• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Bioteknologi01. 12. 2018 | Katrine Meyn

Naturens nanopumper fanget på film

Bioteknologi01. 12. 2018 By Katrine Meyn

Avancerede mikroskoper tillader observation af enkelte molekylers bevægelser. Det er lykkedes en dansk forskningsgruppe at filme det protein, der transporterer Ca2+ ud af cellen, imens det pumper. På sigt kan disse enkelt-molekyle målinger bidrage til at forstå sygdomsforårsagende mutationer.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 8, 2018 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Af Mateusz Dyla og Magnus Kjærgaard, Aarhus Universitet

Levende organismer er langt fra ligevægt. Cellemembraner på et par nanometers tykkelse adskiller koncentrationsforskelle af ioner, der kan være på flere tusinde-fold. Disse gradienter gør det enormt favorabelt at transportere en ion fra en høj til en lav koncentration. Dette udnyttes overalt i biologien til at drive ufavorable biologiske processer.
Mange processer drives af ion-gradienter, men vores laboratorie er primært interesserede i hjernens signalering. Celler sender kemiske signaler til hinanden ved hjælp af molekyler, som kaldes neurotransmittere. Når den modtagende celle har opfanget signalet, skal neurotransmitteren fjernes hurtigst muligt. Dette sker ved hjælp af en gruppe af membranproteiner, som kobler optagelsen af neurotransmitteren med optagelsen af en natrium-ion. Det er mere favorabelt at optage natrium-ionen end det er ufavorabelt at optage neurotransmitteren, og derfor kan processen forløbe uden yderligere forbrug af energi.
I den modtagende nervecelle vil neurotransmitteren oftest aktivere en ionkanal. Ionkanalen er et membranprotein, der fungerer som en midlertidig passage for en bestemt type ioner. På grund af den store koncentrationsforskel vil ionerne hurtigt strømme ind i cellen. Nogle typer ioner som for eksempel calcium, binder til proteiner i cellen og igangsætter dermed en række biokemiske processer. Andre ioner, som for eksempel natrium og kalium, løber over membranen i så stort antal, at de midlertidigt ændrer den elektriske spænding hen over membranen. Denne spændingsændring kan forplante sig igennem celler og er hjørnestenen i nervesystemets kommunikation.
Alle disse processer lader ioner løbe fra høj til lav koncentration. Dermed nedbryder de langsomt koncentrationsforskellene over membranen. Det svarer til en utæt jolle, der konstant tager vand ind. Den kan kun holdes oven vande ved konstant at øse vand ud. På samme måde er cellen konstant nødt til at pumpe ioner ud. Og ligesom den utætte jolle koster det meget energi.

Molekylære pumper
Jens Chr. Skou opdagede et protein, der transporterer natrium ud og kalium ind i cellen. En opdagelse, der i 1997 blev belønnet med Nobelprisen i kemi. Siden har man opdaget, at denne pumpe blot er et medlem af en stor familie af membranproteiner, der transporterer metal-ioner, protoner og endda lipider.
Røntgenkrystallografi har afsløret mange detaljer om, hvordan pumperne fungerer på molekylært plan. Krystallografi kan lave en 3D-model, hvor man kan se hvert af de ca. 15.000 atomer i proteinet. Denne type studier har vist, at pumperne virker ved at åbne en ion-bindingslomme skiftevis indad og udad. Når pumpen bryder de energirige bindinger i ATP, forårsager det strukturelle ændringer i pumpen, der samtidigt åbner bindingslommen og ændrer styrken af pumpens ion-binding. Når disse strukturelle ændringer sker i den rigtige rækkefølge, flyttes ioner over membranen i en retning.
Der er dog en grundlæggende begrænsning ved at studere proteiners mekanisme ved hjælp af krystallografi: Man kan kun lave modeller, hvor proteinet står stille. Hvis man forestiller sig en gammeldags vandpumpe, så svarer det til, at man kan tage et billede, når håndtaget er oppe eller nede. Men man kan aldrig få en video, mens der pumpes. For pumper er det bevægelserne, der definerer funktionen, og derfor kan den beskrives meget bedre ved en video frem for enkeltbilleder.
Forudsætningen for at se et molekyles bevægelser direkte er, at man har en teknik, der er følsom nok til at se enkelte molekyler. De fleste eksperimentelle teknikker måler på milliarder af molekyler samtidigt. Da molekylerne ikke bevæger sig i takt, vil sådanne gennemsnitsmålinger udviske informationen om bevægelsen. Fluorescensmikroskopi er følsomt nok til at ”se” et enkelt molekyle, og kan bruges til at måle bevægelser i et enkelt molekyle. Fornyeligt har vi brugt denne teknik til at filme ionpumper, imens de pumper [1].

