La maggior parte delle persone non pensa molto allo zinco. Ma tutti gli esseri viventi hanno bisogno di zinco per sopravvivere. Questo oligoelemento aiuta molte proteine ​​​​a piegarsi nelle forme giuste per svolgere il loro lavoro. E nelle proteine ​​note come enzimi, lo zinco aiuta a catalizzare le reazioni chimiche, comprese molte importanti per fornire energia alle cellule. Se lo zinco è assente, le persone, gli animali domestici e le piante non prosperano.

Questo è uno dei motivi per cui i biologi del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sono così interessati a questo elemento.

"Stiamo cercando modi per coltivare piante di bioenergia - piante che producono biocarburanti o la cui biomassa può essere convertita in combustibile - e farlo su terreni non adatti alla coltivazione di colture alimentari", ha affermato il biologo di Brookhaven Lab Crysten Blaby, che ha anche ha un incarico aggiuntivo presso la Stony Brook University. "Quindi, siamo interessati alle strategie che la natura utilizza per sopravvivere quando mancano lo zinco e altri micronutrienti."

In un articolo appena pubblicato sulla rivista Cell Reports, Blaby e i suoi colleghi descrivono una di queste strategie:una cosiddetta proteina "chaperone" che fornisce lo zinco dove è necessario, il che potrebbe essere particolarmente importante quando l'accesso allo zinco è limitato. Sebbene gli scienziati, incluso Blaby, sospettassero da tempo l'esistenza di un accompagnatore di zinco, la nuova ricerca fornisce la prima prova definitiva identificando una "destinazione" per le sue consegne.

Attraverso una serie di test biochimici ed esperimenti genetici, il team ha identificato una proteina zinco-dipendente che non può funzionare correttamente senza l'accompagnatore. Quella proteina, chiamata MAP1, esiste in tutte le specie, dal lievito e dai topi alle piante e alle persone. Ciò significa che i risultati hanno rilevanza non solo per le piante ma anche per la salute degli esseri umani, dove la carenza di zinco porta a problemi di crescita e sviluppo.

"I nostri obiettivi sono la sostenibilità delle colture bioenergetiche, ma poiché le proteine ​​che stiamo studiando si trovano quasi ovunque, la nostra ricerca ha applicazioni molto ampie", ha affermato Blaby.

Tracciare una scoperta

Altri metalli in traccia, come nichel e rame, vengono trasportati intorno alle cellule dagli accompagnatori perché possono essere tossici. Gli accompagnatori impediscono ai metalli reattivi di impegnarsi in "associazioni indesiderate". Le reazioni tra alcuni metalli in traccia e l'ossigeno generano radicali liberi dannosi per le cellule. Ma lo zinco non sembra avere la propensione per relazioni così pericolose.

"Lo zinco è uno ione metallico relativamente innocuo. Dal momento che non reagisce con l'ossigeno per creare specie reattive dell'ossigeno, abbiamo pensato che forse si diffonde solo per arrivare dove deve andare senza la necessità di un accompagnatore", ha detto Blaby. Ma ciò non ha impedito agli scienziati di cercarne uno.

Quando Blaby era una studentessa laureata all'Università della Florida nei primi anni 2000, ha lavorato con la professoressa Valérie de Crécy-Lagard, che per prima ha predetto che i membri di una famiglia di proteine ​​​​chiamata CobW erano gli accompagnatori di zinco mancanti. "La mia ricerca come parte di quel gruppo ha fornito la prova che se ne esiste una, probabilmente era una proteina in questa famiglia. Ma per dimostrare che funziona come un accompagnatore di zinco, dovevamo identificare la destinazione:la proteina a cui stava fornendo lo zinco, " disse Blaby.

Molti gruppi hanno lavorato a questa sfida per anni, ma ancora non sono riusciti a trovare e dimostrare l'obiettivo del presunto accompagnatore.

Il data mining rivela indizi

Avanti veloce fino a quando Blaby ha iniziato a costruire il suo gruppo di ricerca a Brookhaven nel 2016. Mentre estraeva dati sulle interazioni tra le proteine ​​che erano state depositate in database ricercabili nell'ultimo decennio, ha trovato prove di un'interazione tra una proteina nella presunta famiglia di chaperone di zinco e una proteina chiamata metionina aminopeptidasi o MAP1. E ha trovato l'interazione sia nel lievito che nell'uomo.

"Ogni volta che vedi un'interazione proteica conservata come quella, in organismi molto diversi, di solito significa che è importante", ha detto Blaby.

MAP1, si scopre, modifica molte proteine ​​nella cellula, in quasi tutte le specie. Se MAP1 non funziona, le proteine ​​non modificate hanno problemi. E MAP1 dipende dallo zinco per funzionare.

"I pezzi stavano iniziando a riunirsi", ha detto Blaby. "Poi è iniziato il vero divertimento, che consisteva nel testare la nostra ipotesi molto specifica:che questa proteina che chiamiamo ZNG1 (pronunciato zing 1) è l'accompagnatore che fornisce lo zinco a MAP1."

