Chokeret japaner: Aarhus-forskere kan se en kalciumpumpe bevæge sig
Kalciumpumpen er lillebitte. Men den sørger for at holde dig og de fleste andre dyr i live. Danske forskere har chokeret en japansk videnskabsmand, fordi de nu kan studere en enkelt pumpe i aktion.
calcium pumpe celler kroppen

Kalciumpumpen findes i hver eneste af dine celler. Den pumper løs, uden du bemærker det. Men uden den ville du dø. (Illustration: Phoebus87)

I et nyt studie har forskere fra Aarhus Universitet undersøgt, hvordan en enkelt kalciumpumpe fra en listeriabakterie bevæger sig.

Hvis du ikke tilfældigvis har en udpræget interesse i kalciumpumper eller listeriabakterier, synes du måske, at studiet lyder temmelig uvedkommende. Eller måske bare r..kedeligt.

Men ikke desto mindre er Aarhus-forskernes studie røget i et af verdens mest prestigefyldte videnskabelige tidsskrifter. Og på den anden side af kloden tabte en japansk forsker underkæben, da han læste danskernes resultater.

»Det var chokerende for mig. De kan jo observere de reelle bevægelser i et enkelt molekyle,« siger Haruo Ogawa, som selv forsker i kalciumpumper ved Universitetet i Tokyo, men ikke har været en del af det nye studie.

Det handler om selve livet

Når forskerne kan hidse sig så voldsomt op over kalciumpumpens bevægelser, skyldes det ikke mindst, at den lille pumpe er ekstremt vigtig for livet på Jorden.

Kalciumpumpen

Kalciumpumpen (Ca2+-ATPase) er et molekyle, som sidder i den tynde membran, som omgiver celler.

Den sørger for at pumpe særlige stoffer - kalciumioner (Ca2+) - ud og ind af cellen.

Pumperne arbejder hårdt. Omkring en fjerdedel af kroppens brændstof, det såkaldte ATP, bliver brugt til at holde kalciumpumperne kørende.

Pumperne skal konstant sørge for, at der er en kæmpestor forskel på mængden af kalciumioner inden- og udenfor cellen. Der kan være mere end 10.000 gange mindre koncentration af kalciumioner inden i cellen end udenfor – det sørger pumpen for.

Kilde: Poul Nissen/Aarhus Universitet

Kalciumpumpen findes i hver eneste celle i din krop. Uden at kny pumper den konstant metalstoffer – kalcium-ioner – ind og ud af dine celler. Og på samme måde pumper den løs i cellerne på din nabo, din hund, din stueplante, din guldfisk og bakterierne på dit køkkenbord.

»Kalciumpumpen er helt essentiel for livet. Stort set alle processer i en celle involverer på en eller anden måde kalcium-ioner. Uden kalciumpumpen vil cellerne dø,« siger professor Poul Nissen, som er en af de ledende kræfter bag det nye studie, der er trykt i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Som at se en galakse for første gang

Med andre ord lærer vi om livets processer ved at studere kalciumpumpen. Problemet er bare, at pumpen er ekstremt lille. Mange tusinde gange mindre end en millimeter på din lineal, og alt for lille til at se i et normalt mikroskop.

Men i den nye undersøgelse har forskerne brugt en nyudviklet metode, som gør dem i stand til at zoome helt ind på en kalciumpumpe. For første gang kan de simpelthen observere, hvordan en enkelt pumpe opfører sig, mens den pumper på livet løs.

»Man kan sammenligne det med, at astronomer får en ny kikkert og pludselig kan se en fjern galakse for allerførste gang. Det er dybt fascinerende. Ultimativt set handler det jo om at observere og forklare, hvordan livet fungerer,« siger Poul Nissen, som er leder af neuroforskningscenteret DANDRITE og grundforskningscentret PUMPkin, Center for Membranpumper i Celler og Sygdom ved Aarhus Universitet.

Fra foto til film

Hidtil har forskerne studeret kalciumpumpen ved hjælp af en metode, som kaldes røntgenkrystallografi. Her bruger man røntgenstråler til at frembringe billeder af pumpens struktur. Men den slags billeder fanger kun pumpen i en enkelt position, påpeger Haruo Ogawa.

