Studie zeigt, wie ein zuckerempfindliches Protein als „Maschine“ fungiert, um das Pflanzenwachstum – und die Ölproduktion – ein- und auszuschalten

Proteine ​​sind molekulare Maschinen mit flexiblen Teilen und beweglichen Teilen. Das Verständnis, wie sich diese Teile bewegen, hilft Wissenschaftlern dabei, die Funktion eines Proteins in Lebewesen zu entschlüsseln – und möglicherweise auch, wie sich seine Wirkung ändern lässt. Biochemiker am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und Kollegen am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des DOE haben ein neues Beispiel dafür veröffentlicht, wie eine solche molekulare Maschine funktioniert.

Ihr Artikel in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte beschreibt wie die beweglichen Teile eines bestimmten Pflanzenproteins steuern, ob Pflanzen wachsen und energieintensive Produkte wie Öl herstellen können – oder stattdessen eine Reihe von Schritten einleiten, um wertvolle Ressourcen zu schonen. Die Studie konzentriert sich insbesondere darauf, wie die molekulare Maschinerie durch ein Molekül reguliert wird, dessen Gehalt mit dem Zuckergehalt – der Hauptenergiequelle der Pflanzen – steigt und fällt.

„Dieses Papier enthüllt den detaillierten Mechanismus, der Pflanzenzellen mitteilt, dass wir viel Zucker haben, und wie sich dieses Signal dann auf die biochemischen Pfade auswirkt, die Prozesse wie Pflanzenwachstum und Ölproduktion auslösen“, sagte Jantana Blanford, Biochemikerin am Brookhaven Lab und Leiterin der Studie Autor.

Die Studie baut auf früheren Arbeiten des Brookhaven-Teams auf, die molekulare Zusammenhänge zwischen Zuckerspiegeln und Ölproduktion in Pflanzen aufdeckten. Ein mögliches Ziel dieser Forschung besteht darin, bestimmte Proteine ​​– und Teile von Proteinen – zu identifizieren, die Wissenschaftler so entwickeln können, dass sie Pflanzen herstellen, die mehr Öl für die Verwendung als Biokraftstoffe oder andere ölbasierte Produkte produzieren.

„Die genaue Identifizierung der Wechselwirkungen dieser Moleküle und Proteine, wie es in dieser neuen Studie der Fall ist, bringt uns der Identifizierung näher, wie wir diese Proteine ​​so manipulieren können, dass sie die Pflanzenölproduktion steigern“, sagte John Shanklin, Vorsitzender der Biologieabteilung des Brookhaven Lab und Leiter des Forschungsteams .

Molekulare Wechselwirkungen entschlüsseln

Das Team nutzte eine Kombination aus Laborexperimenten und Computermodellen, um herauszufinden, wie das Molekül, das als Zucker-Proxy dient, an eine „Sensorkinase“ namens KIN10 bindet.

KIN10 ist das Protein, das die beweglichen Teile enthält, die bestimmen, welche biochemischen Wege ein- oder ausgeschaltet sind. Die Wissenschaftler wussten bereits, dass KIN10 sowohl als Zuckersensor als auch als Schalter fungiert: Wenn der Zuckerspiegel niedrig ist, interagiert KIN10 mit einem anderen Protein, um eine Kaskade von Reaktionen auszulösen, die letztendlich die Ölproduktion stoppen und energiereiche Moleküle wie Öl und andere Moleküle abbauen Stärke, um Energie zu erzeugen, die die Zelle antreibt.

Wenn der Zuckergehalt jedoch hoch ist, wird die Abschaltfunktion von KIN10 abgeschaltet, sodass Pflanzen wachsen und mit der reichlich vorhandenen Energie große Mengen Öl und andere Produkte herstellen können.

Aber wie legt die Zucker-Proxy-Bindung an KIN10 den Schalter um?

Um das herauszufinden, begann Blanford mit dem Sprichwort „Gegensätze ziehen sich an.“ Sie identifizierte drei positiv geladene Teile von KIN10, die möglicherweise von reichlich negativen Ladungen auf dem Zucker-Proxy-Molekül angezogen werden. Ein laborbasierter Eliminierungsprozess, bei dem Variationen von KIN10 mit Modifikationen an diesen Stellen vorgenommen wurden, identifizierte die einzig wahre Bindungsstelle.

Dann wandte sich das Brookhaven-Team an die Computerkollegen von PNNL.

Marcel Baer und Simone Raugei von PNNL untersuchten auf atomarer Ebene, wie der Zucker-Proxy und KIN10 zusammenpassen.

„Durch die Verwendung von Multiskalenmodellen haben wir beobachtet, dass das Protein in mehreren Konformationen existieren kann, aber nur eine von ihnen kann den Zucker-Proxy effektiv binden“, sagte Baer.

Die PNNL-Simulationen identifizierten wichtige Aminosäuren innerhalb des Proteins, die die Bindung des Zuckers steuern. Diese rechnerischen Erkenntnisse wurden dann experimentell bestätigt.

Die Kombination aus experimentellen und rechnerischen Informationen half den Wissenschaftlern zu verstehen, wie sich die Interaktion mit dem Zucker-Proxy direkt auf die Downstream-Aktion von KIN10 auswirkt.

Den Schalter umlegen

„Zusätzliche Analysen zeigten, dass das gesamte KIN10-Molekül bis auf eine lange flexible Schleife starr ist“, sagte Shanklin. Die Modelle zeigten auch, dass die Flexibilität der Schleife es KIN10 ermöglicht, mit einem Aktivatorprotein zu interagieren, um die Reaktionskaskade auszulösen, die letztendlich die Ölproduktion und das Pflanzenwachstum zum Erliegen bringt.

Wenn der Zuckergehalt niedrig ist und nur wenige Zucker-Proxy-Moleküle vorhanden sind, bleibt der Kreislauf flexibel und der Abschaltmechanismus kann das Pflanzenwachstum und die Ölproduktion reduzieren. Das sei sinnvoll, um wertvolle Ressourcen zu schonen, sagte Shanklin.

Wenn der Zuckergehalt jedoch hoch ist, bindet der Zucker-Proxy fest an KIN10.

„Die Berechnungen zeigen, wie dieses kleine Molekül die Schleife daran hindert, herumzuschwingen, und verhindert, dass sie die Abschaltkaskade auslöst“, sagte Blanford.

Auch dies ist sinnvoll, da den Pflanzen reichlich Zucker zur Ölherstellung zur Verfügung steht.

Nun, da die Wissenschaftler über diese detaillierten Informationen verfügen, wie könnten sie diese nutzen?

„Wir könnten unser neues Wissen möglicherweise nutzen, um KIN10 mit veränderter Bindungsstärke für den Zucker-Proxy zu entwickeln, um den Sollwert zu ändern, an dem Pflanzen Dinge wie Öl herstellen und Dinge abbauen“, sagte Shanklin.