Ljudi uglavnom unose većinu potrebnih masnih kiselina kroz ishranu. Ipak, biosinteza masnih kiselina je vitalni metabolički put. Za kvasce i bakterije je čak i nezamenljiv.
Veliki, multimerni kompleksi različitih enzima katalizuju biosintezu masnih kiselina u kvascima i višim organizmima, dok su bakterijske parnjake predstavljene pojedinačnim proteinima. Iako arhitektura biosintetičke mašinerije masnih kiselina značajno varira u različitim organizmima, katalizovane reakcije i pojedinačni enzimski moduli liče jedni na druge.
Timovi Maksa Planka predvođeni Holgerom Starkom, šefom Odeljenja za strukturnu dinamiku, i Ašvinom Čarijem, šefom istraživačke grupe za strukturnu biohemiju i mehanizme, sada su rešili trodimenzionalnu strukturu FAS kvasca, po prvi put na rezolucija bez presedana: 1,9 angstrema, 19 miliona puta manje od milimetra.
„U strukturnoj biologiji, prevazilaženje barijere od dva angstroma je od suštinskog značaja za razumevanje ćelijske hemije“, objašnjava direktor Maks Plank. „Otkrivamo najdublje delove FAS-a i možemo da posmatramo enzimske reakcije i hemijske detalje o tome kako proteini interaguju sa malim molekulima.“
Kombinacija biohemije i krioelektronske mikroskopije visoke rezolucije bila je ključna za uspeh naučnika iz Getingena. Za svoje eksperimente koristili su elektronski mikroskop najveće rezolucije na svetu koji ima sposobnost da razreši pojedinačne atome u proteinu.
Međutim, samo vizuelizacija FAS-a sa visokom preciznošću nije dovoljna za razumevanje njegove funkcije. Slično kao kod ljudi, gljivični FAS sintetiše masne kiseline u sedam pojedinačnih koraka reakcije korišćenjem definisanih hemijskih prekursora na cikličan, ponavljajući način. Svaki pojedinačni hemijski korak obavlja poseban enzimski modul u okviru FAS-a.
Rastući lanac masnih kiselina stoga mora biti transportovan od jednog enzimskog modula do drugog u efikasnom i uređenom nizu. Molekularni šatl – takozvani protein nosač acil (ACP) – obavlja ovaj važan zadatak i orkestrira koreografiju hemijskih reakcija potrebnih za biosintezu masnih kiselina. Konformaciona varijacija asimetrične jedinice FAS-a. Kredit: Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.10.009
Starkovi i Čarijevi timovi su takođe mogli da snime FAS u akciji i rekonstruišu kompletan ciklus biosinteze masnih kiselina. Za ovo su istraživači koristili kombinaciju metoda da prate ACP na svom putu kroz lavirint FAS. U početku su započeli biosintezu masnih kiselina u epruveti i zaustavili njenu aktivnost brzim zamrzavanjem molekula FAS-a nakon različitih vremenskih perioda. Ovo je omogućilo da se zaustavi FAS u različitim stanjima biosinteze masnih kiselina.
Krio-elektronski mikroskop je zatim snimio snimke u FAS ciklusu. „Pronalaženje precizne kombinacije i količine supstrata za zaustavljanje FAS-a na kritičnim tačkama u proizvodnom ciklusu bio je veliki tehnički izazov“, kaže vođa istraživačke grupe Čari. „Možemo samo rekonstruisati ceo ciklus biosinteze masnih kiselina ako su svi relevantni prelazi vizuelizovani i tačno opisani modelima.“
Sledeći korak je bio kompjuterski potpomognuto objašnjenje trodimenzionalnih FAS struktura.
Kašiš Sing, prvi autor rada koji je sada objavljen u časopisu Cell, objašnjava složenu proceduru: „Razvili smo procedure obrade slika koje razlažu FAS u pojedinačne funkcionalne odeljke. Zatim smo sortirali strukture na način da sekvenca slika predstavlja ciklus biosinteze masnih kiselina. Uz pomoć ovih snimaka, konačno smo mogli da pratimo kako mali ACP molekul interaguje sa određenim mestima FAS i drugim molekulima tokom proizvodnje masnih kiselina.“
Meina Neumann-Schaal, šef odeljenja na Institutu Lajbnic German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH, izvještava da je ovaj molekul takođe medicinski relevantan, „ACP kvasca FAS sadrži strukturni region koji nedostaje ljudskom paru.“
Ovo čini molekul obećavajućom polaznom tačkom za inhibiciju patogenih organizama koji takođe koriste FAS sličan kvascu. To uključuje patogeni kvasac kao što je Candida albicans, koji inficira sluzokože, kao i mikobakterije, infektivni agens koji leži u osnovi tuberkuloze. Kako multirezistentna tuberkuloza i dalje predstavlja izazov za uspešno lečenje, postoji hitna potreba za novim inhibitorima.
Još jedan nalaz istraživanja bi se potencijalno mogao iskoristiti za biotehnološki napredak. Čarijevi i Starkovi timovi su pružili dokaz da se dodatni enzimski moduli mogu ugraditi u FAS da bi se promenila njegova aktivnost. „Sa normalnom aktivnošću, FAS isporučuje mešavinu kratkih i dugolančanih masnih kiselina. U budućnosti, prilagođeni FAS bi se mogao koristiti za proizvodnju masnih kiselina željene dužine lanca“, kaže Čari.
Oni su potrebni u hemijskoj industriji za proizvodnju, između ostalog, kozmetike, sapuna i aroma. Posebno, ovo su takođe građevinski blokovi za farmaceutske proizvode i biogoriva. Istraživački timovi iz Getingena takođe vide priliku za održivu proizvodnju masnih kiselina korišćenjem posebno modifikovanih fabrika biosintetike FAS, umesto da ih ekstrahuju iz sirove nafte ili palminog ulja, kao što je trenutno slučaj.
