Bild: Magnus Andersson
Bild: Magnus Andersson
Forskningsprojekt som finansieras av Vetenskapsrådet.
Allt liv är beroende av proteiner som transporterar ämnen som zink, kalcium och koppar in och ut ur cellerna. Transporten är balanserad genom känsliga regleringssystem. Blir det fel i regleringen kan vi bli sjuka, men det ger oss också ett verktyg att bekämpa patogena bakterier. Med hjälp av snabba, intensiva röntgenpulser, kombinerat med avancerade datorberäkningar, som utnyttjar kraften i dagens superdatorer, vill nu visualisera hur dessa regleringssystem ser ut och hur de agerar över tid.
Cellens membran – dess ”hud” – består bland annat av proteiner, som används för att exempelvis sprida nervimpulser och kommunicera med omgivningen. Transport av olika kemiska substanser genom cellens membran är nödvändig för att upprätthålla grundläggande processer i kroppen.
Proteinerna som utför membrantransporten är i sig extremt svårstuderade eftersom de är förankrade i membranets lipider, en typ av fetter. Även om vi idag känner till många membranproteiners strukturer är dessa ofta fångade under förhållanden som inte motsvarar deras naturliga tillstånd i kroppens celler. Dessutom saknas information om hur proteinet och det omgivande membranet förändrar sina strukturer för att kunna utföra sin specifika cellulära uppgift. Membranet har visat sig kunna styra proteinets funktion, vilket gör värdet av studier nära den naturliga omgivningen ännu större. Utöver lipidreglering kommer vi också att undersöka pH effekter samt regleringssystem inbyggda i proteinet.
Detta projekt kombinerar experimentella och teoretiska metoder för att beskriva reglering av proteintransport i dess naturliga miljö – i omgivande lipider vid rumstemperatur. Vi vill speciellt titta närmare på de regleringssystem som styr transporter av kalcium, zink och koppar.
Vi kommer att fotografera membranproteinerna under olika regleringsvillkor med ultrasnabba röntgenpulser. Resultatet blir en film, som visar hur dessa proteiner förändrar sin struktur under transportprocessen.
Eftersom filmen blir grovkornig kompletterar vi de experimentella resultaten med datorberäkningar för att återskapa detaljerna. Detta gör vi genom att skapa en modell som innehåller samma lipider, pH, och inbyggda regleringssystem som i den experimentella miljön, och med hjälp av superdatorer simuleras sedan hur atomer i proteinet och dess mikromiljö interagerar. På så sätt får vi en detaljerad bild av proteinet i sin lipidomgivning som skulle vara svår, för att inte säga omöjlig, att uppnå med endast en experimentell metod.
För att göra dessa resurskrävande datorberäkningar möjliga krävs en del förenklande antaganden. Därför är det viktigt att förankra simuleringsresultaten i en experimentell metod. Det löser vi genom att låta våra experimentella data fungera som mål mot vilka vi styr det simulerade systemet. På så vis kan vi justera skärpan på vår grovkorniga film och få en högupplöst beskrivning av transportprocessen, som hjälper oss förstå hur regleringssystemen påverkar förloppet.
Den föreslagna forskningen möjliggör en nyanserad kartläggning av reglering av kalcium-, zink- och koppartransporterande membranproteiner. Vårt forskningsprojekt är av medicinskt intresse eftersom pH reglering av kalciumtransport kan vara en generell försvarsmekanism för bakterier, mutationer i koppartransportören resulterar i Wilsons sjukdom (som ger kopparöverflöd), och proteinet som transporterar zink är ett målprotein för utveckling av nya antibiotika eftersom det är vanligt förekommande i sjukdomsalstrande bakterier men inte i människan.
Sammanfattningsvis kommer vår forskning kommer att ge en unik inblick i hur membranproteinaktivitet regleras i sin naturliga omgivning.
