Gli esseri umani generalmente ingeriscono la maggior parte degli acidi grassi necessari attraverso la dieta. Tuttavia, la biosintesi degli acidi grassi è una via metabolica vitale. Per lieviti e batteri è addirittura indispensabile.
Grandi complessi multimerici di diversi enzimi catalizzano la biosintesi degli acidi grassi nei lieviti e negli organismi superiori, mentre le controparti batteriche sono rappresentate da singole proteine. Sebbene l'architettura del meccanismo biosintetico degli acidi grassi vari sostanzialmente nei diversi organismi, le reazioni catalizzate e i singoli moduli enzimatici si somigliano.
I team Max Planck guidati da Holger Stark, capo del Dipartimento di dinamica strutturale, e Ashwin Chari, capo del gruppo di ricerca Biochimica e meccanismi strutturali, hanno ora risolto la struttura tridimensionale del lievito FAS, per la prima volta in un risoluzione senza precedenti:1,9 angstrom, 19 milioni di volte più piccola di un millimetro.
"Nella biologia strutturale, il superamento della barriera dei due angstrom è essenziale per comprendere la chimica cellulare", spiega il direttore del Max Planck. "Riveliamo le parti più interne della FAS e possiamo osservare sia le reazioni enzimatiche che i dettagli chimici di come le proteine interagiscono con le piccole molecole."
La combinazione di biochimica e microscopia crioelettronica ad alta risoluzione è stata determinante per il successo degli scienziati di Göttingen. Per i loro esperimenti hanno utilizzato il microscopio elettronico con la più alta risoluzione al mondo, in grado di risolvere i singoli atomi in una proteina.
Visualizzare FAS ad alta precisione da solo, tuttavia, non è sufficiente per comprenderne la funzione. Similmente alla sua controparte umana, la FAS fungina sintetizza gli acidi grassi in sette fasi di reazione individuali utilizzando precursori chimici definiti in modo ciclico e ripetitivo. Ogni singolo passaggio chimico viene eseguito da un modulo enzimatico separato all'interno di FAS.
La catena degli acidi grassi in crescita deve quindi essere trasportata da un modulo enzimatico all'altro in una sequenza efficiente e ordinata. Una navetta molecolare, la cosiddetta proteina trasportatrice di acile (ACP), svolge questo importante compito e orchestra la coreografia delle reazioni chimiche necessarie per la biosintesi degli acidi grassi.
Osservare la navetta molecolare in azione
I team di Stark e Chari sono riusciti anche a filmare la FAS in azione e a ricostruire un ciclo completo di biosintesi degli acidi grassi. Per questo, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di metodi per seguire l’ACP nel suo percorso attraverso il labirinto della FAS. Inizialmente, hanno avviato la biosintesi degli acidi grassi in una provetta e ne hanno arrestato l'attività congelando rapidamente le molecole FAS dopo diversi periodi di tempo. Ciò ha permesso di arrestare la FAS in stati distinti di biosintesi degli acidi grassi.
Il criomicroscopio elettronico ha poi ripreso le istantanee nel ciclo FAS. "Trovare la combinazione precisa e la quantità di substrati per arrestare la FAS nei punti critici del ciclo di produzione è stata una grande sfida tecnica", afferma Chari, leader del gruppo di ricerca. "Possiamo ricostruire l'intero ciclo di biosintesi degli acidi grassi solo se tutte le transizioni rilevanti vengono visualizzate e descritte accuratamente da modelli."
Il passo successivo è stata la delucidazione assistita dal computer delle strutture FAS tridimensionali.
Kashish Singh, primo autore dell'articolo ora pubblicato sulla rivista Cell , spiega la complessa procedura, "Abbiamo sviluppato procedure di elaborazione delle immagini che scompongono FAS in singoli compartimenti funzionali. Abbiamo poi ordinato le strutture in modo che la sequenza di immagini rappresenti un ciclo di biosintesi degli acidi grassi. Con l'aiuto di queste istantanee, siamo stati finalmente in grado di tracciare come la piccola molecola ACP interagisce con determinati siti di FAS e altre molecole durante la produzione di acidi grassi."
Meina Neumann-Schaal, capo dipartimento presso l'Istituto Leibniz Collezione tedesca di microrganismi e colture cellulari GmbH, riferisce che questa molecola è rilevante anche dal punto di vista medico:"L'ACP del lievito FAS contiene una regione strutturale che manca alla controparte umana."
Ciò rende la molecola un punto di partenza promettente per inibire gli organismi patogeni che utilizzano anche il FAS simile al lievito. Questi includono lieviti patogeni come la Candida albicans, che infetta le mucose, nonché micobatteri, l'agente infettivo alla base della tubercolosi. Poiché la tubercolosi multiresistente rappresenta ancora una sfida per il successo del trattamento, c'è un urgente bisogno di nuovi inibitori.
Un altro risultato della ricerca potrebbe essere potenzialmente utilizzato per i progressi biotecnologici. I team di Chari e Stark hanno fornito la prova che ulteriori moduli enzimatici possono essere incorporati nel FAS per modificarne l'attività. "Con un'attività normale, la FAS fornisce un mix di acidi grassi a catena corta e lunga. In futuro, una FAS personalizzata potrebbe essere utilizzata per produrre acidi grassi della lunghezza di catena desiderata", afferma Chari.
Questi sono necessari nell'industria chimica per produrre, tra le altre cose, cosmetici, saponi e aromi. In particolare, questi sono anche elementi fondamentali per i prodotti farmaceutici e i biocarburanti. I gruppi di ricerca di Göttingen vedono anche l'opportunità di produrre acidi grassi in modo sostenibile utilizzando fabbriche biosintetiche FAS appositamente modificate, invece di estrarli dal petrolio greggio o dall'olio di palma come avviene attualmente.
Ulteriori informazioni: Kashish Singh et al, Ricostruzione di un ciclo di sintesi degli acidi grassi da proteine portatrici di acile e istantanee strutturali del cofattore, Cell (2023). DOI:10.1016/j.cell.2023.10.009
Informazioni sul giornale: Cella
Fornito dalla Max Planck Society
