I mitokondrierna samspelar membranbundna proteingrupper för att omsätta energi i kroppens celler. Med hjälp av avancerade fysikaliska tekniker försöker forskare på Stockholms universitet nu klargöra hur denna mycket komplexa energifabrik fungerar i sin helhet.
Projektanslag 2013
Architecture and functional dynamics of the cellular power plant
Huvudsökande:
Peter Brzezinski, professor i biokemi
Medsökande:
Stockholms universitet
Martin Högbom
Martin Ott
Christoph von Ballmoos
Pia Ädelroth
Lärosäte:
Stockholms universitet
Beviljat anslag:
39, 1 miljoner kronor
under fem år
Mitokondrier är en så kallad cellorganell, det vill säga en egen enhet inuti cellerna. De har två väggar, membran, som skiljer dem från resten av cellen. I det inre membranet finns särskilda proteiner som utbyter elektroner med varandra och pumpar protoner från den ena sidan av membranet till den andra sidan. På så sätt laddas membranet upp, det blir plus på den ena sidan och minus på den andra, som ett batteri. Laddningen utnyttjas för att tillverka adenosintrifosfat, ATP, som sedan kan användas som energikälla till det mesta som en cell behöver göra.
Processen kallas cellandning och bygger på ett utvecklat samspel mellan en lång rad proteiner som finns i det inre membranet. Upptäckten och beskrivningen av hur dessa proteiner sitter ihop och samverkar i proteingrupper kulminerade år 1997 med ett Nobelpris i kemi som belönade klargörandet av hur ATP produceras. Man föreställde sig då att dessa proteingrupper ”simmade runt” i membranen var för sig och var sammankopplade via sin funktion – som en kedja av reaktioner.
Superkomplex som hålls ihop av limproteiner
De senaste 15 åren har det dock kommit flera rapporter i internationella tidskrifter som visar att andningskedjans proteingrupper sitter ihop och samverkar i så kallade superkomplex. 2012 och 2013 hittade man också helt nya membranproteiner, små proteiner som fungerar som lim mellan proteingrupperna och på så sätt håller ihop superkomplexen.
– Den enklaste bilden av andningskedjan är att alla proteiner simmar runt var för sig i mitokondriernas membran. Nästa nivå är att de sitter ihop i proteingrupper och då har man fortfarande hanterbara enheter som är kombinationer av proteiner som vi känner till. Men nästa steg, och det var det som framkom i de här rapporterna, är att det inte är så enkelt utan att grupper av membranproteiner slår ihop sig i olika kombinationer, superkomplex, under vissa förhållanden men inte under andra förhållanden, berättar Peter Brzezinski.
Plötsligt har bilden av andningskedjan blivit än mer komplex.
– Det tyder på en mycket avancerad form av reglering där cellen styr sammanslagningen av stora membranproteiner och grupper av membranproteiner i mitokondriernas inre membran genom att se till att olika små limproteiner finns tillgängliga i olika mängder.
Många spännande frågor
Med ett projektanslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse vill Peter Brzezinski och hans kollegor nu skapa klarhet i hur andningskedjan fungerar i sin helhet. Frågorna de söker svar på är lika många som de är spännande, till exempel: Varför behövs över huvud taget samspelet mellan olika grupper av membranbundna proteiner? Räcker det inte med att proteingrupperna var för sig omsätter energi? Varför behövs den här typen av reglering i mitokondrierna? Är det så att olika mängd energi behövs vid olika tillfällen, eller behövs regleringen för att kontrollera hur snabbt energin frigörs?
– Det finns också nya resultat som tyder på att det finns färre och färre superkomplex ju äldre man blir och att fler proteiner då är fria. En intressant fråga är då varför superkomplexen inte styrs och anpassas lika mycket när man blir äldre.
Projektet är ett samarbete mellan fem forskargrupper på institutionen för biokemi och biofysik vid Stockholms universitet. Alla grupper är generellt intresserade av proteinstrukturer och energiomsättning i celler och levande organismer, och använder avancerade fysikaliska tekniker som utvecklats på institutionen.
– Det som är unikt för våra tekniker är att vi med en tidsupplösning som handlar om nanosekunder kan titta på hur enskilda elektroner och protoner rör sig i varje protein och även i membranet.
Tre angreppssätt används
Forskargrupperna kompletterar varandra genom att de studerar andningskedjan på olika nivåer och utifrån olika infallsvinklar. I grova drag används tre angreppssätt inom projektet.
Ett sätt är att odla jäst under olika förhållanden, rena fram delar av mitokondrierna för att sedan studera funktionen, både hos enskilda komponenter, superkomplex och hela cellen.
Ett annat sätt är att rena fram superkomplexen, studera dem för att förstå grundläggande principer och mekanismer på molekylär nivå och bestämma deras struktur med hjälp av så kallad röntgenkristallografi.
Ett tredje sätt är att återskapa mitokondriens energifabrik bit för bit för att förstå vilka komponenter som är viktiga för att helheten ska fungera. Det gör man genom att rena fram varje proteingrupp och varje limprotein för sig och sedan sätta ihop dem i provrör för att på så sätt skapa en ”konstgjord mitokondrie”.
– Den stora utmaningen blir att förstå och tolka det vi kommer att se. Ju större system och ju fler komponenter desto fler tolkningsmöjligheter finns det ju. Men det känns väldigt roligt och spännande. Det erbjuder ett helt nytt sätt att tänka.
Text Anders Esselin
Bild Magnus Bergström
Peter Brzezinskis grupp studerar enskilda proteiner för att förstå grundläggande mekanismer på molekylär nivå.
Pia Ädelroths grupp tittar också på enskilda proteiner men med fokus på hur kvävemonoxid tas om hand och hur den processen frigör energi.
Martin Högboms grupp bestämmer proteinstrukturer med hjälp av kristallografi.
Christoph von Ballmoos grupp sätter ihop flera renade proteiner i samma membran för att studera hur proteinerna samverkar.
Martin Otts grupp manipulerar jäst med genetiska metoder för att studera hur proteiner sätts ihop och fungerar i hela mitokondrier.
