Don’t zinc - do!

Aarhus University’s PUMPkin Centre – a Centre of Excellence funded by the Danish National Research Foundation – has just succeeded in ‘taking’ the first photos of the mechanism that transports zinc out of the cells of organisms such as bacteria and plants. The study has just been published in Nature.

2014.08.18 | Rasmus Rørbæk

the function of the zinc pump when it forces zinc ions across the cell membrane. From left: Poul Nissen, Henriette Autzen, Oleg Sitsel, Tetyana Klymchuk, Pontus Gourdon, Anna Marie Nielsen and Kaituo Wang (Photo: Rasmus Rørbæk)

Zinc is an essential micronutrient for all living organisms. It has a considerable number of important functions in the human body, where it is involved in a wide variety of enzymes that play key roles in DNA formation and metabolism. Zinc is important for growth, tissue structure and repair – for humans and for virtually all other organisms. However, zinc is also toxic if the concentration gets too high, and the cells of an organism therefore depend on being able to transport it away.

Read more (in Danish only) below. For contact details in English, go to the bottom of the page.

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.


Read the scientific article in Nature:
Structure and mechanism of Zn2+-transporting P-type ATPases;
doi:10.1038/nature13618

Read also:


For more information, please contact

PhD student Oleg Sitsel
PUMPkin, Department of Molecular Biology and Genetics
Aarhus University, Denmark
Mail: oleg@mb.au.dk

Lundbeck Foundation Fellow Pontus Gourdon
Department of Biomedical Sciences
University of Copenhagen, Denmark
+45 5033 9990
Mail: pontus@sund.ku.dk
Web: Membrane Protein Structural Biology (external link)

Research