Publicationer

ATT MÄTA HUR MOLEKYLER BINDER I RUMMET Många biologiska interaktioner handlar inte bara om huruvida två molekyler binder, utan också om hur de binder i rummet. Antikroppar har till exempel två armar och kan fästa vid sina mål på flera olika sätt, genom att växla mellan enpunktsbindning (monovalent) och tvåpunktsbindning (bivalent). Denna samlade effekt, så kallad aviditet, avgör ofta hur stark och långvarig en interaktion blir. Trots sin betydelse har aviditet varit svår att mäta på ett kontrollerat och systematiskt sätt, eftersom konventionella analyser medelvärdesbildar över många spatiala konfigurationer och inte styr hur målen är ordnade på nanoskala.

I detta arbete introducerar vi PANMAP, en metod som använder DNA-origami-nanostrukturer som molekylära ställningar för att exakt placera antigener på definierade avstånd. Det skapar ett kontrollerat experimentsystem där bindningens geometri kan varieras systematiskt. Genom att kombinera ett plattbaserat analysformat med kvantitativa avläsningar mäter PANMAP hur bindningsbeteendet förändras som funktion av avstånd och koncentration, och genererar det vi kallar en "avidity profile". Dessa profiler visar hur antikroppar växlar mellan monovalenta och bivalenta bindningstillstånd, där optimal bindning uppstår vid mellanliggande avstånd och minskar både vid mycket korta och mycket långa separationer.

Ett viktigt resultat är att PANMAP gör det möjligt att särskilja klassisk affinitet från geometri-beroende aviditetseffekter, vilket gör det möjligt att direkt observera hur spatiala begränsningar formar molekylära interaktioner. Det ger ett nytt sätt att tänka på bindning: inte som ett enda tal, utan som en spatial responskurva som speglar hur en molekyl interagerar med strukturerade miljöer. Angreppssättet öppnar nya möjligheter att studera immunigenkänning, förstå multivalenta system och designa bättre terapeutiska molekyler vars funktion beror på att de engagerar flera mål i rummet.

I. Rocamonde Lago, I. Berzina, S. K. Dahlberg, I. T. Hoffecker*, B. Högberg*; Spatial profiling reveals antigen–antibody multivalent binding states bioRxiv, 2026

VAD ÄR DET SOM GÖR SPATIALA NÄTVERK SÄRSKILDA? Även om några proof-of-concept-experiment har visat att sekvenseringsbaserad mikroskopi är både möjlig och lovande, finns det fortfarande ett stort behov av en principbaserad förståelse för hur information kan bevaras och kommuniceras genom molekylära nätverk, och vilka teoretiska och praktiska begränsningar som styr datakvalitet och upplösning. Vårt arbete tar sig an detta genom att undersöka den djupa kopplingen mellan euklidisk geometri och spatialt informativa nätverk, som de som uppstår i sekvenseringsbaserad mikroskopi men även i andra sammanhang som höghastighetsjärnvägar. Vi fann att euklidiska geometriska lagar, inklusive välkända formler som sambandet mellan en sfärs volym och dess radie, har nätverksbaserade motsvarigheter som kan användas för att mäta hur väl euklidisk geometri approximeras av ett nätverk. Vi kallar denna egenskap “spatial coherence” och visar att den är en grundläggande egenskap hos spatiala nätverk som kan mätas utan jämförelse mot ground truth eller förkunskap om provet.

D. F. Bonet, J. I. Blumenthal, S. Lang, S. K. Dahlberg, I. T. Hoffecker*; Spatial coherence of DNA barcode networks Patterns, 2025

ETT SPATIALT NÄTVERK, DOLT MITT FRAMFÖR OSS Tillsammans med Patrik Ståhl, expert på teknologier inom spatial biologi, gjorde vi en spännande upptäckt när vi analyserade offentligt tillgängliga data från Slide-tags, en metod för spatial transkriptomik som nyligen utvecklats av Chen och kollegor vid Broad Institute för att koppla single nucleus-sekvensering till spatiala kartor. Det vi fann var att Slide-tags-proceduren, där barcodade oligonukleotider diffunderar in i närliggande vävnad, leder till att ett spatialt informativt nätverk av barcodes bildas som i praktiken bäddar in spatial information i själva strukturen hos sekvenseringsdatan. Blandningen av barcodes som återvinns från varje cell gör det möjligt att rekonstruera nätverket, vars struktur speglar cellernas relativa positioner. Med andra ord kunde vårt team beräkningsmässigt återställa cellernas relativa spatiala lägen helt utan den ground truth-karta som Chen och kollegor fick fram med ett traditionellt mikroskopibaserat avkodningssteg. Denna spatialt informativa nätverksstruktur låg alltså gömd mitt framför oss i Slide-tags-datan.

