Als je denkt aan eiwitten - de enzymen, signaalmoleculen en structurele componenten in elk levend wezen - zou je kunnen denken aan enkele strengen aminozuren, georganiseerd als kralen aan een touwtje. Maar bijna alle eiwitten bestaan ​​uit meerdere strengen die zijn opgevouwen en aan elkaar zijn gebonden, waardoor gecompliceerde 3D-superstructuren worden gevormd die moleculaire assemblages worden genoemd. Een van de belangrijkste stappen om biologie te begrijpen, is ontdekken hoe een eiwit zijn werk doet, waarvoor kennis van zijn structuren tot op atomair niveau vereist is.

In de afgelopen eeuw hebben wetenschappers verbazingwekkende technologieën ontwikkeld en ingezet, zoals röntgenkristallografie en cryo-elektronenmicroscopie om de eiwitstructuur te bepalen, en daarmee talloze belangrijke vragen te beantwoorden. Maar nieuw werk toont aan dat het begrijpen van de eiwitstructuur soms ingewikkelder kan zijn dan we denken.

Een groep onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) die 's werelds meest voorkomende eiwit bestudeerde, een enzym dat betrokken is bij fotosynthese genaamd rubisco, toonde aan hoe evolutie kan leiden tot een verrassende diversiteit aan moleculaire assemblages die allemaal dezelfde taak vervullen. De bevindingen, vandaag gepubliceerd in Science Advances , onthullen de mogelijkheid dat veel van de eiwitten waarvan we dachten dat we ze kenden, in andere, onbekende vormen bestaan.

Historisch gezien, als wetenschappers een structuur zouden oplossen en zouden vaststellen dat een eiwit dimeer was (samengesteld uit twee eenheden), zouden ze kunnen aannemen dat vergelijkbare eiwitten ook in een dimere vorm bestonden. Maar kleine steekproefomvang en steekproefbias - onvermijdelijke factoren aangezien het erg moeilijk is om natuurlijk vloeibare eiwitten om te zetten in vaste, gekristalliseerde vormen die kunnen worden onderzocht via röntgenkristallografie - de werkelijkheid verduisterden.

"Het is alsof je naar buiten zou lopen en iemand zijn hond zag uitlaten, als je nog nooit een hond had gezien en toen een worstje zag, zou je denken:'Ok, zo zien alle honden eruit.' Maar wat je moet doen is naar het hondenpark gaan en alle hondendiversiteit zien die er is", zegt hoofdauteur Patrick Shih, een faculteitswetenschapper in de Biosciences Area en directeur van Plant Biosystems Design bij het Joint BioEnergy Institute (JBEI). "Een afhaalpunt van dit artikel dat verder gaat dan rubisco, voor alle eiwitten, is de vraag of we het ware scala aan structuren in de natuur zien, of zijn deze vooroordelen waardoor het lijkt alsof alles eruitziet als een worstje."

In de hoop alle verschillende rubisco-arrangementen in het metaforische hondenpark te verkennen en te leren waar ze vandaan kwamen, werkte Shih's lab samen met structurele biologie-experts van Bioscience Area met behulp van Berkeley Lab's Advanced Light Source. Samen bestudeerde het team een ​​type rubisco (vorm II) gevonden in bacteriën en een subset van fotosynthetische microben met behulp van traditionele kristallografie - een techniek die in staat is tot resolutie op atomair niveau - gecombineerd met een andere structuuroplossende techniek, kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS), die een lagere resolutie heeft, maar snapshots kan maken van eiwitten in hun oorspronkelijke vorm wanneer ze zich in vloeibare mengsels bevinden. SAXS heeft het extra voordeel van een hoge doorvoercapaciteit, wat betekent dat het tientallen individuele eiwitassemblages snel achter elkaar kan verwerken.

