For at en sædcelle kan befrugte et æg, kræver det, at kvindens krop udløser store mængder af calcium på én gang. Det er blot en af mange celleprocesser, hvor transport og kontrol af calcium er essentiel. Tidligere har forskere kun kunnet fremkalde enkeltbilleder, men nu har de offentliggjort den første film af den livsvigtige calciumtransport. Det kan gøre det nemmere at forstå og behandle fejl i pumpefunktionen.
Da en dansk forsker sidst fik Nobelprisen, var det for et revolutionerede fund af, hvordan menneskets celler skaber saltgradienter på tværs af cellers membraner. Jens Christian Skou fik i 1997 prisen for at finde det enzym, der udgør natrium-kaliumpumpen i membranen. Og selvom forståelsen af cellernes livsvigtige pumpemekanik er blevet stadigt mere detaljeret, har afgørende brikker i forståelsen manglet. Nu har en dansk forskergruppe publiceret og vist potentialet af en ny imaging-teknik i det førende tidsskrift Nature.
”Hvor man tidligere fik signaler tilbage fra virkelig mange molekyler og dermed ikke kunne dechifrere de finere detaljer i deres funktioner, kan vi nu fokusere på ét molekyle og se det arbejde. Det giver os en video af pumperne in action med langt færre ’huller’ i filmstrimlen,” forklarer leder af grundforskningscenteret PUMPkin og neuroforskningscenteret DANDRITE, professor Poul Nissen, der er medforfatter på artiklen.
Slut med pump fiction
Det danske forskerhold har haft succes med at afdække, hvordan calcium-pumpen – en ”fætter” til natrium-kaliumpumpen – fungerer. Hver calcium-pumpe er kun nogle få nanometer – milliontedele millimeter – på hver led og sidder altså i membranerne i alle celler i vores krop. Hidtil har man ved hjælp af røntgenkrystallografi kunnet afbilde pumpen i forskellige stabile enkelttilstande.
”Det kan sammenlignes med en stop motion-filmoptagelse. Vi har derfor for sjov kaldt det ’pump fiction’. Med den spektroskopiske teknik (Förster Resonance Energy Transfer, red.) kombinerer vi laserlys og ultrafølsomme kameraer. På den måde kan vi fokusere på et enkelt molekyle og måle bittesmå forskelle i fluorescenslyset og se, hvad molekylerne foretager sig her og nu. Vi er altså gået fra ’pump fiction’ til ’pump live’.”
For at kunne filme calcium-pumpen sætter forskerne to forskellige farvestofmolekyler på to specifikke positioner på pumpemolekylet, som bevæger sig meget i forhold til hinanden, når pumpen arbejder. Forskerne belyser herefter det ene farvestof – donoren – med laserlys. Donoren optager lysets energi og udsender det igen som fluorescenslys. Afhængig af afstanden til det andet farvestof vil noget af den absorberede lysenergi overføres til det andet farvestof – acceptoren – som så udsender lys i en anden farve. Ved at måle, hvor meget lys der udsendes af de to farver, kan forskerne opnå mål for afstanden mellem donor og acceptor, og dermed hvordan pumpen bevæger sig over tid.
”Det spørgsmål, vi søgte svar på, var, hvordan pumpen formår at ensrette, så pumpen kun pumper calcium ud af cellen. Vi troede, at ensretningen opstod, når det energigivende molekyle ATP blev spaltet, men det viste sig langtfra at holde stik. Vi fandt i stedet en ny tilstand i pumpecyklus, som pumpen kun kan være i, når der kommer en calcium-ion indefra. Når calcium slippes fri af den tilstand, er det ’point of no return’.”
Ind i kroppens motorrum
Calcium-pumperne er ansvarlige for aktiv transport af calcium ud af cellen. Derved holdes koncentrationen af calcium inde i cellen 10.000 gange lavere end udenfor. Den voldsomme koncentrationsforskel gør, at cellen ved at åbne en kanal til omgivelserne lynhurtigt kan hæve calcium-niveauet i cellen.
”Pumpen er bl.a. grunden til, at vores muskler kan trække sig sammen, og at nerveceller kan sende signaler. Hvis den lille pumpe holdt op med at virke, ville cellerne stoppe med at kommunikere – uden dem bevægede vi os ikke og havde ingen tanker. Det bruger cellerne derfor rigtig meget energi til – omkring en tredjedel af kroppens brændstof, det såkaldte ATP, bliver brugt til at holde pumperne kørende.”
Calcium-pumpen er altså en af menneskets essentielle molekylære motorer, og det er første gang, det har været muligt at se ind i dette helt fundamentale motorrum, mens den arbejder. Selvom studierne foregik i listeriabakterier, føjer studierne central viden til forståelsen af livsprocessernes basale mekanismer i mennesker og pumpers strukturelle og mekanistiske principper, ligesom de også vil kunne bruges i sygdomsbekæmpelse.
”Hvis pumper for eksempel er muterede og derfor en smule defekte i hjerneceller, kan det forårsage neurologiske lidelser som migræne eller anfald af halvsidige lammelser og neurodegenerative lidelser. Viden om ionpumperne er derfor central for, at vi kan forstå de sygdomsmekanismer, der er forbundet med fejl i pumpen – ikke mindst for at kunne udvikle nye lægemidler rettet mod pumpen på sigt.”
Artiklen ‘Dynamics of P-type ATPase transport revealed by single-molecule FRET’ er offentliggjort i tidsskriftet Nature. Professor Poul Nissen fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Aarhus Universitet, modtog i 2017 Novo Nordisk Prisen og har i 2012 modtoget støtte af Novo Nordisk Fonden til sit arbejde med strukturbestemmelse af membranproteiner, ribosomer og enzymkomplekser.