Blaby ha lavorato con i postdoc di Brookhaven Miriam Pasquini e Nicolas Grosjean, che hanno progettato e condotto una serie di esperimenti per inchiodare il caso. I due condividono la prima paternità sul foglio.

"È stata davvero una grande squadra da riunire per fare entrambe le cose in vivo e iin vitro lavoro necessario per fornire finalmente prove sperimentali per la funzione di queste proteine", ha detto Blaby.

La prova è nel pallone

In primo luogo, utilizzando cellule di lievito a crescita rapida, Grosjean ha eliminato il gene che dice alle cellule come produrre ZNG1. Se questa proteina è l'accompagnatore che fornisce zinco a MAP1, allora MAP1 non dovrebbe funzionare correttamente nelle cellule knockout.

E quando lo zinco è carente nell'ambiente, il difetto nella funzione MAP1 dovrebbe peggiorare.

"Quando molte proteine ​​competono per lo zinco limitato, è una situazione in cui, se c'è un accompagnatore, potrebbe aiutare a scegliere quale delle tante proteine ​​dipendenti dallo zinco dovrebbe ottenere questa preziosa risorsa", ha spiegato Grosjean. In altre parole, quando lo zinco è limitato, l'assenza dell'accompagnatore dovrebbe farsi sentire di più.

I risultati sono stati proprio come previsto:le cellule senza il gene per ZNG1 avevano difetti nell'attività MAP1 e il livello di difetto è aumentato nell'ambiente a basso contenuto di zinco.

Successivamente, Pasquini ha guidato un progetto per purificare le due proteine, ZNG1 e MAP1, in isolamento. In primo luogo, ha mostrato che quando non è presente zinco, come previsto, MAP1 da solo non funziona.

Quindi ha mescolato MAP1 con ZNG1 che era stato caricato con zinco. Ma ancora una volta, non c'era attività MAP1. Gli scienziati hanno ritenuto che mancasse qualcos'altro.

Attraverso una serie di esperimenti, hanno dimostrato che ZNG1 deve essere attivato per consegnare il suo carico di zinco. Tale attivazione proviene da una molecola di energia nota come GTP.

"Quello che pensiamo che accada è che l'accompagnatore leghi GTP e abbia una certa conformazione o forma", ha detto Pasquini. "Quando rilascia l'energia da GTP, cambia forma. Pensiamo che il cambiamento conformazionale possa essere importante per legare e rilasciare lo zinco."

Quando Pasquini ha aggiunto GTP al mix di ZNG1 caricato con zinco e MAP1, ha finalmente osservato l'attività di MAP1.

"È solo dopo aver aggiunto la molecola di energia che vedi prove del trasferimento di zinco a MAP1", ha detto.

Insieme, questi esperimenti hanno fornito la prova che la proteina a lungo sospettata ora nota come ZNG1 funge da chaperone per fornire zinco a MAP1.

Implicazioni su larga scala

Il team ha anche collaborato con gli scienziati dell'Environmental Molecular Sciences Laboratory, una struttura che utilizza il DOE Office of Science presso il Pacific Northwest National Laboratory, su esperimenti di "proteomica" su larga scala. E hanno lavorato con Estella Yee presso il National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) del Brookhaven Lab, un'altra struttura utente del DOE Office of Science, su studi di modellizzazione computazionale per comprendere il complesso proteico che si forma tra lo zinco chaperone e MAP1.

"Il nostro in vivo e in vitro gli esperimenti riguardavano solo un paio di giocatori. Ciò che la proteomica ci ha permesso di fare è stato vedere come l'eliminazione del gene della zinco transferasi influisca su tutti le proteine ​​e studia l'impatto che questi giocatori hanno sul resto della cellula e dell'organismo", ha detto Blaby.

Uno dei maggiori impatti è che le cellule non possono più adattarsi a bassi livelli di zinco.

"Le cellule si sono evolute in modo che quando le concentrazioni di zinco diventano troppo basse, un gruppo di geni si attiva per rispondere a questo cambiamento di circostanze. Ma quando ti sbarazzi di ZNG1, molti di quei geni rimangono disattivati", ha detto Blaby.

"Stiamo ora basandoci su questo lavoro fondamentale completato nell'organismo modello di lievito in rapida crescita per capire come queste proteine ​​​​e le loro funzioni sono conservate nelle colture bioenergetiche", ha affermato Blaby. "Questo lavoro mette in luce una strategia precedentemente sconosciuta che le piante utilizzano per prosperare quando lo zinco è limitante nel suolo. Comprendere tali strategie può aiutarci a escogitare modi per ottimizzare la produttività delle colture e ottenere bioenergie ecosostenibili".

Pasquini ha aggiunto:"La possibilità per le piante di acquisire resilienza in suoli a basso contenuto di zinco significa anche che saremmo in grado di sfruttare i terreni non seminativi per coltivare colture bioenergetiche, lasciando terreni fertili dedicati ad altri scopi agricoli. Spingendo le cellule vegetali a produrre più ZNG1 plausibilmente consentirebbe una crescita superiore su terreni marginali impoveriti di zinco". + Esplora ulteriormente

Lo studio identifica il primo "chaperone" cellulare per lo zinco