Eerder werk had aangetoond dat het beter bestudeerde type rubisco dat in planten wordt aangetroffen (vorm I) altijd een "octameerkern" -assemblage heeft van acht grote eiwiteenheden die zijn gerangschikt met acht kleine eenheden, terwijl werd aangenomen dat vorm II meestal bestond als een dimeer met een enkele zeldzame voorbeelden van zes-eenheid hexameren. Na het gebruik van deze complementaire technieken om monsters van rubisco van een breed scala aan microbensoorten te onderzoeken, merkten de auteurs op dat de meeste vorm II rubisco-eiwitten in feite hexameren zijn, met af en toe een dimeer, en ze ontdekten een nooit eerder vertoonde tetrameer (vier eenheden) bijeenkomst.

Door deze structurele gegevens te combineren met de respectievelijke eiwitcoderende gensequenties, kon het team reconstructie van voorouderlijke sequenties uitvoeren - een computergebaseerde moleculaire evolutiemethode die kan schatten hoe voorouderlijke eiwitten eruit zagen op basis van de sequentie en het uiterlijk van moderne eiwitten die daaruit zijn geëvolueerd.

De reconstructie suggereert dat het gen voor vorm II rubisco in de loop van zijn evolutionaire geschiedenis is veranderd om eiwitten te produceren met een reeks structuren die vrij gemakkelijk in nieuwe vormen veranderen of terugkeren naar oudere structuren. In de loop van de evolutie leidde selectieve druk daarentegen tot een reeks veranderingen die vorm I rubisco op zijn plaats hielden - een proces dat structurele verankering wordt genoemd - en daarom is de octamere assemblage de enige opstelling die we nu zien. Volgens de auteurs werd aangenomen dat de meeste eiwitsamenstellingen in de loop van de tijd verankerd raakten door selectieve druk om hun functie te verfijnen, zoals we zien bij vorm I rubisco. Maar dit onderzoek suggereert dat evolutie ook flexibele eiwitten kan bevorderen.

"De grote bevinding van dit artikel is dat er veel structurele plasticiteit is", zegt Shih, die ook een assistent-professor is aan UC Berkeley. "Eiwitten zijn over het hele veld misschien veel flexibeler dan we dachten."

Na het voltooien van de reconstructie van de voorouderlijke sequentie, voerde het team mutatie-experimenten uit om te zien hoe het veranderen van de rubisco-assemblage, in dit geval het breken van een hexameer in een dimeer, de activiteit van het enzym beïnvloedde. Onverwacht produceerde deze geïnduceerde mutatie een vorm van rubisco die beter is in het gebruik van zijn doelmolecuul, CO₂ . Alle natuurlijk voorkomende rubisco bindt vaak de O₂ . van dezelfde grootte molecuul per ongeluk, waardoor de productiviteit van het enzym wordt verlaagd. Er is veel interesse in het genetisch modificeren van de rubisco in agrarische plantensoorten om de affiniteit van het eiwit voor CO₂ te vergroten , om productievere en hulpbronnenefficiëntere gewassen te produceren. Er is echter veel aandacht besteed aan de actieve plaats van het eiwit - het gebied van het eiwit waar CO₂ of O₂ binden.

"Dit is een interessant inzicht voor ons omdat het suggereert dat we niet alleen naar het eenvoudigste antwoord kunnen kijken, het gebied van het enzym dat daadwerkelijk interageert met CO_{2 ", zei eerste auteur Albert Liu, een afgestudeerde student in het laboratorium van Shih. "Misschien zijn er mutaties buiten die actieve site die daadwerkelijk deelnemen aan deze activiteit en mogelijk de eiwitfunctie kunnen veranderen op een manier die we willen. Dus dat is iets dat echt deuren opent naar toekomstige onderzoeksrichtingen."}

Co-auteur Paul Adams, Associate Laboratory Director for Biosciences en Vice President for Technology bij JBEI voegde toe:"De mix van gebruikte technieken en het interdisciplinaire karakter van het team was een echte sleutel tot succes. Het werk benadrukt de kracht van het combineren van genomische gegevens en structurele biologiemethoden om een ​​van de belangrijkste problemen in de biologie te bestuderen en tot onverwachte conclusies te komen." + Verder verkennen

Studie vindt 'missing link' in de evolutionaire geschiedenis van koolstofbindend eiwit rubisco