Hvordan calciumioner kommer ind i anlægs cellulære kraftværker

Calcium er et meget specielt næringsstof. I cellerne hos de fleste levende væsener fungerer calciumioner som såkaldte second messengers til at transmittere vigtige signaler. Det samme gælder både for dyre-, plante- og svampeceller. Gennem samarbejde mellem flere forskningsinstitutter på nationalt og internationalt plan har medlemmer af "Plant Energy Biology" arbejdsgruppen ved Münster University, ledet af prof. Markus Schwarzländer, og af holdet ledet af prof. Alex Costa ved universitetet i Milano, har nu identificeret det molekylære maskineri, som gør det muligt at optage calciumioner i plantecellernes mitokondrier – og at denne transportform spiller en vigtig rolle i deres reaktion på berøring. Studiet er nu blevet publiceret i tidsskriftet The Plant Cell .

Hvordan calciumionerne kommer ind i mitokondrierne

"Det er forbløffende, at sådan en simpel ion kan være så vigtig til at overføre information," siger Markus Schwarzländer. "Vi antager, at calciumionerne udvikler dette potentiale gennem det nøjagtige sted og tidspunktet for deres indsættelse." Det har allerede været kendt siden 1965, at plantemitokondrier kan optage calciumioner og på denne måde - formentlig - være involveret i calciumsignalveje. Hvordan transporten præcist er muliggjort, har derimod været omstridt i årtier. For de fleste ioner er den indre mitokondriemembran uigennemtrængelig, men visse proteiner i membranen kan sikre, at calciumionerne kan passere gennem denne delvist permeable membran og dermed gøre det muligt at overføre signaler i denne celleorganel.

I tilfælde af dyr blev spørgsmålet om identiteten af ​​den mitokondrielle calciumkanal løst i 2011, da forskere ved universiteterne i Harvard og Padua opdagede calciumkanalen MCU (mitochondrial calcium uniporter). Dette gennembrud banede vejen for opdagelsen af, at planter også indeholder MCU-gener. Hvad der imidlertid stadig var uklart, var, om disse gener også danner calciumkanaler i den levende celle – ikke mindst fordi optagelsen af ​​calciumioner i animalske mitokondrier viser markant anderledes mønstre end dem i plantemitokondrier.

Genekspression afslører vigtigheden af ​​calciumiontransport for cellulære kraftværker

For at klarlægge den rolle, som MCU'er spiller i planteceller, måtte Münster-forskerne samtidigt deaktivere tre af de seks MCU-gener i modelplanten Arabidopsis thaliana. Som følge heraf begrænsede de cellemaskineriets kapacitet og var således i stand til for første gang i en levende plante at observere de konsekvenser, som denne begrænsning fører til. Til dette formål brugte de et fluorescerende protein, som indikerer ændringer i koncentrationen af ​​calciumioner i mitokondrierne i form af et lyssignal.

Det, man kunne se, var, at som følge af, at MCU-generne var blevet deaktiveret, kom et meget lavere antal calciumioner ind i mitokondrierne. Det betyder, at forskerne ikke kun har påvist, at levende planteceller - på samme måde som dyreceller - transporterer deres calciumioner ind i mitokondrierne gennem MCU-kanalerne. "Vi var også i stand til," siger Markus Schwarzländer, "at vise, at dette er langt den vigtigste vej til hurtig transport af calciumioner ind i mitokondrierne. Det betyder, at vi nu har mulighed for at kontrollere signaltransmission fra calciumioner til cellekraften. stationer og dermed muligvis påvirke den kodede information."

Efter denne banebrydende observation brugte holdet planter med nedsat mitokondriel calciumtransportkapacitet til at forsøge at finde ud af, hvilken rolle mitokondrielt calcium spiller for planten og dens kondition. I tilfælde af dyr regulerer calciumioner i mitokondrierne energiproduktionen - men der var ingen indikationer på en lignende funktion i planter.

Ved at analysere ekspressionen af ​​hele plantegenomet kunne forskerne nu påvise, at den reducerede transportkapacitet for calciumioner har betydning for reguleringen af ​​plantehormonet jasmonsyre. Jasmonsyre er et forsvarshormon i planter, som giver beskyttelse mod planteædere ved at blive aktiveret, hvis planten bliver såret. Blandt andet styrer jasmonsyre også alderdom - dvs. den regulerede afdøde af væv – såvel som reaktioner på mekaniske stimuli såsom berøring.

Planterne manipuleret af forskerne viste en let forsinket alderdom:i mørke omgivelser mistede bladene deres grønne pigmentering mindre hurtigt. De udviste også en markant svagere reaktion på berøring. "Det, der er særligt overraskende for os," siger Schwarzländer, "er, at der åbenbart er en sammenhæng mellem transporten af ​​calciumioner ind i mitokondrierne og den reguleringsproces, der styres af jasmonsyren. Resultaterne viser, at molekylære processer som f.eks. calciumioner i mitokondrierne, som er blevet bevaret i dyr og planter gennem evolution, kan bruges til at tjene nye funktioner."

En målrettet omprogrammering af mitokondriel calciumtransport synes at være en interessant vej, da styring af responsen på berøring kunne være nyttig - for eksempel i landbruget, hvor planter ofte plantes tæt sammen.

Undersøgelser ved hjælp af syntetiske biosensorer

En af de centrale metoder, der blev brugt i den nu offentliggjorte undersøgelse, var "in vivo biosensorik." Her designes proteiner – ved hjælp af molekylærbiologiske og bioteknologiske metoder – på en sådan måde, at de fungerer som syntetiske målesensorer i levende organismer. Når planter er genetisk transformeret - producerer de selv en sensor, som giver levende information om status for celler i levende planter. Desuden kan disse biologiske sensorer bruges til at måle i specifikke områder af cellen. Dette opnås ved at placere dem genetisk i et bestemt rum i cellen. At gøre dette ved hjælp af traditionelle metoder er vanskeligt, fordi i sådanne metoder er cellen typisk brudt, hvilket fører til, at hele organisationen i cellen går tabt.