Le proteine sono macchine molecolari, con pezzi flessibili e parti mobili. Comprendere come si muovono queste parti aiuta gli scienziati a svelare la funzione che una proteina svolge negli esseri viventi e, potenzialmente, come modificarne gli effetti. I biochimici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e i colleghi del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del DOE hanno pubblicato un nuovo esempio di come funziona una di queste macchine molecolari.
Il loro articolo sulla rivista Science Advances descrive come le parti mobili di una particolare proteina vegetale controllano se le piante possono crescere e produrre prodotti ad alto consumo energetico come il petrolio, o invece mettono in atto una serie di passaggi per conservare risorse preziose. Lo studio si concentra specificamente su come il meccanismo molecolare è regolato da una molecola che sale e scende con il livello dello zucchero, la principale fonte di energia delle piante.
"Questo articolo rivela il meccanismo dettagliato che dice alle cellule vegetali, 'abbiamo molto zucchero', e poi come tale segnalazione influenza i percorsi biochimici che innescano processi come la crescita delle piante e la produzione di petrolio", ha affermato la biochimica Jantana Blanford del Brookhaven Lab, a capo dello studio. autore.
Lo studio si basa sul lavoro precedente del team di Brookhaven che ha scoperto collegamenti molecolari tra i livelli di zucchero e la produzione di petrolio nelle piante. Un potenziale obiettivo di questa ricerca è identificare proteine specifiche, e parti di proteine, che gli scienziati possono progettare per creare piante che producano più petrolio da utilizzare come biocarburanti o altri prodotti a base di petrolio.
"Identificare esattamente come queste molecole e proteine interagiscono, come fa questo nuovo studio, ci avvicina a identificare come potremmo progettare queste proteine per aumentare la produzione di olio vegetale", ha affermato John Shanklin, presidente del dipartimento di biologia del Brookhaven Lab e leader del gruppo di ricerca. .
Il team ha utilizzato una combinazione di esperimenti di laboratorio e modelli computazionali per concentrarsi su come la molecola che funge da proxy dello zucchero si lega a una "chinasi sensore" nota come KIN10.
KIN10 è la proteina che contiene le parti mobili che determinano quali percorsi biochimici sono attivi o disattivati. Gli scienziati sapevano già che KIN10 agisce sia come sensore di zucchero che come interruttore:quando i livelli di zucchero sono bassi, KIN10 interagisce con un’altra proteina per innescare una cascata di reazioni che alla fine interrompono la produzione di petrolio e distruggono molecole ricche di energia come petrolio e amido per produrre energia che alimenta la cellula.
Ma quando i livelli di zucchero sono elevati, la funzione di spegnimento di KIN10 viene disattivata, il che significa che le piante possono crescere e produrre molto olio e altri prodotti con l'abbondante energia.
Ma come fa il proxy dello zucchero che si lega a KIN10 a cambiare l'interruttore?
Per scoprirlo, Blanford ha iniziato con l'adagio "gli opposti si attraggono". Ha identificato tre parti del KIN10 caricate positivamente che potrebbero essere attratte da abbondanti cariche negative sulla molecola proxy dello zucchero. Un processo di eliminazione in laboratorio che prevedeva la creazione di variazioni di KIN10 con modifiche a questi siti ha identificato l'unico vero sito di legame.
Quindi il team di Brookhaven si è rivolto ai colleghi computazionali del PNNL.
Marcel Baer e Simone Raugei del PNNL hanno esaminato a livello atomico come il proxy dello zucchero e KIN10 si incastrano.
"Utilizzando la modellazione multiscala abbiamo osservato che la proteina può esistere in più conformazioni, ma solo una di esse può legare efficacemente il proxy dello zucchero", ha detto Baer.
Le simulazioni PNNL hanno identificato gli aminoacidi chiave all'interno della proteina che controllano il legame dello zucchero. Queste intuizioni computazionali sono state poi confermate sperimentalmente.
L'insieme combinato di informazioni sperimentali e computazionali ha aiutato gli scienziati a comprendere in che modo l'interazione con il proxy dello zucchero influisce direttamente sull'azione a valle del KIN10.
"Ulteriori analisi hanno mostrato che l'intera molecola KIN10 è rigida tranne che per un lungo anello flessibile", ha detto Shanklin. I modelli hanno anche dimostrato che la flessibilità del circuito è ciò che consente a KIN10 di interagire con una proteina attivatore per innescare la cascata di reazioni che alla fine interrompono la produzione di petrolio e la crescita delle piante.
Quando i livelli di zucchero sono bassi e sono presenti poche molecole sostitutive dello zucchero, il circuito rimane flessibile e il meccanismo di arresto può funzionare per ridurre la crescita delle piante e la produzione di petrolio. Ciò è logico per preservare risorse preziose, ha affermato Shanklin.
Ma quando i livelli di zucchero sono alti, il proxy dello zucchero si lega strettamente al KIN10.
"I calcoli mostrano come questa piccola molecola blocchi l'oscillazione del circuito e gli impedisca di innescare la cascata di spegnimento", ha detto Blanford.
Ancora una volta, questo ha senso poiché le piante hanno a disposizione abbondante zucchero per produrre olio.
Ora che gli scienziati hanno queste informazioni dettagliate, come potrebbero utilizzarle?
"Potremmo potenzialmente utilizzare le nostre nuove conoscenze per progettare KIN10 con una forza legante alterata per il proxy dello zucchero per modificare il punto di riferimento in cui le piante producono cose come il petrolio e le scompongono", ha detto Shanklin.
Ulteriori informazioni: Jantana Blanford et al, Meccanismo molecolare dell'inibizione del trealosio 6-fosfato della chinasi del sensore metabolico vegetale SnRK1, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn0895. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn0895
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dal Brookhaven National Laboratory