»Kalciumpumpen er meget svær at observere. Med røntgenstråler kan man tage en slags stillbillede af en pumpe. Men i studiet her kan vi pludselig se pumpens bevægelser. Det er lidt som at få en video i stedet for et foto,« siger Haruo Ogawa, som er lektor ved Institut for Molekylær og Cellulær Bioscience ved Universitetet i Tokyo.

Indtil nu har forskere dog ikke været helt på bar bund, i forhold til hvordan kalciumpumper bevæger sig. En anden udbredt metode til at studere kalciumpumpen har været at undersøge massevis af små pumper på én gang.

»Man har hidtil brugt millioner eller måske milliarder af pumper på én gang, når man skulle undersøge, hvordan de opfører sig. På den måde kan man tage et gennemsnit af pumperne og regne ud, hvordan de bevæger sig. Men det nye er, at her kan vi se på én enkelt pumpe ad gangen. Det betyder, at vi kan se nogle tilstande og overgange for pumpen, som man ikke kan se med andre metoder,« forklarer Poul Nissen.

Sådan gjorde de

Men hvordan er det lykkedes forskerne at studere en enkelt, lillebitte kalciumpumpe?

Kort fortalt har de brugt en metode, som de kalder enkelt-molekyle fluorescens-spektroskopi ved hjælp af en Förster Resonance Energy Transfer.

Hvis du synes, det lyder indviklet, har du helt ret. Ifølge Poul Nissen har det krævet flere års arbejde at udvikle metoden bag studiet, som er blevet til virkelighed i tæt samarbejde med amerikanske forskere.

Arbejdet har blandt andet krævet, at forskerne manipulerede med en kalciumpumpe. Forskerne valgte derfor at bruge pumpen fra en listeriabakterie, som er mindre kompliceret opbygget end kalciumpumpen fra en menneskecelle.

I to hjørner af pumpen indsatte forskerne to forskellige farvemolekyler – fluorescens-molekyler. Dette var vigtigt, fordi forskerne dermed kunne spore pumpens bevægelser.

»Kalciumpumpen er et molekyle med flere bevægelige dele. Når vi sætter små fluorescens-molekyler ind på to positioner, kan vi måle, hvornår og hvordan de to fluorescens-molekyler bevæger sig i forhold til hinanden, og hvor hurtigt det går,« forklarer Poul Nissen.

Förster Resonance Energy Transfer FRET calcium pump kalciumpumpe

Forskerne har brugt laserlys (billedet), ultra-følsomme kameraer og et specialbygget lysmikroskop til at måle kalciumpumpens bevægelser. (Foto: Mateusz Dyla/Aarhus Universitet)

Kan bruges i kræftforskning

Som du måske nok kan fornemme, er der ikke tale om videooptagelse af kalciumpumpen i samme HD-kvalitet som videoerne på din fladskærm. Det er kun bevægelserne i to punkter på det store molekyle, som forskerne kan beskrive med metoden, påpeger Haruo Ogawa.

Det nye studie

Forskerne Mateusz Dyla og Magnus Kjærgaard, begge fra Aarhus Universitet, er blandt hovedkræfterne bag det nye studie.

Aarhusforskerne har også samarbejdet med forskere fra Cornell University i USA.

»Studiet her er det første af sin slags, så de skal stadig forfine metoden. De kan for eksempel ikke måle vinklen mellem de to domæner af molekylet, som bevæger sig. Men i fremtiden kan metoden sikkert give os et meget bedre indblik i kalciumpumpens reelle bevægelser,« siger Haruo Ogawa.

Han påpeger, at metoden formentlig også kan videreudvikles og bruges på andre proteiner end lige netop kalciumpumpen – og dermed give os yderligere forståelse af, hvordan den molekylære verden fungerer.

Forskerne håber blandt andet, at øget viden om, hvordan molekylerne bevæger sig, kan danne grundlag for udvikling af ny medicin. Eksempelvis retter nogle former for kræftmedicin sig mod kalciumpumpen for at hæmme pumpen og dermed svække kræftcellerne.

»Med den nye metode kan man sikkert finde nye mellemstadier for kalciumpumpen (nye positioner, som pumpen befinder sig i, mens den arbejder og bevæger sig, red.). Det kan man måske bruge til at udvikle nye lægemidler. Nogle lægemidler binder sig måske kun til kalciumpumpen under et bestemt mellemstadie,« siger Haruo Ogawa.

