrograf 1946. Ett fluorescencespektrum visade NADH dehydrogenasespektrum efter subtraktion av ribloflavinspektrum. Från Sjöstrand

sar flourecensspektrum av en riboflavinlösning registrerad på samma film som mitokondriespektrumet. Öppna cirklar visar differentialspektrumet sedan riboflavinspektrumet subtraherats från den ättikssyreinducerade flourecensen. De olika spektras symmentriska form visar att flourecensen avges från en enskild källa och avslöjar närvaron av en andra flourecerande substans. Vågtalskalibreringen är förbunden med en systematisk avvikelse eftersom olika storlek på en assymtrisk öppning användes vid upptagningen av flourecensspektrumet och kvicksilverspektrumet. Justering av våglängden och utbyte av öppningen mot en med symmetrisk form skulle genomföras när jag istället bytte tillbaka till elektromikroskopi.

En ansökan till Statens medicinska forskningsråd efter disputationen 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 Department of Biology, Massachusetts Institute of Technology i Boston, där jag kunde arbeta helt självständigt med god tillgång till ett RCA elektronmikroskop.

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

Elektronmikroskopisterna i USA försökte på den tiden preparera biologiskt mateial 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-

ningom insåg. Det var emellertid klart att homogenisering kunde vara en användbar metod om man utgick från en känd cellkomponent för att studera dess strukturella 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 skakades 60 sekunder. Efter sedimentering av näthinnefragmenten bestod supernatanten av en ren dispersion av stavytterleder. Efter fixering i osmiumtetroxid och behandling med ultraljud hade ytterlederna brutits upp i skivor med ytterledens diameter 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 denna randstruktur skulle långt senare visa sig bestå av proteinkomplex. Tack vare kontakten mellan angränsande skivor bildades en proteincylinder. Denna reflekterar ljus men är så tunn att endast ljus riktat nära parallellt med cylinderytan reflekteras. Detta säkerställer att varje stav stimuleras av ljus från en yta i näthinnebilden som i storlek svarar mot ytterledens diameter och reflektionen begränsar ljuset till en enda stav, vilket är en av förutsättningarna för en hög synskärpa.

Ett forskningslaboratorium för elektronmikroskopi Återkommen till Stockholm 1948 fann jag att situationen på Karolinska Institutet hade ändrats radikalt. Anatomiska institutionen hade fått en ny byggnad med stora utrymmen för forskning. Torbjörn Caspersson hade varit kandidat till ett Nobelpris men inte fått något. Professor Ture Petrén gav mig fria händer att organisera ett laboratorium 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 dollarvaluta 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 anatomiska 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 direkt på urberget för att fungera som underlag för vibrationskänslig apparatur.

Mikrotom för dubbelsnittning Vilseledd av Manfred von Ardennes matematiska deduktion, som visade att det var omöjligt att producera snitt med vanlig snittning som var tunnare än de histologernas mikrotomer producerade, byggde jag en mikrotom för dubbelsnittning. Denna fungerade med hög precision och producerade snitt som var tunna nog för elektronmikroskpi. 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 utvecklingen 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 histologer, efter förfining av matningsmeka-

Fritiof Sjöstrand vid Siegbahn electron microskope.

nismen. Bilderna var emellerid inte bättre än ljusmikroskopiska bilder. Inititivet skulle emellertid visa sig vara av stor betydelse.

Sålunda modifierade Jim Hillier mikrotomen ytterligare och fick 1950 snitt, som visade 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 betongfundamentet 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 elektronmikroskopi vid hög upplösning, vilket eliminerande behovet av dubbelsnittning.

Manfred von Ardenne hade i sin matematiska formel för snittjocklek en konstant, som representerade inbäddningsmedlets egenskaper och han hade använt de då vanliga inbäddningsmedlens fysiska egenskaper. Den konstanten ändrades radikalt när Borysko och Swerdlow införde methacrylat för inbäddning.

Ett genombrott 1951 med modifierad Spencer mikrotom.

