Өсімдіктер физиологиясы және мембраналық көлік саласындағы ғалымның зерттеулері

Кіріспе

Британдық ғалым Джон Иннес орталығы Йорк университеті Йель университеті – Англияның Норвич қаласында өсімдік ғылымдары және микробиология саласындағы зерттеу институты.

Білім

Сандерс Хемель Хемпстед мектебінде білім алған. 1971 жылдан 1974 жылға дейін Йорк университетінде биологияны оқып, 1-ші сыныптық құрметпен бітірген, иондардың сигнал берудегі және қоректік заттардағы рөлін зерттеді. Сандерстің докторлық диссертациясы кезіндегі ең маңызды жаңалығы – өсімдіктердегі органикалық емес аниондардың сіңуі протондық градиентпен қамтамасыз етілетінін нақты дәлелдеу болды және тасымалдаудың жасушаішілік иондық концентрациялар арқылы реттелетінін көрсетті. Йель университетінің Медицина мектебіндегі постдокторант ретіндегі келесі зерттеулерінде жасушаішілік pH-ты бақылау мен плазмалық мембраналық протондық сорғының активтігі арасындағы өзара әрекеттесуді өлшеу және түсіндірудің алғашқы әдістерін жасады. Протондық сорғының реттелуі жасушаішілік pH-ты қалай басқаратынын және керісінше, жасушаішілік pH протондық сорғыны қалай басқаратынын көрсетті. Бұл жұмыс саңырауқұлақтар мен өсімдік жасушаларындағы мембраналық тасымалдау және жасушалық гомеостаздың өзара байланысын түсіну үшін үлгі ретінде қызмет етті. Йорк университетіндегі академиялық қызметке кіріскен кезде Сандерс өсімдік жасушалық сигнализациясы мен мембраналық тасымалдауға жаңа электрофизиологиялық тәсілдерді әзірледі. Сандерстің зертханасы цитозольдік еркін кальций мен фотосинтез активтілігі арасындағы маңызды байланысты көрсетті және көптеген техникалық жетістіктер арқылы өсімдік вакуоліндегі мембраналық тасымалдаудың физиологиялық талапқа жауап ретінде қалай энергиямен қамтамасыз етілетінін және реттелетінін көрсетті. Сандерс сонымен қатар өсімдіктердегі ерітінділердің сіңуінің күрделі кинетикасын түсіндіретін біріктірілген математикалық теорияны жасады, сондай-ақ жоғары өсімдіктердегі жасушаішілік кальций деңгейіндегі уақытша өзгерістерді өлшеу үшін алғашқы әдістемені құрастырды және фотосинтез активтілігінің жарық/қарсылық өзгерістерінің кальцийдегі цитозольдік өзгерістерге өте тәуелді екенін анықтады. Молекулалық биология кеңінен зерттелгенге дейін Сандерс өсімдіктердің вакуольдық протондық сорғысы митохондриялық АТФазаларға ұқсас екенін анықтады. Ол сондай-ақ нейрондық каналдардың қасиеттерін зерттеу үшін алғаш рет әзірленген электрофизиологиялық техникаларды бейімдеді, нәтижесінде вакуольдық мембраналардағы сорғылар биохимиялық әдістермен болжауға болмайтын иондық градиенттерге кинетикалық жауап беретіні анықталды. Сонымен қатар, ол вакуольдық мембраналардың иондарды электрлік күшпен босататынын анықтады. Электрофизиологиялық және биохимиялық тәсілдерді қолдана отырып, Сандерс алғаш рет өсімдіктерде метаболиттердің вакуольдерден кальцийді (жасушалық сигналды) босатуға ынталандырушы ретінде әрекет ететінін анықтады. Сандерс дәнді дақылдарды адамға қажетті минералды қоректік заттармен байыту принциптерін және кальций өткізгіш каналдарды молекулалық тұрғыдан сипаттады. Ол сондай-ақ алғашқы (және жалғыз) ашытқының кальций каналын ашты және жапсырмалы тұтқа зерттеулері үшін жасуша түрлерін ажырату үшін жасушаларды қалай белгілеуге болатынын көрсетті. Сандерс өсімдіктердегі циклді нуклеотидтерге қатысты каналдардың рөлін зерттеуде де маңызды рөл атқарды, олар ашылудың алғашқы кезеңінде зерттелді және өсімдік бактериялық симбиозы сигнализациясындағы маңызды рөлді көрсеткен басқа зертханамен бірлескен маңызды жарияланымға әкелді. Оның кең ауқымды жаңалықтарынан басқа, ол өсімдіктердегі кальций сигнализациясы туралы ықпалды шолулар жазды, олар Google Scholar-да 3300 біріктірілген сілтемеге ие. Кальций каналдары бойынша жұмысын одан әрі дамыту үшін ол TPC1 каналы өсімдік вакуольдық мембраналары арқылы ион алмасудың негізгі жолы екенін анықтады. Олардың TPC1 каналы кальцийдің босатылуына қатысады деген болжамдары алғаш рет Сандерс зертханасының жұмысында өсімдіктерде дәлелденді. Содан кейін ол өсімдіктердің марганецке төзімділігін қамтамасыз ететін негізгі молекулалық және жасушалық механизмдерді анықтады. Сандерс өсімдік вакуольдерінде мырыш жинақталуының негізгі механизмін ашты және жақында тасымалдаушының молекулалық қасиеттерін сипаттап, тасымалдаушыны адамдардың дәнді дақылдарды тамақтану артықшылығы үшін қалай пайдалануға болатынын көрсетті. Сонымен қатар, ол қытайлық зертханамен бірлесіп күріштегі мырыш қоректің маңызды рөлін жалпыға бірдей анықтауға тырысты. Сандерстің қазіргі зерттеуі өсімдік жасушаларының қоршаған ортадағы өзгерістерге қалай жауап беретініне және олардың алған қоректік заттарын қалай сақтайтынына бағытталған. Атап айтқанда, оның тобы өсімдіктердегі жасушалық мембраналар арқылы химиялық элементтердің тасымалдануы жасушалық сигнализациямен және қоректік жағдаймен қалай байланыстырылатынын зерттейді. 2010 жылы Сандерс Джон Иннес орталығына, Норвичке директор және топ жетекшісі ретінде көшті, Қытай Ғылым академиясымен жаңа ынтымақтастықтарды құрды.

