Monipuolinen ionipumppu auttaa kasveja ja mikrobeja sietämään stressiä (Väitös: FM Heidi Luoto, 8.5.2015, biokemia)

​Turun yliopiston tiedote 30.4.2015

Erilaiset molekulaariset pumput auttavat eliöitä selviytymään haastavissa ympäristöolosuhteissa pitämällä solun sisäpuolen koostumuksen vakiona. Yksi tällainen pumppu on nimeltään membraanipyrofosfataasi, jonka tehtävänä on säädellä solun eri osastojen ionitasapainoa.

Membraanipyrofosfataasin toiminta on erityisen tärkeää stressitilanteessa, kuten korkeassa suolapitoisuudessa tai kylmyydessä. Näitä ionipumppuja on löydetty kasveilta, bakteereilta, arkkibakteereilta ja alkueliöiltä, mutta ei ihmisiltä.

– Membraanipyrofosfataasit saattavat kuitenkin vaikuttaa myös ihmisten hyvinvointiin, koska, kuten tässä tutkimuksessa havaittiin, niitä esiintyy runsaasti ruuansulatuskanavan bakteereilla. Membraanipyrofosfataasit pumppaavat kalvon läpi natrium-ioneja tai protoneja pyrofosfaatti-nimisestä yhdisteestä vapauttamansa energian avulla ja säätelevät siten monia solulle elintärkeitä reaktioita, Luoto kertoo.

– Membraanipyrofosfataasien toiminnan tunteminen on tärkeää, koska niiden käyttö bioteknologisina työkaluina voi mahdollistaa esimerkiksi entistä satoisampien ja haastavia kasvuolosuhteita kestävien kasvilajikkeiden kehittämisen, jatkaa Luoto.

Taudinaiheuttajille tärkeiden membraanipyrofosfataasien toiminnan estäminen voi tulevaisuudessa myös tuottaa uusia lääkkeitä esimerkiksi malariaan, unitautiin tai bakteeritulehduksiin.

Kahta ionia pumppaavia membraanipyrofosfataaseja löytyi ruuansulatuskanavan bakteereilta

Luoto löysi membraanipyrofosfataaseille uusia toimintoja ja selvitti, miten näiden toimintojen evoluutio on voinut tapahtua. Tutkimuksen ansiosta membraanipyrofosfataasien pumppaustoiminta voidaan jatkossa ennustaa suoraan aminohappojärjestyksestä.

Tutkimuksen kenties merkittävin havainto oli kahta ionia, natriumia ja protoneja, pumppaavien membraanipyrofosfataasien löytyminen tavallisilta ruuansulatuskanavan bakteereilta. Bakteerit käyttävät usein joko protoneja tai natrium-ioneja energiantuotannossaan, joten kahden eri ionin käyttö voi mahdollistaa bakteerien elämisen vaikeissakin elinolosuhteissa.

– Kahta ionia siirtävän kalvopumpun tehtävänä on kenties mahdollistaa ruuansulatuskanavan normaaliflooraan kuuluvien bakteerien selviytyminen haastavissa elinolosuhteissa, Luoto kertoo.

Protonien siirtoon turvautuminen helpotti bakteerien selviytymistä

Tutkimuksen toinen merkittävä havainto oli, että vain natrium-ionien siirtoon erikoistuneet membraanipyrofosfataasit pystyvät kuljettamaan myös protoneja, jos natriumia on ympäristössä hyvin vähän.

Natrium-pumppuja löytyy usein bakteereilta, jotka elävät hyvin haastavissa olosuhteissa, kuten kuumissa lähteissä tai hapettomissa olosuhteissa.

– Turvautuminen protonien siirtoon vähäisen natriumin olosuhteissa voi helpottaa näiden bakteerien selviytymistä. Kuumat, hapettomat ja yleisesti vaikeat olosuhteet todennäköisesti muistuttavat olosuhteita, joissa elämä maapallolle on kehittynyt. Onkin mahdollista, että membraanipyrofosfataasit muodostuivat hyvin varhain evoluutiossa.

**

Perjantaina 8. toukokuuta 2015 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Arcanum, Arc1- auditorio, Arcanuminkuja 4, Turku) julkisesti tarkastettavaksi filosofian maisteri Heidi Luodon väitöskirja Unraveling the functional divergence of membrane-bound pyrophosphatases (Membraanipyrofosfataasi: toiminnallisesti monimuotoinen ionipumppu). Virallisena vastaväittäjänä toimii professori Volker Müller Goethe-yliopistosta Frankfurtista Saksasta ja kustoksena professori Reijo Lahti.

FM Heidi Luoto on syntynyt 1985 ja kirjoittanut ylioppilaaksi vuonna 2004 Someron lukiosta. Filosofian maisteriksi Luoto valmistui vuonna 2009 Turun yliopistosta. Luoto toimii tohtorikoulutettavana Turun yliopiston Biokemian laitoksella. Väitös kuuluu biokemian alaan.