Heidi Luoto toteutti väitöstutkimuksenaan kattavan biokemiallisen kartoituksen membraanipyrofosfataasi-nimisille ionipumpuille. Kartoitus osoitti ionipumpun toiminnaltaan yllättävän monipuoliseksi.
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 väitöstiedotteessaan.
– Membraanipyrofosfataasien toiminnan tunteminen on tärkeää, koska niiden käyttö bioteknologisina työkaluina voi mahdollistaa esimerkiksi entistä satoisampien ja haastavia kasvuolosuhteita kestävien kasvilajikkeiden kehittämisen, hän jatkaa.
Taudinaiheuttajille tärkeiden membraanipyrofosfataasien toiminnan estäminen voi tulevaisuudessa myös tuottaa uusia lääkkeitä esimerkiksi malariaan, unitautiin tai bakteeritulehduksiin.
Luoto löysi membraanipyrofosfataaseille uusia toimintoja ja selvitti, miten näiden toimintojen evoluutio on voinut tapahtua. Tutkimuksen ansiosta membraanipyrofosfataasien pumppaustoiminta voidaan jatkossa ennustaa suoraan aminohappojärjestyksestä.
Turun yliopiston mukaan 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, väittelijä Luoto kertoo.
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.
FM Heidi Luodon väitöskirja Unraveling the functional divergence of membrane-bound pyrophosphatases tarkastetaan perjantaina 8. toukokuuta Turun yliopistossa.