Pump fiction
Vi ville gerne bruge enkelt-molekyle-studier til at besvare en række uafklarede spørgsmål omkring pumpernes funktion. Først og fremmest ville vi gerne forstå, hvordan de pumper i en retning. Da pumperne skal kunne opbygge koncentrationsforskelle på flere tusinde fold, ville det være ødelæggende, hvis de kører en lille smule i den forkerte retning.
Vi forventede, at pumpens retning var bestemt af kløvningen af den energirige binding i ATP. Det viste sig dog ikke at holde stik. Til vores store overraskelse viste det sig, at proteinet kan kløve bindingen i ATP for derefter at genskabe den igen. Proteinet kan dermed genskabe sit kemiske brændstof, hvilket svarer til en motor, der laver benzin ved at køre baglæns! I stedet bliver pumpens cyklus irreversibel i det øjeblik, den giver slip på det brugte ATP.
Vi kender flere mellemstadier i pumpernes cyklus, men det er umuligt at se, om man har beskrevet alle tilstande, før man ser, hvordan proteinet bevæger sig. For eksempel var det blevet foreslået, at proteinet ventede i et stadie, hvor det hverken var åbent indad eller udad, hvilket dog aldrig var blevet observeret direkte. Ved at sænke pumpens hastighed kunne vi se dette stadie direkte i vores målinger. Dette mellemstadie svarer til det sidste punkt i cyklussen, hvor pumpen stadig kan vende om og køre baglæns.
Hvor ofte en celle kan sende signaler, afhænger blandt andet af, hvor hurtigt den kan re-etablere sine ion-gradienter. Derfor var det også vigtigt at forstå, hvad der begrænser, hvor hurtigt pumpen kan køre. Det er det langsomste trin i processen, der afgør, hvor hurtigt pumpen kan køre. Ved at følge pumpens bevægelser kunne vi måle, hvor længe hvert trin tager, og dermed bestemme, hvad der er det begrænsende trin. Overraskende nok sker de store ændringer af molekylets struktur næsten øjeblikkeligt. I hvert fald hurtigere end vores kamera kan følge med til. Vi fandt, at det begrænsende trin rent faktisk var kemien i overførslen af en fosfat-gruppe fra ATP til pumpen.

”Og hvad kan man så bruge det til?”
Vi er alle født med omkring 50 nye ændringer i vores genom oveni dem, vi arver fra vores forældre. Af og til rammer sådanne mutationer et gen, som indeholder instruktionerne til et vigtigt protein som for eksempel en ionpumpe. En enkelt mutation kan ødelægge pumpen, så den ikke kan pumpe rigtigt. Dette kan ændre ionbalancen i vores celler og forstyrrer dermed indirekte alle processer, der udnytter ion-gradienter.
Fornyeligt er det blevet opdaget, at muterede ionpumper er skyld i flere genetiske sygdomme som for eksempel halvsidig migræne og en aggressiv form for Parkinsons. Hvis man havde et lægemiddel, der kunne rette op på pumpens funktion, så kunne det være en effektiv behandling. Forudsætningen for kunne udvikle sådan et molekyle er, at vi præcist forstår, hvilken effekt mutationerne har. Vi håber, at enkelt-molekyle-målinger af ionpumper kan bidrage til at forstå, hvordan mutationer påvirker pumpernes egenskaber.
Før vi kan teste effekten af mutationer, har vi dog et stykke grundvidenskabeligt arbejde foran os. Af tekniske årsager blev vores første enkelt-molekyle målinger lavet på en calciumpumpe fra bakterien Listeria. For at vi kan teste effekterne af sygdomsmutationer, bliver vi først nødt til at kunne lave samme type målinger i de tilsvarende proteiner fra pattedyr. Samtidig vil vi gerne kunne måle på flere forskellige typer af pumper. Derfor arbejder vores forskningsgruppe i øjeblikket på at udføre samme type forsøg på forskellige typer af pumper.
Enkelt-molekylestudierne blev startet i grundforskningscenteret Pumpkin, og videreført med støtte fra blandt andet Lundbeckfonden og Det Frie Forskningsråd.