Sanders was educated at The Hemel Hempstead School. He gained a Bachelor of Arts degree from the University of York reading Biology from 1971 to 1974, graduating with 1st Class Honours. and the roles of ions in signalling and nutrient status. Sanders’ first significant finding during his PhD was to provide unequivocal evidence that inorganic anion uptake in plants is powered by a proton gradient and showed how transport is regulated through intracellular ion concentrations. In subsequent research as a post doc at Yale University School of Medicine he pioneered the first methods to measure and interpret the interplay between control of intracellular pH and activity of the plasma membrane proton pump. Showing how the regulation of the proton pump is controlled by – and in turn controls – intracellular pH. This work on a fungus served as a paradigm for understanding the interplay of membrane transport and cellular homeostasis in fungal and plant cells. On taking an academic position at the University of York, Sanders developed novel electrophysiological approaches to plant cellular signalling and membrane transport. The Sanders lab demonstrated a key link between changes in cytosolic free calcium and photosynthetic activity, and through many technical developments showed how membrane transport at the plant vacuole is energised and regulated in response to physiological demand. Sanders also developed a unified mathematical theory that explained complex kinetics of solute uptake in plants, along with having created the first methodology to measure transient changes in intracellular calcium levels in higher plants, and discovered that light/dark changes in photosynthetic activity were highly dependent on cytosolic changes in calcium. In the days before extensive molecular biology, Sanders discovered that the vacuolar proton pump of plants was essentially similar to mitochondrial ATPases. He also adapted electrophysiological techniques first developed for exploration of neuronal channel properties to determine that pumps at vacuolar membranes exhibit kinetic responses to ion gradients that would not be predicted through biochemical means. Parallel to this, he discovered that vacuolar membranes exhibit electrically driven ion release. Using both electrophysiological and biochemical approaches, Sanders was able to establish for the first time in plants that metabolites can act as triggers for release of calcium (a cellular signal) from vacuoles. Sanders established principles for biofortification of cereal crops with essential human mineral nutrients, and molecularly characterised calcium permeable channels. Sanders also discovered and characterised the first (and only) yeast calcium channel and demonstrated how cell marking can be used to distinguish cell types for patch clamp studies. Sanders also had influence in the investigation into the roles of plant cyclic nucleotide gated channels that were explored at an early stage of discovery and resulted in a major collaborative publication with another lab demonstrating a key role in plant bacterial symbiosis signalling. On top of his extensive discoveries, he has also written influential reviews on calcium signalling in plants, which have 3,300 combined citations on Google Scholar. To further his work on calcium channels, he then discovered that the TPC1 channel is the major pathway for ion exchange across plant vacuolar membranes. Their speculations that the TPC1 channel is involved in Calcium induced calcium release were proven for the first time in plants in work from Sanders’ lab. He then established the principal molecular and cellular mechanisms for plant tolerance to manganese toxicity. Sanders has discovered the major mechanism of zinc accumulation in plant vacuoles, and more recently characterised the molecular properties of the transporter and showed how the transporter could be used for nutritional benefit for human consumption of cereal grains. On top of further collaborating with a Chinese lab to establish more generally the important role of zinc nutrition in rice. Sander’s current research focuses on how plant cells respond to changes in their environment and how they store the nutrients they acquire. In particular, his group work on how transport of chemical elements across cell membranes in plants is integrated with cellular signalling and nutritional status. In 2010 Sanders moved to the John Innes Centre, Norwich, as director and group leader, establishing new collaborations with the Chinese Academy of Sciences.