Proteini su molekularne mašine, sa fleksibilnim delovima i pokretnim delovima. Razumevanje kako se ovi delovi kreću pomaže naučnicima da otkriju funkciju koju protein igra u živim bićima – i potencijalno kako da promene njegove efekte. Biohemičari u Nacionalnoj laboratoriji u Brukhejvenu Ministarstva energetike SAD (DOE) i kolege u Nacionalnoj laboratoriji za severozapad Pacifika (PNNL) iz DOE objavili su novi primer kako jedna takva molekularna mašina funkcioniše.
Njihov rad u časopisu Science Advances opisuje kako pokretni delovi određenog biljnog proteina kontrolišu da li biljke mogu da rastu i proizvode energetski intenzivne proizvode kao što je ulje – ili umesto toga postavljaju niz koraka za očuvanje dragocenih resursa. Studija se posebno fokusira na to kako molekularnu mašineriju reguliše molekul koji raste i opada sa nivoom šećera – glavnog izvora energije biljaka.
„Ovaj rad otkriva detaljan mehanizam koji govori biljnim ćelijama „imamo puno šećera“, a zatim kako ta signalizacija utiče na biohemijske puteve koji pokreću procese kao što su rast biljaka i proizvodnja ulja“, rekla je biohemičarka iz Brookhaven laboratorije Jantana Blanford, voditeljka studije. autor.
Studija se zasniva na ranijem radu tima iz Brookhavena koji je otkrio molekularne veze između nivoa šećera i proizvodnje ulja u biljkama. Jedan od potencijalnih ciljeva ovog istraživanja je da identifikuju specifične proteine – i delove proteina – naučnici mogu da konstruišu da naprave biljke koje proizvode više ulja za upotrebu kao biogoriva ili druge proizvode na bazi ulja.
„Identifikovanje tačno kako ovi molekuli i proteini interaguju, kao što to čini ova nova studija, približava nas identifikaciji kako bismo mogli da konstruišemo ove proteine da povećamo proizvodnju biljnog ulja“, rekao je Džon Šenklin, predsednik Odeljenja za biologiju laboratorije Brookhaven i vođa istraživačkog tima. .
Tim je koristio kombinaciju laboratorijskih eksperimenata i računarskog modeliranja kako bi utvrdio kako se molekul koji služi kao proksi šećera vezuje za „senzorsku kinazu“ poznatu kao KIN10.
KIN10 je protein koji sadrži pokretne delove koji određuju koji su biohemijski putevi uključeni ili isključeni. Naučnici su već znali da KIN10 deluje i kao senzor šećera i kao prekidač: kada je nivo šećera nizak, KIN10 stupa u interakciju sa drugim proteinom kako bi pokrenuo kaskadu reakcija koje na kraju prekidaju proizvodnju ulja i razgrađuju molekule bogate energijom poput ulja i skrob za stvaranje energije koja pokreće ćeliju.
Ali kada je nivo šećera visok, funkcija isključivanja KIN10 se isključuje – što znači da biljke mogu rasti i proizvoditi mnogo ulja i drugih proizvoda sa obilnom energijom.
Ali kako se šećer proki vezuje za KIN10 okreće prekidač?
Da bi saznao, Blanford je počeo sa izrekom „suprotnosti se privlače“. Ona je identifikovala tri pozitivno naelektrisana dela KIN10 koja bi mogla biti privučena obiljem negativnih naelektrisanja na molekulu zamene šećera. Laboratorijski zasnovan proces eliminacije koji je uključivao pravljenje varijacija KIN10 sa modifikacijama ovih mesta identifikovao je jedno pravo mesto vezivanja.
Zatim se tim iz Brookhejvena obratio kompjuterskim kolegama u PNNL-u.
Marcel Baer i Simone Raugei iz PNNL-a ispitali su na atomskom nivou kako se šećerni proksi i KIN10 uklapaju zajedno.
„Koristeći višerazmerno modeliranje primetili smo da protein može postojati u više konformacija, ali samo jedna od njih može efikasno da veže zamenicu šećera“, rekao je Baer.
PNNL simulacije su identifikovale ključne aminokiseline unutar proteina koje kontrolišu vezivanje šećera. Ovi računski uvidi su zatim eksperimentalno potvrđeni.
Kombinovani korpus eksperimentalnih i računarskih informacija pomogao je naučnicima da shvate kako interakcija sa zamenom šećera direktno utiče na nizvodno dejstvo KIN10.
„Dodatne analize su pokazale da je ceo molekul KIN10 krut osim jedne dugačke fleksibilne petlje“, rekao je Shanklin. Modeli su takođe pokazali da je fleksibilnost petlje ono što omogućava KIN10 da stupi u interakciju sa proteinom aktivatora kako bi pokrenuo kaskadu reakcija koje na kraju zaustavljaju proizvodnju ulja i rast biljaka.
Kada je nivo šećera nizak, a prisutno je malo proksi molekula šećera, petlja ostaje fleksibilna, a mehanizam isključivanja može da funkcioniše kako bi smanjio rast biljaka i proizvodnju ulja. To ima smisla da se sačuvaju dragoceni resursi, rekao je Shanklin.
Ali kada su nivoi šećera visoki, proksi šećera se čvrsto vezuje za KIN10.
„Proračuni pokazuju kako ovaj mali molekul blokira petlju da se okreće i sprečava je da pokrene kaskadu isključivanja“, rekao je Blanford.
Opet, ovo ima smisla jer je biljkama dostupno obilje šećera za proizvodnju ulja.
Sada kada naučnici imaju ove detaljne informacije, kako bi ih mogli koristiti?
„Mogli bismo potencijalno da iskoristimo naše novo znanje da dizajniramo KIN10 sa izmenjenom snagom vezivanja za zamenik šećera da promenimo zadatu tačku na kojoj biljke prave stvari poput ulja i razgrađuju stvari“, rekao je Shanklin.
