Neue Erkenntnisse zum Kohlenstoffkreislauf von Cyanobakterienproteinen unter wechselnden Bedingungen

Die Produkte der Photosynthese sind leicht zu erkennen. Pflanzen, Algen und Cyanobakterien erzeugen die Luft, die wir atmen, und den Brennstoff für Nahrungsnetze, indem sie Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Zucker umwandeln. Wie die Photosynthese funktioniert, ist jedoch viel schwieriger zu erklären.

Die Photosynthese scheint viel mit einer Rube-Goldberg-Maschine gemeinsam zu haben: überraschende Abhängigkeiten, komplizierte Verbindungen und viele, viele bewegliche Teile. Viele dieser beweglichen Teile sind Proteine ​​– Aminosäurestrukturen, die Licht ernten, Moleküle transportieren und Reaktionen regulieren. Diese Proteine ​​zu identifizieren und dann herauszufinden, was sie tun, ist schwierig.

Proteine ​​sind winzig, selbst für das stärkste Lichtmikroskop unsichtbar und wankelmütig, sodass ihre Funktion oft sogar vor den entschlossensten Wissenschaftlern verborgen bleibt.

Arbeiten erscheinen In Naturkommunikation stellt sich der Herausforderung, eines dieser Proteine ​​– und seine Rolle bei der Photosynthese – im Cyanobakterium Synechocystis zu verstehen.

Durch eine Reihe von Experimenten an Universitäten und nationalen Anwendereinrichtungen fanden Forscher heraus, dass dieses Protein Eisen erkennt und die Energieproduktion fein abstimmt, wodurch Cyanobakterien sich schnell an ihre Umgebung anpassen können.

„Das von uns untersuchte Protein ist ein sehr interessanter Regulator, der die Verbindung zwischen Photosynthese, Atmung und Eisenhomöostase herstellen kann“, sagte Nicolas Grosjean, der Erstautor dieser Arbeit. Grosjean ist Wissenschaftler am Joint Genome Institute (JGI) des US-Energieministeriums, einer Einrichtung des DOE Office of Science User Facility am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Auch strukturell ist dieses Protein einzigartig. „Die Häm-Metall-Stelle, die wir in der Kristallstruktur gefunden haben, ist unseres Wissens nach eine Art metallisches Protein, von dem noch niemand zuvor eine Struktur hatte“, sagte Crysten Blaby-Haas, eine Forscherin am JGI und Molecular Foundry und leitende Autorin der Studie.

In anderen Proteinen findet man zwei Histidinreste, die ein eisenhaltiges Hämmolekül einschließen. In der Proteinstruktur, die Grosjean und Blaby-Haas untersuchten, hat dieses Sandwich eine zusätzliche äußere Schicht – zwei Zinkionen, eine Komponente, die sie Zinkspiegel-Hämstelle genannt haben.

Um so viele Details über diese Struktur zu erhalten, arbeiteten Grosjean und Blaby-Haas mit einer Reihe von Forschern des Albert Einstein College of Medicine, der Washington University in St. Louis und der University of California in Berkeley sowie anderen DOE-Nutzereinrichtungen zusammen – der National Synchrotron Light Source II des Brookhaven National Laboratory und der Stanford Synchrotron Radiation Light Source des SLAC National Accelerator Laboratory.

„Das DOE verfügt über einige erstaunliche Ressourcen und Mitarbeiter – nicht nur über die Instrumente, sondern auch über die Experten, mit denen wir bei diesem Projekt zusammenarbeiten konnten, um Fragen zu Struktur und Funktion zu stellen“, sagte Blaby-Haas.

Blaupausen im Hochdurchsatz betrachten

Diese Arbeit baut auf vielen anderen Bemühungen auf, die Rube-Goldberg-Maschine der Photosynthese zu verstehen. Historisch gesehen handelt es sich bei dieser Maschine um eine Maschine, die direkten Experimenten entgangen ist, daher haben Forscher die Baupläne untersucht, aus denen die Proteinteile dieser Maschine hervorgehen – die DNA und RNA der Photosynthese betreibenden Organismen. Diese Sequenzen liefern eine Liste der Maschinenteile und eine Vorstellung von ihrer Gruppierung.

Eine entscheidende Anstrengung in dieser Richtung ging von der Gruppe der UC Berkeley-Professorin und langjährigen JGI-Mitarbeiterin Sabeeha Merchant aus. Im Jahr 2011 inventarisierten sie eine Menge Baupläne, um Teile zu finden, die Photosynthese betreibende Organismen gemeinsam haben. Das Endergebnis war eine Liste von Genen, die als The GreenCut2 Resource bezeichnet wird. Sie enthält 597 Gene, die für Proteine ​​kodieren, die nur photosynthetisierende Organismen aufweisen.

„Viele Leute werden überrascht sein, dass wir bei vielen Genen auf dieser Liste keine Ahnung haben, was sie tun“, sagte Blaby-Haas. Dabei sind diese Gene der Schlüssel zur Photosynthese. Wenn wir sie verstehen, könnten sich neue Wege für den Kohlenstoffkreislauf, die Optimierung von Nutzpflanzen und die Herstellung von Bioprodukten eröffnen.

Daher machten sich Blaby-Haas und ihr Kollege Ian Blaby, ein Co-Autor der neuen Studie, daran, einige dieser Gene in Angriff zu nehmen. Sie exprimierten und reinigten die Bandbreite der von diesen Genen produzierten Proteine, um Beispiele zu identifizieren, die sich für In-vitro- und In-vivo-Experimente gut eignen würden.

Im Rahmen eines von Blaby geleiteten Projekts, das heute als Ausschreibung für Functional Genomics des Community Science Programs bekannt ist, synthetisierte das JGI Hunderte von Genen, die einen Teil der GreenCut-Gene mit unbekannter oder unsicherer Funktion darstellen. Diese Gene würden es dem Team ermöglichen, diese Bibliothek kodierter Proteine ​​mit hohem Durchsatz zu exprimieren. „Das JGI-Syntheseprojekt war der Funke, mit dem alles begann“, sagte Blaby-Haas.

Ein passenderer Name für eine unbekannte Person

Nach dem Screening von Hunderten von GreenCut2-Proteinen hatte Blaby-Haas mehrere Ideen für Proteine, die interessant und praktikabel schienen. Diese Kandidaten würden sich für weitere Experimente gut eignen, sodass sie Informationen über ihre spezifische Funktion sammeln und so unser Verständnis der Photosynthese erweitern konnte.

Ein erstes Ziel war eine Proteinfamilie, die in Pflanzen und Algen vorkam und eine ähnliche Region enthielt – eine Domäne unbekannter Funktion, DUF2470.

In der Welt der Proteine ​​ist eine Domäne unbekannter Funktion ein bisschen wie eine Unbekannte – anonym, geheimnisvoll, allgegenwärtig. Blaby-Haas und ihr Team starteten ein Projekt, das ihnen schließlich ermöglichen sollte, dieser Domäne unbekannter Funktion ein Gesicht und einen Namen zuzuordnen.

Zunächst durchsuchten sie den gesamten Stammbaum des Lebens und führten eine sehr komplexe CTRL+F-Suche nach dieser Domäne durch, um nach Kontexthinweisen zu suchen, die sie auf die Funktion der Domäne hinweisen könnten. Sie fanden viele Instanzen dieser Domäne, oft an andere Proteinstrukturen gebunden. Immer wieder stießen sie bei dieser Suche auf einen weiteren wichtigen Partner für dieses Protein – ein eisengebundenes Molekül namens Häm.

Photosynthese-Beteiligte sind für die lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese auf Eisen und Häm angewiesen, daher war dies ein spannender Partner. Das Bild dieser Jane Doe wurde immer klarer. Blaby-Haas und ihr Team vermuteten, dass DUF2470 der Schlüssel zum Eisenstoffwechsel sei, und benannten es in „Domain Related to Iron“ oder kurz DRI um.

Ein Kaleidoskop aus Struktur-Funktionsdaten

Um DRI experimentell zu untersuchen, verwendeten Blaby-Haas, Grosjean und ihr Team einen Modellorganismus, der diese Domäne als eigenständiges Protein produziert: das Cyanobakterium Synechocystis. Die Arbeit mit Synechocystis eröffnete auch Möglichkeiten, modifizierte Versionen dieser Proteindomäne zu untersuchen.

In einer Reihe von computergestützten, In-vitro- und In-vivo-Experimenten untersuchten sie, wie diese Domäne Eisen bindet und wie dies mit der Art und Weise zusammenhängt, wie Synechocystis Kohlenstoff zirkuliert.

Diese Experimente nutzten die Einrichtungen des DOE Office of Science auf ergänzende Weise, um diesen Proteinbereich zu untersuchen. Wissenschaftler am NSLS-II des Brookhaven National Laboratory verwendeten mehrere Röntgentechniken in Kombination mit fortschrittlichen Computersimulationen, um Bilder des Proteins mit und ohne seinen Hämpartner aufzunehmen. Dabei stellten sie fest, dass das Protein Zinkatome enthält, die sich auf beiden Seiten des Häms spiegeln.

Wissenschaftler am SSRL der Stanford University konnten entscheidende Daten liefern, die die Existenz der Zinkspiegel-Hämstelle belegen – der spannenden Strukturkomponente, die dieses Molekül auszeichnet.

Um besser zu verstehen, wie die enthüllte Struktur des Proteins mit seiner Funktion innerhalb der Zelle zusammenhängt, verwendete Grosjean das von JGI entwickelte guideRNA and Sequence Extraction Tool (gRNA-SeqRET), um Knock-out-Mutanten für Experimente zu erzeugen. Wenn das Cyanobakterium dieses Protein verliert, wird der Energiestoffwechsel gestört.

Diese Daten schaffen ein vielschichtiges Verständnis dieses mit Eisen verbundenen Bereichs, ein interdisziplinäres und gemeinschaftliches Unterfangen. „Alle Benutzereinrichtungen, mit denen wir zusammengearbeitet haben, sind in Bezug auf die Analyse und die faszinierenden Ergebnisse, die wir zusammenstellen konnten, auf dem neuesten Stand“, sagte Grosjean.

Mit dieser Bandbreite an Ergebnissen hat dieses Team eine Domäne mit unbekannter Funktion als „Domäne im Zusammenhang mit Eisen“ neu definiert und die Struktur und Funktion dieses Proteins definiert.

Ausgehend von einem Gen haben sie eine interessante Zinkspiegel-Hämstelle entdeckt, die eine Schlüsselrolle bei der Erkennung von Eisen und der Regulierung des Stoffwechsels bei der Photosynthese von Cyanobakterien spielt. Dies legt einen Teil der Photosynthese fest, der den Kohlenstoffkreislauf des Ozeans antreibt.

Angesichts der Tatsache, dass in Pflanzen und Algen ähnliche Proteindomänen existieren, könnten diese Erkenntnisse auch den Weg für Erkenntnisse über andere Photosynthese betreibende Organismen ebnen.