Architecture and Functional Dynamics of the Cellular Power Plant


Project leader


Co-Investigators


Funding source

The Knut and Alice Wallenberg Foundation


Project Details

Start date: 01/01/2014
End date: 31/12/2018
Funding: 49805000 SEK


Description

English abstractThe project aims to explore and understand the higher level organization and functionality of the cellular energy-conversion machinery. Starting from phenotypic observations in whole organisms, these proposed studies aim at understanding the principles of regulated interactions between membrane-bound proteins and the role of regulatory membrane protein and lipid components in these interactions at a molecular level. The principles are general and central for the understanding of regulatory interactions and dynamics within biological membranes. The unique combined expertise of the applicants will allow the use of imaging and (ultrafast) time-resolved spectroscopic techniques to perform kinetic measurements on intact mitochondria and membrane segments, aimed at deciphering complex cellular processes. So far, these techniques have been used only for studies of individual purified proteins. The project also includes development of novel techniques for isolation of weakly interacting membrane proteins and supramolecular protein assemblies, a current bottleneck for numerous studies. Furthermore, functionally important components of the cellular machinery will be reconstituted in vitro into a native lipid bilayer environment to determine the minimum composition of the cellular milieu that promotes functional interactions, formation of supramolecular assemblies and can replicate the in vivo function. The technical difficulty with handling membrane proteins has severely decelerated the progress of understanding complex interactions within biological membranes. However, very recent progress and innovation makes it feasible to bring our expertise together with the aim at understanding these processes in terms of physical mechanisms. Combining genetic manipulation of a number of target organisms, including phenotypic readouts, with sophisticated time-resolved spectroscopic techniques is a promising approach to investigate complex cellular functions under in vivo conditions.Svensk projektbeskrivningArkitektur och koreografi i cellens energifabriker

Genom att använda avancerade fysikaliska tekniker direkt på hela celler hoppas vi kunna lära oss mer om och hur cellernas energifabriker, mitokondrier, fungerar på en molekylär nivå. Det skulle hjälpa till att skapa en generell bild av hur proteiner i olika membran samspelar och vilken betydelse detta har för en cell. Tanken är också att vi ska skapa en konstgjord mitokondriecell för att lättare förstå vilka komponenter som krävs för att få den att fungera.

I varje cell finns organeller som har specialiserade funktioner. Dessa organeller omges av biologiska membraner vilka omsluter det maskineri som är nödvändigt för att utföra specifika funktioner. En sådan organell är mitokondrien som är cellens energifabrik. I dess membran transporteras "energirika elektroner" genom den så kallade andningskedjan till det syre som djuren andas. Andningskedjan är uppbyggd av proteiner som är bundna i mitokondriens inre membran. Dessa proteiner är "molekylära maskiner" som använder energi från elektron-strömmen till att pumpa vätejoner genom membranet som på detta sätt blir uppladdat. När "batteriet" laddas ur via andra specialiserade membranproteiner frigörs energi som används till att producera en slags ”energivaluta”, ATP, som sedan används för att utföra muskelarbete, bygga upp nya proteiner eller fundera på hur allt detta fungerar (nervledning t.ex. i hjärnan).

På senare år har man visat att andningskedjans membranbundna proteinmaskiner sitter ihop i superkomplex som samverkar för att "producera energi" mer effektivt. Modulerna i dessa arkitektoniska giganter sitter ihopklistrade med speciella lipidmolekyler, men de är inte statiska och koreografin i deras samverkan bestäms av membranets uppbyggnad och speciella reglerproteiner. Med andra ord kan mitokondriernas komplexa energifabriker omorganiseras och produktionsvägarna anpassas till yttre förhållanden och behov. Förändringar i detta dynamiska samspel är kopplat till åldrande. Nedärvda eller förvärvade förändringar i proteinerna leder till allvarliga, så kallade mitokondriella sjukdomar.

Man har sedan länge kunnat rena fram andningskedjans proteinmaskiner och studera hur dessa enskilda komponenter ser ut och fungerar med hjälp av biokemiska och biofysikaliska tekniker. Andra forskare har studerat hela organeller för att försöka förstå deras funktion. Man har däremot aldrig kombinerat dessa angreppssätt, vilket vi vill göra i detta projekt. Med hjälp av avancerade fysikaliska tekniker, som tidigare har använts för studier av enskilda komponenter, vill vi studera och förstå mitokondriens hela energifabrik på molekylär nivå. Vi vill utföra dessa studier dels i bakterier och dels i jästmitokondrier eftersom proteinerna kan manipuleras med genetiska metoder. Vi kan modifiera proteinernas arkitektur för att studera vilka delar som är viktiga för samspelet och helhetsfunktionen. Vi kan fästa fluorescenta markörer på ytan för att studera samspel och dynamik. Förutom att rena fram alla proteinkomponenter vill vi utveckla metoder för rening av hela superkomplex. Frågeställningar som ”hur regleras samspelet mellan de olika proteinmodulerna, hur styrs reaktionsvägarna och hur påverkar detta samspel funktionen?” kommer att angripas. Vi vill också utveckla nya metoder för att isolera, studera och bestämma strukturen av hela superkomplex. Dessutom vill vi återskapa mitokondriens energifabrik, bit för bit, i en konstgjord "mitokondriecell" för att förstå vilka komponenter som är viktiga för att helheten skall fungera.

Genom de kunskaper som utvinns ur projektet kommer vi inte bara att lära oss hur cellernas energifabriker fungerar, vi kommer även att kunna testa sjukdomsmodeller i jästmitokondrier och söka förstå dessa på molekylär nivå. Dessutom är samspel mellan membranproteiner en central funktion på alla nivåer i en cell. En ökad förståelse av processerna som sker på molekylär nivå leder till att vi kan skapa en övergripande, generell bild av samspelet.


Last updated on 2017-23-03 at 09:01