Archaeal enzym, der producerer membranlipider, er spektakulært promiskuøst

Celler af alle livsformer er omgivet af en membran, der er lavet af fosfolipider. En af disse er cardiolipinerne, som danner en separat klasse på grund af deres unikke struktur. Når man studerer det enzym, der er ansvarligt for at producere cardiolipiner i archaea (enkeltcellede organismer, der udgør et separat livsdomæne), biokemikere ved universitetet i Groningen gjorde en overraskende opdagelse. Et enkelt arkæalt enzym kan producere et spektakulært udvalg af naturlige og ikke-naturlige cardiolipiner, samt andre fosfolipider. Resultaterne, som viser potentiale for bioteknologiske anvendelser, blev offentliggjort i Journal of Biological Chemistry .

De fosfolipider, der er mest udbredt i cellemembraner, indeholder et hydrofilt hoved, hvortil to hydrofobe haler er forbundet. Cardiolipiner - såkaldt fordi de først blev identificeret i hjerteceller - er lidt anderledes, da de består af en enkelt hovedgruppe, der er knyttet til fire lipidhaler. "Vi ved, hvilke enzymer der er ansvarlige for cardiolipinproduktion i bakterier og eukaryoter, men ikke i archaea, " siger Marten Exterkate, hvem er den første forfatter til JBC papir.

Ulige hovedgruppe

Hans interesse for disse cardiolipiner stammer fra hans arbejde med en syntetisk minimalcelle. "Vores gruppe på University of Groningen fokuserer på cellemembranvækst, baseret på den enzymatiske produktion af nye fosfolipider fra grundlæggende byggesten." Da cardiolipiner er til stede i cellemembraner af organismer fra alle livets domæner, de er ønskede komponenter i den syntetiske celle. Exterkate ønskede at vide, hvilke enzymer der er ansvarlige for cardiolipinproduktion i archaea. "Lipiderne, der danner cellemembranen i archaea, er strukturelt forskellige fra dem i livets to andre domæner, " Exterkate forklarer. "Yderligere, mens de andre domæner har en dominerende type cardiolipin, archaea ser ud til at producere forskellige slags cardiolipiner, med hovedgrupper, der indeholder, for eksempel, kun en enkelt negativ ladning eller forskellige slags sukkerarter eller sulfatgrupper. I øjeblikket, vi ved næsten intet om, hvordan de er syntetiseret."

Ved at søge i genomerne af arkæiske arter, Exterkate fandt flere genkandidater for cardiolipinsyntase. Den mest lovende fra archaea Methanospirillum hungatei blev udtrykt i en standard laboratoriestamme af E coli bakterie, og det resulterende enzym blev isoleret og karakteriseret. "Da vi blandede enzymet med potentielle byggesten, det producerede den forventede kardiolipin-art. Men så bemærkede vi noget virkelig overraskende:et andet cardiolipin med en meget mærkelig hovedgruppe." Dette viste sig at være et molekyle fra bufferopløsningen, hvori reaktionen fandt sted.

Alarmklokker

"Alle alarmklokkerne begyndte at ringe, " husker Exterkate. "Hvis enzymet kan inkorporere dette buffermolekyle som en lipidhovedgruppe, hvad kunne den ellers gøre?" Som det viste sig, enzymet var i stand til at producere alle slags varianter af cardiolipiner og andre fosfolipider, indeholdende både naturlige og ikke-naturlige hovedgrupper. "Nogle enzymer er promiskuøse; de ​​kan bruge lidt forskellige varianter af deres normale substrater. Men dette enzym er promiskuøst i det yderste." Det kan producere lipider, i bakterieceller, for eksempel, kræver mange forskellige enzymer.

Dette er det første identificerede enzym med evnen til at producere en hel række forskellige cardiolipiner. Exterkate:"Andre arkæer har lignende gener, som sandsynligvis også er velegnede til at producere forskellige cardiolipiner, hvilket indikerer, at variationen i archaeal cardiolipiner kunne syntetiseres af det samme enzym." Udover at være en overraskende opdagelse, det nye enzym kunne være interessant til fremstilling af selvdesignede membraner. Dette er nyttigt, fordi hovedgrupper i membranfosfolipider påvirker membranens overordnede egenskaber og funktionen af ​​enzymer, der er inkorporeret i den. "Den bioteknologiske industri kunne måske bruge dette enzym til kunstigt at konstruere membraner til specifikke formål, " siger Exterkate.

Osmoregulering

Opdagelsen af ​​dette promiskuøse enzym rejser også spørgsmålet om, hvorfor archaeal-celler har brug for alle disse forskellige cardiolipiner. Indtil nu, lærebøgerne omtaler cardiolipiner som ét bestemt molekyle. Det er ved at blive klart, selvom, at kardiolipiner danner en klasse af molekyler. Exterkate og hans kolleger har mistanke om, at enzymet er involveret i osmoregulering. "Afhængig af miljøet, enzymet kan ændre produktionen mod forskellige fosfolipider og dermed ændre funktionaliteten af ​​membranen."

Enzymet kan også vise sig at være en bonus for den syntetiske celle, som Exterkate og hans kolleger arbejder på. "Vi planlagde at producere en membran med en minimalistisk fosfolipidsammensætning, så vi behøver ikke tilføje en masse gener for forskellige enzymer. Nu, vi kan potentielt producere mange forskellige fosfolipider ved kun at bruge et enkelt enzym."