Originalartikel
1. Dyla, M. et al. Nature 551, 346–351 (2017)

Skrevet i: Bioteknologi

Seneste nyt fra redaktionen

Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemiTop23. 06. 2025

Franz Hofmeister opløste æggehvide i vandige saltopløsninger. En artikel fra 1888 beskriver, hvordan nogle ioner får proteiner til at udfælde, mens andre ioner har den modsatte effekt. Fødevarekemien bruger stadig Hofmeister, men langt mere nuanceret. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3,

Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi17. 06. 2025

Hvis kløvergræs skal kunne anvendes som ny ressource til udvinding af fødevareproteiner, kan membranteknologi være vejen frem. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mette Lübeck, Mads

Trinatriumhexafluo… hvad for noget?

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi09. 06. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) I år fejrer man internt i IUPAC 20-året for offentliggørelsen af The Red Book (i det følgende blot "RB2005") med anbefalinger vedrørende

Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

AktueltArtikler fra Dansk KemiGrøn omstilling02. 06. 2025

Hvor rent er CO2 fra CO2-fangst? Og hvor dyrt er det at oprense CO2? Denne artikel giver indsigt i nogle af udfordringerne ved at implementere en global CO2 infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø26. 05. 2025

Kontinuerlige, kvalitetssikrede målinger af kemiske, fysiske og biologiske miljøparametre giver uundværlig information. Det gælder også for Grønland. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

AktueltAnalytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi19. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi14. 05. 2025

Oldgamle CO2-ædende mikroorganismer kan fange CO2 direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mads Ujarak Sieborg1 og

Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

AktueltBranchenyt14. 05. 2025

Busch Group annoncerer, at deres brand centrotherm clean solutions bliver en del af Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions. Fra september 2025 vil gasreduktionssystemerne til Semicon-industrien, som tidligere blev tilbudt under dette mærke, blive integreret i Pfeiffer-porteføljen og fremover være

I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

Branchenyt14. 05. 2025

For blot fjerde gang i dette årtusinde uddeles Videnskabernes Selskabs Guldmedalje. Det sker i dag, hvor bakterieforsker Per Halkjær Nielsen, professor ved Institut for Kemi og Biovidenskab ved Aalborg Universitet, får den fine hæder for sit livsværk og sin holdånd. Han er manden, der kortlægger

Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø28. 04. 2025

Tilstedeværelsen af PFAS-forbindelser skyldes ikke kun lokale kilder, men de kan langtransporteres i luften til selv meget fjerntliggende arktiske egne. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    NYHED: Her er fremtidens opbevaring af farlige stoffer

  • Busch Vakuumteknik A/S

    MRPC modtager “Innovation in Vacuum Busch Award”

  • DENIOS ApS

    Dette er, hvad der sker, når batterier bryder i brand

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch Vacuum Solutions præsenterer den intelligente TYR PLUS kapselblæser

  • Dansk Laborant-Forening/HK

    Laboranter er nysgerrige på ny teknik

  • DENIOS ApS

    Sådan udnytter du den stille periode i sommerferien

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Sommer vedligeholdelsestips til din vakuumpumpe: 6 gode anbefalinger

  • DENIOS ApS

    Så er det sidste chance

  • DENIOS ApS

    Sikker tøndehåndtering starter her

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    LabDays Aarhus 2025 – SOLD OUT

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

    23.06.2025

  • Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

    17.06.2025

  • Trinatriumhexafluo… hvad for noget?

    09.06.2025

  • Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

    02.06.2025

  • Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

    26.05.2025

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    19.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    14.05.2025

  • Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

    14.05.2025

  • I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

    14.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

  • Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

    07.04.2025

  • En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

    01.04.2025

  • Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

    31.03.2025

  • Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

    31.03.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik