Identifikation af en ny familie af lys-responsive proteiner

Da Han Bao begyndte at lede efter en ny cyanobakterieart at studere, hun anede ikke, at den perfekte kandidat bare var ovenpå.

Han er en del af Kerfeld-laboratoriets projekt omkring orange carotenoid protein (OCP), et protein, der reagerer på lys fra omgivelserne for at beskytte sine værter, cyanobakterier (tidligere kendt som "blågrønalger").

Interessen for OCP er dobbelt:For det første, det spiller en fremtrædende rolle i cyanobakteriel fotosyntese, og Kerfeld-laboratoriet ønsker at forstå, hvordan det fungerer.

De ønsker så at bruge den viden til at omkonstruere dette protein til anvendelser inden for vedvarende energi og medicin.

Og efter at Han og hendes kammerater udførte en bioinformatisk analyse af cyanobakterielle genomer (et genom er en komplet kopi af en organismes DNA-plan), hun fandt ud af Montgomery laboratoriet, også på MSU-DOE Plant Research Laboratory, har specialiseret sig i en art, der ville lette hendes undersøgelse af en ny familie af OCP-proteiner, hun identificerede.

Hendes studie, offentliggjort i tidsskriftet Natur Planter (artiklen lavede tidsskriftets forside), introducerer og beskriver denne nye familie, kaldet OCP2.

Et stigende antal cyanobakterier genomer

"De fleste af de tidligere undersøgelser af OCP fokuserer på den, der findes i en cyanobakterie kaldet Synechocystis, Han siger. "Denne OCP, kendt som OCP1, er meget velundersøgt."

Men i løbet af de sidste fem år, hundredvis af cyanobakterielle genomer er blevet tilgængelige til analyse.

Dataene viser videnskabsmænd, hvordan nutidens OCP'er, og deres domænehomologer, har udviklet sig over milliarder af år i forskellige cyanobakterier, gradvist at diversificere og specialisere sig i forskellige funktioner.

Trods alt, cyanobakterier er sofistikerede organismer, lever i dramatisk forskellige miljøer rundt om på planeten, fra frysende arktiske områder til varme kilder i Yellowstone National Park.

OCP'er har tilpasset sig i overensstemmelse hermed for at beskytte cyanobakterier mod skadelig lyseksponering. Og deres funktionelle mangfoldighed er interessant til at udvikle vedvarende energi eller udtænke nye sundhedsværktøjer, Derfor ønsker Kerfeld-laboratoriet at forstå, hvordan forskellige OCP-familier fungerer.

Introduktion til OCP2

"Vi lavede en bioinformatikanalyse for at analysere alle cyanobakterie-genomer, der er tilgængelige i databasen, Han siger. "Vi fandt to nye OCP-familier, ud over den velundersøgte OCP1. Vi fokuserede vores opmærksomhed på OCP2, findes i cyanobakterien, Fremyella, som er studeret af Montgomery lab."

Interessant nok, OCP-evolution har ført til, at både OCP1 og OCP2 er til stede i Fremyella, skabe en fantastisk mulighed for at sammenligne begge familier i én organisme.

"Vi fandt ud af, at OCP2 har andre egenskaber sammenlignet med OCP1. F.eks. OCP2 reagerer meget hurtigere på ændringer i omgivelsernes lysforhold."

På den anden side, OCP2 har brug for en forholdsvis højere lysintensitet, før den aktiveres for at beskytte cyanobakterien, mens OCP1 kan beskytte den ved lavere lysintensiteter.

OCP2's struktur er også enklere end OCP1's. Han og Kerfeld-laboratoriet mener, at sådanne karakteristika tyder på, at OCP2 er et mere primitivt protein.

"Vi har flere evolutionære beviser til støtte for den påstand. Vi ved, at OCP1 har udviklet sig til at interagere med et andet protein i Fremyella, kaldet FRP (fluorescence recovery protein). Hvad FRP'er gør er at fremskynde OCP1's genopretning i mørke. Men, OCP2 interagerer ikke med FRP."

Her er, hvad hun tror, ​​der skete. OCP1 udviklede sig til at interagere med FRP som en måde at tilføje et lag af regulering, i sin søgen efter at beskytte cyanobakterier.

Selvom den ekstra interaktion sænker OCP1, det gør det bedre – mere raffineret – eller "klogere" til sit arbejde.

En god analogi er bureaukratisk bureaukrati:samspillet med FRP er som et ekstra lag papirarbejde, som bremser en virksomheds aktiviteter. Men normalt, etablerede bureaukratier er mere stabile.

Men at OCP2 er primitiv betyder ikke, at det er mindre nyttigt, især når man overvejer syntetisk biologi applikationer.

"Forskellige familier har unikke interessante egenskaber. En anden undersøgelse i vores laboratorium viste netop, hvordan OCP1 og OCP2 fungerer forskelligt, når vi skiller dem ad og ser på dem. Deres forskellige egenskaber vil være nyttige til at udvikle forskellige applikationer, afhængig af hver families styrker."

Kerfeld-laboratoriet er på jagt efter flere OCP-familier, ud over OCP2, i sin fortsatte søgen efter at opbygge en strukturel og funktionel videnbase om dette protein.