Toen Han Bao op zoek ging naar een nieuwe cyanobacteriënsoort om te bestuderen, ze had geen idee dat de perfecte kandidaat net boven was.

Han maakt deel uit van het project van het Kerfeld-lab rond het oranje carotenoïde-eiwit (OCP), een eiwit dat reageert op licht uit de omgeving om zijn gastheren te beschermen, cyanobacteriën (voorheen bekend als "blauwgroene algen").

De belangstelling voor de OCP is tweeledig:ten eerste, het speelt een prominente rol bij de fotosynthese van cyanobacteriën, en het Kerfeld-lab wil begrijpen hoe het werkt.

Die kennis willen ze vervolgens gebruiken om dit eiwit te re-engineeren voor toepassingen in hernieuwbare energie en geneeskunde.

En nadat Han en haar laboratoriumgenoten een bio-informatische analyse hadden uitgevoerd op cyanobacteriële genomen (een genoom is een volledige kopie van de DNA-blauwdruk van een organisme), ze ontdekte het Montgomery lab, ook bij het MSU-DOE Plant Research Laboratory, is gespecialiseerd in een soort die haar studie van een nieuwe familie van OCP-eiwitten die ze identificeerde zou vergemakkelijken.

Haar studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Planten (het artikel haalde de omslag van het tijdschrift), introduceert en beschrijft deze nieuwe familie, genaamd OCP2.

Een toenemend aantal genomen van cyanobacteriën

"De meeste van de eerdere onderzoeken naar de OCP richten zich op die gevonden in een cyanobacterie genaamd Synechocystis, " zegt Han. "Deze OCP, bekend als OCP1, is zeer goed bestudeerd."

Maar de afgelopen vijf jaar honderden cyanobacteriële genomen zijn beschikbaar gekomen voor analyse.

De gegevens laten wetenschappers zien hoe de huidige OCP's, en hun domeinhomologen, zijn in de loop van miljarden jaren geëvolueerd in verschillende cyanobacteriën, geleidelijk diversifiëren en specialiseren in verschillende functies.

Ten slotte, cyanobacteriën zijn geavanceerde organismen, leven in dramatisch verschillende omgevingen rond de planeet, van ijskoude arctische gebieden tot warmwaterbronnen in Yellowstone National Park.

OCP's hebben zich dienovereenkomstig aangepast om cyanobacteriën te beschermen tegen blootstelling aan schadelijk licht. En hun functionele diversiteit is interessant voor het ontwikkelen van duurzame energie of het bedenken van nieuwe zorghulpmiddelen, daarom wil het Kerfeld-lab begrijpen hoe verschillende OCP-families werken.

Introductie van OCP2

"We hebben een bio-informatica-analyse gedaan om alle genomen van cyanobacteriën te analyseren die beschikbaar zijn in de database, ", zegt Han. "We hebben twee nieuwe OCP-families gevonden, verder dan de goed bestudeerde OCP1. We richtten onze aandacht op OCP2, gevonden in de cyanobacterie, Fremyella, die wordt bestudeerd door het Montgomery-lab."

interessant, OCP-evolutie heeft ertoe geleid dat zowel OCP1 als OCP2 aanwezig zijn in Fremyella, het creëren van een geweldige kans om beide families in één organisme te vergelijken.

"We ontdekten dat OCP2 andere eigenschappen heeft dan OCP1. Bijvoorbeeld:OCP2 reageert veel sneller op veranderingen in omgevingslichtomstandigheden."

Anderzijds, OCP2 heeft een relatief hogere lichtintensiteit nodig voordat het wordt geactiveerd om de cyanobacterie te beschermen, terwijl OCP1 het kan beschermen bij lagere lichtintensiteiten.

De structuur van OCP2 is ook eenvoudiger dan die van OCP1. Han en het Kerfeld-lab denken dat dergelijke kenmerken suggereren dat OCP2 een primitiever eiwit is.

"We hebben meer evolutionair bewijs om die bewering te ondersteunen. We weten dat OCP1 is geëvolueerd om te interageren met een ander eiwit in Fremyella, FRP (fluorescentieherstelproteïne) genoemd. Wat FRP's doen, is het herstel van de OCP1 in het donker versnellen. Maar, OCP2 heeft geen interactie met FRP."

Dit is wat ze denkt dat er is gebeurd. OCP1 is geëvolueerd om te interageren met FRP als een manier om een ​​reguleringslaag toe te voegen, in zijn zoektocht om cyanobacteriën te beschermen.

Hoewel die extra interactie OCP1 vertraagt, het maakt het beter - verfijnder - of "slimmer" in zijn werk.

Een goede analogie is bureaucratische rompslomp:de interactie met FRP is als een extra laag papierwerk, die de activiteiten van een bedrijf vertraagt. Maar gewoonlijk, gevestigde bureaucratieën zijn stabieler.

Maar dat OCP2 primitief is, betekent niet dat het minder nuttig is, vooral bij het overwegen van toepassingen in de synthetische biologie.

"Verschillende families hebben unieke, interessante kenmerken. Een andere studie in ons laboratorium liet net zien hoe OCP1 en OCP2 anders werken als we ze uit elkaar halen en bekijken. Hun verschillende eigenschappen zullen nuttig zijn om verschillende toepassingen te ontwikkelen, afhankelijk van de sterke punten van elk gezin."

Het Kerfeld-lab is op zoek naar meer OCP-families, voorbij OCP2, in zijn voortdurende zoektocht om een ​​structurele en functionele kennisbasis over dit eiwit op te bouwen.