Grundforskning i planters protonpumper er et lille skridt på vejen mod salttolerante planter og ny medicin - 13.09.2010

Ti aminosyrer har vist sig at spille en helt central rolle for planters levedygtighed. De er med til at bestemme koncentrationen af protoner (H⁺⁾ indenfor cellemembranen i forhold til miljøet udenfor.  Forskellen – protongradienten – er afgørende for planters evne til at optage vand og næringsstoffer fra jorden og CO₂ fra luften.

 

Det koster energi, når næringssalte skal transporteres fra jorden og ind i plantens celler, og det koster energi at åbne spalteåbningerne i bladene, så CO₂ og ilt kan udveksles med den omgivende luft. Denne energi leveres via et elektrisk potentiale, som dannes, når små protonpumper flytter positivt ladede protoner henover cellemembranen, så der opstår en gradient.

 

Protonpumpen drives af kemisk bundet energi i form af den energirige forbindelse ATP. Der produceres ATP direkte ved fotosyntesen eller ved nedbrydning af oplagret energi som f.eks. stivelse. Protonpumpens rolle er således at omsætte kemisk energi til en energiform, som f.eks. kan drive transport af næringssalte ind i plantens rødder og åbning af bladenes spalteåbninger.

 

Da planternes protonpumper leverer energi til helt centrale livsprocesser, er det vigtigt at plantecellerne kan regulere, hvor aktiv protonpumpen er. De skal kunne bestemme, hvor hurtigt protonerne pumpes ud af cellen, og hvor stor koncentrationsforskellen skal være. Studier af reguleringsmekanismerne har udgjort en stor del af det ph.d. studium, som Kira Ekberg fra Institut for Plantebiologi og Bioteknologi på LIFE afslutter i september.

Kira Ekberg har fundet ud af at en sekvens på kun ti aminosyrer fra protonpumpen selv medvirker til at regulere pumpens aktivitet. 

 

 - Det er lykkedes os at påvise, at protonpumpen fra modelplanten Arabidopsis (gåsemad) har en indbygget kontrolmekanisme, der regulerer hastigheden af proton-pumpningen. Protonpumpen dannes af en kæde på 948 aminosyrer, som foldes på en nøje fastlagt måde.  Vi har fundet ud af, at de første ti aminosyrer i N-terminalen af proteinet er essentielle for reguleringen af protonpumpens aktivitet. Disse ti aminosyrer fungerer som en slags bremse, så protonpumpen ikke kører konstant. Denne regulering er vigtig for planten, fordi den forhindrer, at protonpumpen forbruger kostbar ATP, når planten ikke har brug for det, siger Kira Ekberg.

 

Studier af protonpumpers regulering falder klart i kategorien grundforskning, hvilket kan fortolkes som forskning uden direkte anvendelsesmuligheder i sigte. Alligevel er der flere anvendte perspektiver for den forskning, som Kira Ekberg og hendes kolleger udfører. Et af dem er at udvikle afgrøder, som bedre kan tåle salt.  

 

 - Salt (NaCl) virker som et giftstof på de fleste plantearter. Det ses tydeligt efter hårde vintre med øget saltning af vejene. En høj koncentration af natrium inde i cellerne skader vitale processer hos både planter og dyr, men dyreceller har ionpumper, der aktivt kan transportere natrium ud af cellerne. Det har planteceller ikke, forklare Kira Ekberg og fortsætter:

 

 - Protonpumpen i planteceller minder meget om dyrenes ionpumper, og vi mener at det vil være muligt at lave en variant af planternes protonpumpe, der kan pumpe natrium ud af cellerne. En natriumpumpe vil kunne øge planternes tolerance overfor høje saltkoncentrationer i jorden og derved sikre afgrødernes overlevelse efter oversvømmelser af landbrugsarealer i kystnære områder eller på landbrugsarealer, som er skadet efter kunstvanding med saltholdigt vand.

 

Et helt andet anvendt perspektiv for forskningen er, at detaljeret viden om protonpumper kan føre til udvikling af nye former for medicin mod svampeinfektioner. Cellemembraner i gær og svampe indeholder protonpumper, som ligner planternes protonpumper meget. Da disse proteiner ikke findes i mennesker, kan de være et mål for antibiotika, som specifikt er rettet mod gær- og svampeinfektioner. Et nyt dansk biotekfirma, Pcovery, er netop i færd med at udvikle nye lægemidler med protonpumpen som mål.

 

 

Kira Ekberg forsvarer sin ph.d.-afhandling den 14. september 2010, kl. 14 i festauditoriet (auditorium 1-01) på LIFE, Bülowsvej 14, 1870 Frederiksberg C.

 

Studierne af protonpumpens regulering er publiceret i The Journal of Biological Chemistry i marts 2010. Link til abstract.

 

En detaljeret beskrivelse af ioners interaktion med protonpumper i planter og svampe ventes publiceret i efteråret.

 

For yderligere oplysninger kontakt Kira Ekberg () eller hendes vejleder Morten Buch-Pedersen ().