Celler av alla livsformer är omgivna av ett membran som är gjort av fosfolipider. En av dessa är kardiolipinerna, som bildar en separat klass på grund av sin unika struktur. När man studerar enzymet som är ansvarigt för att producera kardiolipiner i archaea (encelliga organismer som utgör en separat domän av livet), biokemister vid universitetet i Groningen gjorde en överraskande upptäckt. Ett enda arkealt enzym kan producera ett spektakulärt utbud av naturliga och icke-naturliga kardiolipiner, såväl som andra fosfolipider. Resultaten, som visar potential för biotekniska tillämpningar, publicerades i Journal of Biological Chemistry .

De fosfolipider som finns mest i cellmembranen innehåller ett hydrofilt huvud till vilket två hydrofoba svansar är anslutna. Kardiolipiner - så kallade eftersom de först identifierades i hjärtceller - är något annorlunda eftersom de består av en enda huvudgrupp som är fäst vid fyra lipidsvansar. "Vi vet vilka enzymer som är ansvariga för kardiolipinproduktionen i bakterier och eukaryoter, men inte i archaea, säger Mårten Exterkate, vem är den första författaren till JBC papper.

Udda huvudgrupp

Hans intresse för dessa kardiolipiner härrör från hans arbete med en syntetisk minimalcell. "Vår grupp vid universitetet i Groningen fokuserar på cellmembrantillväxt, baserat på den enzymatiska produktionen av nya fosfolipider från grundläggande byggstenar." Eftersom kardiolipiner finns i cellmembranen hos organismer från alla livets domäner, de är önskade komponenter i den syntetiska cellen. Exterkate ville veta vilka enzymer som är ansvariga för kardiolipinproduktionen i archaea. "Lipiderna som bildar cellmembranet hos archaea skiljer sig strukturellt från de i livets två andra domäner, " Exterkate förklarar. "Dessutom, medan de andra domänerna har en dominerande typ av kardiolipin, archaea verkar producera olika typer av kardiolipiner, med huvudgrupper som innehåller, till exempel, endast en enda negativ laddning eller olika sorters sockerarter eller sulfatgrupper. För närvarande, vi vet nästan ingenting om hur de syntetiseras."

Genom att söka i arvsmassan hos arkeala arter, Exterkate hittade flera genkandidater för kardiolipinsyntas. Den mest lovande från arkean Methanospirillum hungatei uttrycktes i en standardlaboratoriestam av E coli bakterie, och det resulterande enzymet isolerades och karakteriserades. "När vi blandade enzymet med potentiella byggstenar, den producerade den förväntade kardiolipin-arten. Men sedan märkte vi något riktigt överraskande:ett annat kardiolipin med en mycket udda huvudgrupp." Detta visade sig vara en molekyl från buffertlösningen där reaktionen ägde rum.

Alarmklockor

"Alla varningsklockor började ringa, Exterkate minns. "Om enzymet kan införliva denna buffertmolekyl som en lipidhuvudgrupp, vad mer kunde det göra?" Som det visade sig, enzymet kunde producera alla typer av varianter av kardiolipiner och andra fosfolipider, som innehåller både naturliga och icke-naturliga huvudgrupper. "Vissa enzymer är promiskuösa; de kan använda lite olika varianter av sina normala substrat. Men det här enzymet är promiskuöst i det extrema." Det kan producera lipider som, i bakterieceller, till exempel, kräver många olika enzymer.

Detta är det första identifierade enzymet med förmågan att producera en hel rad olika kardiolipiner. Exterkate:"Andra arkéer har liknande gener, som förmodligen också är lämpade för att producera olika kardiolipiner, vilket indikerar att variationen i arkeala kardiolipiner kan syntetiseras av samma enzym." Förutom att det är en överraskande upptäckt, det nya enzymet kan vara intressant för tillverkning av egendesignade membran. Detta är användbart eftersom huvudgrupper i membranfosfolipider påverkar de övergripande egenskaperna hos membranet och funktionen hos enzymer som är inkorporerade i det. "Bioteknikindustrin skulle kanske kunna använda detta enzym för att på konstgjord väg konstruera membran för specifika ändamål, säger Exterkate.

Osmoreglering

Upptäckten av detta promiskuösa enzym väcker också frågan om varför arkeala celler behöver alla dessa olika kardiolipiner. Än så länge, läroböckerna hänvisar till kardiolipiner som en speciell molekyl. Det blir tydligt, fastän, att kardiolipiner bildar en klass av molekyler. Exterkate och hans kollegor misstänker att enzymet är inblandat i osmoreglering. "Beroende på miljön, enzymet kan ändra produktionen mot olika fosfolipider och på så sätt, ändra funktionaliteten hos membranet."

Enzymet kan också visa sig vara en bonus för den syntetiska cellen som Exterkate och hans kollegor arbetar med. "Vi planerade att producera ett membran med en minimalistisk fosfolipidsammansättning, så vi skulle inte behöva lägga till massor av gener för olika enzymer. Nu, vi kan potentiellt producera massor av olika fosfolipider med bara ett enda enzym."