S. K. Dahlberg, D. F. Bonet, L. Franzén, P. S. Ståhl, I. T. Hoffecker*; Hidden network preserved in Slide-tags data allows reference-free spatial reconstruction Nat. Comms., 2025

ATT KARTLÄGGA RNA-FORMER SOM STYR GENER RNA är inte bara en sträng av bokstäver, utan veckar sig till små 3D-strukturer som hjälper till att reglera nästan alla delar av cellens biologi. RNA G-quadruplex (rG4) är en av de mer exotiska former som kan uppstå, en knutliknande struktur där fyra guaniner staplas ovanpå varandra. Dessa former kan fungera som molekylära strömbrytare som påverkar hur gener avläses, hur proteiner binder och hur celler svarar på signaler. Intressant nog kan samma RNA-segment veckas till olika former beroende på sin kemiska miljö och förekomsten av kemiska modifieringar. I detta arbete, lett av vår samarbetspartner Jilin Zhang vid City University of Hong Kong och kollegor, etableras en ny onlinedatabas som katalogiserar var RNA-modifikationer återfinns inom potentiella rG4-bildande regioner. Laboratorieexperiment visade att olika modifieringar kan förskjuta balansen mellan olika RNA-strukturer.

Y. Zhou, S. Lyu, S.W. Liew, X. Mou, I.T. Hoffecker, J. Yan, Y. Li, C.K. Kwok, J. Zhang; Modification of RNAs in natural rG4 (MoRNiNG), A Database of RNA Modification Sites Associated with the Dynamics of RNA Secondary Structures BioRxiv, 2024

STRUKTURELL INTEGRITET HOS DNA-ORIGAMI IN VIVO Samarbete med Björn Högbergs grupp kring en metod för att följa den strukturella integriteten hos DNA-nanostrukturer in vivo. Metodens princip är att ligerade intilliggande staple strands bara kan bildas när strukturen är intakt. Dessa ligerade strängar kan sedan detekteras med hög känslighet från en bloddroppe.

Y. Wang, I. Rocamonde Lago, J. Waldvogel, S. Zang, I. Baars, A. Kloosterman, B. Shen, I. T. Hoffecker, Q. He, B. Högberg. DNA Origami Structural Integrity Tracked In VivoUsing Proximity Ligation. Nature Nanotechnology, 2026

BILDREKONSTRUKTION FRÅN OKÄNDA NÄTVERKSMEKANISMER I DNA-SEKVENSERINGSBASERAD MIKROSKOPI I detta arbete tog vi oss an problemet med hur man rekonstruerar en bild från ett molekylärt nätverk som bildats genom okända mekanismer, ett bidrag till det framväxande fältet DNA-sekvenseringsbaserad mikroskopi. Strukturen och de struktur-genererande reglerna för molekylära nätverk behöver inte vara kända i förväg tack vare effektiv användning av random walks som vi använde för strukturell upptäckt. Metoden visar sig dessutom minska beräkningskostnaden, vilket gör den både snabb och robust.

D. Fernandez Bonet, I. T. Hoffecker*; Image recovery from unknown network mechanisms for DNA sequencing-based microscopy Nanoscale, 2023

ATT PROGRAMMERA ANTIKROPPSMIGRATION MED MÖNSTRADE ANTIGENER I detta arbete tog vi metoden patterned surface plasmon resonance vidare genom att utveckla en robust modell och en parameteriseringspipeline för antikroppar som binder till kluster av tätt mönstrade antigener. Den mest överraskande delen av studien var upptäckten att vår modell faktiskt förutsäger riktad migration av antikroppar på antigenmönster med gradienter i avstånd, eftersom antikroppar föredrar att binda mer stabilt till antigendimerer med ett visst separationsavstånd, ungefär som om de vore kopplade till en fjäder. Modellen, pipelinen och koden finns här: GitHub

I. T. Hoffecker*, A. Shaw, V. Sorokina, I. Smyrlaki, B. Högberg* ; Stochastic modeling of antibody binding predicts programmable migration on antigen patterns Nature Computational Science, 2022

OPTIKFRI MÄTNING AV NANOMILJÖER MED DNA-SEKVENSERING Denna helt optikfria metod för spatial analys, kallad "NANODEEP", använder DNA-prober som molekylära registreringsenheter för att sampla den spatiala frekvensen av objekt på nanoskala, såsom membranproteiner. Information om objekttyp och relativt avstånd lagras i DNA-sekvenser och återvinns med next-generation sequencing, vilket avslöjar annars svåråtkomlig information om den nanoskaliga spatiala fördelningen av heterogena proteinkluster. Koden för NANODEEP finns här: GitHub

