I fremtiden skal ris kunne dyrkes på havkysten og i stedet for at bruge værdifuldt ferskvand til kunstvanding, skal landbrugsplanterne vandes med saltvand.

Den vision er blot en af de mange praktiske anvendelsesmuligheder for resultaterne af det enorme grundvidenskabelige gennembrud, som danske forskere netop har offentliggjort med hele tre artikler i det prestigefyldte tidsskrift Nature.

Danske forskere fra Aarhus Universitet og Københavns Universitet har klarlagt den detaljerede opbygning af tre biologiske ionpumper, som sikrer hjernecellernes nervesignaler, får hjertet til at slå, og tillader planternes rødder at optage næring.

Den tredobbelte opdagelse bygger på det arbejde, som den danske Nobelprismodtager Jens Chr. Skou grundlagde for 50 år siden, da han påviste eksistensen af den første ionpumpe nogensinde.

Pumperne sørger for at transportere ioner ind og ud af cellen, og på den måde kan de dels opretholde cellens indre miljø, men også - eftersom ioner er elektrisk ladede - skabe en spændingsforskel henover cellemembranen.

Pumper er livsvigtige

Der sidder adskillige ionpumper i membranen omkring hver eneste celle i alle dyr og planter, og de er så vigtige for livsfunktionerne, at en organisme bruger op mod halvdelen af al sin energi på at holde dem i gang.

De tre pumper, som forskerne har studeret, er natrium-kaliumpumpen og calciumpumpen fra dyr samt planternes protonpumpe, som pumper brintioner.

Allerede nu er forskerne i gang med at omdanne den grundvidenskabelige indsigt til praktiske anvendelsesmuligheder.

Pumperne er opbygget af en foldet proteinkæde, som selv er sammensat af aminosyrer, og ved hjælp af en teknik kaldet røntgenkrystallografi er det lykkedes de danske forskere at kortlægge hver eneste aminosyres position i det foldede proteins rumlige struktur.

Ud fra den eksisterende viden om, hvordan mutationer i bestemte aminosyrer påvirker pumperne, er det således muligt at kombinere form og funktion og derved få et dybtgående indblik i ionpumpernes virkningsmekanisme.

Planter skal kunne tåle saltvand

Den viden vil professor Mickey Gjedde Palmgren fra Københavns Universitet nu udnytte til at designe landbrugsplanter, som kan udskille salt, og derfor kan vandes med havvand.

I mange år har man uden held forsøgt at flytte dyrenes natrium-kalium pumpe over i planternes rødder, men nu er det hensigten at ændre på de eksisterende ionpumper, så de pumper natrium i stedet for protoner.

Undersøgelserne viste nemlig meget overraskende, at pumpernes grundlæggende opbygning stort set er ens, og at selve pumpemekanismen fungerer på samme måde.

Der, hvor de forskellige ionpumper virkelig adskiller sig fra hinanden, er den lille "lomme", som omslutter ionerne, når de transporteres gennem pumpen og ud på den anden side.

De kemiske forhold ved netop de aminosyrer, som sidder i nærheden af "lommen", spiller tilsyneladende en afgørende rolle for hvilke ioner, pumpen kan transportere.

Forskerne vil derfor lave mutationer i planternes protonpumpe, så disse aminosyrer kommer til at svare til dem, der omslutter natrium-ionerne i dyrenes natrium-kaliumpumpe.

Mickey Gjedde Palmgren regner med, at de muterede planter derved får en effektiv mekanisme til at skaffe sig af med natrium, og at de således selv kan filtrere saltet ud af havvand.

Nye lægemidler mod kræft

Allerede nu findes der hjerte- og mavesårsmedicin, som retter sig mod ionpumper i henholdsvis hjertemuskulaturen og mavesækken, og med de nye forskningsresultater er vejen banet for en målrettet udvikling af helt nye lægemidler mod blandt andet kræft.

For at kunne opretholde deres uhæmmede vækst er kræftceller afhængig af calciumpumpen, og i en svulst tvinges den derfor til at pumpe mange gange hurtigere end i raske celler.

En ny kræftmedicin kunne således målrettes til at blokere for kræftcellernes evne til at skrue op for calciumpumpen.

Men resultaterne kan også komme nanoteknologien til gode. Selvom ionpumperne grundlæggende blot består af et enkelt proteinmolekyle, kan de generere en spændingsforskel på 0,25 V, og derved kan de potentielt set fungere som uendeligt små batterier, der leverer strøm til fremtidens mikroskopiske maskiner.

Jens Chr. Schou udførte sit pionerarbejde med natrium-kaliumpumpen på Aarhus Universitet, hvor man fem årtier senere stadig forsker i det samme spor under ledelse af professor Poul Nissen.

Sammen med professor Mickey Gjedde Palmgren fra Københavns Universitet, som har arbejdet med ionpumper i planter i over 20 år, modtog han tidligere i år en femårig bevilling på 51 mio. kr. fra Danmarks Grundforskningsfond til at oprette Grundforskningscentret Pumpkin. Det er den bevilling, som nu giver sit første store afkast.

Natrium-kaliumpumpen transporterer natrium ud og kalium ind i cellen, og det udnyttes blandt andet til at udskille salt, det vil sige natriumklorid, i nyrerne og til at danne de elektriske nervesignaler.

Hver pumpecyklus flytter nemlig en ekstra positivt ladet ion ud af nervecellen, så der skabes en spændingsforskel, som kan forplante sig langs nervebanen.

Calciumpumpen er blandt andet afgørende for musklernes funktion, for nær store mængder calcium-ioner pludselig pumpes ind i muskelcellerne, får det muskelfibrene til at trække sig sammen. Og i planternes rødder sørger protonpumpen for at levere den energi, der skal til for at optage næringsstoffer, ved at pumpe positivt ladede protoner, altså brint-ioner, ud, så der skabes en elektrisk spændingsforskel mellem rødderne og jorden.