Voor de microben die in de hitte wonen, zoute diepten van de Rode Zee, het leven is een delicate evolutionaire evenwichtsoefening. Alleen al om deze beestjes hun DNA te laten repliceren, hebben ze een enzym nodig dat is aangepast aan zowel hoge temperaturen als hoge zoutconcentraties. twee omgevingsfactoren die een compenserende selectiedruk op de structuur van een eiwit leggen.

Een KAUST-team heeft nu een DNA-synthetiserend enzym van een diepzeemicrobe gekarakteriseerd en ontwikkeld dat het verschil lijkt te splitsen, net stijf genoeg zijn voor thermische aanpassing, maar flexibel genoeg om door zout veroorzaakte structurele veranderingen aan te kunnen. De bevindingen laten zien hoe evolutie eiwitten zo kan afstemmen dat ze bij uitstek geschikt zijn voor leven in extreme omgevingen. Bovendien, ze kunnen praktische toepassingen hebben voor biotechnologie en biomedisch onderzoek.

"Deze eigenschappen zijn aantrekkelijk voor de volgende generatie DNA-sequencingtechnieken, ", zegt KAUST-professor Samir Hamdan die de studie leidde. "Het is absoluut de moeite waard om nu een aanzienlijke inspanning te leveren om het biotechnologische potentieel van DNA-verwerkende enzymen van deze micro-organismen te onderzoeken."

Hamdan en zijn laboratorium werkten samen met faculteitsleden van andere KAUST-groepen - waaronder het Red Sea Research Center en het Computational Bioscience Research Center - en van andere biologische en fysische wetenschappen om een ​​DNA-synthetiserend polymerase-enzym te bestuderen van een eencellige microbe die leeft van de kust van Saoedi-Arabië in een pekelbad dat vier keer zouter en 16 keer heter was dan gemiddeld zeewater. "Dit polymerase, " zegt de hoofdauteur van de studie, Masateru Takahashi, een onderzoeker in het laboratorium van Hamdan, "is de meest zouttolerante polymerase die ook thermisch stabiel is."

De onderzoekers modelleerden de structuur van het enzym op basis van de eiwitsequentie en voerden biochemische en structurele analyses uit om de fysieke configuratie te ondervragen. Ze identificeerden veel interacties tussen tegengesteld geladen gebieden van het eiwit dat het enzym vorm gaf. Echter, de overvloed aan overtollig negatief geladen gebieden hielp ook om het enzym tot op zekere hoogte uit elkaar te duwen, waardoor het de structurele dynamiek krijgt om met verhoogde zoutconcentraties om te gaan. Die flexibiliteit - en de daaropvolgende door zout veroorzaakte stijfheid - zou ook kunnen verklaren waarom dit polymerase-enzym een ​​uniek vermogen heeft om zinkionen als hulpmoleculen te gebruiken, in tegenstelling tot de meeste andere DNA-synthetiserende enzymen in zijn soort.

Met deze inzichten het KAUST-team creëerde een zouttolerante hybride versie van een polymerase die veel biologen al gebruiken om DNA te amplificeren voor hun experimenten. De inzichten verkregen uit deze gemanipuleerde enzymen, zegt Takahashi, zou kunnen leiden tot nieuwe reagentia en methoden voor de biotechnologische industrie.