E. Ambrosetti, G. Bernardinelli, I. T. Hoffecker, L. Hartmanis, R. Sandberg, B. Högberg, A. I. Teixeira* ; A DNA nanoassembly-based approach to map membrane protein nanoenvironments Nature Nanotechnology, 2021

ATT PROGRAMMERA STYRKAN I CELL-CELL-ADHESION MED DNA Här använder vi DNA-konjugerade fosfolipidmolekyler för att programmera heterotypisk sammanbindning av cellmembran. Genom att kontrollera densiteten av bindande molekyler kan vi finjustera styrkan i adhesionsinteraktionen mellan celldubletter. Vi använder detta verktyg för att studera mekaniken bakom cell-cell-adhesion i en modell som är frikopplad från den komplexa naturliga adhesionsapparaten hos sammanhållande celltyper.

I. T. Hoffecker*, Y. Arima, H Iwata; Tuning intercellular adhesion with membrane-anchored oligonucleotides J. Royal Soc. Interface, 2019

OPTIKFRI MIKROSKOPI MED DNA-SEKVENSERING Idén bakom detta projekt är att uppfinna en ny typ av mikroskopi som använder DNA-sekvenser i stället för ljus som primärt medium för informationsöverföring. Artikeln är ett beräkningsmässigt proof of concept som visar att en tät, mättad yta av polonies kan användas för att lagra spatial information på en yta som sedan kan rekonstrueras till hela bilder efter sekvensering och beräkningsmässig bearbetning.

I.T. Hoffecker, Y. Yang, G. Bernardinelli, P. Orponen, B. Högberg* ; A Computational Framework for DNA Sequencing-Based Microscopy PNAS, 2019

MULTIVALENT BINDNINGSKINETIK MELLAN ANTIKROPPAR OCH ANTIGENER MED DNA-ORIGAMI Med hjälp av DNA-origami kunde vi mönstra och modulera avståndet mellan antigener på ett kontrollerat och reproducerbart sätt. Därefter kunde vi undersöka antikroppars multivalenta bindningskinetik med surface plasmon resonance på ett helt nytt sätt. Min roll i arbetet var att modellera kinetiken, kalibrera modellen mot verkliga data och generera uppskattningar av den underliggande fördelningen av mikrotillstånd över tid.

A. Shaw, I.T. Hoffecker, I. Smyrlaki, J. Rosa, A. Grevys, D. Bratlie, I. Sandlie, T. E. Michaelsen, J. T. Andersen, B. Högberg*; Binding to nanopatterned antigens is dominated by the spatial tolerance of antibodies Nature Nanotechnology, 2019

ATT ÖPPNA OCH STÄNGA EN DNA-NANOSTRUKTUR GENOM ATT ÄNDRA LÖSNINGSMILJÖN Genom att manipulera lösningsförhållanden kunde vi öppna och stänga en förankrad DNA-nanostruktur. Vi använde DNA-PAINT och bildklassificering för att karakterisera övergångarna.

I.T. Hoffecker, S. Chen, A. Gådin, A. Bosco, A. I. Teixeira*, B. Högberg* ; Solution‐Controlled Conformational Switching of an Anchored Wireframe DNA Nanostructure Small, 2018

ENTROPI, KOMPLEXITET OCH FUNKTION I TIDIG MÄNSKLIG TEKNOLOGI Strukturell organisation har länge använts för att dra slutsatser om biologiska fenomens funktion. Här tar vi ett formellt grepp på denna idé genom att använda olika komplexitetsmått för att karakterisera tidig mänsklig teknologi och diskutera hur detta belyser de problem människor då stod inför.

J. F. Hoffecker, I.T. Hoffecker; The Structural and Functional Complexity of Hunter-Gatherer Technology Journal of Archaeological Method and Theory, 2018

ATT TILLÄMPA INFORMATIONSTEORI PÅ MÄNSKLIG EVOLUTION Informations-, automat- och beräkningsteori har kastat ljus över nästan varje hörn av biologin, utom arkeologin. Fram till nu. I denna artikel undersöker vi moderna människors globala spridning genom linsen av beräkningsmässig komplexitet så som den kommer till uttryck i tidig mänsklig teknologi.

