Undersøgelse afslører, hvordan et sukkersansende protein fungerer som en maskine til at slå plantevækst - og olieproduktion - til og fra

Proteiner er molekylære maskiner med fleksible stykker og bevægelige dele. At forstå, hvordan disse dele bevæger sig, hjælper videnskabsmænd med at opklare den funktion, et protein spiller i levende ting - og potentielt hvordan man ændrer dets virkninger. Biokemikere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og kolleger ved DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har offentliggjort et nyt eksempel på, hvordan en sådan molekylær maskine fungerer.

Deres papir i tidsskriftet Science Advances beskriver, hvordan de bevægelige dele af et bestemt planteprotein styrer, om planter kan vokse og lave energikrævende produkter såsom olie – eller i stedet indføre en række trin for at bevare dyrebare ressourcer. Undersøgelsen fokuserer specifikt på, hvordan det molekylære maskineri reguleres af et molekyle, der stiger og falder med niveauet af sukker - planters vigtigste energikilde.

"Dette papir afslører den detaljerede mekanisme, der fortæller planteceller, 'vi har masser af sukker', og så hvordan den signalering påvirker de biokemiske veje, der udløser processer som plantevækst og olieproduktion," sagde Brookhaven Labs biokemiker Jantana Blanford, studiets leder. forfatter.

Undersøgelsen bygger på tidligere arbejde fra Brookhaven-teamet, der afslørede molekylære forbindelser mellem sukkerniveauer og olieproduktion i planter. Et potentielt mål med denne forskning er at identificere specifikke proteiner – og dele af proteiner – forskere kan konstruere til at lave planter, der producerer mere olie til brug som biobrændstoffer eller andre oliebaserede produkter.

"At identificere præcis, hvordan disse molekyler og proteiner interagerer, som denne nye undersøgelse gør, bringer os tættere på at identificere, hvordan vi kan konstruere disse proteiner til at øge produktionen af ​​planteolie," siger John Shanklin, formand for Brookhaven Labs biologiafdeling og leder af forskerholdet .

Optrevling af molekylære interaktioner

Holdet brugte en kombination af laboratorieeksperimenter og beregningsmodeller for at finde ud af, hvordan molekylet, der fungerer som sukkerproxy, binder til en "sensorkinase" kendt som KIN10.

KIN10 er det protein, der indeholder de bevægelige dele, der bestemmer, hvilke biokemiske veje der er til eller fra. Forskerne vidste allerede, at KIN10 fungerer som både en sukkersensor og en kontakt:Når sukkerniveauet er lavt, interagerer KIN10 med et andet protein for at sætte gang i en kaskade af reaktioner, der i sidste ende lukker olieproduktionen ned og nedbryder energirige molekyler som olie og stivelse for at lave energi, der driver cellen.

Men når sukkerniveauet er højt, er KIN10's nedlukningsfunktion slukket - hvilket betyder, at planter kan vokse og lave masser af olie og andre produkter med den rigelige energi.

Men hvordan drejer sukkerproxy-bindingen til KIN10 kontakten?

For at finde ud af det startede Blanford med ordsproget om "modsætninger tiltrækker." Hun identificerede tre positivt ladede dele af KIN10, der kunne tiltrækkes af rigelige negative ladninger på sukkerproxymolekylet. En laboratoriebaseret elimineringsproces, der involverede at lave variationer af KIN10 med modifikationer af disse steder, identificerede det ene sande bindingssted.

Så henvendte Brookhaven-teamet sig til beregningskolleger hos PNNL.

Marcel Baer og Simone Raugei ved PNNL undersøgte på atomniveau, hvordan sukkerproxyen og KIN10 passer sammen.

"Ved at bruge multiskalamodellering observerede vi, at proteinet kan eksistere i flere konformationer, men kun en af ​​dem kan effektivt binde sukkerproxyen," sagde Baer.

PNNL-simuleringerne identificerede nøgleaminosyrer i proteinet, der kontrollerer bindingen af ​​sukkeret. Disse beregningsmæssige indsigter blev derefter bekræftet eksperimentelt.

Den kombinerede mængde af eksperimentel og beregningsmæssig information hjalp forskerne med at forstå, hvordan interaktion med sukkerproxyen direkte påvirker nedstrømshandlingen af ​​KIN10.

Vending af kontakten

"Yderligere analyser viste, at hele KIN10-molekylet er stift bortset fra en lang fleksibel løkke," sagde Shanklin. Modellerne viste også, at løkkens fleksibilitet er det, der tillader KIN10 at interagere med et aktivatorprotein for at udløse den kaskade af reaktioner, der i sidste ende lukker ned for olieproduktion og plantevækst.

Når sukkerniveauerne er lave, og der er lidt sukkerproxymolekyle til stede, forbliver løkken fleksibel, og nedlukningsmekanismen kan fungere for at reducere plantevækst og olieproduktion. Det giver mening at bevare dyrebare ressourcer, sagde Shanklin.

Men når sukkerniveauerne er høje, binder sukkerproxyen tæt til KIN10.

"Beregningerne viser, hvordan dette lille molekyle blokerer løkken i at svinge rundt og forhindrer den i at udløse nedlukningskaskaden," sagde Blanford.

Igen, dette giver mening, da rigeligt sukker er tilgængeligt for planter til at lave olie.

Nu hvor forskerne har denne detaljerede information, hvordan kan de så bruge dem?

"Vi kunne potentielt bruge vores nye viden til at designe KIN10 med ændret bindingsstyrke til sukkerproxyen for at ændre det sætpunkt, hvor planter fremstiller ting som olie og nedbryder ting," sagde Shanklin.

Flere oplysninger: Jantana Blanford et al., Molekylær mekanisme for trehalose 6-phosphathæmning af plantens metaboliske sensorkinase SnRK1, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn0895. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn0895

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Brookhaven National Laboratory