Wetenschap
Uit onderzoek blijkt hoe een suikergevoelig eiwit fungeert als een machine om de plantengroei (en de olieproductie) aan en uit te zetten
Eiwitten zijn moleculaire machines, met flexibele onderdelen en bewegende delen. Door te begrijpen hoe deze delen bewegen, kunnen wetenschappers de functie van een eiwit in levende wezens ontrafelen – en mogelijk ook de effecten ervan veranderen. Biochemici van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en collega's van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van DOE hebben een nieuw voorbeeld gepubliceerd van hoe zo'n moleculaire machine werkt.
Hun artikel in het tijdschrift Science Advances beschrijft hoe de bewegende delen van een bepaald plantaardig eiwit bepalen of planten kunnen groeien en energie-intensieve producten zoals olie kunnen maken – of in plaats daarvan een reeks stappen kunnen ondernemen om kostbare hulpbronnen te behouden. Het onderzoek richt zich specifiek op de manier waarop de moleculaire machinerie wordt gereguleerd door een molecuul dat stijgt en daalt met het niveau van suiker – de belangrijkste energiebron van planten.
"Dit artikel onthult het gedetailleerde mechanisme dat plantencellen vertelt:'we hebben veel suiker', en vervolgens hoe die signalering de biochemische routes beïnvloedt die processen zoals plantengroei en olieproductie in gang zetten", zegt biochemicus Jantana Blanford van Brookhaven Lab, hoofd van het onderzoek. auteur.
De studie bouwt voort op eerder werk van het Brookhaven-team dat moleculaire verbanden blootlegde tussen suikerniveaus en olieproductie in planten. Een potentieel doel van dit onderzoek is het identificeren van specifieke eiwitten (en delen van eiwitten) die wetenschappers kunnen ontwikkelen om planten te maken die meer olie produceren voor gebruik als biobrandstoffen of andere op olie gebaseerde producten.
"Het precies identificeren van de interactie tussen deze moleculen en eiwitten, zoals deze nieuwe studie doet, brengt ons dichter bij het identificeren van hoe we deze eiwitten kunnen ontwikkelen om de productie van plantaardige olie te verhogen", zegt John Shanklin, voorzitter van de afdeling Biologie van Brookhaven Lab en leider van het onderzoeksteam. .
Het ontrafelen van moleculaire interacties
Het team gebruikte een combinatie van laboratoriumexperimenten en computermodellering om te onderzoeken hoe het molecuul dat dient als suikerproxy zich bindt aan een 'sensorkinase' bekend als KIN10.
KIN10 is het eiwit dat de bewegende delen bevat die bepalen welke biochemische routes aan of uit zijn. De wetenschappers wisten al dat KIN10 zowel als suikersensor als als schakelaar fungeert:wanneer de suikerniveaus laag zijn, interageert KIN10 met een ander eiwit om een cascade van reacties op gang te brengen die uiteindelijk de olieproductie stopzetten en energierijke moleculen zoals olie en andere stoffen afbreken. zetmeel om energie te maken die de cel aandrijft.
Maar als de suikerniveaus hoog zijn, wordt de uitschakelfunctie van KIN10 uitgeschakeld, wat betekent dat planten kunnen groeien en veel olie en andere producten kunnen maken met de overvloedige energie.
Maar hoe zet de suiker-proxy-binding aan KIN10 de schakelaar om?
Om daarachter te komen, begon Blanford met het adagium 'tegenpolen trekken elkaar aan'. Ze identificeerde drie positief geladen delen van KIN10 die mogelijk aangetrokken zouden kunnen worden door overvloedige negatieve ladingen op het suikerproxymolecuul. Een laboratoriumgebaseerd eliminatieproces waarbij variaties op KIN10 werden gemaakt met aanpassingen aan deze sites, identificeerde de enige echte bindingsplaats.
Vervolgens wendde het Brookhaven-team zich tot computationele collega's bij PNNL.
Marcel Baer en Simone Raugei van PNNL onderzochten op atomair niveau hoe de suikerproxy en KIN10 in elkaar passen.
"Door gebruik te maken van multischaalmodellering hebben we vastgesteld dat het eiwit in meerdere conformaties kan voorkomen, maar dat slechts één daarvan de suikerproxy effectief kan binden", aldus Baer.
De PNNL-simulaties identificeerden belangrijke aminozuren in het eiwit die de binding van de suiker controleren. Deze computationele inzichten werden vervolgens experimenteel bevestigd.
De gecombineerde hoeveelheid experimentele en computationele informatie hielp de wetenschappers begrijpen hoe de interactie met de suikerproxy rechtstreeks de stroomafwaartse actie van KIN10 beïnvloedt.
De schakelaar omzetten
"Aanvullende analyses toonden aan dat het hele KIN10-molecuul stijf is, op één lange flexibele lus na", zei Shanklin. De modellen lieten ook zien dat de flexibiliteit van de lus ervoor zorgt dat KIN10 kan interageren met een activatoreiwit, waardoor de cascade van reacties op gang komt die uiteindelijk de olieproductie en de plantengroei stopzetten.
Wanneer de suikerniveaus laag zijn en er weinig suiker-proxymolecuul aanwezig is, blijft de kringloop flexibel en kan het uitschakelmechanisme in werking treden om de plantengroei en de olieproductie te verminderen. Dat is logisch om kostbare hulpbronnen te behouden, zei Shanklin.
Maar als de suikerniveaus hoog zijn, bindt de suikerproxy stevig aan KIN10.
"De berekeningen laten zien hoe dit kleine molecuul het ronddraaien van de lus blokkeert en verhindert dat het de shutdown-cascade in gang zet", aldus Blanford.
Nogmaals, dit is logisch, aangezien er overvloedige suikers beschikbaar zijn voor planten om olie te maken.
Nu de wetenschappers over deze gedetailleerde informatie beschikken, hoe kunnen ze deze dan gebruiken?
"We zouden onze nieuwe kennis mogelijk kunnen gebruiken om KIN10 te ontwerpen met een gewijzigde bindingssterkte voor de suikerproxy, om het setpoint te veranderen waarop planten dingen als olie maken en dingen afbreken", aldus Shanklin.