J. F. Hoffecker, I.T. Hoffecker; Technological complexity and the global dispersal of modern humans Evolutionary Anthropology: Issues, News, and Reviews, 2017

PROGRAMMERBAR CELLFASTSÄTTNING OCH FRIGÖRING I denna artikel utforskar vi metoder för att klyva DNA som medierar artificiell fastsättning av DNA-lipidmodifierade celler till plana substrat eller till andra celler. Vi använde BamHI för att klippa av DNA-förankringar hos celler med korrekt BamHI-igenkänningssekvens utan att påverka andra förankrade celler. Vi använde också Benzonase, en kraftfull ospecifik nukleas, för att bryta ned alla förankringar och lossa celler oavsett ankarsekvens. Därmed fick vi ett sätt att programmerbart fästa och frigöra celler.

I.T. Hoffecker, N. Takemoto, Y. Arima, H. Iwata*; Sequence-specific nuclease-mediated release of cells tethered by oligonucleotide phospholipids Biomaterials, 2015

ATT MÖNSTRA MJUKA GELS MED STYVA ÖAR För att undersöka cellers mekanismer för styvhetskänslighet utvecklade jag tidigare en metod för att producera mikromönstrade arrayer av styva photoresist-öar förankrade på en underliggande hydrogel med justerbar styvhet. Öarna kan göras adhesiva för celler medan den exponerade hydrogelen lämnas inert. Här presenteras det detaljerade protokollet för att framställa sådana substrat.

S. Wong, W.H. Guo, I.T. Hoffecker, Y.L. Wang*; Preparation of a micropatterned rigid-soft composite substrate for probing cellular rigidity sensing Methods Cell Biol, 2014

ATT INDUCERA STORA FÖRÄNDRINGAR I CELLSORTERINGSMÖNSTER Cellsortering är en process där celler av olika typer spontant genomgår relativ migration, vilket leder till distinkta multicellulära domäner med olika cellsammansättning. Räckvidden för cell-cell-kommunikation är begränsad, och globala mönster uppstår genom upprepade interaktioner mellan grannar. Vi observerade stora förändringar i de globala sorteringsmönstren efter att farmakologiskt ha inducerat förändringar i de enskilda cell-cell-kohesiva interaktionerna.

I.T. Hoffecker, H. Iwata*; Manipulation of cell sorting in mesenchymal stromal cell-islet cell co-aggregate spheroids Tissue Engineering Part A, 2014

DNA-LIPIDMEDIERAD ADHESION JÄMFÖRT MED INTEGRINMEDIERAD ADHESION Vi inducerade en artificiell form av adhesion mellan celler modifierade med ssDNA-lipider och substrat som inkjet-printats med komplementärt ssDNA. När cellerna inkuberades utan serum eller adhesiva proteiner i mediet utvecklade de en märklig dendritliknande morfologi. I närvaro av serumproteiner drog sig cellerna långsamt bort från sina DNA-ankare och lämnade spår av lipidmaterial efter sig. Studien visar den tydliga och intressanta skillnaden mellan naturliga och artificiellt inducerade former av adhesion.

K. Sakurai, I.T. Hoffecker, H. Iwata*; Long term culture of cells patterned on glass via membrane-tethered oligonucleotides Biomaterials, 2013

CELLERS STYVHETSKÄNSLIGHET ÄR BLIND FÖR FINA DETALJER Innehåller cellers fokala adhesioner molekylära mekaniska sensorer som mäter den intrinsiska styvheten hos underlaget? Kanske inte. Vi byggde mikromönstrade arrayer av styva öar i subcellulär storlek förankrade till en mjuk underliggande hydrogel. Trots att deras adhesiva kontakt var begränsad till öarna betedde sig cellerna på dessa mönster som om de låg på ett jämnt mjukt substrat och ignorerade till synes öarnas inneboende styvhet. Man skulle kunna säga att celler "drar" i sina substrat snarare än "nyper" dem.

I.T. Hoffecker, W.H. Guo, Y.L. Wang*; Assessing the spatial resolution of cellular rigidity sensing using a micropatterned hydrogel-photoresist composite Lab on a Chip, 2011

MEKANIKEN HOS PORÖSA HYDROGELSTÄLLNINGAR Att framställa hydrogelställningar med porer via sphere-templating minskade elasticitetsmodulen och den maximala dragspänningen men ökade intressant nog den maximala töjningen. Vi studerade flera parametrar, såsom polymertyp, porstorlek och tvärbindningsdensitet i gelen, och undersökte deras effekt på ställningarnas mekaniska egenskaper. Resultaten kan bidra till bättre design av hydrogelställningar för vävnadsteknik.

S.M. LaNasa, I.T. Hoffecker, S.J. Bryant*; The role of pore size on the mechanical properties of porous poly(ethylene glycol) and poly(2-hydroxyethyl methacrylate) hydrogels Journal of Biomedical Materials Research - Part B: Applied Biomaterials, 2011