För mikroberna som vistas i det varma, Röda havets salta djup, livet är en delikat evolutionär balansgång. Bara för att dessa djur ska kunna replikera sitt DNA krävs ett enzym som är anpassat till både höga temperaturer och höga saltkoncentrationer, två miljöfaktorer som utövar motverkande selektiva tryck på ett proteins struktur.

Ett KAUST-team har nu karakteriserat och konstruerat ett DNA-syntetiserande enzym från en djuphavsmikrob som verkar dela skillnaden, är precis tillräckligt stel för termisk anpassning, men tillräckligt flexibel för att hantera salt-inducerade strukturella förändringar. Fynden avslöjar hur evolutionen kan finjustera proteiner för att vara idealiska för liv i extrema miljöer. Dessutom, de skulle kunna ha praktiska tillämpningar för bioteknik och biomedicinsk forskning.

"Dessa egenskaper är tilltalande för nästa generations DNA-sekvenseringstekniker, " säger KAUST-professorn Samir Hamdan som ledde studien. "Det är absolut värt att lägga ner en betydande ansträngning nu på att utforska den biotekniska potentialen hos DNA-bearbetande enzymer från dessa mikroorganismer."

Hamdan och hans labb samarbetade med fakultetsmedlemmar från andra KAUST-grupper – inklusive Red Sea Research Center och Computational Bioscience Research Center – och över biologiska och fysikaliska vetenskapsavdelningar för att studera ett DNA-syntetiserande polymerasenzym från en encellig mikrob som funnits leva på Saudiarabiens kust i en saltvattenpool som var fyra gånger saltare och 16 gånger varmare än genomsnittligt havsvatten. "Detta polymeras, " säger studiens huvudförfattare, Masateru Takahashi, en forskare i Hamdans labb, "är det mest salttoleranta polymeraset som också är termiskt stabilt."

Forskarna modellerade enzymets struktur från dess proteinsekvens och genomförde biokemiska och strukturella analyser för att undersöka dess fysiska konfiguration. De identifierade många interaktioner mellan motsatt laddade regioner av proteinet som gav enzymet form. Dock, överflödet av överflödiga negativt laddade regioner hjälpte också till att pressa isär enzymet till viss del, ger den den strukturella dynamiken att hantera ökade saltkoncentrationer. Den flexibiliteten – och efterföljande saltinducerad styvhet – kan också förklara varför detta polymerasenzym har en unik förmåga att använda zinkjoner som hjälpmolekyler, till skillnad från de flesta andra DNA-syntetiserande enzymer i sitt slag.

Med dessa insikter, KAUST-teamet skapade en salttolerant hybridversion av ett polymeras som många biologer redan använder för att amplifiera DNA för sina experiment. Insikterna från dessa konstruerade enzymer, säger Takahashi, kan leda till nya reagenser och metoder för bioteknikindustrin.