Under hösten 1951 tog jag bilder av my-

BILD 5. Myelinskida vid hög förstoring från snitt preparerat

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 visade sig att amerikanarna aldrig hade sett bilder av denna kvalitet förut och de förstod att problemet med att framställa preparat av biologiskt matrial för elektronmikroskopi vid hög upplösning nu hade lösts.

Jag blev omedelbart inbjuden att hålla föredrag och under den tid som återstod av mitt USA-besök gav jag sex seminarier, ett i National Institutes of Health i Bethesda 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 anordnade Robley Williams (som tillsammas med Ralph Wyckoff hade infört metallskuggningsmetoden) en lunch för att höra Palades version av mitokondriestrukturen. Palade ritade ett längssnitt genom mitokondrien på en pappersserviett och

gällde muskelcellernas stavstruktur. Trots preparationsmetodens fullständiga denaturering av proteinerna var det därför möjligt att erhålla begränsad information av cellernas struktur.

Den första ultramikrotomen

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

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 Anatomical Records 1952 och min publicerades i Nature’s januarinummer 1953 (Bild 6; Sjöstrand 1953a).

En test Det 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 preparationsmetoden bevarade strukturer på en supramolekylar nivå. Elektronmikroskopisk avbildning skulle samtidigt verifiera den teori, som relaterade dubbelbrytning till en viss supramolekylar struktur.

Myelinskidan, stavarnas ytterleder, kloroplaster och exokrina pankreascellers cytoplasma visade en struktur bestående av parallelt anordnade membraner i överensstämmelse med teorien och detsamma

BILD 7. Prototypen för den första ultramikrotomen 1952.

De snitt som den modifierade Spencermikrotomen 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 användes för att bestämma molekylers dimensioner med William and Wyckoffs metallskuggning.

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

Neurofysiologi på en ny nivå

Elektronmikroskopisk faskontrast

Elektronmikroskopet eliminerade den begränsning som ljusmikroskopets upplösning hade påtvingat studiet av nervsystemets struktur. Det skulle därför nu bli möjligt att se de synaptisk kontakterna mellan nervcellerna. Det föreföll då sannolikt att dessa kontakter var systematiska och bildade distinkta nervkretsar. Hur nervkretsarnas fungerade skulle då kunna deduceras från kunskapen av nervändarnas synaptiska kontakter och från den information nervcellerna bidrog med tillkretsarna.

Min målsättning var att studera cellstrukturen 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 stabilisera cellstrukturen för inbäddning var otänkbart så länge man saknade kunskap om hur proteinmolekyler denaturerades och måste därför ställas på framtiden.

Emellertid ledde utvecklingen av snittningsmetoden för elektronmikroskopi vid högsta upplösning till upptäckten av ett elekronoptiskt 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 elektronmikroskopiska 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 upptäckte en engelsk fysiker fenomenet och verifierade min tolkning.

En tredimensionell rekonstruktion från seriesnitt av en stavterminal i marsvinsögat visade att ett utskott från två tappterminaler 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 tappterminaler är de näst efter syncellerna näthinnans mest betydelsefulla strukturer.

Ett internationellt centrum for elektronmikroskopi

BILD 8. Första tredimensionella rekonstruktionen baserad på elektronmikroskopiska seriesnitt.

Modellen visar stavytterled från marsvinsöga och relationerna omgivande till nervcellterminaler.

Från Sjöstrand 1958.

Med ett flertal doktorander och utländska gästforskare, som tränades i elektronmikroskopi blev ett elektronmikroskop otillräckligt. Jag sökte ett anslag från The Rockefeller Foundation för inköp av ytterligare ett mikroskop. Svaret var positivt och ett andra RCA mikroskop inköptes. Antalet forskare i laboratoriet hade nu ökats med gästforskare fran Ryssland, Schweiz, Tyskland, Danmark, Finland och framför allt från USA. Firmor i elektronmikroskopbranchen installerade elektronmikroskop i laboratoriet för testning när de användes med stora krav på mikroskopets function. Siemens installerade ett mikroskop i ett källarrum näst intill likkällaren tillsammans med ett japanskt Akashi mikroskop,

som eventuellt blev skulle bli en gåva. RCA skickade ett bordsmikroskop för testning liksom en tjeckoslovakisk firma, Tesla. Siemens mikroskopets höga kvalitet kunde fastställdes och det mindre Akashimikroskopet var utmärkt för testning av snitt före studium i ett större mikroskop. Ett positivt utlåtande öppnade marknaden för Akashimikroskopet i Europa och i USA. Bordsmikroskopen 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. Betingelserna 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 tidpunkten tilldelats Karolinska Institutet och Torbjörn Caspersson ordnade så att den gick till George Klein. Jag fick i stället professuren i histologi, som innebar undervisning och administration. Valet att flytta till Los Angeles var lätt och jag avreste i augusti 1959.

