Proteiner är molekylära maskiner, med flexibla bitar och rörliga delar. Att förstå hur dessa delar rör sig hjälper forskare att reda ut vilken funktion ett protein spelar i levande varelser – och potentiellt hur man kan ändra dess effekter. Biokemister vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory och kollegor vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har publicerat ett nytt exempel på hur en sådan molekylär maskin fungerar.
Deras artikel i tidskriften Science Advances beskriver hur de rörliga delarna av ett visst växtprotein styr om växter kan växa och göra energikrävande produkter som olja – eller istället sätter igång en rad steg för att bevara värdefulla resurser. Studien fokuserar specifikt på hur det molekylära maskineriet regleras av en molekyl som stiger och sjunker med nivån av socker – växternas huvudsakliga energikälla.
"Det här dokumentet avslöjar den detaljerade mekanismen som säger till växtceller, 'vi har massor av socker', och sedan hur den signaleringen påverkar de biokemiska vägarna som utlöser processer som växttillväxt och oljeproduktion", säger Brookhaven Labs biokemist Jantana Blanford, studiens ledare författare.
Studien bygger på tidigare arbete av Brookhaven-teamet som avslöjade molekylära kopplingar mellan sockernivåer och oljeproduktion i växter. Ett potentiellt mål med denna forskning är att identifiera specifika proteiner – och delar av proteiner – forskare kan konstruera för att tillverka växter som producerar mer olja för användning som biobränsle eller andra oljebaserade produkter.
"Att identifiera exakt hur dessa molekyler och proteiner interagerar, som den här nya studien gör, för oss närmare att identifiera hur vi kan konstruera dessa proteiner för att öka produktionen av växtolja", säger John Shanklin, ordförande för Brookhaven Labs biologiavdelning och ledare för forskargruppen. .
Teamet använde en kombination av laboratorieexperiment och beräkningsmodellering för att nollställa hur molekylen som fungerar som sockerproxy binder till ett "sensorkinas" känt som KIN10.
KIN10 är proteinet som innehåller de rörliga delarna som bestämmer vilka biokemiska vägar som är på eller av. Forskarna visste redan att KIN10 fungerar som både en sockersensor och en omkopplare:När sockernivåerna är låga interagerar KIN10 med ett annat protein för att starta en kaskad av reaktioner som i slutändan stänger av oljeproduktionen och bryter ner energirika molekyler som olja och stärkelse för att göra energi som driver cellen.
Men när sockernivåerna är höga stängs KIN10:s avstängningsfunktion av – vilket innebär att växter kan växa och göra massor av olja och andra produkter med den rikliga energin.
Men hur vänder sockerproxybindningen till KIN10 omkopplaren?
För att ta reda på det började Blanford med ordspråket "motsatser lockar." Hon identifierade tre positivt laddade delar av KIN10 som kan attraheras av rikliga negativa laddningar på sockerproxymolekylen. En laboratoriebaserad elimineringsprocess som involverade att göra variationer av KIN10 med modifieringar av dessa platser identifierade det enda verkliga bindningsstället.
Sedan vände sig Brookhaven-teamet till beräkningskollegor på PNNL.
Marcel Baer och Simone Raugei vid PNNL undersökte på atomnivå hur sockerproxyn och KIN10 passar ihop.
"Genom att använda flerskalemodellering observerade vi att proteinet kan existera i flera konformationer men bara en av dem kan effektivt binda sockerproxyn", sa Baer.
PNNL-simuleringarna identifierade nyckelaminosyror i proteinet som kontrollerar bindningen av sockret. Dessa beräkningsinsikter bekräftades sedan experimentellt.
Den kombinerade mängden experimentell och beräkningsinformation hjälpte forskarna att förstå hur interaktion med sockerproxy direkt påverkar nedströmsverkan av KIN10.
"Ytterligare analyser visade att hela KIN10-molekylen är stel utom en lång flexibel slinga," sa Shanklin. Modellerna visade också att slingans flexibilitet är det som gör att KIN10 kan interagera med ett aktivatorprotein för att utlösa kaskaden av reaktioner som i slutändan stänger av oljeproduktion och växttillväxt.
När sockernivåerna är låga och lite sockerproxymolekyl är närvarande, förblir slingan flexibel, och avstängningsmekanismen kan fungera för att minska växttillväxt och oljeproduktion. Det är vettigt att bevara värdefulla resurser, sa Shanklin.
Men när sockernivåerna är höga binder sockerproxyn hårt till KIN10.
"Beräkningarna visar hur denna lilla molekyl blockerar slingan från att svänga runt och hindrar den från att utlösa avstängningskaskaden," sa Blanford.
Återigen, detta är vettigt eftersom rikligt med socker är tillgängligt för växter att göra olja.
Nu när forskarna har denna detaljerade information, hur kan de använda den?
"Vi skulle potentiellt kunna använda vår nya kunskap för att designa KIN10 med ändrad bindningsstyrka för sockerproxyn för att ändra inställningspunkten vid vilken växter gör saker som olja och bryter ner saker," sa Shanklin.
Mer information: Jantana Blanford et al, Molecular mechanism of trehalose 6-phosphate inhibition of the plant metabolic sensor kinase SnRK1, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn0895. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn0895
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
