”Att leva och låta dö!”

Projektbeskrivning

Programmerad celldöd (PCD) låter slutgiltigt och drastiskt, lite som ett planerat självmord. Trots det är det en naturlig del av organismers och cellers utveckling. Ett klassiskt exempel är differentieringen av våra fingrar där PCD gör att hud mellan fingrarna i embryot bryts ner och försvinner. Den forskning som gjorts rörande PCD har fokuserat på medicinska aspekter hos djur trots att processen också är viktig för den naturliga vävnadsutvecklingen hos växter. Nyligen upptäckte man att även encelliga organismer som mikroalger och bakterier har ett PCD-program. Det var oväntat. För flercelliga organismer, till exempel i olika organ är det viktigt att kunna byta ut och ersätta celler så att organen kan växa och fungerar under olika förhållanden och utvecklingsstadier.

Men för encelliga organismer är det kanske inte alltid uppenbart att det är gynnsamt för en enskild cell att dö genom PCD, för att låta andra celler i cellkulturen överleva. Ändå finns det bevis på att vissa celler i en cellkultur begår altruistisk självmord till förmån för hela odlingen. De överlevande mikroorganismer får tillgång till mer näringsämnen eller kan ta upp den frigjorda genetiska informationen, till exempel antibiotika-resistensgener.

I PCD-processen är många olika proteiner inblandade, men huvudarbetet utförs av proteaser - proteiner som klipper sönder andra proteiner. Hos djur har man hittat de viktigaste proteaserna som utför PCD och kallade dem ”caspaser”. Men caspaser finns bara hos djur, varken växter, svampar eller bakterier har dessa proteaser. Däremot upptäckte man i dessa organismer proteiner med en liknande struktur och för att särskilja dessa heter de "metacaspaser" hos växter, "parakaspaser" hos svampar och "orthocaspaser" hos bakterier. I växter har man lyckats visa att några av metacaspaserna också är inblandade i PCD, men hos encelliga bakterier och alger är inget känt rörande deras funktion eller inblandning i PCD.

Fotosyntetiska mikroorganismer är livsviktigt som foder för fiskar och andra vattenorganismer i våra vattendrag och har därför ett betydande ekologiskt och ekonomiskt värde för vårt samhälle. Men vid värmeböljor och övergödning kan deras tillväxt öka dramatiskt och orsaka giftiga algblomningar. Alger och cyanobakterier odlas också i bioteknologiska processer för att producera biomassa och biobränsle. Om vi skulle kunna kontrollera PCD skulle kunna inducera PCD i alger och cyanobakaterier för att stoppa deras tillväxt och algblomningar. Alternativt skulle vi kunna stänga av PCD så att produktionen av biomassa kan ökas i biotekniska tillämpningar.

Vi har nyligen visat att metacaspas-liknande proteaser är viktiga cellulära komponenter hos algen Guillardia theta och cyanobakterien Microcystis aeruginosa, som båda är viktiga organismer i den akvatiska näringskedjan. Vi lyckades identifiera aktiveringsmekanismer för caspas-liknande proteiner hos mikroorganismer, vilket inte bara gav ny information om deras funktioner utan även kan ligga till grund för en ökad förståelse för aktiveringsmekanismen för metacaspaser hos högre växter.

I det här projektet ska vi studera meta- och orthocaspaser hos alger och bakterier på cellulär- och molekylärnivå. Vårt mål är att skapa kunskap för att kunna styra PCD-processen i mikroorganismer. Vi letar efter startsignalen för PCD, ”dödens handslag”. Detta involverar grundläggande frågeställningar såsom vilka cellulära funktioner meta- och orthocaspaserna har och varför det finns så många av dem hos encellulära organismer? Har alla samma funktion eller är de specialiserade? Orthocaspaser saknar en reglerande del; vilket ställer frågor om de är reglerade på ett helt nytt okänt sätt? Förståelse av de cellulära och molekylära funktionerna hos dessa proteaser kommer inte bara att ge insyn i det outforskade fältet av PCD hos alger och cyanobakterier utan kan även vara relevant för utvecklingen av ny tillämpningar inom bioteknologi, ekologi eller medicin.

Tänk, om vi skulle kunna inducera celldöd i mikroorganismer! Vi kunde kontrollera algblomningar i våra sjöar och havet. Skörd av biotekniska algprodukter skulle vara lätt om cellerna skulle dö och frige produkter när vi vill. Vi skulle kunna utveckla alternativa terapeutiska strategier och skulle bli oberoende av antibiotika för att döda bakterier.