Cellen van alle levensvormen zijn omgeven door een membraan dat is gemaakt van fosfolipiden. Een daarvan zijn de cardiolipines, die vanwege hun unieke structuur een aparte klasse vormen. Bij het bestuderen van het enzym dat verantwoordelijk is voor de productie van cardiolipines in archaea (eencellige organismen die een apart domein van het leven vormen), biochemici van de Rijksuniversiteit Groningen deden een verrassende ontdekking. Een enkel archaea-enzym kan een spectaculaire reeks natuurlijke en niet-natuurlijke cardiolipines produceren, evenals andere fosfolipiden. De resultaten, die potentieel vertonen voor biotechnologische toepassingen, werden gepubliceerd in de Tijdschrift voor biologische chemie .

De fosfolipiden die het meest voorkomen in celmembranen bevatten een hydrofiele kop waaraan twee hydrofobe staarten zijn verbonden. Cardiolipines - zo genoemd omdat ze voor het eerst werden geïdentificeerd in hartcellen - zijn iets anders omdat ze zijn samengesteld uit een enkele kopgroep die is bevestigd aan vier lipidestaarten. "We weten welke enzymen verantwoordelijk zijn voor de productie van cardiolipine in bacteriën en eukaryoten, maar niet in archaea, " zegt Marten Exterkate, wie is de eerste auteur van de JBC papier.

Vreemde kopgroep

Zijn interesse in deze cardiolipines komt voort uit zijn werk aan een synthetische minimale cel. "Onze groep aan de Rijksuniversiteit Groningen richt zich op celmembraangroei, gebaseerd op de enzymatische productie van nieuwe fosfolipiden uit basisbouwstenen." Aangezien cardiolipines aanwezig zijn in celmembranen van organismen uit alle domeinen van het leven, het zijn gewenste componenten van de synthetische cel. Exterkate wilde weten welke enzymen verantwoordelijk zijn voor de aanmaak van cardiolipine in archaea. "De lipiden die het celmembraan van archaea vormen, verschillen structureel van die in de andere twee domeinen van het leven, Exterkate legt uit. terwijl de andere domeinen één dominant type cardiolipine hebben, archaea lijken verschillende soorten cardiolipines te produceren, met hoofdgroepen die bevatten, bijvoorbeeld, slechts een enkele negatieve lading of verschillende soorten suikers of sulfaatgroepen. Momenteel, we weten bijna niets over hoe ze worden gesynthetiseerd."

Door de genomen van archaeale soorten te doorzoeken, Exterkate vond verschillende genkandidaten voor cardiolipinesynthase. De meest veelbelovende uit de archaea Methanospirillum hungatei werd uitgedrukt in een standaard laboratoriumstam van de E coli bacterie, en het resulterende enzym werd geïsoleerd en gekarakteriseerd. "Toen we het enzym mengden met potentiële bouwstenen, het produceerde de verwachte cardiolipine-soorten. Maar toen merkten we iets heel verrassends:nog een cardiolipine met een heel vreemde kopgroep." Dit bleek een molecuul te zijn uit de bufferoplossing waarin de reactie plaatsvond.

Alarmbellen

"Alle alarmbellen begonnen te rinkelen, Exterkate herinnert zich. "Als het enzym dit buffermolecuul kan opnemen als een lipidekopgroep, wat zou het anders kunnen doen?" Zoals later bleek, het enzym was in staat om allerlei varianten van cardiolipines en andere fosfolipiden te produceren, met zowel natuurlijke als niet-natuurlijke hoofdgroepen. "Sommige enzymen zijn promiscue; ze kunnen iets andere varianten van hun normale substraten gebruiken. Maar dit enzym is in het extreme promiscue." Het kan lipiden produceren die, in bacteriële cellen, bijvoorbeeld, veel verschillende enzymen nodig.

Dit is het eerste geïdentificeerde enzym met het vermogen om een ​​hele reeks verschillende cardiolipines te produceren. Exterkate:"Andere archaea hebben vergelijkbare genen, die waarschijnlijk ook geschikt zijn voor de productie van verschillende cardiolipines, wat aangeeft dat de variëteit in archaeale cardiolipines kan worden gesynthetiseerd door hetzelfde enzym." Behalve dat het een verrassende ontdekking is, het nieuwe enzym zou interessant kunnen zijn voor de productie van zelfontworpen membranen. Dit is nuttig omdat kopgroepen in membraanfosfolipiden de algemene eigenschappen van het membraan en de functie van enzymen die erin zijn opgenomen, beïnvloeden. "De biotechnologische industrie zou dit enzym misschien kunnen gebruiken om membranen kunstmatig te engineeren voor specifieke doeleinden, ' zegt Exterkate.

Osmoregulatie

De ontdekking van dit promiscue enzym roept ook de vraag op waarom archaeale cellen al deze verschillende cardiolipines nodig hebben. Tot dusver, de leerboeken verwijzen naar cardiolipines als een bepaald molecuul. Het wordt duidelijk, Hoewel, dat cardiolipines een klasse van moleculen vormen. Exterkate en zijn collega's vermoeden dat het enzym betrokken is bij osmoregulatie. "Afhankelijk van de omgeving, het enzym kan de productie omschakelen naar verschillende fosfolipiden en daarbij de functionaliteit van het membraan veranderen."

Het enzym zou ook een aanwinst kunnen zijn voor de synthetische cel waar Exterkate en zijn collega's aan werken. "We waren van plan een membraan te produceren met een minimalistische fosfolipidesamenstelling, dus we zouden niet veel genen voor verschillende enzymen hoeven toe te voegen. Nutsvoorzieningen, we kunnen mogelijk veel verschillende fosfolipiden produceren met slechts een enkel enzym."