Don’t zinc - do!

Det danske grundforskningscenter PUMPkin med base på Aarhus Universitet har netop formået at ’tage’ de første fotografier af den mekanisme, der fører zink ud af cellerne i f.eks. bakterier og planter. Studiet er blevet offentliggjort i Nature.

18.08.2014 | Rasmus Rørbæk

Forskergruppen er de første, der har vist zinkpumpens funktion, når den tvinger zink-ioner gennem cellemembranen. Fra venstre: Poul Nissen, Henriette Autzen, Oleg Sitsel, Tetyana Klymchuk, Pontus Gourdon, Anna Marie Nielsen and Kaituo Wang (Foto: Rasmus Rørbæk)

Zink er et essentielt mikronæringssstof for alle levende organismer. Det har en lang række vigtige funktioner i vores krop, hvor det f.eks. indgår i en lang række enzymer, der spiller nøgleroller i dannelsen af DNA og metabolismen. Zink er vigtig for vækst, opbygning og reparation af væv – for os og for stort set alle andre organismer. Men zink er også giftigt, hvis koncentrationen bliver for høj, og derfor er en organismes celler afhængige af at kunne transportere zink væk.

På grund af den molekylære betydning, som zink har på stort set alle aspekter af cellers fysiologiske velbefindende, er koncentrationen af zink præcist styret. Forskergruppen på Aarhus Universitet har sat fokus på, hvordan zink transporteres over cellemembraner og kan for første gang vise strukturen af det protein, der ’pumper’ zink ud af cellen.

”Det, vi især har sat fokus på, er hvordan proteinet formår at flytte zink-ionerne ud gennem cellemembranen, altså den barriere som skiller cellens indre og ydre miljø. Her har vi påvist, at mekanismen skaber en form for tunnel med elektrisk negativ ladning, der tiltrækker de positivt ladede zink-ioner inde i cellen og opfanger dem i membranen.

Mens de er opfanget i membranen, omsætter proteinet et energirigt molekyle kaldet ATP, og noget af den frigjorte energi fra det molekyle afsætter sig som strukturelle ændringer af pumpeproteinet, der så flytter og frigiver zink uden for cellen. Når en ion er ledt ud gennem membranen, nulstiller mekanismen sig, og kan opfange en nyt ion,” forklarer ph.d.-studerende Oleg Sitsel, der er en af hovedforfatterne på artiklen, ”Structure and mechanism of Zn2+ -transporting P-type ATPases”, der netop er offentliggjort i det førende videnskabelige tidsskrift Nature.

Gruppen har krystalliseret zinkpumpen ZntA fra bakterien Shigella sonnei, og med røntgenkrystallografi visualiseret pumpens struktur i to forskellige stadier af den proces, hvor zink-ionen ledes ud gennem cellemembranen – næsten som billeder på en filmstribe, der viser pumpens funktionalitet.

Både et våben og en hjælp
Denne nye viden giver helt nye ideer til anvendelser i bioteknologi. Man kan for eksempel bruge den nye viden til at udvikle nye antibiotika, da zink-pumper kun findes i baktierer, svampe og planter, men ikke mennesker. En mulighed er at bruge stoffer til at blokere zink-pumpen, og meget målrettet ramme sygdomsfremkaldende mikro-organismer, da de selektivt vil blive forgiftet af et ukontrolleret zink-niveau.

"Når vi nu ved, hvordan zink transporteres ud gennem cellemembranen, er vi også kommet tættere på at kunne sætte den mekanisme ud drift, så vi kan gøre en celles zinkniveau giftigt og dræbe den. Den viden kan bruges i en lang række biomedicinske projekter – men en anden og mere fredelig anvendelse til denne opdagelse kan også vise sig at have med ernæring at gøre.

Hvis vi kan finde ud af at lade planter som ris eller majs optage højere mængder zink i deres celler, kan det være med til at afhjælpe en mangel på zink i kosten for store dele af verden, ikke mindst i den tredje verden. Det er dog ude i fremtiden og skal gennem en målrettet forskning” siger Lundbeckfond Fellow og lektor Pontus Gourdon, der har ledet forskningsprojektet i PUMPkin.


Læs den videnskabelige artikel i Nature: Structure and mechanism of Zn2+-transporting P-type ATPases; doi:10.1038/nature13618

Læs også:


Kontakt

Ph.d.-studerende Oleg Sitsel
PUMPkin, Institut for Molekylærbiologi og Genetik,
Aarhus Universitet,
Mail: oleg@mb.au.dk

Lundbeckfond Fellow Pontus Gourdon
Biomedicinsk Institut, Københavns Universitet
telefon: 50339990
Mail: pontus@sund.ku.dk
Web: Membrane Protein Structural Biology (eksternt link)

Forskning