Bygger oven på nobelpris

Kalciumpumpen spiller bl.a. en vigtig rolle under musklernes arbejde, sanseindtryk og nerveaktivitet.

Han påpeger dog, at kalciumpumpen i en listeriabakterie er anderledes end kalciumpumpen i en menneskecelle. Dermed vil det ifølge Haruo Ogawa kræve en del mere forskning, før metoden kan overføres til menneskets kalciumpumper.

Aarhus-forskernes nye studie bygger videre på årtiers arbejde med cellernes pumper. Læge og fysiolog Jens Christian Skou fra Aarhus Universitet beskrev i 1957 den første ionpumpe - natrium-kalium-pumpen, som er en fætter til kalciumpumpen – og opdagelsen endte med at føre til en nobelpris (læs mere her).

»Aarhus Universitet har en lang historie og tradition for at lave denne her slags pumpestudier. Det er kendt som et af de førende universiteter inden for studier af ionpumper,« lyder de rosende ord fra den japanske forsker.

Du kan læse mere om nogle af Aarhus-forskernes seneste landvindinger inden for ionpumpestudier i artiklerne Forskere slukker for natrium-kalium-pumpens strøm, Unikke billeder viser nye sider af natriumkalium-pumpen, Danske forskere har banebrydende nyt om livsvigtigt enzym eller Svulster på binyrerne forårsager forhøjet blodtryk.

Til nørderne: Sådan har forskerne gjort

Forskerne har ’filmet’ kalciumpumpens bevægelser med en metode, som kaldes enkelt-molekyle fluorescens-spektroskopi ved hjælp af en såkaldt Förster Resonance Energy Transfer (Forkortet FRET).

Det forstår de fleste af os ikke så meget af, så her kommer et lynkursus i metoden.

Trin for trin har forskerne gjort sådan her:

  1. I første omgang har forskerne lavet såkaldt protein-engineering på en kalciumpumpe – de har simpelthen manipuleret med en pumpe fra en listeriabakterie. I to hjørner af kalciumpumpen fik forskerne indsat to forskellige farvemolekyler – fluorescens-molekyler. Det ene fluorescens-molekyle (donor) kan overføre energi til det andet (acceptor).
  2. For at kunne spore de små fluorescens-molekylers bevægelser er forskerne nødt til at belyse dem med laserlys. Lad os sige, at dette laserlys har en farve, vi kalder A.
  3. Donormolekylet optager laserlyset (A), og molekylet bringes derfor i en højere energitilstand (exciteres). Når donormolekylet vender tilbage til sin almindelige tilstand (grundtilstand), udsender molekylet lys af en anden farve (farve B).
  4. MEN: Når donormolekylet er bragt i en højere energitilstand (exciteret) kan det også slippe af med energien på en alternativ måde. Molekylet kan simpelthen overføre excitationsenergien direkte til det acceptormolekylet (ved den såkaldte FRET-mekanisme).
  5. Når acceptormolekylet modtager denne energi fra donormolekylet, bliver acceptormolekylet bragt i en højere energitilstand (exciteret). Når acceptormolekylet efterfølgende vender tilbage til sin grundtilstand, udsender det lys med en tredje farve (lys C).
  6. Med et ultrafølsomt ’kamera’ kan forskerne måle, hvor meget der udsendes af ’lys B’ og ’lys C’ – og hvor kraftig FRET-effekten er. Ud fra disse målinger kan forskerne regne ud, hvordan donor- og acceptormolekylet bevæger sig i forhold til hinanden, og hvor hurtigt det går.
  7. Da de to fluorescens-molekyler er påsat på to specifikke positioner i pumpen, siger det derfor noget om, hvordan pumpen bevæger sig.

Kilde: Poul Nissen /Aarhus Universitet

Her ses en tidslinje for bevægelsen, hvor pumpen sender kalciumioner ud af cellen. Til venstre er pumpen åben ind mod cellens indre og har bundet calciumioner og optaget brændstof (ATP). Næste skridt (næste tilstand for pumpen) var indtil det nye studie ukendt: I det røde felt er pumpen i lukket tilstand, hvor den har omsluttet de ioner, der skal sendes ud af cellen. Til slut ses fasen, hvor pumpen har åbnet sig og sluppet calcium-ionerne ud i omgivelserne. (Illustration: Daniel Terry/Dyla/Aarhus Universitet)


Ugens Podcast

Lyt til vores ugentlige podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Det sker