Kalcium är ett mycket speciellt näringsämne. I cellerna hos de flesta levande varelser fungerar kalciumjoner som så kallade andra budbärare för att överföra viktiga signaler. Detsamma gäller för djur-, växt- och svampceller. Genom samarbete mellan flera forskningsinstitut på nationell och internationell nivå har medlemmar i arbetsgruppen "Plant Energy Biology" vid Münster University, ledd av prof. Markus Schwarzländer, och i teamet ledd av prof. Alex Costa vid universitetet i Milano, har nu identifierat det molekylära maskineriet som gör att kalciumjoner kan tas upp i växtcellers mitokondrier – och att denna form av transport spelar en viktig roll i deras reaktion på beröring. Studien har nu publicerats i tidskriften The Plant Cell .

Hur kalciumjonerna kommer in i mitokondrierna

"Det är häpnadsväckande att en så enkel jon kan vara så viktig för att överföra information", säger Markus Schwarzländer. "Vi antar att kalciumjonerna utvecklar denna potential genom den exakta platsen och tidpunkten för deras utplacering." Det har redan varit känt sedan 1965 att växtmitokondrier kan ta upp kalciumjoner och på detta sätt – förmodligen – vara involverade i kalciumsignalvägar. Hur exakt transporten möjliggjordes var dock omtvistad i decennier. För de flesta joner är det inre mitokondrimembranet ogenomträngligt, men vissa proteiner i membranet kan se till att kalciumjonerna kan passera genom detta delvis permeabla membran och därmed möjliggöra att signaler överförs i denna cellorganell.

När det gäller djur löstes frågan om identiteten av den mitokondriella kalciumkanalen 2011 när forskare vid universiteten i Harvard och Padua upptäckte kalciumkanalen MCU (mitochondrial calcium uniporter). Detta genombrott banade vägen för upptäckten att växter också innehåller MCU-gener. Det som dock fortfarande var oklart var om dessa gener också bildar kalciumkanaler i den levande cellen – inte minst för att upptaget av kalciumjoner i animaliska mitokondrier uppvisar markant andra mönster än dem i växtmitokondrier.

Genuttryck avslöjar betydelsen av kalciumjontransport för cellulära kraftverk

För att klargöra vilken roll MCU spelar i växtceller, var Münster-forskarna tvungna att samtidigt inaktivera tre av de sex MCU-generna i modellväxten Arabidopsis thaliana. Som ett resultat begränsade de kapaciteten hos det cellulära maskineriet och kunde därmed för första gången i en levande anläggning observera de konsekvenser som denna begränsning leder till. För detta ändamål använde de ett fluorescerande protein som indikerar förändringar i koncentrationen av kalciumjoner i mitokondrierna i form av en ljussignal.

Det som kunde ses var att, som ett resultat av att MCU-generna hade avaktiverats, kom ett mycket lägre antal kalciumjoner in i mitokondrierna. Det betyder att forskarna inte bara har visat att levande växtceller - på samma sätt som djurceller - transporterar sina kalciumjoner in i mitokondrierna genom MCU-kanalerna. "Vi kunde också", säger Markus Schwarzländer, "visa att detta är den överlägset viktigaste vägen för att snabbt transportera kalciumjoner in i mitokondrierna. Det betyder att vi nu har möjlighet att styra signalöverföringen av kalciumjoner till cellkraften. stationer och därmed eventuellt påverka den kodade informationen."

Efter denna banbrytande observation använde teamet växter med nedsatt mitokondriell kalciumtransportkapacitet för att försöka ta reda på vilken roll mitokondriellt kalcium spelar för växten och dess kondition. När det gäller djur reglerar kalciumjoner i mitokondrierna energiproduktionen – men det fanns inga tecken på en liknande funktion hos växter.

Genom att analysera uttrycket av hela växtgenomet kunde forskarna nu visa att den minskade transportkapaciteten för kalciumjoner har en inverkan på regleringen av växthormonet jasmonsyra. Jasmonsyra är ett försvarshormon i växter som ger skydd mot växtätare genom att aktiveras om växten skadas. Bland annat styr jasmonsyra också åldrandet – dvs. det reglerade döendet av vävnader – såväl som svar på mekaniska stimuli som att bli berörd.

Växterna som manipulerades av forskarna visade något försenad åldrande:i mörka omgivningar förlorade bladen sin gröna pigmentering mindre snabbt. De visade också en markant svagare reaktion på beröring. "Det som är särskilt överraskande för oss", säger Schwarzländer, "är att det uppenbarligen finns ett samband mellan transporten av kalciumjoner in i mitokondrierna och den reglerande process som styrs av jasmonsyran. Resultaten visar att molekylära processer som absorption av kalciumjoner i mitokondrierna, som har bevarats i djur och växter genom evolutionen, kan användas för att fylla nya funktioner."

En riktad omprogrammering av mitokondriell kalciumtransport verkar vara en intressant väg, eftersom det kan vara användbart att kontrollera reaktionen på beröring – till exempel inom jordbruket, där växter ofta planteras tätt tillsammans.

Undersökningar med syntetiska biosensorer

En av de centrala metoderna som användes i den nu publicerade studien var "in vivo biosensorik". Här designas proteiner – med molekylärbiologiska och bioteknologiska metoder – på ett sådant sätt att de fungerar som syntetiska mätsensorer i levande organismer. När växter omvandlas genetiskt – producerar de själva en sensor som ger levande information om cellers status i levande växter. Dessutom kan dessa biologiska sensorer användas för mätändamål i specifika områden av cellen. Detta uppnås genom att placera dem genetiskt i ett visst fack i cellen. Att göra detta med traditionella metoder är svårt eftersom i sådana metoder cellen vanligtvis är trasig, vilket leder till att all organisation i cellen går förlorad.