I Los Angeles fick jag obegränsade ekonomiska 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 struktur blev klargjord skapades förutsättning för att utveckla en ny preparationsmetod för elektronmikroskopi, som bibehöll proteinmolekylernas globulära struktur. Skillnaden i till exempel mitokondriestrukturen framgår av en jämförelse mellan bilderna 6 och 9, som visar att den vanliga preparationsmetoden inte endast hade denaturerat proteinerna utan också gjort proteinerna vattenlösliga så att de hade försvunit från cellens membranstrukturer.

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

Mitokondriestrkturen ger nu en inblick i betingelserna för den enzymatiska katalysen. 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 vattenmiljön i matrixrummen mellan septa. Molekylernas termiska rörelser säkrar kollisioner mellan molekylernas aktiva delar med osymmetriska molekyler roterande och underhållande kommunikation mellan septa och matrix.Denna kompakta struktur skapar betingelser för högfrekvent enzymkatalys under betingelser som bestäms både av biokemiska och fysikaliskt kemiska faktorer med en möjlighet för protoner att bidra direkt med den energi som driver ADP-ATP reaktionen.

Omfattande tredimensionella rekonstruktioner av näthinnans synapser visade att de synaptiska kontakterna är systematiska och bilda nervkretsar, vars function kan deduceras med kunskap av den information kretsarna mottager (Bild 10).

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

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.

nu analyseras. Det visade sig att dessa förbindelser ökar kontrasten i den bild vi ser. När denna effect är eliminerad i samband med maculadegeneration försvinner bilder av föremål. Orsaken är inte blindhet utan en rubbning av synaptisk transmission, som eliminerar kontrastförhöjningen.

Syn utan förnimmelse av föremål är mycket nära blindhet. Kontrastförhöjningen är därför en förutsättning för normal syn.

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

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

Med vanlig preparationsmetod precipiterar RNA och bildar ribosomer utan protein.

RNA gelen skapar fördelaktiga betingelser för proteinsyntesen med nukleotidsekvenserna exponerade för aminosyror och enzym katalyserande proteinsyntesen.

Epilog Utvecklingen av snittningsmetoden lade grunden till utnyttjandet av elektronmikroskopet för studier av cellers struktur. Senare utvecklades andra metoder såsom frysfrakturering, som har bidragit med mycket betydande information och kompletterat den information som vunnits vid studier av snitt.

Fritiof Sjöstrand with reconstruction of serially sectioned retinal synapses.

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

mikroskopi tillämpad på biologisk forskning. 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 preparering 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 elektronenmikroskopischen Beobachtungen über den submikroskopischen Bau der Skelettmuskelfaser. 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 microspectroscopy. 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 microscopy at high resolution. Nature 168, 646.

Sjöstrand, F.S., 1953a. Electron microscopy of mitochondria and cytoplasmic double membranes. 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 circuitry of directional selectivity and neural adaptation 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 mitochondrial 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 membranes. 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 development 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 farmakologiska institutionen, där han inledningsvis fick extraarbete som betald assistent.

Efter studier i polarisationsmikroskop av molekylära strukturer i exokrina pankreasceller, kom han 1938 för första gången i kontakt med en ny metod, elektronmikroskopi. 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 Biology, Massachusetts Institute of Technology, Boston, USA. I Sverige tilldelades han medel för att bygga upp ett forskningslaboratorium för elektronmikroskopi vid Karolinska Institutet. Forskningen ledde till att han 1952 kunde visa unika bilder på molekylära cellstrukturer.

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

Eva Cederquist, författare till biografin.

Sommaren 2008.