Les protéines sont des machines moléculaires, dotées de pièces flexibles et de pièces mobiles. Comprendre comment ces éléments se déplacent aide les scientifiques à comprendre la fonction qu’une protéine joue chez les êtres vivants et potentiellement comment modifier ses effets. Des biochimistes du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) et des collègues du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (PNNL) du DOE ont publié un nouvel exemple du fonctionnement d’une telle machine moléculaire.
Leur article dans la revue Avancées scientifiques décrit comment les parties mobiles d’une protéine végétale particulière contrôlent si les plantes peuvent pousser et fabriquer des produits à forte intensité énergétique comme le pétrole – ou mettent plutôt en place une série de mesures pour conserver les ressources précieuses. L’étude se concentre spécifiquement sur la façon dont la machinerie moléculaire est régulée par une molécule qui augmente et diminue avec le niveau de sucre, principale source d’énergie des plantes.
« Cet article révèle le mécanisme détaillé qui indique aux cellules végétales que nous avons beaucoup de sucre, puis comment cette signalisation affecte les voies biochimiques qui déclenchent des processus tels que la croissance des plantes et la production de pétrole », a déclaré Jantana Blanford, biochimiste au Brookhaven Lab, responsable de l’étude. auteur.
L’étude s’appuie sur des travaux antérieurs de l’équipe de Brookhaven qui ont découvert des liens moléculaires entre les niveaux de sucre et la production d’huile dans les plantes. L’un des objectifs potentiels de cette recherche est d’identifier des protéines spécifiques – et des parties de protéines – que les scientifiques peuvent concevoir pour fabriquer des plantes qui produisent plus de pétrole afin de les utiliser comme biocarburants ou d’autres produits à base de pétrole.
« Identifier exactement comment ces molécules et protéines interagissent, comme le fait cette nouvelle étude, nous rapproche de l’identification de la manière dont nous pourrions concevoir ces protéines pour augmenter la production d’huile végétale », a déclaré John Shanklin, président du département de biologie du Brookhaven Lab et chef de l’équipe de recherche. .
Démêler les interactions moléculaires
L’équipe a utilisé une combinaison d’expériences en laboratoire et de modélisation informatique pour se concentrer sur la façon dont la molécule qui sert de substitut au sucre se lie à une « kinase capteur » connue sous le nom de KIN10.
KIN10 est la protéine qui contient les pièces mobiles qui déterminent quelles voies biochimiques sont activées ou désactivées. Les scientifiques savaient déjà que KIN10 agit à la fois comme un capteur de sucre et un interrupteur : lorsque les niveaux de sucre sont faibles, KIN10 interagit avec une autre protéine pour déclencher une cascade de réactions qui finissent par arrêter la production de pétrole et décomposer les molécules riches en énergie comme le pétrole et l’amidon pour produire l’énergie qui alimente la cellule.
Mais lorsque les niveaux de sucre sont élevés, la fonction d’arrêt du KIN10 est désactivée, ce qui signifie que les plantes peuvent pousser et produire beaucoup d’huile et d’autres produits avec cette énergie abondante.
Mais comment la liaison du proxy Sugar à KIN10 fait-elle basculer l’interrupteur ?
Pour le savoir, Blanford est parti de l’adage selon lequel « les contraires s’attirent ». Elle a identifié trois parties chargées positivement de KIN10 qui pourraient être attirées par de nombreuses charges négatives sur la molécule proxy du sucre. Un processus d’élimination en laboratoire qui impliquait de faire des variations de KIN10 avec des modifications de ces sites a identifié le seul véritable site de liaison.
Ensuite, l’équipe de Brookhaven s’est tournée vers des collègues informaticiens du PNNL.
Marcel Baer et Simone Raugei du PNNL ont examiné au niveau atomique comment le proxy sucre et KIN10 s’articulent.
« En utilisant une modélisation multi-échelle, nous avons observé que la protéine peut exister sous plusieurs conformations, mais qu’une seule d’entre elles peut se lier efficacement au sucre », a déclaré Baer.
Les simulations PNNL ont identifié des acides aminés clés au sein de la protéine qui contrôlent la liaison du sucre. Ces connaissances informatiques ont ensuite été confirmées expérimentalement.
L’ensemble combiné d’informations expérimentales et informatiques a aidé les scientifiques à comprendre comment l’interaction avec le proxy sucre affecte directement l’action en aval de KIN10.
Basculer l’interrupteur
« Des analyses supplémentaires ont montré que la molécule KIN10 entière est rigide, à l’exception d’une longue boucle flexible », a déclaré Shanklin. Les modèles ont également montré que la flexibilité de la boucle permet à KIN10 d’interagir avec une protéine activatrice pour déclencher la cascade de réactions qui finissent par arrêter la production de pétrole et la croissance des plantes.
Lorsque les niveaux de sucre sont faibles et que peu de molécules substituts du sucre sont présentes, la boucle reste flexible et le mécanisme d’arrêt peut fonctionner pour réduire la croissance des plantes et la production d’huile. Cela est logique pour conserver des ressources précieuses, a déclaré Shanklin.
Cette animation montre comment une boucle flexible (orange) sur une protéine végétale appelée KIN10 (jaune) lui permet d’interagir avec une autre protéine (verte) — mais uniquement lorsque les niveaux de sucre sont faibles. L’interaction des deux protéines déclenche une cascade de réactions qui dégradent d’autres protéines impliquées dans la synthèse de l’huile afin que la plante puisse conserver ses ressources. Lorsque les niveaux de sucre sont élevés, ce qui signifie que la plante dispose de ressources abondantes, une molécule proxy du sucre bloque le mouvement de balancement de la boucle. Cela empêche l’interaction protéique, qui maintient ouverte la voie de production de pétrole. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Mais lorsque les niveaux de sucre sont élevés, le proxy du sucre se lie étroitement à KIN10.
« Les calculs montrent comment cette petite molécule bloque la boucle et l’empêche de déclencher la cascade d’arrêt », a déclaré Blanford.
Encore une fois, cela est logique puisque les plantes disposent d’une quantité abondante de sucre pour produire de l’huile.
Maintenant que les scientifiques disposent de ces informations détaillées, comment pourraient-ils les utiliser ?
« Nous pourrions potentiellement utiliser nos nouvelles connaissances pour concevoir KIN10 avec une force de liaison modifiée pour le substitut du sucre afin de modifier le point de consigne auquel les plantes produisent des éléments comme l’huile et les décomposent », a déclaré Shanklin.
Plus d’information:
Jantana Blanford et al, Mécanisme moléculaire de l’inhibition du tréhalose 6-phosphate de la kinase du capteur métabolique végétal SnRK1, Avancées scientifiques (2024). DOI : 10.1126/sciadv.adn0895. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn0895