Väitös 1.9.2023: Punaisen valon reseptoriproteiini fytokromi käyttää proteiiniuloketta aktiivisuuden säätelyyn (Kurttila)

Fytokromeja löytyy mm. kasveista, sienistä ja bakteereista. Ne pystyvät havaitsemaan punaisen valon aallonpituuksia ja kääntämään valosignaalin biokemialliseen muotoon, mikä saa aikaan muutoksen solun ja lopulta koko eliön toiminnassa.  

— Esimerkiksi auringonkukat kasvavat hyvin tasakorkuisina loppukesänä kukoistavilla pelloilla juuri fytokromien ansiosta, Moona Kurttila kertoo. 

Fytokromeissa on valon aistiva ja toiminnallinen osa. Valon aistiva osa vastaanottaa valosignaalin ja säätelee toiminnallisen osan aktiivisuutta. Aktiivisena toiminnallinen osa lähettää signaalin solussa eteenpäin. Käännösmekanismi fotonista biokemialliseksi signaaliksi on kuitenkin melko monimutkainen ja voi kestää molekylaarisessa mittakaavassa hyvinkin kauan, sekunnin tuhannes- jopa kymmenesosia.   

Ulokkeen liike säätelee aktiivisuutta 

Kurttila valotti väitöstutkimuksessaan bakteerifytokromin valoa aistivan osan rakennemuutoksia, joita vaaditaan systeemin aktiivisuuden säätelyyn. Erityinen huomio työssä oli erikoisessa proteiiniulokkeessa, joka kuroutuu silmukkana lähelle kromoforia. 

— Yleensä sanotaan, että proteiinin sekundäärirakenne eli laskostuminen määräytyy proteiinin rakennuspalikoiden eli aminohappojen järjestyksen perusteella. Ulokkeessa rakenne kuitenkin vaihtelee levymäisen ja kierremäisen laskoksen välillä valo-olosuhteiden mukaan, Kurttila selventää ulokkeen ainutlaatuisuutta.  

Aiemmin ulokkeen välttämättömyyttä aktiivisuuden säätelyyn ei kuitenkaan ole pystytty osoittamaan. Kurttila käytti työssään spektroskooppisia, biokemiallisia ja rakenteellisia menetelmiä, joita yhdistelemällä saatiin lisää tietoa ulokkeen roolista signaalinvälityksessä. 

— Yksi tärkeimmistä havainnoistamme oli, että ilman uloketta, fytokromin biokemiallista aktiivisuutta ei voida säädellä lainkaan, eli se on välttämätön signaalinvälityksessä. Pystyimme myös osoittamaan, että valosignaalin seurauksena uloke suorittaa rakenteellisen muutoksen koreografiansa samassa tahdissa kuin kromofori, Kurttila kertoo väitöskirjansa tuloksista. 

Kohti sovelluksia ja kokonaiskuvaa 

Bakteerifytokromeilla on ominaisuuksiensa vuoksi paljon potentiaalia optogenetiikassa, missä haluttuja solun toimintoja säädellään valon avulla. Systeemin soveltaminen vaatii kuitenkin tarkkaa tietämystä sen toiminnasta ja säätelystä. 

— Näytimme, että keinotekoinen fytokromi, joka käyttää eri proteiinista otettua toiminnallista osaa, voi toimia lähes yhtä tehokkaasti kuin luonnon fytokromi. Tunnistimme myös fytokromin osia, joita muokkaamalla voidaan säätää systeemin aktivoitumistehokkuutta, Kurttila kertoo tulevaisuuden sovelluksille tärkeistä löydöksistä. 

Kurttilan väitöskirjassa tehdyt havainnot ovat tärkeitä askelmerkkejä fytokromin signalointimekanismin kokonaiskuvan rakentamisessa.  

— Löydökset avaavat uusia tutkimuskysymyksiä fytokromikentälle, mutta tulevat olemaan myös erittäin merkittävässä roolissa tulevaisuudessa, Kurttila sanoo. 

Signalointimekanismit voidaan ratkaista jokaista yksityiskohtaa ja tarkkaa aikaskaalaa myöten vain tietokonesimulaatioilla. Vielä tehot eivät riitä näin suuren systeemin mallinnukseen. Kun se on mahdollista, tämänkin tutkimuksen tuottamat tulokset antavat simulaatioille erittäin tärkeitä raja-arvoja ja viitekehyksiä.   

FM Moona Kurttilan väitöskirjan "Tripping the Light Fantastic: Signal Transduction Pathways in a Bacterial Phytochrome" tarkastustilaisuus järjestetään 1.9.2023 klo 12 Bio- ja ympäristötieteiden laitoksen salissa YAA303. Vastaväittäjänä toimii professori Klaas Hellingwerf (Amsterdamin yliopisto) ja kustoksena professori Janne Ihalainen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti. 

Yleisö voi seurata väitöstilaisuutta salissa YAA303 tai verkkovälitteisesti. Linkki suoraan lähetykseen: https://r.jyu.fi/dissertation-kurttila010923 

Julkaisutiedot 

Väitöskirja “Tripping the Light Fantastic: Signal Transduction Pathways in a Bacterial Phytochrome” on luettavissa JYX-julkaisuarkistossa: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-9713-7 

Moona Kurttila kirjoitti ylioppilaaksi Itä-Suomen koulun lukiosta Joensuussa vuonna 2014. Hän suoritti yhteiskuntatieteiden kandidaatin tutkinnon Jyväskylän yliopistossa 2017 pääaineenaan filosofia. Filosofia vaihtui lennosta solu- ja molekyylibiologiaan, ja Kurttila valmistui filosofian maisteriksi 2019. Pian valmistumisensa jälkeen hän aloitti työt väitöskirjatutkijana Nanotiedekeskuksessa professori Janne Ihalaisen nanobiologian tutkimusryhmässä.