Le cellule di tutte le forme di vita sono circondate da una membrana costituita da fosfolipidi. Uno di questi sono le cardiolipine, che formano una classe separata a causa della loro struttura unica. Quando si studia l'enzima responsabile della produzione di cardiolipine negli archei (organismi unicellulari che costituiscono un dominio separato della vita), i biochimici dell'Università di Groningen hanno fatto una scoperta sorprendente. Un singolo enzima arcaico può produrre una gamma spettacolare di cardiolipine naturali e non naturali, così come altri fosfolipidi. I risultati, che mostrano potenziale per applicazioni biotecnologiche, sono stati pubblicati in Journal of Biological Chemistry .

I fosfolipidi più abbondanti nelle membrane cellulari contengono una testa idrofila alla quale sono collegate due code idrofobe. Le cardiolipine, così chiamate perché sono state identificate per la prima volta nelle cellule del cuore, sono leggermente diverse poiché sono costituite da un singolo gruppo di testa che è attaccato a quattro code lipidiche. "Sappiamo quali enzimi sono responsabili della produzione di cardiolipina nei batteri e negli eucarioti, ma non nell'archea, "dice Marten Exterkate, chi è il primo autore di JBC carta.

Strano gruppo di testa

Il suo interesse per queste cardiolipine deriva dal suo lavoro su una cellula minima sintetica. "Il nostro gruppo all'Università di Groningen si concentra sulla crescita della membrana cellulare, basato sulla produzione enzimatica di nuovi fosfolipidi da elementi costitutivi di base." Poiché le cardiolipine sono presenti nelle membrane cellulari degli organismi di tutti i domini della vita, sono componenti desiderati della cellula sintetica. Exterkate voleva sapere quali enzimi sono responsabili della produzione di cardiolipina negli archei. "I lipidi che formano la membrana cellulare degli archei sono strutturalmente diversi da quelli degli altri due domini della vita, " Exterkate spiega. "Inoltre, mentre gli altri domini hanno un tipo dominante di cardiolipina, gli archaea sembrano produrre diversi tipi di cardiolipine, con gruppi di testa che contengono, Per esempio, solo una singola carica negativa o diversi tipi di zuccheri o gruppi solfati. Attualmente, non sappiamo quasi nulla su come vengono sintetizzati."

Ricercando i genomi delle specie archeali, Exterkate ha trovato diversi geni candidati per la cardiolipina sintasi. Il più promettente degli archaea Methanospirillum hungatei è stata espressa in un ceppo standard di laboratorio di E. coli batterio, e l'enzima risultante è stato isolato e caratterizzato. "Quando abbiamo mescolato l'enzima con potenziali elementi costitutivi, ha prodotto la specie cardiolipina attesa. Ma poi abbiamo notato qualcosa di veramente sorprendente:un'altra cardiolipina con un gruppo di testa molto strano." Questa si è rivelata una molecola della soluzione tampone in cui ha avuto luogo la reazione.

campanelli d'allarme

"Tutti i campanelli d'allarme hanno iniziato a suonare, " Exterkate ricorda. "Se l'enzima può incorporare questa molecola tampone come un gruppo di testa lipidico, cos'altro potrebbe fare?" Come si è scoperto, l'enzima era in grado di produrre tutti i tipi di cardiolipine varianti e altri fosfolipidi, contenenti gruppi di testa sia naturali che non naturali. "Alcuni enzimi sono promiscui; possono utilizzare varianti leggermente diverse dei loro normali substrati. Ma questo enzima è estremamente promiscuo". Può produrre lipidi che, nelle cellule batteriche, Per esempio, richiedono molti enzimi diversi.

Questo è il primo enzima identificato con la capacità di produrre un'intera gamma di diverse cardiolipine. Exterkate:"Altri archaea hanno geni simili, che probabilmente sono anche adatte a produrre diverse cardiolipine, indicando che la varietà nelle cardiolipine archeali potrebbe essere sintetizzata dallo stesso enzima." Oltre ad essere una scoperta sorprendente, il nuovo enzima potrebbe essere interessante per la produzione di membrane autoprogettate. Questo è utile perché i gruppi di testa nei fosfolipidi di membrana influenzano le proprietà complessive della membrana e la funzione degli enzimi che sono incorporati in essa. "L'industria delle biotecnologie potrebbe forse utilizzare questo enzima per ingegnerizzare artificialmente le membrane per scopi specifici, "dice Exterkate.

osmoregolazione

La scoperta di questo enzima promiscuo solleva anche la questione del perché le cellule archeali abbiano bisogno di tutte queste diverse cardiolipine. Finora, i libri di testo si riferiscono alle cardiolipine come a una particolare molecola. Sta diventando chiaro, anche se, che le cardiolipine formano una classe di molecole. Exterkate ei suoi colleghi sospettano che l'enzima sia coinvolto nell'osmoregolazione. "A seconda dell'ambiente, l'enzima può spostare la produzione verso diversi fosfolipidi e così facendo, alterare la funzionalità della membrana."

L'enzima potrebbe anche rivelarsi un bonus per la cellula sintetica su cui stanno lavorando Exterkate e i suoi colleghi. "Abbiamo pianificato di produrre una membrana con una composizione fosfolipidica minimalista, quindi non avremmo bisogno di aggiungere molti geni per enzimi diversi. Ora, possiamo potenzialmente produrre molti fosfolipidi diversi utilizzando un solo enzima".